文献综述

随着高新科学技术的飞速发展,微液滴/气泡以其独特的流体力学特性及尺度效应,已被广泛应用于医学、动力、化工、采矿、核能、环境、石油、冶金等领域。微液滴/气泡生成的大小、稳定性、以及均匀度都严重影响其应用效果。由于微液滴/气泡本身的体积非常小(纳米数量级),通常带有电荷,因此能够比较有效地吸附悬浮颗粒。微液滴/气泡被应用到环境污染控制过程中以捕提悬浮有机物, 达到减少处理过程耗时的目的。乳状液作为一种常见的物质状态在很多方面都得到了深入广泛的重视,尤其在生物化工生产以及研究领域,作为反应的控制单元,徴液滴在微混合、 DNA 分析、蛋白质结晶、人体毛细血管流动分析、芯片实验室中成为了关键性问题: 特别是在超声/微气泡介导基因治疗中,微气泡具有极其重要的作用,除此之外还可以介导其它生物大分子如蛋白质、抗体等的定向转导,微气泡常被用于治疗心脑血管疾病等。在采矿领域,可利用微气泡进行浮选,采取预处理的调节措施,使煤粒表面首先存在大量的核化气泡,然后再进入到浮选机中进行浮选。这样做可以在很大程度上改善浮选效果。在船舶行业减阻领域,利用微气泡可以达到減阻的效果,減阻提速、降低能耗是船舶研究设计人员的主要目标之一。80年代, Madavan 等用多孔板喷射气体形成微气泡的实验方法,研究徴气泡对降低平板表面摩阻的作用,取得了极富价值的成果,国内也展开了微气泡降阻的研究,发现通过这种方法可以降低局部摩阻达80%。

（1）国内研究现状

国内对于微通道微气泡/微液滴的生成及流动机理研究起步较晚。 J.H.Xu,G.S.Guo,S.W.Li等人提出一种T型徴通道内竖直剪切生成微气泡(液滴)的方法,他们将一根圆形毛细管加入垂直通道中。他们通过实验研究发现流体对通道壁面的浸润特性是一个非常重要的参数,此外还研究了连续相流体为水,分散相流体为油的两相流量对生成液滴大小的影响,得出的油柱和油滴大小之间数量级关系。他们又进行了实验对横向剪切生成微气泡(液滴)的方式进行研究,分析了表面活性剂浓度、两相流量及连续相流体粘度对生成气泡(液滴)大小的影响,并将竖直剪切和横向剪切两种方式作了对比。徐振华等用一种新型气泡发生器一多孔管来制作微气泡,微气泡的大小和数密度通过改变管内外的压差和管外剪切流速度来控制。实验结果表明,这种气泡发生器制造的微气泡直径较小气泡粒径小于70micro;m的微气泡在总数中所占的比例大于90%,且气泡粒径分布均匀,直径大小集中在20-70micro;m之间。山东大学的肖琦采用T型微通道产生微气泡,以水溶液作为液相,氩气作为气相,使用超高速成像系统对T型微通道内的气泡生成过程进行可视化实验研究,重点考察了气液两相流流型转变的各影响因素。全晓军等利用高速成像技术研究了梯形横截面微通道内的气泡喷射流动通过调节同向流动时空气和水流量,研究了气泡形成的大小和频率等变化特性以及微通道内的流型变化。实验结果表明,气泡喷射频率随空气流量的增加而增大, 同时随水流量的增加而上升且上升幅度渐趋平缓。刘志鹏等以辛烷为分散相、水为连续相,对宽度为200micro;m、深度为40micro;m的 T型交错微通道内水包油型液液相微反应器的形成进行了实验研究。通过改变分散相和连续相流量比例,在T型节点的下游发现射流状液滴和滴状液滴两种液滴形成方式。比较了两种液滴形成过程中界面张力、粘性剪切力和惯性力的关系,分析了形成两种液滴的界面不稳定性,得到界面不稳定是微尺度下液滴形成的主要原因，而较大的粘性剪切力可以提前激发界面失稳。

（2）国外研究现状

在微流体领域,国外许多研究人员和机构关于微气泡微液滴研究,主要集中于微气泡微液滴的生成特性和微通道内两相流(微气泡微液滴)的流动机理,具体可分为为流体物性参数的影响、流型变化研究和微通道结构的影响和毛细数的影响。对气泡形成的最早研究始于1883 Bashforth 和 Adamson,发表了关于单个气泡形成的研究论文。Lee等对单一微管道内气液两相流中气泡的成核、生成频率和生长等进行了研究,对微通道内气泡动力学采用修正的经典模型进行了预测,研究结果表明可以用含有微尺度空穴的经典模型来预测微通道内气泡成核。

（3）发展趋势

日前,微通道内气液两相流流动的研究主要处于实验观察阶段,而且学者们对微通道内液滴气泡生成机理的研究结果并不统一,有时结论甚至相互矛盾。徴通道内液滴气泡的生成机理还需在一定的理论基础和大量的实验数据基础上得以确定和发展。研究主要存在以下问题: 1、对于影响液滴/气泡生成、生长的物性参数缺少全面系统的研究,特别是对于两相界面张力的影响规律研究出现了相互矛盾的结论。 2、没有普适性的流型转变物理模型和流型谱图。目前,微通道内液液二相流的流型研究不多,很多研究都是建立在实验基础上,主要以流体流量和流体物性为考察参数,液液及气液二相流的流型研究有待进一步深入。 3、数值模拟对微通道内流体的实际流动行为反应不够准确。微米级多相流由于其本身的特殊性,其数值模拟目前还处于尝试阶段,基本集中在二维模拟, 对于微液滴/微气泡的生成机理,特别是对于两相界面的捕捉准确度较差,数值计算模型尚待完善。微化工技术应用背景决定了微液滴/气泡生成的有效直径大小、稳定性的控制是是众多学者的主要研究目标,因此微液滴/气泡生成机理的研究越来越引起国内外学者的广泛关注。对于微液滴/气泡生成过程中的各影响因素,包括流体流率、粘度、表面张力系数及微通道壁面润湿性成为日前研究的热点,此外,微液滴/气泡生成过程中的力分析也逐渐成为研究的焦点 。

参考文献

[1] 孙厚钧. 水体增氧技术是改善城市河流湖泊水质的有效措施[J]. 北京水务, 2002(4):35-36.