微型彎管中雙重乳液流體動力學特性的可視化實驗研究*

朱益飛 江志杰 趙 淼 孫東科 張程賓

（1.東南大學能源與環境學院 2.普渡大學工學院）

0 引言

雙重乳液微流控技術因其高度的可控性和良好的原料利用率，廣泛應用于微儲能、微化工及醫學檢測等領域[1-3]，受到了國內外研究者的重點關注。因通道截面的分叉、彎曲、漸縮漸擴等，乳液在微流控過程中會產生不同的動力學行為，如變形、 破碎、聚并、界面包覆與剝離等[4-5]， 乳液的流體動力學特性緊密關系到微流控操作效果以及乳液產品的最終質量。

關于乳液在不同類型通道中的流體動力學特性，國內外研究學者已開展了一定的研究。Chen等[6]實驗研究了不同尺寸的雙重乳液液滴在流經突縮管時產生的不同流變行為，并對不同突縮管口的直徑比對雙重乳液的流動狀態的影響進行了研究，詳細闡述了乳液在突縮管中的流動和破裂機制。Zhou等[7]研究了雙重乳液在壓力驅動作用下在收縮管中流動變形的過程，對液滴形變的三個階段進行了分析。Li等[8]研究了雙重乳液在漸縮管中的破裂機制，詳細闡述了管口處的傾斜角對雙重乳液流過收縮管口時流動行為的影響。Sadhal、Ulbrecht和Rushton等[9-11]對雙重乳液液滴在不同流場中流變行為特性進行了詳細的闡述。

現有針對微通道內乳液流體動力學特性的研究主要集中于漸縮漸擴管等，此類管道的流動規律性較強。然而，對于微型彎管等具有特殊的局部阻力的復雜流道，乳液的流體動力學機理與規律的研究還不充分。為此，本文搭建雙重乳液液滴在彎管中流動的實驗臺，開展雙重乳液液滴在微型彎管中流動動力學特性的可視化實驗，并通過定量改變彎管角度和外液相流量進一步認識乳液在微型彎管中的流動規律。

1 實驗

1.1 實驗試劑及儀器

實驗試劑：苯 （密度為0.89 g/cm3）和1，2-二氯乙烷 （密度為1.257 g/cm3）,為分析純；聚乙烯醇 （MW=22～26 kg/mol）；聚苯乙烯 （聚合度為1 000～1 400）。以苯和 1，2-二氯乙烷為溶劑 （體積比ψ=1∶1），配置聚苯乙烯質量分數為7%的油相（O）溶液。配置聚乙烯醇質量分數為5%的水溶液作為內液相 （W1）和外液相 （W2）。

實驗儀器：雙T型通道 （由Peek三通及Peek管組裝而成）、注射泵 （LSP01-1BH）、玻璃微型彎管、高速攝像機（Photron FASTCAM SA4）、顯微鏡（OLYMPUS SZX7）和計算機。

1.2 實驗流程

實驗裝置如圖1所示，各相流體在注射泵驅動下進入雙T型通道。在第一個T型通道處內液相在油相流體的剪切作用下形成單分散W1/O液滴，并隨油相流體流向第二個T型通道。在第二個T型通道處W1/O液滴再次被外液相流體剪切，生成W1/O/W2雙重乳液液滴。雙重乳液液滴隨流體經由連接管流入實驗微型彎管，通過調節高速攝像機和顯微鏡實時拍攝實驗現象，并保存在計算機中。

2 實驗結果與討論

2.1 微型彎管中雙重乳液流動機理

雙重乳液液滴在彎管中的流動過程如圖2所示，液滴在彎管中的變形主要可以分為三個階段。

圖1 實驗裝置示意圖

圖2 雙重乳液在彎管中的流動

（1）第一階段

在流入彎管彎頭之前，雙重乳液液滴在管道前后壓力差的推動作用下向前流動。由于彎管前端局部阻力突然增大，流體在前進方向流速減小，管道壓力增大，雙重乳液液滴前端內外相壓力差降低，內液滴前后端內外相壓力差增大，雙重乳液液滴在壓力差的驅動下逐漸向前移動。

（2）第二階段

當雙重乳液液滴流經彎管彎頭處時受到離心力的作用，在彎管彎曲處沿離心力方向速度減小而受到的壓力增加，即雙重乳液液滴內側流體的壓力會變大，內液滴在彎道內壁面和彎道外壁面兩側流體的壓差作用下向外壁面發生偏移，液滴整體變形加劇。

（3）第三階段

雙重乳液液滴流出彎管彎頭處之后在直向管道中流動，由于乳液尾部較高的曲率產生的高毛細管壓力，壓降會瞬間增大，內液滴占據著雙重乳液液滴的前端，W1/O/W2雙重乳液液滴的后半部分主要是油相O。隨著雙重乳液液滴繼續向前流動，管道內部流場逐漸趨于穩定，雙重乳液液滴最終趨于一個穩定的形狀流動。

