微通道内包裹固体颗粒的微液滴生成及运动机理研究

Droplet containing solid microparticles can be potentially utilized in biomedical and material applications. Recently, research shows that the microparticle has a great impact on the formation and the movement of the droplet in microchannel. However, the underlying mechanism is still not clear. Further research needs to be conducted on the effect of solid microparticles on the dynamic of droplet surface in microchannel. In this project, the process of the formation and the movement of the droplet containing solid microparticles in microchannel will be visualized in three dimension under different conditions, especially to find out the functional principle of solid microparticles on droplet. Meanwhile, based on the theory of multiphase flow, new liquid/liquid/solid three-phase model in microchannel will be established to numerically simulate the dynamic process of droplet surface with the front tracking method. Eventually, the functional mechanism of the solid microparticle on the dynamic of droplet surface will be revealed by analyzing the coupling effect between different phases and the dynamic characteristic of droplet surface. This study is of great importance for the basic theory study on multiphase flow in microscale and the control of droplet in microchannel, which will promote the utilization of droplet in a variety of applications, such as biomedical and material science.

包裹固体颗粒的微液滴在生物医学、材料科学等领域有着重要应用。近期研究表明，颗粒相会导致微通道内微液滴的生成及运动发生显著变化，但其动力学机理尚不清楚。为此，需要解决的关键科学问题是颗粒相对微通道内液液相界面动力学的作用机制。本项目拟利用三维可视化手段，系统研究不同影响因素作用下微通道内包裹固体微颗粒的微液滴生成及运动过程，重点获得颗粒相特性及运动特征对微液滴生成及运动的影响规律，同时基于多相流动理论，建立微通道内液液固三相流动模型，采用界面追踪方法，研究微液滴生成及运动中的界面动力学过程，分析相间耦合作用与微液滴界面动力学特征，揭示颗粒相对微液滴界面动力学的作用机制。本项目研究成果有助于丰富多相流热物理学科微尺度多相流动的基础理论，为精确控制微通道内微液滴的生成及运动提供理论支撑，促进微液滴技术在相关领域中的应用。

包裹固体微颗粒的微液滴在生命科学、临床医学等领域有着重要的应用潜力。本项目通过可视化实验和数值仿真相结合，系统研究了微通道内包裹固体微颗粒的微液滴生成及运动规律，探索了颗粒相对微液滴界面变化的影响。通过显微镜与高速摄像相结合，系统研究了不同流动特性、流体物性、通道特性及颗粒相特性等参数条件下微通道内包裹固体微颗粒的微液滴生成及运动过程，获得了微液滴生成过程中的尺寸、生成频率、形状变化及运动过程中的流场分布、微液滴的拉伸和破裂现象、固体颗粒在微液滴中的运动和分布等特征与规律。作为对比，本项目还系统研究了微通道内不包裹固体颗粒的简单微液滴生成规律，获得了微液滴生成参数与通道几何结构、流动参数间的实验关联式；基于有限体积方法，采用VOF模型，建立了微通道内液液两相流动模型，数值模拟了微通道内简单微液滴的生成及运动过程。进一步考虑微尺度条件下的固体微颗粒受力，采用VOF模型和DPM模型相结合，建立了微通道内液液固三相流动模型，模拟了微通道内包裹固体颗粒的微液滴生成及运动的动力学过程；基于上述研究结果，综合分析相关因素的影响，提取微液滴生成及运动中的过程参数，对比微通道内简单微液滴与包裹固体颗粒的微液滴生成及运动中界面动力学过程存在的差异，阐明了颗粒相对微液滴界面变化的影响。此外，本项目还发展了新型高效的包裹固体微颗粒的微液滴生成新方法，实现了包裹单个颗粒的牛顿流体、粘弹性非牛顿流体微液滴的高效生成，为微液滴在相关领域中的应用提供了重要的技术支撑。基于本项目研究工作，在本领域国际重要学术期刊发表论文5篇，发表会议论文4篇，申请发明专利4项，其中已授权发明专利2项，培养研究生2名。上述工作已达到本项目预定研究目标，将为后续进一步开展微尺度多相流动研究提供重要的基础。