臺階式并行微通道內氣泡群自組裝行為及其對氣泡生成的反饋效應1)

張志偉 殷翔宇 朱春英 馬友光 付濤濤

(天津大學化工學院,化學工程聯合國家重點實驗室,天津 300072)

引言

近年來,微化工技術逐漸成為化學工程新的發展方向[1-5].由于設備尺寸顯著減小,相比于傳統的化工技術,微化工系統具有放大效應小、集成度高、安全性高、可控性強、以及節能環保等優點[6-10].微通道內兩相流中的典型應用包括微顆粒合成[11-12]、液相氧化[13]、加氫[14]、直接氟化[15]以及液-液萃取[16]等.

氣液兩相流中分散體系的形成、演化與構型對于傳熱傳質以及反應過程具有重要的作用.目前,對于單微通道內氣泡生成、流動、破裂及聚并規律有了較為良好的工作基礎[17-19],人們希望通過微通道數目放大使微化工技術走向工業化,期待并行多通道內多相流特性彼此一致且無放大效應[20].其中最常用的微通道為T 形結構和聚焦結構,這兩種結構可用于生成尺寸為10 μm 數量級的均勻分散體系[21].然而,這兩種微通道裝置構型都屬于二維平面結構,其內生成的氣泡或液滴尺寸受流體物性參數影響較大,不能獨立控制氣泡尺寸和生產頻率.另一種臺階型的2.5D 結構打破了二維結構的限制,實現了分散體系的尺寸和生產頻率的獨立控制[22].Alessandro等[23]設計的臺階式乳化裝置實現了液滴尺寸僅由臺階尺寸控制,而不受其他操作變量的控制.Stoffel等[24]設計了具有256 個可并聯工作的臺階式微通道組裝成的微流控氣泡制造裝置,對于單個微通道,生產頻率高達4 kHz、變異系數小于1%,但氣泡尺寸受氣液相物性參數的影響較大,并不完全由臺階尺寸控制.研究發現,在臺階式并行放大系統中,不同微通道間的流體動力學相互影響和耦合.因此,臺階式并行微通道內氣泡生成機理較為復雜.

國內外學者探索了微通道受限空間內氣泡群的自組裝行為及動力學反饋效應.研究發現,具有幾何排列特點的微氣泡/液滴群通過固化措施,可組裝成新的固體超材料[25-26],在聲子晶體、光子學、和過濾等領域具有潛在的應用價值.自組裝液滴和氣泡作為研究非平衡自組裝和多相系統的簡單平臺,弓起了人們的廣泛關注[27-28].Raven 等[29]發現泡沫的形成過程是具有記憶的,可用于生成具有可控和潛在可調多分散性的泡沫聚集體.Pravien 等[30]研究了微流體液滴在軸向高度梯度微通道弓導下可調諧自組裝成三維有序陣列的過程,適用于具有三維形貌的復雜材料的連續合成.趙等[31]利用微通道技術進行多晶型的調控方法.Sharon 等[32]研制出具有廣泛應用背景的泡沫或乳液結構的設計標準.對于臺階式微通道而言,下游空腔內氣泡群的復雜行為勢必對氣泡生成的產生反饋效應.因此,亟需闡釋并行微通道主通道中氣泡群動力學及其對氣泡生成的反饋機制.

本文研究了臺階式并行微通道裝置中空腔內氣泡群的自組裝規律以及氣泡群復雜行為對氣泡生成的反饋機制,以期為臺階式微通道內多相流的研究及化工領域的并行放大過程提供一定的理論指導.

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

氣相采用氮氣,液相采用重量百分濃度0.3%的十二烷基硫酸鈉(SDS)溶液.液相由固體十二烷基硫酸鈉(SDS)(Aladdin,China)和純凈水(WAHAHA,China)配置而成.加入表面活性劑,目的是改變液、固之間的潤濕程度,防止氣泡黏壁,并通過吸附于氣液界面而改變界面特性,在一定程度上阻礙氣泡聚并.流體的物性參數如表1 所示,其中黏度由烏式毛細管黏度計測量,表面張力通過懸滴法由表面張力儀(KINO Industry Co.,Ltd,SL200KB,USA)測得.

