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.2018.04.186

0 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、0.5 m/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）

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[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]Jia M L，Meng Z， Yeong W Y.Characterization and evaluation of 3D printed microfluidic chip for cell processing[J]. Microfluidics & Nanofluidics， 2016，20（01）：1-15.

[4]Zhuang Q C，Ning R Z，Yuan M A，et al.Recent development in microfluidic chips for in vitro cell-based research[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry，2016，44（04）：522-532.

[5]Li L，Ismagilov R F.Protein crystallization using microfluidic technologies based on valves，droplets，and SlipChip[J].Annual Review of Biophysics，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]Afkhami S，Leshansky A M，Renardy Y.Numerical investigation of elongated drops in a microfluidic T-junction[J].Physics of Fluids，2011，23（02）：23303-23342.

作者简介：赵苗苗（1992-），女，硕士，研究方向：微流控系统设计。

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