外部激励调控流动聚焦中复合射流不稳定性研究

This project focuses on the breakup of compound liquid jets into droplets upon the flow rate actuation in a flow focusing process, and aims to explore the flow characters and instabilities of the compound jet interface, which contributes to the on-demand production of monodispersed micro-droplets in a variety of application fields. In this project, the experimental platform will firstly been established, and the numerical method based on adaptive mesh will be developed; then, experiments will be carried out to study the effect of process parameters such as perturbation frequency, amplitude, waveform and liquid flow rates on the breakup of a coaxial jet, and numerical simulations will be applied to provide quantitative data to study the competition of multiple frequencies on the interface instability; finally, the actuation will be applied to complex flow focusing geometries to study the breakup of the multilayered compound jets, and realize the process optimization and active control on the structure and monodispersity of microcapsules. This research is expected not only reveal the mechanisms of the compound jet instability, but also provide a theoretical guidance and technical support on practical applications.

本项目提出将外部激励施加于复合流动聚焦，通过对复合射流的流量实施周期性扰动，探究扰动调控多相流体界面演化的规律，揭示主动控制界面流动失稳的力学机理，从而实现可控粒径、产率和壳-核结构下单分散性复合微液滴的制备。项目首先将建立外部激励控制下流动聚焦的实验研究平台，同时发展基于自适应网格的多相流动数值方法；其次，通过实验获得外部激励频率、振幅、波形、扰动相和流体流量等因素对同轴射流破碎的影响规律，结合数值模拟的定量数据，揭示主动激励条件下不同射流破碎模态的竞争机制，探讨扰动主导射流破碎的临界条件；最后，将外部激励施加于其它复杂构型的流动聚焦实验，在一定参数区间内主动控制复合射流多层界面的失稳，实现过程优化和特殊几何结构均匀复合液滴的可控制备。本项目的研究不仅能从流体力学角度分析复合射流界面的失稳机理，同时也能为生命科学、药学、医学等工程应用领域中复合微胶囊的可控制备提供理论指导和技术支持。

微米尺度具有壳-核结构的复合液滴及胶囊在核聚变靶丸制备、生物制药、细胞包裹、食品掩味等工程应用中具有重要价值。值得一提的是，实际应用中通常要求复合微液滴粒径均匀、尺寸可调、结构可控，并且要适用于多种介质，这对其制备技术提出了一定挑战。本项目基于同轴流动聚焦方法，创新性的对流体流量施加外部主动激励，主动调控流体界面的失稳破碎，实现了复合微液滴的可控制备，并明确其中涉及的复杂界面流动机理。项目具体开展了三个方面研究内容：首先，自行搭建了外部激励控制下同轴流动聚焦实验测试平台，实现了对激励的准确标定以及对流场结构的定量观测，同时基于扩散界面模型直接求解Navier-Stokes方程，建立了入口速度扰动情况下同轴流动聚焦数值模型；其次，开展了外部激励调控下同轴流动聚焦锥-射流界面演化的实验及数值模拟研究，明确了射流双层界面耦合行为，建立了相关不稳定性理论模型，获得了外部激励频率、振幅、流体流量等因素对不同耦合模式下同轴射流破碎失稳的影响规律，量化了扰动主导射流破碎的临界条件；最后，针对更为复杂几何结构的复合锥形与射流，开展了实验与数值模拟研究，获得了多种特殊几何结构的复合液滴并实现了其可控制备。本项目的研究不仅能深入理解外部激励控制下同轴流动聚焦中涉及的诸多界面流动及失稳的科学问题，也能为相关工程应用提供直接的理论与技术指导。