表1 實驗所用流體的物性參數Table 1 Physical properties of the fluid used in the experiment

1.2 實驗方法

實驗裝置分為流體控制設備、微通道芯片、圖像采集設備3 部分.實驗流程如圖1 所示.氮氣由鋼瓶供給,通過不銹鋼管輸送,氣相流量通過高精度的配氣裝置(Gas distribution device,AZ-S/E-2-201805-05,China)控制.在微通道裝置的氣體入口處連接差壓變送器(Honeywell,STD800,America,0～200 kPa×0.025%),測量氣相入口與通道出口間的壓差,并采用無紙記錄儀(SIN-R9600,China)實時記錄壓差變化.液相用蠕動泵(Lander,BT100-1F/YZ1515X,Baoding,0.27±0.002 ml/min～162±0.002 ml/min)通過聚乙烯膠管注入微通道.微通道內氣泡的生成過程以及流動狀況通過連接顯微放大鏡(Tamron,SP AF90mmF/2.8 Di,Japan)的高速攝像儀(Photonfoucs MV2-1280-640-CL-8,Switzerland)記錄,本實驗過程中拍攝幀率設為500 fps,采集視窗大小為1280×1024,數據采集過程中采用冷光源(FJI,FJIAS100100-W,China)進行照明.實驗在常溫常壓條件下進行.

圖1 實驗流程圖Fig.1 Diagram of experimental procedure

本實驗采用的微通道由兩塊大小相同的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)平板組成,其中下板使用精密銑床加工出通道及臺階結構,上下板使用螺釘進行固定.圖2 為裝置結構示意圖,分為氣相緩沖腔、微通道、臺階結構、氣泡收集腔、氣液進出口共5 個部分.氣相緩沖區設置斜邊的目的是優化氣相分配,當氣相入口為尖端口時,可以有效防止氣相緩沖區內出現死區.其中微通道寬0.6 mm,深0.4 mm,間隔3.0 mm,共10 條通道;臺階寬1.2 mm,深2.0 mm;氣體緩沖區深度為1 mm;氣泡收集區深度為2 mm;氣液進口均為1.2 mm.微通道裝置組裝完成后的實物為圖2(d).

圖2 微通道裝置圖Fig.2 Microchannel device diagram

根據氣相進樣位置以及氣液相相對方向,本裝置共有4 種進樣方式,如圖3 所示.對于每種進樣方式,需要保留一個氣相入口并使用止水夾夾住另一個氣相入口,以防漏氣.實驗過程中未出現漏液等現象.本文對4 種進樣方式分別進行實驗采集數據,通過比較進行分析.

圖3 4 種進樣方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of four injection modes

2 實驗結果與討論

2.1 氣泡生成方式

在本文采用的并行微通道體系中,出現了兩種氣泡生成方式,分別為單管生成系統和多管生成系統.如圖4(a)所示,單管生成系統并不是僅有一個固定位置的通道生成氣泡,而是當氣泡的生成位置由一個通道轉換為另一個通道的時間間隔大于2 s 時,可以認為氣泡能夠在一個通道穩定的生成.如圖4(b)所示,在多管生成系統中,很難實現在多個通道中共同生成氣泡,氣泡是由兩個或是多個通道交替生成,通道之間轉化的時間間隔小于2 s.

如圖5 所示,隨液相流率增大,氣泡依次出現單管生成模式和多管生成模式.由圖5(a)和圖5(c)可知,當氣相進樣位置為裝置尖端時,氣泡的單管生成方式和近似雙管生成方式之間存在一條線性轉變線;由圖5(b)和圖5(d)可知,當氣相進樣位置不是裝置尖端時,兩種生成方式之間不存在線性轉變規律.由此可知,氣相的進樣位置決定了生成方式之間的轉化特點,當氣相緩沖區內無死區時,氣相生成方式的轉化規律更具可控性.由圖5(b)和圖5(d)可知,單管生成模式與多管生成模式之間沒有明顯的轉化規律,故氣相緩沖腔內的氣相分配不均勻性使得調控性能變差.

