基于微流控芯片的液滴被动式融合数值仿真研究.pdf

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1、第44卷第3期河北工业大学学报2015年6月Vl01．44No．3J0URNALOFHEBEIUNIVERSITYOFTECHNOL0GYJune2015文章编号：1007—2373(2015)03—0048—05DOI：10．14081／j．cnki．hgdxb．2015．03．010基于微流控芯片的液滴被动式融合数值仿真研究杨丽，周围，姜云峰，程景萌，王媛媛，张思祥(河北工业大学机械工程学院，天津300130)摘要基于COMSOLMultiphysics5．0层流两相流模型，通过数值模拟研究了微通道内液滴被动式融合机理及影响因素

2、．在液滴生成的下游通道设计长棱形的扩张通道，形成流速降低梯度区，实现了液滴的有效融合．结果表明：微液滴的被动式融合利用的是油／水界面张力的作用使液滴自发融合，主要分为4个过程：液滴相遇、液滴接触、液滴破碎和液滴融合．连续相入口处的雷诺数和液滴体积是影响液滴融合的关键因素．一定范围内，雷诺数越大，融合时间越短，当超过临界值时，雷诺数越大，液滴运动速度过快，则无法实现融合：一定范围内，液滴体积越大，融合时间越短．当超过临界值时，液滴运动轨迹发生变化，使两液滴不能相遇，无法融合．关键词微流控；液滴；融合；界面张力；数值模拟中图分类号TH7

3、9文献标志码ANumericalsimulationstudyonpassivecoalescenceindroplet—basedmicrofluidicsYANGLi，ZHOUWei，JIANGYunfeng，CHENJingmeng，WANGYuanyuan，ZHANGSixiang(SchoolofMechanicalEngineering，HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130，China)AbstractBasedontwo—phaseflowmoduleinCOMSOLMul

4、tiphysics5．0．anumericalsimulationaboutpassivecoal—escenceindroplet-basedmicrofluidicsandinfluencefactorsarecarriedoutinthispaper．Thelongprismaticexpansionmicrochannelinthedownstreamchannelofdropletgenerationisproposedtoformdecreasedvelocitygradienttorealizecoalescencei

5、ndroplet．Theresearchresultsshowthattheprocessofcoalescenceinmicrodropletcanbedividedintofourstages：dropletencounter,dropletcontact．dropletbreakupanddropletfusion．ThecriticalfactorsofdropletcoalescenceareRenumbersofcontinuousphaseintheinletanddropletvolume．Withinlimits，

6、thedropletcoalescencetimedecreaseswhenRenumbersofcontinuousphaseintheinletincreases．WhenRenumbersareovercriticalvalue．thedropletvelocityiSSOfastthatthedropletcoalescencecan’tberealized．Wiminlimits．thedropletcoalescencetimeiSshortenwiththebiggerdropletvolume．Whendroplet

7、volumeisovercriticalvalue，twodropletscannotencounterduetochangedtrajectoryofdropletthedropletcoalescencecan’tberealized．Kevwordsmicrofluidic；droplet；coalescence；interfacialtension；numerica】simulation0引言微流控芯片(microfluidicchip)技术是指在厘米级的芯片上，由微通道形成网络，使可控流体贯穿整个系统，以实现常规化学或生物

8、学实验室的各种功能，在生物、化学等领域具有良好的应用前景，又称为芯片实验室(Lab—on．a．chip)“．液滴微流控是近年来在微流控芯片上发展起来的一种新兴的操纵微小体积液体的技术，与基于连续流动的微流控芯片相比，液滴微流控芯片大大