多重乳液体系的多尺度流动与传质

The multiscale flow and mass transfer in multiple emulsion system is a key physical process in preparation of inertial confinement fusion (ICF) target by emulsion micro-encapsulation methods. Focusing on solving the key scientific problems involved in this key physical process, the project will develop the theoretical models and experimental methods to quantitatively characterize and analyze the multiscale flow, mass transfer and interface evolution in multiple emulsion system, and conduct the corresponding studies on the basic theory and key technologies. The coupled mechanisms of multiscale flow, mass transfer and interface evolution will be revealed. The rules of group movement, dispersion and collision and mechanisms of individual glomeration and concentration for multiple emulsion droplets in the external flow will be elucidated. In addition, the causes for formation of multi-mode defects in ICF target are going to be answered. Based on these efforts, the method for construction of solid-water-oil emulsion by microfluidic will be developed. Furthermore, the theory for precise control of full process from emulsion construction to emulsion curing and the methods for suppressing the defects as well as the corresponding technologies and devices will be established. This project provides theoretical bases and technical supports to the preparation of high-quality ICF target. It is also of significant scientific value in the theory development for microscale flow, mass transfer and interface science of multiphase system.

多重乳液体系的多尺度流动与传质是乳液微封装法制备惯性约束聚变（ICF）靶用空心微球工艺中的关键物理过程。本项目围绕多重乳液体系多尺度流动与传质过程所涉及的关键科学问题，构建定量表征和分析多尺度流动、相间传质和相界面演化过程的理论模型与实验方法并开展相关的基础理论和关键技术研究，揭示多重乳液体系多相多尺度流动、相间传质及相界面演化间的耦合机理，阐明外加流场中多重乳液液滴群体的运动、分散和碰撞规律及群体中乳液个体的同心化与球形化机制，掌握ICF靶用空心微球全模数段缺陷的产生原因；进而发展固-水-油双重乳液的微流控构建方法，形成多重乳液从微流控构建至固化成球全过程的精密调控理论及全模数段缺陷的抑制方法，并研发相应的技术与装置。本研究不仅可为高品质ICF靶用空心微球的制备提供有力的理论与关键技术支撑，同时对多相多尺度流动、传质与界面科学基础理论的发展与完善具有重要的科学意义。

多重乳液体系的多相多尺度流动与传质是乳液微封装法制备惯性约束聚变（ICF）靶用空心微球的关键物理过程。为此，本项目紧密围绕乳液微封装法制备ICF靶用空心微球工艺中多重乳液体系多相多尺度流动、相间传质与相界面演化及其调控方法等关键科学问题，开展了多方面的基础理论和关键技术研究。阐明了水-油-水双重乳液微流控构建流型及机理，发展了双重乳液持续稳定生产及产率快速倍增方法；提出了固-水-油双重乳液微流控构建方法，建立了基于浸没边界-多相格子Boltzmann方法的固-水-油双重乳液构建过程理论模型，由此形成了一个批次一致性好、壁厚均匀可控的PS-PVA双层球制备新工艺；建立了固化过程中乳粒群在旋转蒸发容器中运动和分散过程的VOF-DEM耦合预测模型，发现了旋转蒸发容器的最佳转速，使靶用乳粒群的存活率、球形度和壁厚均匀性达到优选值；发明了乳液固化过程外流场调控的无规旋转蒸发装置，将固化得到的PS微球的壁厚均匀性和球形度提升了10.2%和4.5%；揭示了乳液传质过程Marangoni对流结构的生成和演化规律，并阐明了其对乳液形貌特征的影响，由此提出了乳液液膜溶剂传质的控制方法，使750μm级塑料微球球形偏离值小于0.4μm的比例从不足5%提升至50%；建立了乳液油-水界面处微观粒子分布、扩散的分子动力学模型，探明了水相添加剂对乳液体系热力学和传质性质的调控作用，为控制靶用微球壳层内部及表面微缺陷的产生提供了理论指导。部分研究成果已成功应用于中物院八所制靶生产，并联合其他几项技术获评中物院八所某技术创新奖。依托本项目工作，项目负责人获评国家杰青、“万人计划”科技创新领军人才、国务院政府特殊津贴专家等，培养研究生23人（含东南大学与中国工程物理研究院联合培养研究生4名），发表SCI收录论文62篇，申请发明专利16项（已授权7项），全面超额完成了项目计划书标定任务。