潘大伟《Chemical Engineering Journal》：受限微通道中液-液-液三相流的界面耦合形变机理研究

2024-08-23 14:15:08 24阅读次数

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受限微通道中液-液-液三相流的界面耦合形变机理研究

论文题目：Interfaces coupling deformation mechanisms of liquid-liquid-liquid three-phase flow in a confined microchannel

发表期刊：Chemical Engineering Journal 434 (2022) 134769（中科院1区，IF：15.1）

论文背景及研究内容简介

多相液滴微分散体系因其显著的界面效应和尺度效应而被广泛应用于功能材料制备以及微反应与微吸收等化工过程强化。微流控技术可在微米或亚毫米限域空间内精确操控多相流体流动和分散，从而为多相液滴微分散体系的可控构建与操控提供了一种崭新的技术平台，已成为微化工领域的研究前沿。受限微空间内复合液滴界面形变的定量控制不仅可为特定尺寸异型微囊的可控制备提供优良模板，更是诸多微化工单元操作中所涉及的基本物理过程。化工过程强化依赖于多相流体的流动行为，而流动行为又主要取决于相间作用，即界面形变，其本质原因在于多相体系中所涉及的流体力学作用力。由此可见，实现限域微空间内复合液滴界面形变的定量控制，并揭示其中的多界面形变流体动力学机制，对于含液滴的多相流体系的理性设计和定向调控具有重要意义。

图1. 限域微空间内复合液滴多界面耦合形变过程：（a）限域微空间内复合液滴界面形变过程的可视化实验系统；（b）复合液滴在受限微通道内稳定输运的操作工况；（c）Din/Dout=0.93时，单液滴与复合液滴的形变对比；（d）Din/Dout=0.79时，单液滴与复合液滴的形变对比。

基于此，本文结合可视化实验与数值模拟，深入研究了限域微通道内复合液滴内外界面的耦合形变行为及其流体动力学机制。研究结果表明：核层液滴在限域空间内的破裂与连续相毛细管数和核层液滴与通道直径比值密切相关，并基于此建立了核层液滴破裂流型图，从而为复合液滴在限域空间内的稳定输运提供了操作区域。此外，限域微空间内复合液滴多界面形变行为不仅与连续相流量有关，而且受核层液滴与壳层液滴直径比的显著影响；当连续相流量和核层液滴与壳层液滴直径比较大时，与单液滴形变过程相比，复合液滴外界面的形变将在内界面形变的阻碍效应下受到限制，且随着核层液滴与壳层液滴直径比的不断减小，内界面阻碍效应将被削弱，进而导致复合液滴的外界面形变与单液滴基本一致。同时，在归纳相关影响因素的基础上，建立了限域微空间内复合液滴外界面形变系数的预测关联模型。相关研究结果可为限域空间内复合液滴内外界面形变的定量控制提供理论基础。