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摘要

基于微通道两相流的微流控技术已得到广泛的应用, 精确控制通道中气泡或液滴的尺寸对相关微流控系统的设计起到至关重要的作用. 本文基于流体体积法重构Y型微通道内的气泡破裂行为, 系统研究了气泡无量纲尺寸(1.2—2.7)、出口流量比(1—4)以及主通道雷诺数(100—600)对气泡破裂行为的影响. 发现气泡非对称破裂过程分为3个阶段: 延伸阶段、挤压阶段和快速破裂阶段. 在气泡初始尺寸较小或出口流量较大的情况下, 气泡不破裂, 只经历延伸阶段和挤压阶段. 进一步针对不同尺寸和出口流量比揭示了气泡的4种破裂模式: 隧道-隧道破裂、阻塞-阻塞破裂、隧道-阻塞破裂和不破裂. 随着出口流量比的增大, 气泡的破裂过程逐渐变为非对称破裂, 其破裂模式沿隧道-隧道破裂/阻塞-阻塞破裂、逐渐向隧道-阻塞破裂和不破裂方向转变. 在此基础上获得了不同雷诺数和初始气泡尺寸下, 气泡破裂的临界流量比以及气泡破裂后子气泡体积比随出口流量比的变化规律并提炼了相应的准则关联式, 可为精确调控破裂后子气泡的尺寸提供理论指导.

关键词:

Abstract

Microfluidic technology based on microchannel two-phase flow has been widely used. The precise control of the bubble or droplet size in the channel plays a crucial role in designing the microfluidic systems. In this work, the bubble breakup behavior in Y-shaped microchannel is reconstructed based on the volume of fluid method (VOF), and the effects of bubble dimensionless size (1.2–2.7), outlet flow ratio (1–4) and main channel Reynolds number (100–600) on the bubble breakup behavior are systematically investigated. The bubble asymmetric breakup process is found to be divided into three stages: extension stage, squeeze stage, and rapid pinch-off stage. In the case of small initial bubble size or relatively high outlet flow rate, the bubble does not break, but only experiences the extension stage and the squeezing stage. Four flow patterns of bubble breakup are further revealed for the bubbles with different sizes and outlet flow ratios: tunnel-tunnel breakup, obstruction-obstruction breakup, tunnel-obstruction breakup, and non-breakup. With the increase of outlet flow ratio, the breakup process of the bubble gradually becomes asymmetrical, and the flow pattern shifts along the tunnel-tunnel breakup and the obstruction-obstruction breakup, gradually turns toward the tunnel-obstruction breakup and non-breakup. On this basis, the critical flow ratio of bubble breakup and the variation of daughter bubble volume ratio with outlet flow ratio are obtained for different Reynolds numbers and initial bubble sizes, and the corresponding criterion correlation equation is refined, which can provide theoretical guidance for accurately regulating the daughter bubble size after breakup.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:李姗姗,liss@sit.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金 (批准号: 51706136)和上海市高校特聘教授(东方学着)岗位计划资助的课题.

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Li Shan-Shan,liss@sit.edu.cn

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51706136) and the Program for Professor of Special Appointment (Eastern Scholar) at Shanghai Institutions of Higher Learning, China.

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参考文献

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[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
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[28]
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[30]
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施引文献

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流体类型	密度/(kg·m^–3)	黏性系数/(Pa·s)	表面张力系数/(N·m^–1)
空气	1.225	0.000018
水	998.2	0.001005	0.07275

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算例	网格 1		网格 2		网格 3		网格 4
网格数	499890		1003170		1586530		2401453
雷诺数	100	600	100	600	100	600	100	600
气泡长度$l^* $	2.122	2.563	2.196	2.595	2.187	2.589	2.190	2.592
\|误差($l^* $)\|/%	3.11	1.12	0.27	0.12	0.14	0.12	—	—

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	Re
	100	200	300	400	500	600
a₁	1.47	1.45	1.35	1.30	1.25	1.22
b₁	5.0 × 10^–7	1.1 × 10^–7	1.0 × 10^–4	5.8 × 10^–3	4.6 × 10^–3	2.2 × 10^–4
c₁	0.42	0.57	1.15	2.08	2.25	2.65
a₂	0.001	0.001	0.001	0.02	0.02	0.02
b₂	9.9 × 10^–5	1.20	1.58	1.07	0.66	0.81
c₂	0.50	0.98	1.23	2.05	2.24	2.50
a₃	—	0.001	0.001	0.001	0.005	0.010
b₃	—	0.47	–0.36	0.15	0.03	–0.13
c₃	—	0.85	1.00	1.20	1.63	1.98

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	i	j
$V^* $= 1.7	–0.79	0.025
$V^* $= 2.2	–0.44	0.034
$V^* $= 2.7	–1.54	0.054

