圆截面微通道内液滴生成模拟研究赵苗苗+王洪成+吴立群摘要：本文对微纳米级T型圆截面微通道内液滴的形成機制进行仿真模拟研究，并得到连续相流速与液滴直径大小关系。通过改变连续相流速，分别对选用的三种不同物性流体进行液滴生成仿真模拟，验证了圆截面微通道内液滴生成的可行性，并得到了当其余参数保持不变改变连续相流速时，液滴直径随流速的增加呈指数型函数变化趋势减小的结论。关键词：连续相流速；微液滴尺寸；T型微通道DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.1860前言微流控技术[1]是在微纳米下对液、气体进行操控的技术，有耗时短、用量少等[2]优点，近年来该技术在化学、生物和医学等领域[3，4]得到广泛应用，比如蛋白质结晶[5]、纤维素液滴[6]、药物筛选[7]等。尤其是结构简单的T型通道内液滴制备成为了研究重点[8]。目前受加工工艺限制制备的通道形状以矩形为主，对圆截面微通道研究较少，且更多采用实验方法，很难方便精确的改变流体的单一参数且研究成本高。而仿真模拟研究不仅能克服实验带来的缺点，并且设置便捷、计算精确，近几年吸引了更多学者的关注[9]。1模型设计及边界条件的确定通过SolidWorks软件对T型微通道建立模型，设定连续相为主通道中方向，分散相为垂直主通道方向，分散相通道直径为200μm，连续相通道直径为500μm。选用Fluent软件进行仿真分析，选择四边形网格作为网格类型，将通道划分为9600个矩形单元网格，主要是将其作为两相流体的体积追踪控制单元。在仿真模拟的边界条件的设置中，选用水相为分散相，硅油为连续相，两相入口定义为速度入口，左端入口定义为inlet1，上端入口定义为inlet2；右端出口定义自由出口outflow。另外，定义通道的内壁为静止壁面类型。2液滴生成的仿真模拟为了研究圆截面微通道内连续相流速与液滴直径的关系，对微通道内连续相流速进行研究和分析。选用三组不同物性流体分别进行液滴生成仿真分析。Group1：=0.0048kg/m·s，=0.07N/m；Group2：=0.0018kg/m·s，=0.07N/m；Group3：=0.0048kg/m·s，=0.09N/m。当连续相流速值Uc分别为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.4、0.5m/s时，对不同物性流体进行仿真，并得到不同直径尺寸的微液滴，其中，液滴尺寸的大小按三种物性流体的不同分为三组，分别为D1、D2和D3。3结果与分析为了增加数值分析结果的可靠性，对三组不同物性流体数值仿真，所得仿真数据导出后经过MATLAB处理获得液滴直径尺寸，并对不同直径进行绘制得到对应的直径数据直观图如图1所示。根据数据分析直观图可得，排除个别数据误差和系统误差带来的影响，得出以下结论：在圆截面微通道条件下，其余各项参数保持不变时，当改变连续相流速这一单一变量的大小，D1、D2和D3三组数据分析结果也随之变化，并随流速的增加呈指数型函数变化趋势减小，更加证实了在圆截面通道内对液滴生成操控的可行性与可控性。参考文献：[1]林炳承.微流控芯片的研究及产业化[J].分析化学，2016，44（04）：491-499.[2]穆莉莉，荣莉，黄友锐等.基于PMMA的微流控芯片的微液滴制备与控制[J].微纳电子技术，2016，53（02）：108-113.[3]JiaML，MengZ，YeongWY.Characterizationandevaluationof3Dprintedmicrofluidicchipforcellprocessing[J].Microfluidics&Nanofluidics，2016，20（01）：1-15.[4]ZhuangQC，NingRZ，YuanMA，etal.Recentdevelopmentinmicrofluidicchipsforinvitrocell-basedresearch[J].ChineseJournalofAnalyticalChemistry，2016，44（04）：522-532.[5]LiL，IsmagilovRF.Proteincrystallizationusingmicrofluidictechnologiesbasedonvalves，droplets，andSlipChip[J].AnnualReviewofBiophysics，2010，39（39）：139.[6]童芳丽.纤维素微球和纤维素复合晶胶微球的制备新方法研究[D].浙江大学，2014.[7]郑振，陈阳，李武宏等.液滴微流控芯片技术及其在药物筛选中的应用[J].药学服务与研究，2016，16（03）：163-169.[8]吴纪周.T型微通道内微液滴形成机制的CFD模拟[D].重庆大学，2011.[9]AfkhamiS，LeshanskyAM，RenardyY.NumericalinvestigationofelongateddropsinamicrofluidicT-junction[J].PhysicsofFluids，2011，23（02）：23303-23342.-全文完-