圖4 氣泡生成方式示意圖Fig.4 Schematic diagram of four bubble generation modes

圖5 不同進樣方式下氣泡生成方式隨操作變量的變化趨勢圖Fig.5 Dependence of bubble generation type with operating variables under different injection modes

圖5 不同進樣方式下氣泡生成方式隨操作變量的變化趨勢圖(續)Fig.5 Dependence of bubble generation type with operating variables under different injection modes(continued)

2.2 空腔內氣泡自組裝行為

2.2.1 氣泡二維晶格的自組裝

由于氣泡或液滴大小近似相同,它們可自發地自組裝成有序的晶格,稱為微流體晶體[33-36].在本實驗中,當分散相體積分數較高時,氣泡在水平面內發生擠壓堵塞并自組裝成二維晶格[29],Whitesides 等[33]在非穩態泡沫的流動晶體時發現,氣泡群多數自組裝為一種獨特的結構:菱形或六邊形.在本文中,這種特殊的結構可以進一步拆分為多個三角形.如圖6(a)所示,根據氣泡的結構特點和排列方式可以將晶格分為3 種,分別為有序的豎三角晶格、行三角晶格和無序的三角晶格.

Parthiban 等[30]在三維空間的液滴自組裝行為的實驗中得到自組裝結構由液滴大小、液滴體積分數、微通道尺寸和液滴組裝方式等共同決定.在本實驗中,通過改變氣液相流量觀察氣泡收集腔內晶體結構的變化.如圖6(b)所示,空腔內氣泡群排列緊密,從通道的氣泡生成位置到空腔的氣泡出口位置這段緊密相連氣泡,可以近似看作是連續的整體,定義為氣泡進—出段,則氣泡進—出段壓降近似等于氣相測得的表壓.

當調節液相流量時,晶體結構也會發生變化,據實驗觀察得到,類型1 和類型2 晶格變化趨勢相同,類型3 和類型4 晶格變化趨勢相同.如圖6(b)所示,當進樣方式為類型1 時,隨著液相流量的增大,氣泡流區的晶格變化分為兩個階段:第一階段,與上述的氣相流量的變化相類似,氣泡流區內有序的行三角晶格隨著液相流量的增大而減小,當氣泡流區內不存在死區時,有序的行三角晶格消失,氣泡流區內主要為有序的豎三角晶格和無序的三角晶格,此階段氣泡都呈現緊密排列;第二階段,隨著液相流量的進一步增大,氣泡流區內的有序豎三角晶格逐漸消失,無序的三角晶格占據整個空腔,氣泡流區由緊密排列方式轉化為雜亂松散的排列.純液相區域的面積隨著液相流量的增大而增大,氣泡的生成位置一直集中在氣泡流區內,進一步佐證了氣泡流區內的阻力要遠小于純液相區的阻力.氣相壓力的增大,氣泡流區由多種晶格共存轉變為豎三角晶格和無序的三角晶格.氣泡排列的規律性與氣泡在空腔內的體積分率Φ 成正相關.Φ 越大,氣泡排列的越規律;Φ 越小,氣泡填充的越雜亂[33].如圖6(c)所示,當進樣方式為類型3 時,隨著液相流量的增大,氣泡流區氣泡由相互擠壓轉變為雜亂松散,由多種晶格共存轉變為無序的晶格;隨著氣相壓力的增大,氣泡體積增大,氣泡無法隨著液相流動及時排出,氣泡由多種晶格共存轉變為無序的三角晶格.

圖6 氣泡流區的晶格隨操作變量的變化趨勢Fig.6 The change of the lattice in the bubble flow region with the operating variables

圖6 氣泡流區的晶格隨操作變量的變化趨勢(續)Fig.6 The change of the lattice in the bubble flow region with the operating variables(continued)

利用圖像分析方法,得到氣泡進—出段氣泡上界面的橢圓率在0.6～0.7 之間,所以氣泡形狀不能近似看作圓柱,空腔內氣泡上下表面的形狀近似為橢圓[32].氣泡的表面積A為可由式(1)計算,表達式如下

式中,a為氣泡上下橢圓面長軸,b為氣泡上下橢圓面短軸,h為空腔高度.

