利用高速攝像機研究截面為400×400 μm的正T型微通道內(nèi)液-液兩相流動特性，離散相（硅油）和連續(xù)相（質(zhì)量分數(shù)為0.5%的十二烷基硫酸鈉SDS蒸餾水）的體積流量范圍分別為1~5、2~110 mL/h. 結(jié)果表明，兩相流型主要為彈狀流和滴狀流，前者的形成機理為擠壓機理，后者為剪切機理. 液滴的長度隨離散相體積流量和離散相與連續(xù)相體積流量之比的增大而增大，隨連續(xù)相的體積流量和毛細數(shù)的增大而降低. 液柱長度的變化規(guī)律與液滴長度相反. 液滴生成時間隨離散相與連續(xù)相的體積流量的增大而逐漸降低，剪切機理生成液滴所需時間小于擠壓機理. 依據(jù)實驗結(jié)果，采用離散相與連續(xù)相體積流量比和連續(xù)相的毛細數(shù)，總結(jié)出無量綱液滴、液柱長度及液滴生成時間的預測關(guān)聯(lián)式.

微通道內(nèi)兩相流動廣泛應用于能源、化工、生物醫(yī)藥及芯片實驗室等領(lǐng)域，近年來受到越來越多的關(guān)注. 依據(jù)離散相與連續(xù)相種類的不同，微通道內(nèi)兩相流動主要分為氣-液和液-液兩類，涉及的流型有彈狀流（Taylor流）、滴狀流和環(huán)形流. 與常規(guī)通道相比，微通道內(nèi)兩相流動具有流型穩(wěn)定、表面積與體積比較大（大幅強化傳熱、傳質(zhì)）、操作安全等優(yōu)點. 現(xiàn)階段對于微通道內(nèi)液?液兩相流的研究主要分析不同的微通道形式（T型、十字交叉型、Y型）對兩相系統(tǒng)內(nèi)部液滴形成/破裂過程、液滴長度、速度、兩相流型等參數(shù)的影響規(guī)律.

T型微通道構(gòu)造簡單，廣泛應用于微液滴生成裝置. 依據(jù)離散相與連續(xù)相入口的夾角，T型微通道主要分為兩類：正T型（夾角為180°）和側(cè)T型（夾角為90°）. Garstecki等利用數(shù)值模擬方法，分析側(cè)T型微通道內(nèi)液滴的生成過程，指出液滴生成主要存在2種不同的機理：擠壓機理和剪切機理. Fu等觀測側(cè)T型微通道內(nèi)部的流型，指出長氣泡主要由擠壓機理生成，離散氣泡主要由剪切機理形成. Yao等的實驗結(jié)果表明對于正T型通道，當連續(xù)相無法較好地潤濕通道壁面時，擠壓機理向剪切機理轉(zhuǎn)變的臨界毛細數(shù)低于潤濕性表面的工況。液滴與液柱的長度直接影響微液滴的傳熱、傳質(zhì)特性，Wu等分析微通道內(nèi)液滴長度的變化規(guī)律，并利用離散相與連續(xù)相的體積流量之比和連續(xù)相毛細數(shù)，總結(jié)出無量綱液滴長度的表達式.

雖然現(xiàn)有文獻已有涉及到微通道內(nèi)液滴生成規(guī)律的研究，但對于正T型通道的研究不足，尤其是在液柱長度及液滴生成時間方面. 采用不同工作介質(zhì)的微流動系統(tǒng)，其內(nèi)的液滴、液柱長度與液滴生成時間的規(guī)律有一定的不同. 本研究主要以硅油和質(zhì)量分數(shù)為0.5% 的十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate, SDS）蒸餾水作為離散相和連續(xù)相，分析截面為400×400 μm的正T型微通道內(nèi)液滴生成規(guī)律，并總結(jié)液滴、液柱長度及液滴生成時間的預測關(guān)聯(lián)式.

T型微通道液-液兩相流動實驗系統(tǒng)及測試段如圖1所示. 離散相（硅油）和連續(xù)相（0.5% SDS蒸餾水）由2臺注射泵驅(qū)動，流入T型微通道實驗段. 在通過實驗段后，兩相混合液體流入集液器. 實驗段與注射泵及集液器之間采用內(nèi)徑為3 mm的硅膠管連接. 工質(zhì)的黏度由烏氏黏度計（LVDV-II，Brookfield，USA）測量，連續(xù)相與離散相的黏度分別為0.000 92、0.010 00 Pa·s. 兩相之間的表面張力由表面張力儀（DCAT11EC，Dataphysics，Germany）獲得，為0.021 N/m. 利用高速攝像機拍攝微通道內(nèi)的兩相流型圖片，采用150 W的背光源提供清晰拍攝所需的光照強度. 實驗段的材質(zhì)為亞克力玻璃，采用精密機械加工的方法刻出實驗所需的微槽道（截面尺寸為W×H=400×400 μm）及螺栓孔. 用相同尺寸的亞克力玻璃作為蓋板，蓋板和刻槽板之間利用螺栓壓緊密封.

圖 1   微液滴實驗系統(tǒng)及測試段示意圖

如圖2所示為實驗圖片的處理過程. 圖中，Lc為液柱長度，即2個連續(xù)的液滴之間的長度；Ld為液滴長度；Luc為微液滴單元長度，即一組液滴與液柱長度之和. 本研究采用MATLAB軟件中的Canny算法，處理微通道內(nèi)流型圖片，獲得液滴的輪廓線，利用像素的相對大小，分析液滴、液柱的長度.

圖 2   微液滴實驗圖片處理過程

微液滴形成過程分析

在實驗過程中，如圖3所示為2種流型下液滴生成過程示意圖. 可以看出，2種流型對應的液滴生成位置與液滴生成時間明顯不同. 如圖3（a）所示，當連續(xù)相流速較低時，T型微通道內(nèi)主要為彈狀流. 隨著時間增加，離散相逐漸充滿T型通道的交匯區(qū)域（100 ms）. 而后，離散相一方面向通道下游發(fā)展，另一方面在交匯區(qū)域所占的比重逐漸減小（200~300 ms），導致交匯區(qū)域的液-液界面逐漸向離散相入口側(cè)收縮. 當τ=385~400 ms時，靠近交匯區(qū)域下游離散相液滴尾部逐漸拉伸、剪斷，形成周期性的彈狀液滴. 對于高體積流量工況，微通道內(nèi)主要為滴狀流. 如圖3（b）所示，隨著連續(xù)相體積流量的增大，離散相無法完全充滿和阻塞T型通道的交匯區(qū)域. 離散相向通道下游發(fā)展，在連續(xù)相的剪切力及兩相的表面張力作用下，斷裂形成長度較小的滴狀流. 對比圖3（a）、（b）可以看出，滴狀流形成的時間遠低于彈狀流，對應更高的生成頻率，同時滴狀流完全破裂生成液滴對應的位置距離交匯區(qū)域更遠，通道內(nèi)主要為滴狀流流型.

圖 3   不同工況下的T型微通道內(nèi)液滴形成過程

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