载体液滴经微细管成形过程动力学特性的实验与模拟

发布时间：2019-11-01 17:41

【摘要】：利用微细管成形及后续交联和致孔过程,可以制备尺寸可控的载体微珠或晶珠。该过程中,微滴的成形是控制粒径的关键步骤,其成形过程动力学特性的研究具有重要意义。以海藻酸钠载体液滴为对象,通过高速摄影方法,用不同内径(1.1,1.6,1.9,2.2 mm)的微细管,对微滴成形过程中的形貌特征和界面演变动力学进行了实验研究,考察了微细管内径对液滴成形、滴落下落速度、液滴直径分布、颈缩线长度等的影响规律;进而,用VOF(volume of fluid)法中PLIC(piecewise linear interface calculation)的几何重构方法追踪非牛顿流体液滴形成过程的气液交界面,对相应液滴成形过程进行了模拟。结果表明,海藻酸钠溶液滴落下落速度、平均直径及颈缩线长度随着微细管内径的增加而增大;对于浓度2%的海藻酸钠溶液,以内径2.2 mm的微细管为例,当管内流速为30 mm·s~(-1),实验所得液滴脱落时最大颈缩线长度约为9.24 mm,滴落脱落时的速度约为6.09 mm·s~(-1),液滴直径约为5.8 mm;较内径1.1 mm的微细管所得液滴的参数值分别高119.04%、129.81%、39.13%;相应模拟所得液滴颈缩线长度、脱落时的速度及直径与实验结果的最大相对误差分别为8.7%、2.1%、8.6%,与实验结果基本一致,说明该方法适于微细管内非牛顿流体如海藻酸钠溶液成滴过程的模拟。
【图文】：

第30卷第6期杨玉军等：载体液滴经微细管成形过程动力学特性的实验与模拟1267图1计算域及网格布局Fig.1Computationalregionandmeshes1.velocityinlet2,3,4.boundarywalls5.pressureoutlet6.axis123Y456XLiquidphaseregionAirphaseregion3.3计算方法采用有限体积法对液滴形成与脱落过程的Navier-Stokes方程进行离散，速度压力耦合计算采用基于交错网格的PISO[20,22,24]算法，这种方法允许使用较大的时间步长，且具有两个修正步骤，对于非稳态流动问题的计算更为精确，其中压力场的计算采用PRESTO[23]法。动量计算采用乘方格式[22]。对于自由表面的处理，使用VOF中基于PLIC[25,26]方法的几何重构对交界面进行处理，该方法根据单元网格中流体体积比函数f精确确定自由界面的法向量n，故能较好地追踪自由表面。由于流动中雷诺数较小，模拟中采用层流模型。3.4海藻酸钠溶液黏度计算海藻酸钠溶液是剪切变稀的非牛顿流体，在数值模拟过程中其粘度的计算采用Carreau-Ysuda非牛顿流体模型，表达式[27]为：-1221+nKγ0(7)式中：μ为海藻酸钠模拟液的黏度，Pas；μ∞为在剪切率很大时的黏度，Pas；μ0为剪切率为0时的黏度（即最大黏度），，Pas；γ为剪切率，s1；n为冥律指数；K为时间常数，s。模拟计算采用的海藻酸钠模拟液的物性参数均来自参考文献[17,18]，具体如表1所示。4结果与讨论4.1液滴形成过程的形态变化分析图2为通过高速摄像仪得到的不同内径下液滴形成动态形态变化图像，图3为数值模拟得到的不同内径下液滴形成动态形态变化界面，可以看出模拟结果与实验结果较为吻合。模拟中所得的液滴形成时的颈缩线比实验所得略细，这主要是由于模拟采用的是二维平

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本文编号：2554063