含表面活性劑的微液滴生成機理及其新型混合計算方法

《含表面活性劑的微液滴生成機理及其新型混合計算方法》是依託西安交通大學，由劉海湖擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：含表面活性劑的微液滴生成機理及其新型混合計算方法
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉海湖
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

利用微通道中液-液兩相流操控方法生成微液滴的技術在生物醫學、化工和能源等領域具有廣泛套用前景。表面活性劑能夠有效控制微液滴生成的幾何尺寸、頻率和均勻度，並且能夠防止液滴間發生合併。在表面活性劑的影響下，微通道內的液滴動力學行為與乾淨液滴情況存在顯著差異，對含表面活性劑液滴生成機理認知的不足已嚴重製約了微流控技術的發展。本項目通過格子玻爾茲曼顏色模型求解互不相溶的兩相流動、有限差分法求解表面活性劑濃度分布，建立適合於含可溶表面活性劑和運動接觸線的兩相流動混合計算方法；在此基礎上，對T型微通道內含表面活性劑的液滴生成過程進行系統深入的數值研究，全面揭示流動、物性、幾何參數以及表面活性劑濃度、溶解性、彈性和擴散性對液滴生成過程的影響規律；結合理論分析和實驗測量方法，建立預測液滴尺寸的普適關聯式。項目為深刻認識含表面活性劑的液滴生成機制、精確操控微液滴行為、最佳化設計微流控設備提供理論基礎。

結題摘要

利用微通道中液-液兩相流操控方法生成微液滴的技術在生物醫學、化工和能源等領域具有廣泛套用前景。在微液滴操控過程中，添加表面活性劑既能降低兩相間的界面張力，又能改變壁面的潤濕性，已成為防止液滴間合併，控制液滴生成幾何尺寸、頻率和均勻度的重要手段。在表面活性劑的影響下，微通道內的液滴動力學行為與乾淨液滴情況存在顯著差異，對含表面活性劑液滴動力學行為及其機理認知的不足已嚴重製約了微流控技術的發展。 本項目圍繞微通道內含表面活性劑的液滴生成機理及其計算方法，發展了含不溶和可溶表面活性劑的兩相流動格子玻爾茲曼-有限差分混合數值方法；提出了適用於任意複雜幾何表面接觸線動力學行為的建模方法；建立了動態接觸角隨表面活性劑濃度的變化關係，發展了能夠同時模擬接觸線動力學和表面活性劑動力學行為的高性能計算程式。研究了含表面活性劑的液滴在固體壁面的變形和破裂行為，發現在低、中等毛細數下表面活性劑的非均勻分布能夠增加液滴的變形和運動速度，提升液滴的破裂，但高毛細數下表面活性劑的稀釋作用能夠阻止液滴的破裂。研究了不同流體粘性比下表面活性劑的存在對液滴破裂臨界毛細數的影響規律，發現表面活性劑的存在減小液滴破裂的臨界毛細數，但在低的粘性比時表面活性劑的影響更顯著；對於無論是乾淨或含表面活性劑的液滴，隨著粘性比的增加，臨界毛細數先減小後增加；而且粘性比低時總是發生三次破裂，而粘性比高時發生二次破裂。此外，相比於不溶表面活性劑，含可溶表面活性劑的液滴變形有所增加，且隨著毛細數的增大，可溶表面活性劑提升液滴變形的作用更加顯著；同時，與不溶表面活性劑相比，可溶表面活性劑能夠更大程度地提升液滴破裂。 項目研究為深刻認識含表面活性劑的液滴生成機制、精確操控微液滴行為、最佳化設計微流控設備提供理論基礎。項目執行過程中共發表學術論文20篇，其中SCI論文18篇、EI論文2篇，培養從事相關工作的研究生2名。