【摘要】：利用微細(xì)管成形及后續(xù)交聯(lián)和致孔過程,可以制備尺寸可控的載體微珠或晶珠。該過程中,微滴的成形是控制粒徑的關(guān)鍵步驟,其成形過程動(dòng)力學(xué)特性的研究具有重要意義。以海藻酸鈉載體液滴為對(duì)象,通過高速攝影方法,用不同內(nèi)徑(1.1,1.6,1.9,2.2 mm)的微細(xì)管,對(duì)微滴成形過程中的形貌特征和界面演變動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,考察了微細(xì)管內(nèi)徑對(duì)液滴成形、滴落下落速度、液滴直徑分布、頸縮線長(zhǎng)度等的影響規(guī)律;進(jìn)而,用VOF(volume of fluid)法中PLIC(piecewise linear interface calculation)的幾何重構(gòu)方法追蹤非牛頓流體液滴形成過程的氣液交界面,對(duì)相應(yīng)液滴成形過程進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明,海藻酸鈉溶液滴落下落速度、平均直徑及頸縮線長(zhǎng)度隨著微細(xì)管內(nèi)徑的增加而增大;對(duì)于濃度2%的海藻酸鈉溶液,以內(nèi)徑2.2 mm的微細(xì)管為例,當(dāng)管內(nèi)流速為30 mm·s~(-1),實(shí)驗(yàn)所得液滴脫落時(shí)最大頸縮線長(zhǎng)度約為9.24 mm,滴落脫落時(shí)的速度約為6.09 mm·s~(-1),液滴直徑約為5.8 mm;較內(nèi)徑1.1 mm的微細(xì)管所得液滴的參數(shù)值分別高119.04%、129.81%、39.13%;相應(yīng)模擬所得液滴頸縮線長(zhǎng)度、脫落時(shí)的速度及直徑與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大相對(duì)誤差分別為8.7%、2.1%、8.6%,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,說明該方法適于微細(xì)管內(nèi)非牛頓流體如海藻酸鈉溶液成滴過程的模擬。
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第30卷第6期楊玉軍等：載體液滴經(jīng)微細(xì)管成形過程動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)與模擬1267圖1計(jì)算域及網(wǎng)格布局Fig.1Computationalregionandmeshes1.velocityinlet2,3,4.boundarywalls5.pressureoutlet6.axis123Y456XLiquidphaseregionAirphaseregion3.3計(jì)算方法采用有限體積法對(duì)液滴形成與脫落過程的Navier-Stokes方程進(jìn)行離散，速度壓力耦合計(jì)算采用基于交錯(cuò)網(wǎng)格的PISO[20,22,24]算法，這種方法允許使用較大的時(shí)間步長(zhǎng)，且具有兩個(gè)修正步驟，對(duì)于非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)問題的計(jì)算更為精確，其中壓力場(chǎng)的計(jì)算采用PRESTO[23]法。動(dòng)量計(jì)算采用乘方格式[22]。對(duì)于自由表面的處理，使用VOF中基于PLIC[25,26]方法的幾何重構(gòu)對(duì)交界面進(jìn)行處理，該方法根據(jù)單元網(wǎng)格中流體體積比函數(shù)f精確確定自由界面的法向量n，故能較好地追蹤自由表面。由于流動(dòng)中雷諾數(shù)較小，模擬中采用層流模型。3.4海藻酸鈉溶液黏度計(jì)算海藻酸鈉溶液是剪切變稀的非牛頓流體，在數(shù)值模擬過程中其粘度的計(jì)算采用Carreau-Ysuda非牛頓流體模型，表達(dá)式[27]為：-1221+nKγ0(7)式中：μ為海藻酸鈉模擬液的黏度，Pas；μ∞為在剪切率很大時(shí)的黏度，Pas；μ0為剪切率為0時(shí)的黏度（即最大黏度），，Pas；γ為剪切率，s1；n為冥律指數(shù)；K為時(shí)間常數(shù)，s。模擬計(jì)算采用的海藻酸鈉模擬液的物性參數(shù)均來(lái)自參考文獻(xiàn)[17,18]，具體如表1所示。4結(jié)果與討論4.1液滴形成過程的形態(tài)變化分析圖2為通過高速攝像儀得到的不同內(nèi)徑下液滴形成動(dòng)態(tài)形態(tài)變化圖像，圖3為數(shù)值模擬得到的不同內(nèi)徑下液滴形成動(dòng)態(tài)形態(tài)變化界面，可以看出模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。模擬中所得的液滴形成時(shí)的頸縮線比實(shí)驗(yàn)所得略細(xì)，這主要是由于模擬采用的是二維平

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