如圖6(b)所示,隨著氣相壓力的增大,氣泡進—出段壓降變大,氣泡特征尺寸變大,即A變大,氣泡流區內的死區面積減小,有序的行三角晶格區域減小;當壓降升至4 kPa 時,有序的行三角晶格消失,氣泡流區內主要為有序的豎三角晶格.由式(2)求得氣泡界面能E[37]

式中,σ 為表面張力,A為氣泡表面積.如圖7(a)所示,當進樣方式為類型一時,隨著氣泡進—出段壓降的增大,氣泡體積增大,界面能隨之增大,當界面能E增大到一定數值時,氣泡流區內無行三角晶格.當壓降相同時,界面能隨著液相流量的增大而降低,氣泡流區內達到穩定的三角晶格界面能也隨之降低.如圖7(b)所示,當進樣方式為類型3 時,隨著氣泡進—出段壓降的增大,氣泡體積增大,界面能隨之增大,當界面能E增大到一定數值時,氣泡流區內為無序的三角晶格.當壓降相同時,界面能隨著液相流量的增大而降低,氣泡流區內轉變為無序的三角晶格的界面能也隨之降低.

圖7 氣泡界面能隨操作變量的變化規律Fig.7 The change of interfacial energy of bubble with operating variables

Raven 等[29]在探究兩相流穩定性的實驗中發現,通道內的氣泡晶格會隨著氣相流量的波動而出現周期震蕩,這種震蕩取決于下游的氣泡體積和泡沫結構演變產生的阻力.因此,新泡沫的體積與其前身有關,泡沫的形成過程是有記憶的.在本實驗中,在固定操作變量的情況下,隨著時間的推移,三種晶體結構呈現出此消彼長的趨勢.但在氣泡流動區域,氣泡群呈現出有序的豎三角晶格,簡稱豎三角晶格;在氣泡穩定區域,氣泡自組裝成有序的行三角晶格,簡稱行三角晶格;在這兩種晶格之間存在一無序的三角晶格的過渡區域,如圖8(a)所示.以氣泡1 為示蹤氣泡來觀察行三角晶格隨時間的變化趨勢,0～7.85 s 這段時間內,氣泡1 未發生移動,從而可以得到在低氣液相流速的情況下,遠離氣泡出口的行三角晶格區域不隨著時間的變化而移動,為氣泡流區域的死區.以氣泡2,3,4 三個氣泡來示蹤有序的行三角晶格的自組裝過程,在0 s 時,三個氣泡貼著臺階壁排列,在受限空間內受液相推動力和氣泡群的擠壓力的影響,貼著行三角晶格區域的邊緣移動.在7.85 s 時,氣泡2、氣泡3 和氣泡4 依次補足空位,呈現出有序的行三角晶格排列.

圖8 氣泡收集腔內晶體結構隨時間的變化趨勢(進樣方式一)Fig.8 Evolution of crystal structure in bubble collection cavity(mode 1 of injection)

圖8(b)為豎三角晶格占氣泡收集腔的比例隨時間的變化趨勢圖,豎三角晶格的占比數隨著時間的推移呈現出上下波動的趨勢,具有一定的周期性,晶格流動變化過程中會由一個最大值波動至另一個最大值,取兩個最大峰值之間的時間段為一個周期,如圖8(b)所示,0.167～5.167 s 可以看作一個周期,其中一個周期內豎三角晶格占比的最大值穩定在0.27～0.30之間.由此可知,氣泡群在有限空間內的變化組裝過程并不是無序的,而具有一定的周期性變化.從界面能量的角度來講,空腔內晶格演化的周期性特征也是系統不斷調整變化以降低自身能量的過程[33].

