微流控技術制備液滴可視化實驗觀測教學平臺設計

俞煒

（揚州大學電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

液滴微流控是一項在微尺度通道內通過多相流體剪切制備單分散液滴，并對其進行操控的技術。作為微流控技術的重要分支，液滴微流控技術廣泛應用于聚變能源、醫藥、化工、化妝品等工業領域，是物理、化學、材料以及生物醫學等多學科交叉領域的前沿研究熱點。針對相關學科專業的研究生、本科生開設液滴微流控教學環節已經勢在必行。流體力學是液滴微流控技術的應用基礎，然而，其中很多概念由高等數學引入，理論性強、數學表達式非線性強，是高度抽象的。如果純粹從理論知識開展教學，學生聽起來比較枯燥，并且無法對液滴微流控過程中液滴的形態變化以及工藝參數的影響產生直觀認知。而在微流控技術制備液滴過程中，微通道中雷諾數較小，多相流體以層流形態流動，流動狀態容易控制，在顯微鏡下流動形態十分清晰，故通過實驗教學可使學生獲得對液滴動力學行為的直觀認識。但現有與液滴微流控相關的實驗教學、實踐培訓平臺還較為欠缺，難以滿足相關專業的實驗教學需求，所以，亟需開展液滴微流控實驗教學平臺的開發。為此，本文將搭建微流控技術制備液滴可視化實驗觀測教學平臺，展示兩種流型的相界面演化過程并分析其內在流體動力學機理，幫助學生深入理解認識流體力學的高度抽象理論，提升相關課程的教學效果。

1 教學實驗設計

1.1 微流控技術制備液滴可視化實驗觀測教學平臺設計搭建

微流控技術制備液滴可視化實驗觀測教學平臺主要由兩相流體輸入裝置、十字交叉型微通道實驗段和高速顯微成像裝置組成。如圖1 所示，連續相和離散相流體在兩臺獨立注射泵的控制下，精密地輸入固定在實驗臺上的微通道中。為防止雜質堵塞微通道，注射器出口加裝過濾器以保證兩相流體的潔凈。此外，微通道的下方需要利用輔助光源以獲得清晰穩定的兩相流體界面。輔助光源采用冷光源以規避光源發熱引起溫度變化影響流體物理性質。通過高速攝像機配合顯微鏡實時記錄微通道中兩相流體的流動形態，并儲存于計算機中。

1.2 微流控技術制備液滴可視化實驗觀測教學平臺的教學案例設計

微流控制備液滴實驗教學案例的核心內容是調節工況參數以改變兩相流體流動形態，利用高速相機記錄液滴生成過程中兩相界面的演變過程，從而闡明液滴動力學行為以及液滴行為調控機理。

圖1 微流控技術制備液滴可視化實驗觀測教學平臺示意圖

實驗中的離散相選用二甲基硅油，密度ρd=897.9kg/m3，黏度μd=5MPa·s。連續相選用去離子水+40%wt 甘油+0.5%wt十二烷基硫酸鈉，密度ρc=1062.6kg/m3，黏度μc=3.8MPa·s。兩相界面張力系數σ=8.27mN/m。微通道的寬和高分別為0.4mm和0.2mm。根據實驗系統圖搭建實驗臺，其主要過程如下：

（1）搭建微通道實驗段：將微通道固定在三維移動平臺上，將注射泵、聚乙烯管和對應通道入口依次相連，在通道背面設置冷光源作為輔助光源；

（2）檢查密閉性：啟動注射泵，檢查通道、各相管道和連接處的密封性；

（3）搭建高速顯微成像系統：使用支撐裝置將顯微鏡和高速攝像機固定在光學實驗平臺上，然后，連接高速攝像機與計算機；

（4）調整視場：打開高速顯微成像系統和輔助光源，調節三維移動平臺使微通道大致處于顯微鏡視場中央；調節顯微鏡焦距、高速攝像機拍攝速度以及冷光源的強弱和位置，保證計算機顯示的圖片具有足夠的清晰度；

（5）擠壓式流型觀察：啟動連續相注射泵，并設定流量為1mL/h，待連續相流體充滿整個通道時，打開離散相注射泵，設定流量為0.1mL/h。待兩相流動現象穩定后使用高速攝像機實時記錄并保存到計算機中；

（6）滴式流型觀察：打開連續相注射泵，調整連續相注射泵流量至8mL/h，待連續相流體充滿整個通道時，打開離散相注射泵，設定流量為5.6mL/h。待兩相流動現象穩定后，使用高速攝像機實時記錄并保存于計算機中；

