2.液滴生成影響因素分析

2.1 兩相流速對(duì)液滴體積大小的影響

連續(xù)相和分散相的流速是控制最終生成的液滴大小的關(guān)鍵因素。本文通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究了連續(xù)相流速(U)和分散相流速(U。)對(duì)生成液滴尺寸的影響。一定范圍內(nèi)，連續(xù)相的流速增大，生成的液滴尺寸會(huì)減小。因?yàn)檫B續(xù)相流速的增加會(huì)使連續(xù)相的剪切速率和流體的慣性力隨之增大，減小了夾斷液滴的用時(shí)，而分散相流速是恒定的，因而所生成液滴的體積會(huì)減小。連續(xù)相流速對(duì)液滴大小影響的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖中L/w為微液滴的長(zhǎng)寬比。

圖3連續(xù)相流速對(duì)液滴大小影響的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分散相流速對(duì)液滴大小影響的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，微液滴的體積隨著分散相流速的增大而增大。原因在于分散相對(duì)連續(xù)相的阻力會(huì)隨分散相流速的增加而增大，所以連續(xù)相夾斷分散相所需的時(shí)間會(huì)增長(zhǎng)，所生成液滴的尺寸自然就會(huì)變大。

圖4分散相流速對(duì)液滴大小影響的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜合分析圖3和圖4的仿真結(jié)果得出:連續(xù)相和分散相的流速比越大，所生成的液滴體積越小。對(duì)于本課題，由于生成的是油包水的微液滴，因此當(dāng)油相和水相的速率比越大，生成的液滴體積越小。在液滴形成的膨脹階段，液滴形成的快慢主要由分散相決定;而在液滴頸部的夾斷階段，液滴頸部被夾斷并最終形成液滴的快慢則由分散相和連續(xù)相的流速共同決定。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，驗(yàn)證了理論分析的正確性。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩相流速比對(duì)液滴大小影響的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2連續(xù)相黏度對(duì)生成液滴尺寸的影響

在仿真分析中，設(shè)定連續(xù)相流速為0.6mL/h，分散相流速為02mL/h，分散相黏度固定為0001 Pa·s，連續(xù)相黏度由Q005增至Q02 Pa·s，連續(xù)相的黏度越大，生成液滴的體積越小。當(dāng)連續(xù)相和分散相的流量恒定時(shí)，連續(xù)相的黏度越大則黏性力越大，可以加速夾斷液滴頸部的過程，從而縮短了液滴的形成周期。圖6為連續(xù)相黏度對(duì)液滴體積大小影響的仿真與實(shí)驗(yàn)示意圖。

圖6連續(xù)相黏度對(duì)液滴大小影響的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)論

本文采用層流兩相流模型利用水平集法開展了二維流動(dòng)聚焦形通道內(nèi)W/O液滴生成機(jī)理及影響因素的研究。流動(dòng)聚焦法形成微液滴利用的是兩相界面的毛細(xì)不穩(wěn)定性。微液滴的形成可以分為液滴頭部伸長(zhǎng)和液滴頸部斷裂兩個(gè)階段。分階段顯示，液滴的形成過程主要是連續(xù)相對(duì)分散相產(chǎn)生夾流聚焦效應(yīng)，連續(xù)相對(duì)分散相的黏性力、剪切力及兩相界面張力共同作用的結(jié)果。連續(xù)相和分散相的流速是影響液滴體積大小的關(guān)鍵因素之一。分散相流速一定的情況下，連續(xù)相流速增大，液滴的體積減小;連續(xù)相流速一定的情況下，分散相流速增大，液滴的體積增大。連續(xù)相和分散相的流速比越大，所生成的液滴體積越小。連續(xù)相黏度對(duì)液滴體積的影響也是非常明顯的，隨著連續(xù)相黏度的逐漸增加，所形成液滴體積明顯減小。

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