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复合流动聚焦的实验和理论研究

李广滨  
【摘要】:复合流动聚焦(compound flow focusing)是一种毛细流动现象。它通过物理剪切将毫米尺度的液体界面平稳地拉伸为微米尺度的射流,射流则因扰动的增长而失稳破碎为单分散性的液滴。该技术稳定性好、操作简单、可控性强、实验条件宽松,非常适用于制备微米/亚微米尺度的液滴或颗粒,在科学研究和生产应用方面都有着重要价值。本文重点研究了复合流动聚焦中的电流动聚焦(electro-flow focusing,EFF)和同轴流动聚焦(co-flow focusing, CFF),主要内容描述如下:1.采用焊点法制作了便于调节和清洗的同轴针头,使用有机玻璃板加工出便于实验观察的气腔。在搭建的实验系统上研究了结构参数和控制参数对同轴锥形的影响,测量了聚焦小孔出口处射流的直径d和界面扰动波的波长λ随气压差△Pg和流量Q的变化规律,并初步研究了内外层液滴的包裹模式。2.基于EFF实验建立了用于带电“液-气”复合射流稳定性分析的理论模型,开展了无粘和粘性时间不稳定性分析。模型中“液-气”射流由半径为R的圆柱液体射流和无限大的环形气体区域构成。在无粘模型中采用均匀速度剖面并只考虑轴向电场的影响;有粘模型中则同时考虑了轴向电场和径向电场,并基于管流和误差函数构造了液体射流和驱动气体的速度剖面。时间稳定性分析发现轴对称(n=O)扰动和第一类非轴对称(n=1)扰动对射流的失稳起主导作用。在分析了表面张力、粘性、速度以及密度对射流稳定性的影响后,本文重点分析了轴向电场和界面上的初始自由电荷的影响,发现自由电荷密度Q0能极大的促进轴对称和第一类非轴对称扰动的增长,且当Q0足够大时,随着轴向电场强度的增加,射流将从轴对称破碎模式过渡到非轴对称破碎模式。最后,在实验参数下计算了n=0时射流的最不稳定扰动的波长,并与实验结果进行比较,发现两者吻合较好。3.基于CFF实验建立了用于三相复合射流稳定性分析的理论模型。该模型中同轴射流由半径为R1的圆柱射流和外径为R2(R2R1)的环形射流组成,射流周围是与射流同向流动的驱动流体。三相流体均为粘性流体,同时基于管流和误差函数建立了射流和驱动流体的基本速度型。通过时间不稳定性分析发现了四种不稳定模,并研究了重要无量纲参数对射流稳定性的影响规律,分析了射流内外界面间的耦合关系。结果表明:一般情况下,stretching模是最不稳定的;增加内外层界面的界面张力以及减小流体的粘性均有利于同轴射流的破碎;基本速度型对同轴射流时间稳定性的影响呈对称性;驱动流体粘性越低,速度越高,射流越容易从轴对称破碎模式转换为非轴对称破碎模式;外层界面会促进内层界面扰动的发展并对内层界面有轴向拉伸作用。4.采用同轴流动聚焦技术制备了以磷脂分子为外壳,溶有纳米银颗粒的十氟戊烷为核的可激发微泡(stimuli-responsive microbubbles,SRMs),并推导出SRMs粒径分布的尺度律。然后在自行搭建的实验平台上进行了SRMs的激光激发(optical droplet vaporization, ODV)实验,发现SRMs具有良好的定点、可控激发潜力。最后基于ODV的实验建立了激光激发SRM的理论模型,分析了重要参数对微泡激发的影响,一定条件下理论预测和实验结果吻合很好。


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