2.2.2 氣泡的自組裝行為的決定因素

Raven 等[29]在研究不平衡泡沫結構的流動晶體時發現,不同晶格中的氣泡尺寸不同.在本實驗中,當空腔內氣泡群緊密排列時,氣泡尺寸是決定氣泡自組裝路徑的關鍵因素.如圖9 所示,氣泡I 的尺寸大于其受力兩側的氣泡,氣泡的前端超出兩側氣泡,使得氣泡I 在氣泡群擠壓運動的過程中,前后兩端受到不平衡的擠壓力,后端的擠壓力遠大于前端的擠壓力,氣泡I 被擠出.氣泡II 在0.63 s 時受到與I 氣泡相同的不平衡力,開始重復氣泡I 的過程,到0.79 s 時被擠出.當氣泡受力兩側的氣泡尺寸差異不大時,氣泡呈現出有序的排列方式,即有序的行、列三角晶格;當氣泡與受力兩側的氣泡尺寸差別較大時,氣泡受周邊不平衡的擠壓力,使其找尋能夠與自身形成局部最小界面能的位置,即受力兩側氣泡尺寸相近的位置.氣泡在非平衡力作用下移動過程使其周圍呈現出無序的三角晶格.

圖9 氣泡收集腔內氣泡路徑演化圖Fig.9 Diagram of bubble path in bubble collection cavity(mode 3):(Pg=1 kPa,Ql=1.633 mL/min)

由上述可知,氣泡尺寸的均一性能有效的預測晶體結構,將上述有序的行三角晶格和有序的列三角晶格定義為有序的三角晶格.弓入變異系數CV[37],定量分析不同晶體結構下氣泡尺寸的分散性.選取有序三角晶格和無序三角晶格進行變異系數CV的計算.其中,行三角晶格選取單行氣泡進行計算,列三角晶格選取單列進行計算,無序三角晶格選取無序排列的區域進行變異系數CV的計算.CV定義為氣泡二維平面直徑的標準差與平均值之比

圖10 不同操作變量下的晶格轉變圖Fig.10 Diagram of lattice transition with different operating variables

在本實驗中,為確定不同晶格的界面能量波動趨勢,將氣泡表面積簡化A∝D2,此時,波動界面能量為

如圖10(b)所示,ΔE=4.72×10-8J 為有序晶格與無序晶格的分界線,當ΔE＞4.72×10-8J 時,氣泡自組裝為無序的三角晶格,當ΔE＜4.72×10-8J 時,氣泡自組裝為有序的三角晶格.

氣泡/液滴屬于軟物質的范疇,其晶格排列機制與固體顆粒之間的排列機制不甚相同.軟物質的動力學效應和熵效應不容忽視,故軟物質自組裝行為通常比硬物質的自組裝行為更為復雜[38].然而,軟/硬物質的自組裝晶格的變化規律由微粒間的排斥力、吸弓力以及外力的共同作用決定[39].因此,軟物質可發揮可視化優勢,在一定程度上揭示自組裝機制.固體微粒的形狀不易受外力的影響而發生變化.故在固體晶格的形成過程中,固體微粒的形狀以及尺寸的均一性也是影響自組裝變化規律的一個關鍵因素.

在本文中,當空腔內液含率較高時,氣泡在二維平面內呈現出圓形的濕泡沫;當空腔內液含率極低時,氣泡彼此擠壓相連,呈現出不規則多邊形的干泡沫.干泡沫的泡沫邊界遵循Plateau 定律,即相鄰的三個氣泡膜總以相同的角度交于一點[29].值得一提的是,表面活性劑的種類會影響泡沫的晶格排列方式.泡沫晶格的自組裝行為,可以理解為外加應力與屈服應力共同作用的結果[40].在濕泡沫中,局部宏觀應力受氣相壓力、氣泡體積、氣泡總數以及表面張力的控制,不同的表面活性劑會導致局部宏觀應力發生變化,進而影響泡沫的排列方式.而在干泡沫中,泡沫之間的排水效應會造成的氣泡液膜破裂并發生聚并,這種現象的邊界流動條件主要取決于表面活性劑的種類以及濃度.因此,表面活性劑的種類會影響到氣泡自組裝的變化規律[40].目前對臺階式微流控裝置內氣泡生成的研究較少,未涉及到表面活性劑種類對氣泡生成尺寸及晶格的作用機制.探索表面活性劑對氣泡均一性的作用機制,是一個亟需解決的問題.

