微流场下具有复杂内部结构的乳液颗粒流变的数值模型开发与研究

As the precursor of micro-capsules and complex particle materials, and as the simple model of living cells, multiple-emulsion globules with complex internal structures, are hot points of scientific research all over the world currently. Multiple emulsions and the living cells are both present in the fluid media. Thus, their rheology responses to the surrounding micro-flow fields are always one important research field. However, due to involving complex interactions of multiple nested interfaces, the numerical simulation of such complex interfacial systems is always one of the hard nuts in computational fluid dynamics (CFD). This project is based on the Boundary Integral Method (BIE) and will develop a numerical method that is suitable to treat the rheology of multiple-emulsion globules with complex internal structures (including solid particles and nested droplets). By employing this new method, this project will investigate the interactions of internal structures of multiple emulsions,their rheology behaviors including deformation, coalescence and breakup and outer flow fields. Eventually, making it true that the geometry of micrchannels and emulsions with expected internal structures are scientifically designed based on a specific target. The success of this project and its expansion have important significance and many applications: it could study emulsion polymerization and emulsion crystallization in chemical industry; it could investigate the fabrication of anisotropic particles based on complex multiple emulsions; it could be expanded to study the rheology of cells with complex internal structures; finally it has practical applications in the process design of microfluidics.

具有复杂结构的复杂乳液，由于是微胶囊、复杂粒子材料制备的重要前驱体，同时也作为细胞研究的简化模型，目前是世界上的研究热点之一。复杂乳液， 以及以之为模型的生物细胞，都存在于流体环境中。这样，它们对周围微流场的流变响应就一直是学术界的重要研究方向。然而，其数值模拟由于涉及多重界面的相互作用，始终是计算流体领域的难题之一。本课题以边界积分方法为基础，拟开发一套新的数值方法，可用于研究具有复杂内部结构（包含固体颗粒和多重液滴）的乳液在不同微流场下的流变响应。并以之为基础，探索乳液内部结构与其流变行为（变形、聚并以及分断等）以及外部流场之间的相互作用关系，最终实现基于目标的微通道构型与乳液内部结构的科学设计。本课题的成功以及未来扩展具有许多应用：工业上，可用于研究乳液聚合，乳液结晶；材料上，可用于研究各向异性颗粒的复杂乳液制备；生物上，可研究细胞的流变；最后，它对微流控的数值设计也有相当的意义。

利用近来快速发展的微流体技术，具有精巧复杂内部结构的复杂乳液得以制备出来。同时，由于复杂乳液在是微胶囊、复杂粒子材料制备的重要前驱体，同时也作为细胞研究的简化模型，又在靶向药物输送系统有潜在的应用，因而受到了广泛关注。复杂乳液以及以之为模型的生物细胞，都存在于流体环境中。这样，它们对周围微流场的流变响应就一直是学术界的重要研究方向。然而，其数值模拟由于涉及多重界面的相互作用，始终是计算流体领域的难题之一。本课题以边界积分方法为基础，开发了一套新的数值方法，用于研究具有复杂内部结构的复杂乳液在不同微流场下的流变响应。并以之为基础，探索乳液内部结构与其流变行为（变形、聚并以及分断等）以及外部流场之间的相互作用关系，最终实现基于目标的微通道构型与乳液内部结构的科学设计。本课题的成功以及未来扩展具有许多应用：工业上，可用于研究乳液聚合，乳液结晶；材料上，可用于研究各向异性颗粒的复杂乳液制备；生物上，可研究细胞的流变；最后，它对微流控的数值设计也有相当的意义。