双乳液滴成型芯片设计及其工况优化

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微流控技术是近年来极具发展前景的新兴技术,微液滴作为微流控技术的主要产物被广泛应用在各个领域。目前工业应用对于微液滴的需求极大(1000吨/年),而微流道的并联化能够在确保微液滴分散性与可控性的同时提高微液滴生成速率,制备出符合工业应用需求的微液滴。双乳液滴作为其中一种主要的微液滴类型,近年来众多学者对实现其批量化生产的芯片结构进行了研究。但是,目前用于双乳液滴生产的微通道结构复杂,占用面积大,这无疑会极大的增加芯片制作成本,不利于实现芯片结构的并联化,以及大范围的推广应用。针对结构问题,近年来发展迅速的微纳尺度3D打印技术能够很好的解决这个问题,但是面积问题会使得打印成本大幅提高,成本问题仍旧没有得到解决。基于此,新型双乳液滴成型芯片的研究对于双乳液滴的批量化生产有着很大的研究价值。本文的主要研究内容有以下几个部分:(1)分析现有双乳液滴成型芯片存在的问题,基于IASE创新方法对其进行结构的改进;介绍了用于分析微流动的数值模拟方法,给出制备双乳液滴的微流道结构及数值模拟的求解模型,并对其进行验证。(2)对双乳液滴的制备过程进行数值模拟分析,展示了双乳液滴制备中的2种典型流型的成型过程;分析了中间相流速、外相流速、界面张力与粘度对于双乳液滴成型过程以及成型尺寸的影响,给出不同流动参数与物性参数下双乳液滴的尺寸范围,为实际生产中双乳液滴的制备提供参考。(3)对几何构型在双乳液滴成型过程中的影响进行研究,重点分析了各相入流夹角、流道宽度比以及不同的扩角结构对于双乳液滴成型过程及尺寸的影响,给出不同结构下双乳液滴的尺寸范围,统计分析了不同结构下双乳液滴的单分散性变化,为双乳液滴成型芯片的设计提供参考。(4)给出一种双核-双乳液滴的成型芯片结构,通过数值模拟展示了制备过程的2种基本流型,分析了内相流道宽度、内相流速、内相界面张力与粘度对于双核-双乳液滴的内核尺寸的影响,给出了不同工况下内核尺寸的变化情况,为制备双核-双乳液滴提供了参考。(5)给出了一种基于环形阵列化的双乳液滴批量化成型结构,并通过数值模拟分析了环形并联微通道中流体物性、流动参数对于单分散性的影响,给出双乳液滴稳定成型的工况范围以及该工况下双乳液滴单分散性的变化情况,验证了该结构在批量化生产的可行性。
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