2.2.3 空腔內氣泡群復雜行為的影響因素

對于臺階式并行微通道系統,影響臺階處氣泡生成過程的因素不僅包括氣相與液相的單相流體特性以及并行微通道內流體均勻性問題,還包括管道之間多相流的耦合效應以及下游多相流對上游的反饋效應[24].本實驗中,發現了空腔內氣泡群的復雜行為在很大程度上影響氣泡的生成方式.實驗中多相流體系表現為液相中分散的氣泡,稱為氣泡流.對于氣泡流,存在著液相對氣相的分散作用,也存在氣泡群內部的相互作用,這兩種作用在系統中呈現動態競爭及協調關系,具有動態時空的介尺度特征.

如圖11(a)和圖11(b)所示,當進樣方式為類型1 和類型2 時,氣泡收集腔內因液相的滯留形成無氣泡的液相區和氣液兩相區.當液相流量較小時,氣泡排列緊密為多種晶格,此時可發現氣泡主要由兩相區最邊緣的單個微通道生成,稱作活化單空隙[41],氣泡的生成方式為單管生成系統.此時氣泡流兩相區形成了一個相對獨立的體系,液相區的壓力需要通過氣泡的接觸擠壓傳遞至兩相區.由于氣泡具有較好的壓縮性,壓力的傳遞具有損耗,因此從與液相接觸的最外層氣泡至內層氣泡,壓力逐漸降低,在最邊緣處的通道出口處氣液兩相流的壓力達到最低,故氣泡更傾向于在該阻力最小位置生成.當液相流量逐漸增大,空腔內氣泡排列松散雜亂,隨著氣泡群內部結構的動態演化過程,使得臺階處最小阻力點呈現動態特征,導致活化單孔隙增多,且位置隨機變化,氣泡的生成方式轉化為多管生成模式.

如圖11(c)和圖11(d)所示,當進樣方式為類型3和類型4 時,氣泡收集腔內為氣液兩相區.當液相流量較低時,液相推動力較低,氣泡無法快速移出,氣泡群排列緊密,氣泡群之間的相互所用占據優勢,此時氣泡的生成方式主要為單管生成系統;當液相流量增大時,液相推動力變大,氣泡移出速度較快,氣泡排列松散雜亂,空腔內液相推動力占據主要作用,氣泡的生成方式轉化為多管生成模式.生成方式的轉化原因與類型1 和類型2 相同.

圖11 操作變量對氣泡群的影響Fig.11 Effects of operating variables on bubble swarm

3 結論

本文研究了臺階式微通道裝置大空腔內氣泡群自組裝規律及其對氣泡生成的反饋效應,探究了氣泡自組裝晶格隨操作條件的變化規律,獲得了如下主要結論:

(1)實驗發現了兩種氣泡生成方式,分別為單管生成模式和多管生成模式.發現了氣泡生成方式的類型由氣相緩沖腔內的氣相流動性能決定的機制:進樣方式1、方式3 在生成方式轉化過程中具有明顯的線性轉化分界線,氣泡的生成方式轉化更具可控性;進樣方式2、方式4 無線性轉化分界線.

(2)發現了液相進樣位置決定了空腔內氣泡群晶格隨操作變量轉化的特點.在受限空間內,氣泡在水平面內發生擠壓堵塞能夠自組裝成具有幾何特點的二維晶格,分別為有序的行三角晶格、有序的豎三角晶格和無序的三角晶格.豎三角晶格只存在于流動區域;行三角晶格在進樣方式1、方式2 中存在于穩定區域,在進樣方式1、方式4 中無此規律;無序三角晶格分布在豎三角晶格和行三角晶格之間以及氣泡流區的邊界區域.氣泡群的排列方式與液相流量有關:在較低液相流量下,氣泡群排列緊密;而在較大液相流量下,氣泡群排列松散雜亂.隨著氣相壓力的改變,晶格會發生變化,氣泡表面積和界面能量會隨著氣相壓力的變大而變大.

(3)研究了氣泡自組裝路徑的決定性因素.發現氣泡的自組裝路徑由氣泡尺寸及其分布決定.以變異系數CV表示氣泡的晶體結構特征,發現有序的三角晶格情況下,變異系數小于5%;而無序的三角晶格情況下,變異系數大于5%.分析了空腔內復雜界面的介尺度行為對氣泡生成的反饋效應.本文結果對臺階式微通道內多相流動力學及其并行放大規律具有重要的參考價值和指導意義.