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[13]
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[15]
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[29]
[30]
[31]
[32]
[33]
[34]

[1]	张沐安, 王进卿, 吴睿, 冯致, 詹明秀, 徐旭, 池作和.多孔介质内气泡Ostwald熟化特性三维孔网数值模拟. 必威体育下载 , 2023, 72(16): 164701.doi:10.7498/aps.72.20230695
[2]	张晋新, 王信, 郭红霞, 冯娟, 吕玲, 李培, 闫允一, 吴宪祥, 王辉.三维数值仿真研究锗硅异质结双极晶体管总剂量效应. 必威体育下载 , 2022, 71(5): 058502.doi:10.7498/aps.71.20211795
[3]	贺传晖, 刘高洁, 娄钦.大密度比气泡在含非对称障碍物微通道内的运动行为. 必威体育下载 , 2021, 70(24): 244701.doi:10.7498/aps.70.20211328
[4]	张晋新, 王信, 郭红霞, 冯娟.基于三维数值仿真的SiGe HBT总剂量效应关键影响因素机理研究. 必威体育下载 , 2021, (): .doi:10.7498/aps.70.20211795
[5]	朱海龙, 李雪迎, 童洪辉.三维数值模拟射频热等离子体的物理场分布. 必威体育下载 , 2021, 70(15): 155202.doi:10.7498/aps.70.20202135
[6]	潘文韬, 李姗姗, 文琳, 潘振海.. 必威体育下载 , 2021, (): .doi:10.7498/aps.70.20210832
[7]	俞炜, 邓梓龙, 吴苏晨, 于程, 王超.Y型微通道内双重乳液流动破裂机理. 必威体育下载 , 2019, 68(5): 054701.doi:10.7498/aps.68.20181877
[8]	娄钦, 李涛, 杨茉.复杂微通道内气泡在浮力作用下上升行为的格子Boltzmann方法模拟. 必威体育下载 , 2018, 67(23): 234701.doi:10.7498/aps.67.20181311
[9]	周剑宏, 童宝宏, 王伟, 苏家磊.油滴撞击油膜层内气泡的变形与破裂过程的数值模拟. 必威体育下载 , 2018, 67(11): 114701.doi:10.7498/aps.67.20180133
[10]	郑晖, 张崇宏, 孙博, 杨义涛, 白彬, 宋银, 赖新春.小体积比两相分离早期过程的三维格子气模型研究. 必威体育下载 , 2013, 62(15): 156401.doi:10.7498/aps.62.156401
[11]	李帅, 张阿漫, 王诗平.气泡引起的皇冠型水冢实验与数值研究. 必威体育下载 , 2013, 62(19): 194703.doi:10.7498/aps.62.194703
[12]	张明焜, 陈硕, 尚智.带凹槽的微通道中液滴运动数值模拟. 必威体育下载 , 2012, 61(3): 034701.doi:10.7498/aps.61.034701
[13]	刘腊群, 刘大刚, 王学琼, 邹文康, 杨超.带螺旋支撑杆的同轴磁绝缘传输线三维数值模拟的实现. 必威体育下载 , 2012, 61(16): 162901.doi:10.7498/aps.61.162901
[14]	彭凯, 刘大刚, 廖臣, 刘盛纲.三维电子回旋脉塞的数值模拟研究. 必威体育下载 , 2011, 60(9): 091301.doi:10.7498/aps.60.091301
[15]	张新明, 周超英, Islam Shams, 刘家琦.用格子Boltzmann方法数值模拟三维空化现象. 必威体育下载 , 2009, 58(12): 8406-8414.doi:10.7498/aps.58.8406
[16]	潘诗琰, 朱鸣芳.三维溶质枝晶生长数值模拟. 必威体育下载 , 2009, 58(13): 278-S284.doi:10.7498/aps.58.278
[17]	张科营, 郭红霞, 罗尹虹, 何宝平, 姚志斌, 张凤祁, 王园明.静态随机存储器单粒子翻转效应三维数值模拟. 必威体育下载 , 2009, 58(12): 8651-8656.doi:10.7498/aps.58.8651
[18]	朱昌盛, 冯力, 王智平, 肖荣振.三维枝晶生长的相场法数值模拟研究. 必威体育下载 , 2009, 58(11): 8055-8061.doi:10.7498/aps.58.8055
[19]	卢玉华, 詹杰民.三维方腔温盐双扩散的格子Boltzmann方法数值模拟. 必威体育下载 , 2006, 55(9): 4774-4782.doi:10.7498/aps.55.4774
[20]	卢新培, 潘垣, 张寒虹.水中脉冲放电等离子体通道特性及气泡破裂过程. 必威体育下载 , 2002, 51(8): 1768-1772.doi:10.7498/aps.51.1768

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