2.2 彎管角度對雙重乳液流動的影響

雙重乳液液滴在不同角度微型彎管中的流動過程如圖3所示。由實驗可知，對于同一彎管，雙重乳液在彎管彎頭處的變形量最大，因為當雙重乳液液滴流經彎管彎頭處時受到離心力的作用。液滴在彎管彎頭處沿離心力方向速度減小而壓力增加，即雙重乳液內側流體的壓力增大，內外側流體相互間的壓差增大，內液滴在內外側壓差的驅動下逐漸向外壁面發生偏移，并且雙重乳液液滴會受到流體的擠壓作用而發生變形。

當微型彎管角度不同時，雙重乳液液滴流經彎頭受到的離心力其作用時間也不同。彎管角度越大，離心力作用時間就越長，內外流體的壓差也就越大，內液滴更容易偏離其軸心位置向前流動。此外，在通道中流動的雙重乳液液滴，其通道中間的流體速度最大，靠近壁面的流體會因此受到中間流體的擠壓作用而發生變形。彎管角度越大，離心力也越大，液滴受到的擠壓作用也越大，雙重乳液液滴變形就越大。

2.3 外液相流量對雙重乳液流動的影響

實驗設定內液相流體和油相流體流量分別為QW1=5 mL/h、QO=5 mL/h并維持不變，研究外液相W2流量分別為QW2=15 mL/h和QW2=20 mL/h時雙重乳液液滴在彎管中的流動狀態，實驗現象如圖4所示。由圖4可見，外液相流量的增加導致流體對液滴產生的剪切力增加，液滴沿流動方向的變形程度略有增加。

當外液相流量由QW2=15 mL/h增加到 QW2= 20 mL/h時，雙重乳液液滴整體偏離彎管內壁面的程度略有增加。其主要原因是，外流體流量增大時，會導致液滴在彎管彎頭處沿離心力方向的壓力差增大，導致液滴整體更加容易偏離內壁面。

3 結論

為研究雙重乳液在微型彎管中運動的動力學特性及運動規律，設計搭建了雙重乳液液滴在微型彎管中流動的實驗臺，開展了雙重乳液流動演化的可視化實驗，實驗分析了不同外液相流量以及不同彎管角度對雙重乳液液滴在微型彎管中流動狀態及運動規律的影響。研究結果表明：

圖3 不同角度微型彎管中雙重乳液流動過程

（1）當雙重乳液液滴流經彎管彎頭處時，會受到離心力的作用，在彎管彎頭處液滴沿離心力方向速度減小而壓力增加，內外流體相互之間壓差增大，內液滴在左右側壓差的驅動下逐漸向外壁面發生偏移，液滴整體變形增加。

圖4 不同外液相流量下微型彎管內雙重乳液流動過程

（2）雙重乳液液滴在流經微型彎管過程中，在彎管彎頭處產生的變形量與彎管角度有關，雙重乳液液滴的變形程度隨著彎管角度的增大而增加。

（3）隨著外液相流量的增大，外液相對雙重乳液液滴的剪切力增大，加劇了雙重乳液液滴的變形程度。

[1] TEH SY， LIN R，HUNG L H， etal.Droplet microfluidics[J].Lab on a Chip，2008，8（2）：198-220.

[2] KAN H C，UDAYKUMAR H S，SHYY W，et al. Hydrodynamics of a compound drop with application to leukocyte modeling[J].Physics of Fluids，1998，10（4）：760-774.

[3] STONE H A，LEAL L G.Breakup of concentric double emulsion droplets in linear flows[J].Journal of Fluid Mechanics，1990（211）：123-156.

[4] UTADA A S，LORENCEAU E，LINK D R，et al. Monodisperse double emulsions generated from a microcapillary device[J].Science，2005，308（5721）：537-541.

[5] CHEN H，ZHAO Y，LI J，et al.Reactions in double emulsions by flow-controlled coalescence of encapsulated drops[J].Lab on a Chip，2011，11（14）：2312-2315.

[6] CHEN H，LI J，SHUM H C，et al.Breakup of double emulsions in constrictions[J].Soft Matter，2011，7（6）：2345-2347.

[7] ZHOU C，YUE P，FENG J J.Deformation of a compound drop through a contraction in a pressure-driven pipe flow [J].International Journal of Multiphase Flow，2008(34)：102-109.

[8] LI J，CHEN H，STONE H A.Breakup of double emulsion droplets in a tapered nozzle [J].Langmuir:the ACS Journal of Surfaces and Colloids，2011，27（8）：4324-4327.

[9] SADHAL S S，OGUZ H N.Stokes flow past compound multiphase drops：the case of completely engulfed drops/ bubbles [J].Journal of Fluid Mechanics，1985（160）：511-529.

[10]ULBRECHT J J，STROEVE P，PRABODH P.Behaviour of double emulsions in shear flows[J].Rheologica Acta，1982，21（4-5）：593-597.

[11]RUSHTON E，DAVIES G A.Settling of encapsulated droplets at low Reynolds numbers[J].International Journal of Multiphase Flow，1983，9（3）：337-342.