研究：微通道內液 / 液微分散體系流型分析

相對氣 / 液兩相微分散流型，液 / 液兩相在微通道內的流型相對簡(jiǎn)單，有關(guān)報道也相對集中。

Thorsen 等 [1] 首先嘗試了在 T 形微通道中采用錯流剪切的方法制備單分散液滴。研究者指出，在微通道中，雖然流體的流動(dòng)處于低雷諾數的狀態(tài)，但是由于兩相流體的界面不是靜止的，流動(dòng)仍然是非線(xiàn)性的，會(huì )造成相分散。

液滴的形成主要將通過(guò)界面張力和連續相剪切力的競爭決定。實(shí)驗中通過(guò)改變油相和水相的壓力來(lái)控制所形成液滴和液柱的尺寸和頻率，并且可以將液滴在通道中的分散狀態(tài)在較大范圍內調控。圖 1為研究者給出的液 / 液兩相流型。

由圖可以看出，當水相壓力低于油相壓力時(shí)，會(huì )形成分散的液滴；當固定油相壓力，增大水相壓力時(shí)，會(huì )出現有序的連續液滴流；而當水相壓力大于油相壓力時(shí)，會(huì )形成有序的液柱分散流。

在實(shí)驗條件下，兩相流可以呈現出液滴 / 液柱單層分散、液滴 Z 字形排布、珍珠鏈狀串聯(lián)和液滴多層排布等多種復雜而又非常有規則的流型分布，這與宏觀(guān)通道中液 / 液兩相分散行為有著(zhù)很大的區別。

隨后，徐建鴻 [2] 在 T 形微通道內采用正辛烷 /0.5%（質(zhì)量分數）SDS 水溶液為實(shí)驗體系，通過(guò)利用垂直流剪切方向研究?jì)上嗔髁繉τ趦上嗔餍偷挠绊?，在較寬的操作范圍內給出了液 / 液兩相微分散流型。結果如圖2所示。

當水相流量較小而油相流量較大，也就是 Q_w/Q_o 值較小時(shí)，油水兩相呈平行層流。形成的主要原因在于垂直通道內水相流動(dòng)產(chǎn)生的剪切力很小，無(wú)法將油相破碎成分散的液柱，兩相沿著(zhù)通道呈平行流動(dòng)；Q_w/Q_o 值增大到一定程度后，垂直通道內水相流動(dòng)產(chǎn)生的剪切力可以將油相破碎，由于油相尺寸大于通道尺寸，形成了規則的油柱分散流；進(jìn)一步增大 Q_w/Q_o 時(shí)，便能形成鵝卵石狀和液滴分散流。

對比宏觀(guān)通道，微尺度條件下兩相流呈現出更為復雜而又非常規則的變化。兩相流型變化主要是由連續相流動(dòng)產(chǎn)生的黏性剪切力大小決定的。當連續相剪切力較小時(shí)，只能形成兩相平行層流或液柱分散流，而當連續相剪切力較大時(shí)，連續相能將分散相剪切形成規則的液滴分散流。

由上述報道可以看出，對于微通道內液 / 液兩相流動(dòng)，相對于氣 / 液流動(dòng)，其流型變化還是簡(jiǎn)單很多，主要有兩相層流流動(dòng)、液滴流和流柱流等三種。其流型變化簡(jiǎn)單的一個(gè)主要原因是由于液 / 液體系的作用力與氣 / 液體系還是有很大的不同，更為關(guān)鍵的是液 / 液體系的不可壓縮性，壓力變化對其影響很小，且液 / 液分散體系的穩定性也較氣 / 液體系好，因此其流型變化相對較少。

Wang 等 [3] 最近對微通道內液 / 液體系流型進(jìn)行了較為全面的分析，給出了主要的流型示意圖，如圖 3所示。當然，即便是簡(jiǎn)單的流型，若分散體系特殊或者微通道結構復雜，也會(huì )對流型產(chǎn)生重要的影響，因此，與氣 / 液體系流型劃分一樣，研究者還需要針對體系性質(zhì)、幾何結構以及分散方法等開(kāi)展分析，以得到較為可靠的流型劃分。

參考文獻：

[1] Thorsen T, Roberts R W, Arnold F H, Quake S R. Dynamic pattern formation in a vesiclegenerating microflfl uidic device[J]. Phys Rev Lett, 2001, 86:4163-4166.