摘要
液滴微流控技术借助液滴粒径均一、占地面积小、装置封闭无污染等优势，在药物运输、疾病检测、功能材料合成等领域具有广泛应用。但目前仍存在液滴制备效率低，流体性质、几何结构对液滴形状的影响不明确。本研究在COMSOL Multiphysics软件中利用两相流相场法模拟了聚焦型微通道中的液滴生成过程，研究了流体性质以及微通道的几何结构对液滴各类参数以及液滴生成过程的影响，并推导了微通道集成放大的设计准则，研究了分支通道相同时不同结构的集成放大结构与流体分配效果之间的关系，并设计了聚焦型微通道集成放大装置，得到以下结论: (1)对微通道中液滴生成过程进行力学分析，得到液滴生成过程以及在微通道中的流动时的受力情况;分析了微通道中生成液滴的各种流型，以及影响液滴生成流型的各种因素。 (2)利用两相流相场模型建立了通过流动聚焦型微通道生成液滴的数学模型，研究了两相流体的流量、黏度、表面张力系数、壁面接触角和壁面滑移特性对液滴生成过程的影响。Qc恒定时，Qc/Qd从12.5减小至2.5，液滴最大横截面积和液滴生成频率同时增加。Qd恒定时，Qc/Qd从1.25增加至13.75,液滴最大横截面积减小了 72.4％,液滴生成频率增加了 76.2％。μc恒定时，μc/μd从 14降低至0.5导致液滴最大横截面积减小21.1％,液滴生成频率增加43.4％。μd恒定时，μc/μd从2.5增长到17时，液滴最大横截面积减小57.1％，液滴生成频率增加151.6％。σ增大100倍时，液滴面积显著增加，液滴生成频率降低了 91.6％。当θo≤π/2 时，θo从π/12增大至π/2,液滴最大横截面积减小了 26.7％,液滴生成频率增加了 23.2％。当θo＞π/2,θo从2π/3增大至5π/6,液滴最大横截面积增加了 0.7％，液滴生成频率保持不变。壁面滑移长度从0增大至10 μm时，液滴最大横截面积增大了 14.4％,液滴生成频率减少了 9.34％。 (3)结合流体性质对液滴生成过程的影响，研究了微通道中几何结构对液滴生成过程的影响。Qc=0.50e-9 m3/s时，Wd从0.075 mm增加至0.25 mm使得液滴面积显著增加，生成频率降低了 90％，液滴断裂位置lp增加了 19.4％;wc从0.075 mm增加至0.25 mm使得液滴面积增加了 54.6％，液滴生成频率呈先增大后减小的趋势，最大值在wc=0.125 mm时取得，液滴断裂位置lp增加了 31.2％;通道深度h从0.05 mm增加至0.25 mm时，液滴面积增长了 1.74倍，液滴生成频率变化趋势为先减小后不变，液滴断裂位置在h=0.15 mm时最靠近通道交叉处，lp=0.414 mm。两相入口夹角为90°时液滴面积、生成频率等参数均会突然降低;当通道结构为对称结构或不对称结构时，增大倒圆角半径，液滴面积、生成频率均增加。在聚焦型微通道内部分别增加了矩形、正三角和反三角形状的凸台，研究凸台形状、尺寸以及连续相流量对液滴生成过程的影响，结果表明矩形凸台时液滴生成条件最为苛刻。 (4)以电路模型为模板在梯形结构中推导了微通道集成放大设计准则，并模拟了目前常用的几种流体分配通道，且通道的流体分配效果进行量化，发现2级环形树状结构的流体分配效果最好，因此设计了聚焦型微通道集成放大装置来增加液滴制备效率。
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