Janus微液滴生成与输运的流动机理和操控规律

Droplet microfluidic technique can produce Janus compound microdroplets with uniform size and controllable shape (Janus: two-faced god in the Roman mythology). Anisotropic functional Janus microparticles can be prepared by curing the Janus microdroplets. The shape and composition of Janus microdroplet also give it rich transport properties. Janus microdroplets have extensive research value and application prospect in many fields. Comprehensive developments and applications of Janus microfluidic droplet technology rely on a fundamental understanding of the formation and transport of Janus microdroplets, however, current research efforts are limited. In this project, we will, for the first time, use a three-dimensional direct numerical simulation method to study the microfluidic formation and transport of Janus droplets, combining with experiments using high-speed photography, to reveal the underlying flow mechanisms and control laws, and to explore the effects of microchannel geometries, fluid properties, interfacial tensions and flow parameters. The study will enhance the in-depth understanding and accurate prediction of Janus droplet microfluidic technology, providing theoretical and quantitative basis for on-demand generation and precise control of Janus microdroplets. The results can guide the design, optimization and innovation of Janus droplet microfluidic devices and expand the application range and development prospect of Janus microdroplets.

微流控技术可生成大小均一、形状可控的Janus微液滴（Janus：罗马神话中的两面神），固化后可制备各向异性的Janus微颗粒，Janus液滴的形状和构成也赋予了其丰富的输运特性，在众多领域具有广泛的研究价值和应用前景。Janus液滴微流控技术的全面发展和应用需依赖于对Janus微液滴生成与输运现象的根本认识，而目前相关研究非常有限。本项目将首次采用三维直接数值模拟方法研究Janus液滴的微流控生成与输运，结合高速摄影的实验观测，揭示其中的流动机理和操控规律，并探讨通道结构、流体性质、界面张力、流动参数等因素的影响。研究将增强对Janus液滴微流控技术的深入了解和精确预测，为Janus微液滴的按需生成和精确操控提供理论基础和定量依据；研究结果将指导Janus液滴微流控装置的设计、优化和创新，拓展Janus液滴的应用范围和发展前景。

微流控技术可生成大小均一、形状可控的Janus微液滴，固化后可制备各向异性的Janus微颗粒，Janus液滴的形状和构成也赋予了其丰富的输运特性，在众多领域具有广泛的研究价值和应用前景。Janus液滴微流控技术的全面发展和应用需依赖于对Janus微液滴生成与输运现象的根本认识。. 本项目建立了基于流体体积法和自适应网格加密技术的Janus微液滴生成与输运的的数值模拟方法，将三相流体体积法和自适应网格加密技术相结合，模拟微流控器件中的复合液滴生成与形态演变机制。不仅可以准确处理三相界面流体流动问题及三相接触线的运动，还可以处理三相接触线的生成和消失过程。. 设计制造了多种Janus液滴生成装置，不仅可以生成Janus液滴，也可用于生成壳核液滴等多种不同形态。掌握了液滴在不同相流量及比值、界面张力系数、流体物性、通道几何结构下的生成规律。通过改变流动参数，获得不同液滴生成模态。通过与数值模拟相结合，分析了液丝内部流动、三相接触线运动等流场特征，探讨了生成模态与运行参数的关系。充分利用微流控液滴的生成模态规律与形态演变机制，实现了不同尺寸、不同形状的单分散性复合微液滴的生成，包括：壳-核、三明治、Janus和子弹头等形式，其中三明治形态液滴为首次通过对三相接触线的流动控制实现。. Janus液滴的形状和构成决定了其随周围流体运动过程中各向异性的输运特征，并与流体物性和流场参数有复杂的依赖关系。开展了壳核液滴和Janus液滴输运规律的研究。通过直接数值模拟量化液滴在微通道中的平动、变形等输运特征，考察流体物性、界面张力和流场参数等因素的影响。通过分析输运过程中液滴内部和周围流场的动态分布特征，揭示各个因素改变液滴输运特征的机理。. 本项目结合理论分析、数值模拟和实验观测，研究了各参数对Janus液滴的生成和输运的影响，增强了对Janus液滴微流控的深入理解和精确预测，为实际应用提供机理性和定量化的理论依据，进而指导微流控装置的设计优化，以及Janus液滴结构和功能的开拓创新。