（7）實驗結束后，依次關閉離散相注射泵、連續相注射泵、高速攝像機、冷光源和計算機，清理實驗臺并將實驗廢液倒入廢液回收桶。

2 實驗結果與分析

微流控技術制備液滴過程中主要受到四個無量綱參數的控制，包括連續相毛細數Cac=(μcuc)/σ，離散相雷諾數Red=(ρddud)/μd，離散相韋伯數Wed=(ρdud2d)/σ 以及離散相與連續相之間的流量比Q*=Qd/Qc。前三個無量綱參數分別代表了黏性力與界面張力的比值、慣性力和黏性力的比值以及慣性力和界面張力的比值。特征長度d=2wh/(w+h)，w 和h 分別是通道的寬和高。液滴制備持續時間由無量綱時間t*=Qc(t-t0)/w2h 表征，其中，t 是實際時間，t0是液滴制備周期初始時刻。

2.1 擠壓式流型

擠壓式流型出現于兩相流量均較小的工況下。圖2 展示了擠壓式流型下一個制備周期內的相界面形貌演化情況，包括生長、擠壓、頸縮和快速夾斷四個階段。離散相流體在進入主通道后沿著主通道軸向流動。在經過交叉處時，側通道內連續相流體的對向流動限制了離散相頭部在側通道軸向上的膨脹，使其在慣性力作用下向下游繼續膨脹（生長階段，t*=0 ～4.17）。當離散相流體的頭部阻塞了交叉處后方的通道時，側通道內壓力將上升并擠壓離散相，使離散相頭部曲率逐漸增大直至相界面完全離開通道壁（擠壓階段，t*=4.17～4.88），交叉區域內的相界面也開始內凹形成明顯的頸部。在界面張力與連續相擠壓的協同作用下，頸部持續收縮（頸縮階段，t*=4.88 ～5.83），隨即出現Rayleigh-Plateau不穩定性，頸部快速夾斷，形成一個塞狀液滴和一個衛星液滴（快速夾斷階段，t*=5.83 ～6.23）。

圖2 擠壓式流型相界面形貌演化過程（Cac = 7.6×10-4，Red =0.016，Wed = 3.2×10-6，Q＊ = 0.2）

2.2 滴式流型

增大Q*時，擠壓式流型將轉變為滴式流型，如圖3 所示。與擠壓式流型不同的是，滴式流型在生長階段（t*=0 ～0.11）后沒有出現擠壓階段。這是因為相對于界面張力，離散相慣性力和連續相黏性剪切力的作用增強（Wed和Cac增加），離散相頭部向下游伸長而不會阻塞交叉區域出口。而隨著離散相頭部增大，其受到的連續相黏性剪切作用繼續增強，促使頸部開始收縮，進入頸縮階段（t*=0.11 ～0.62）最終由于Rayleigh-Plateau 不穩定性，頸部快速夾斷，形成一個塞狀液滴和衛星液滴，即快速夾斷階段（t*=0.62 ～0.72）。

圖3 滴式流型相界面形貌演化過程（Cac = 0.006，Red = 0.9，Wed = 0.01，Q＊ = 1.4）

3 微流控技術制備液滴可視化實驗觀測教學平臺的教學應用

作為對高度抽象的理論知識的補充，本文所建立的微流控技術制備液滴可視化實驗教學平臺能夠幫助學生直觀了解液滴制備過程中的相界面演化特性。從上述直觀可視化實驗數據出發，任課老師可針對相關知識點，尤其相界面演化特性及流體動力學的內在關系進行深入講解剖析，從而加深學生對流體受力博弈這一微流控本質機理的理解與掌握，使課堂教學實現高層理論和基礎性認知的層次化結合，調動學生學習的積極性，強化教學效果。此外，該平臺還可以作為學生課外研學的平臺，引導學生自主設計微流控芯片，探索高通量、高均勻度液滴生成的優選工藝參數，提升學生工程實踐能力，激發學生創新意識。

4 結語

本文設計并搭建了微流控技術制備液滴可視化實驗觀測教學平臺，并開展了不同工況參數下液滴制備實驗教學案例研究，動態觀測了液滴制備過程中的相界面演化，分析了液滴制備過程中的相界面演化規律與流體動力學特性。通過可視化實驗，學生能夠直觀認識液滴制備過程，從而進一步加深對流體力學抽象理論和知識的理解認識，有助于調動學生學習的積極性，激發學生創新意識，推動微流控相關交叉學科的實驗教學方法改革。