T型结构微流控芯片中微液滴破裂的数值模拟.doc

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T型结构微流控芯片中微液滴破裂的数值模拟

中国工程热物理学会 多相流 学术会议论文 编号:116167 T型结构微流控芯片中微液滴破裂的数值模拟 王澎,陈斌 (西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 西安 710049) (Tel:029Email: chenbin@mail.xjtu.edu.cn) VOF模型对T型结构微流控芯片中微液滴的三维破裂过程进行了数值模拟,获得了液滴发生破裂和不会破裂两种流型。微液滴的轴向长度对应存在着一个临界毛细数,当主流流体的毛细数大于此临界点时,微液滴发生破裂并分别流向T型结构两侧;否则不会发生破裂,微液滴流向任意一侧。通过多个工况的计算,拟合了临界毛细数与微液滴相对轴向相对长度的关系,探讨了粘度比对微液滴破裂的影响。发现粘度比越小,微液滴越易发生破裂。 关键词:微流控芯片;微液滴;T型微通道;破裂;VOF 0 前言 随着MEMS技术的发展,微流控芯片实验室(Lab-on-chip)可将一个生物或化学实验室微缩到一块只有几平方厘米的薄片上,在最近十年得到迅猛发展。微液滴技术是基于微流控芯片发展起来的一种全新的操纵微小体积液滴的技术,实现了微液滴的稳定生成、表面处理、破裂、融合及多层液滴制备等。使用该技术生成的微液滴在生物医学、制药和化学分析方面有重要的应用价值,最常见的应用是作为微反应容器研究微尺度化学、生物以及涉及到相变过程的反应。具体来说,微液滴可作为容器进行酶反应动力学分析[1-2]、用于微球颗粒的合成[3]、作为蛋白质结晶的容器研究晶核形成对结晶的影响[4]以及作为微培养容器包裹微生物如秀丽线虫的培养[5]等。在临床上,通过一定方法固化微液滴后形成的微球颗粒作为靶向给药系统的载体,可将药物输运到常规技术难以到达的病理组织,实现药物的控释或缓释从而提高了药物的疗效并且减少药物对正常组织的毒副作用Shia-Yen[7]提出了液滴的主动破裂和被动破裂机理,通过电湿润法实现主动破裂,使用T型结构、分叉结构和障碍物结构等实现液滴的被动破裂。D. R. Link[10]在实验中通过多阶的T型结构获得了大小均一的微液滴,液滴数量是单个T型管的8倍。M. C. Julien[11]通过实验提出了液滴在T型交错结构的两种破裂机理:隧道破裂和障碍物破裂。Mench[12]应用相场方法模拟了三维大液滴在T型结构处的破裂,发现毛细数、粘度比和微液滴初始大小是影响破裂的主要因素。 本文通过VOF模型模拟了T型微通道内微液滴被动破裂的过程,研究主流流体表观速度、微液滴大小和两相粘性等因素对液滴破裂机理的影响,总结发生破裂的预测方法,为工程实际应用提供指导。 1数理模型 1.1控制方程 在微尺度条件下,油水两相均视为不可压缩粘性流体,忽略重力后,连续性方程和动量方程可简化为: (1) (2) 液液相界面的捕捉是通过计算在各网格单元内的两相体积分数αw 和αo 来实现的。αw=1(αo=0)表示网格单元全部被水相占据,αw=0(αo=1)表示网格单元全部被油相占据,油水相界面存在于0<α<1 (3) (4) 水相的体积分数αw 可以通过求解式(5)获得: (5) 油水相界面采用PLIC算法重构。 1.2表面力模型 在微尺度条件下,忽略惯性力的影响,表面张力在两相流系统内起支配作用,本文采用连续表面力模型(CSF) (6) 其中σ为表面张力系数,κw为表面曲率。在CSF模型中,表面曲率由界面单位法向量的梯度计算: (7) 在不与壁面相邻的网格单元内,可以直接求取水相体积分数αw的梯度来确定相界面的单位法向量。即: , (8) 在与壁面相邻的网格单元内,、水

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