微型弯管中双重乳液流体动力学特性的可视化实验研究*

朱益飞 江志杰 赵 淼 孙东科 张程宾

（1.东南大学能源与环境学院 2.普渡大学工学院）

0 引言

双重乳液微流控技术因其高度的可控性和良好的原料利用率，广泛应用于微储能、微化工及医学检测等领域[1-3]，受到了国内外研究者的重点关注。因通道截面的分叉、弯曲、渐缩渐扩等，乳液在微流控过程中会产生不同的动力学行为，如变形、 破碎、聚并、界面包覆与剥离等[4-5]， 乳液的流体动力学特性紧密关系到微流控操作效果以及乳液产品的最终质量。

关于乳液在不同类型通道中的流体动力学特性，国内外研究学者已开展了一定的研究。Chen等[6]实验研究了不同尺寸的双重乳液液滴在流经突缩管时产生的不同流变行为，并对不同突缩管口的直径比对双重乳液的流动状态的影响进行了研究，详细阐述了乳液在突缩管中的流动和破裂机制。Zhou等[7]研究了双重乳液在压力驱动作用下在收缩管中流动变形的过程，对液滴形变的三个阶段进行了分析。Li等[8]研究了双重乳液在渐缩管中的破裂机制，详细阐述了管口处的倾斜角对双重乳液流过收缩管口时流动行为的影响。Sadhal、Ulbrecht和Rushton等[9-11]对双重乳液液滴在不同流场中流变行为特性进行了详细的阐述。

现有针对微通道内乳液流体动力学特性的研究主要集中于渐缩渐扩管等，此类管道的流动规律性较强。然而，对于微型弯管等具有特殊的局部阻力的复杂流道，乳液的流体动力学机理与规律的研究还不充分。为此，本文搭建双重乳液液滴在弯管中流动的实验台，开展双重乳液液滴在微型弯管中流动动力学特性的可视化实验，并通过定量改变弯管角度和外液相流量进一步认识乳液在微型弯管中的流动规律。

1 实验

1.1 实验试剂及仪器

实验试剂：苯 （密度为0.89 g/cm3）和1，2-二氯乙烷 （密度为1.257 g/cm3）,为分析纯；聚乙烯醇 （MW=22～26 kg/mol）；聚苯乙烯 （聚合度为1 000～1 400）。以苯和 1，2-二氯乙烷为溶剂 （体积比ψ=1∶1），配置聚苯乙烯质量分数为7%的油相（O）溶液。配置聚乙烯醇质量分数为5%的水溶液作为内液相 （W1）和外液相 （W2）。

实验仪器：双T型通道 （由Peek三通及Peek管组装而成）、注射泵 （LSP01-1BH）、玻璃微型弯管、高速摄像机（Photron FASTCAM SA4）、显微镜（OLYMPUS SZX7）和计算机。

1.2 实验流程

实验装置如图1所示，各相流体在注射泵驱动下进入双T型通道。在第一个T型通道处内液相在油相流体的剪切作用下形成单分散W1/O液滴，并随油相流体流向第二个T型通道。在第二个T型通道处W1/O液滴再次被外液相流体剪切，生成W1/O/W2双重乳液液滴。双重乳液液滴随流体经由连接管流入实验微型弯管，通过调节高速摄像机和显微镜实时拍摄实验现象，并保存在计算机中。

2 实验结果与讨论

2.1 微型弯管中双重乳液流动机理

双重乳液液滴在弯管中的流动过程如图2所示，液滴在弯管中的变形主要可以分为三个阶段。

图1 实验装置示意图

图2 双重乳液在弯管中的流动

（1）第一阶段

在流入弯管弯头之前，双重乳液液滴在管道前后压力差的推动作用下向前流动。由于弯管前端局部阻力突然增大，流体在前进方向流速减小，管道压力增大，双重乳液液滴前端内外相压力差降低，内液滴前后端内外相压力差增大，双重乳液液滴在压力差的驱动下逐渐向前移动。

（2）第二阶段

当双重乳液液滴流经弯管弯头处时受到离心力的作用，在弯管弯曲处沿离心力方向速度减小而受到的压力增加，即双重乳液液滴内侧流体的压力会变大，内液滴在弯道内壁面和弯道外壁面两侧流体的压差作用下向外壁面发生偏移，液滴整体变形加剧。

（3）第三阶段

双重乳液液滴流出弯管弯头处之后在直向管道中流动，由于乳液尾部较高的曲率产生的高毛细管压力，压降会瞬间增大，内液滴占据着双重乳液液滴的前端，W1/O/W2双重乳液液滴的后半部分主要是油相O。随着双重乳液液滴继续向前流动，管道内部流场逐渐趋于稳定，双重乳液液滴最终趋于一个稳定的形状流动。

2.2 弯管角度对双重乳液流动的影响

双重乳液液滴在不同角度微型弯管中的流动过程如图3所示。由实验可知，对于同一弯管，双重乳液在弯管弯头处的变形量最大，因为当双重乳液液滴流经弯管弯头处时受到离心力的作用。液滴在弯管弯头处沿离心力方向速度减小而压力增加，即双重乳液内侧流体的压力增大，内外侧流体相互间的压差增大，内液滴在内外侧压差的驱动下逐渐向外壁面发生偏移，并且双重乳液液滴会受到流体的挤压作用而发生变形。

当微型弯管角度不同时，双重乳液液滴流经弯头受到的离心力其作用时间也不同。弯管角度越大，离心力作用时间就越长，内外流体的压差也就越大，内液滴更容易偏离其轴心位置向前流动。此外，在通道中流动的双重乳液液滴，其通道中间的流体速度最大，靠近壁面的流体会因此受到中间流体的挤压作用而发生变形。弯管角度越大，离心力也越大，液滴受到的挤压作用也越大，双重乳液液滴变形就越大。

2.3 外液相流量对双重乳液流动的影响

实验设定内液相流体和油相流体流量分别为QW1=5 mL/h、QO=5 mL/h并维持不变，研究外液相W2流量分别为QW2=15 mL/h和QW2=20 mL/h时双重乳液液滴在弯管中的流动状态，实验现象如图4所示。由图4可见，外液相流量的增加导致流体对液滴产生的剪切力增加，液滴沿流动方向的变形程度略有增加。

当外液相流量由QW2=15 mL/h增加到 QW2= 20 mL/h时，双重乳液液滴整体偏离弯管内壁面的程度略有增加。其主要原因是，外流体流量增大时，会导致液滴在弯管弯头处沿离心力方向的压力差增大，导致液滴整体更加容易偏离内壁面。

3 结论

为研究双重乳液在微型弯管中运动的动力学特性及运动规律，设计搭建了双重乳液液滴在微型弯管中流动的实验台，开展了双重乳液流动演化的可视化实验，实验分析了不同外液相流量以及不同弯管角度对双重乳液液滴在微型弯管中流动状态及运动规律的影响。研究结果表明：

图3 不同角度微型弯管中双重乳液流动过程

（1）当双重乳液液滴流经弯管弯头处时，会受到离心力的作用，在弯管弯头处液滴沿离心力方向速度减小而压力增加，内外流体相互之间压差增大，内液滴在左右侧压差的驱动下逐渐向外壁面发生偏移，液滴整体变形增加。

图4 不同外液相流量下微型弯管内双重乳液流动过程

（2）双重乳液液滴在流经微型弯管过程中，在弯管弯头处产生的变形量与弯管角度有关，双重乳液液滴的变形程度随着弯管角度的增大而增加。

（3）随着外液相流量的增大，外液相对双重乳液液滴的剪切力增大，加剧了双重乳液液滴的变形程度。

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