研究方向

1.  表面活性剂

   素有“工业味精”之称的表面活性剂广泛应用于微液滴流动控制、石油工业、环境工程和食品加工等领域,是最重要的工业助剂之一。它的少量添加即可显著地改善液体界面的化学性质和表面张力特性。进而改进生产工艺、降低消耗和提高产品质量。含表面活性剂的界面行为的数值模拟是一项极具挑战的工作。我们采用耦合的LBM方法与有限差分法,发展了针对含表面活性剂的液滴运动求解的高性能程序。以下是不含表面活性剂和含表面活性剂的液滴在剪切流动中的运动情况对比:

   (a)                                                                          (b)

图1 剪切流动下二维双液滴的碰撞。模拟参数为Ca_e=0.1,Re=0.4

(a)不含表面活性剂时,两个液滴合并成一个大液滴,(b)含表面活性剂时,两个液滴互相滑过,不发生合并

 

图2 剪切流动下三维液滴的破裂过程,含表面活性剂时,液滴断裂为三个子液滴

2.  非牛顿流   

   简单剪切流动中的液滴变形与破裂行为在微流控技术及乳化混合等工业过程中广泛存在。影响该液滴动力学行为的主要因素有:通道的几何结构及属性、运行参数和流变属性。在流变属性方面,非牛顿流变性质会显著改变流体粘度等特性,但以往研究工作多关注于牛顿流体,非牛顿流变性质影响下的液滴变形与破裂机制仍有待探索。课题组采用LBM方法对该流动现象进行数值研究,下图显示了非牛顿流变特性对液滴破裂行为的影响。

(a)

(b)

图3  简单剪切流动下(壁面限制比0.7,毛细数0.4,雷诺数0.1),牛顿(a)和非牛顿(b)负载流体中牛顿液滴的演化过程

3. 复合液滴

   在微流控领域,复合微液滴的界面相对稳定性是前沿研究的重点之一。课题组在原有两相颜色梯度模型的基础上,发展了一种适合全范围界面张力系数的互不相溶三相流颜色梯度模型。在此基础上,我们做了许多的探索研究。比如研究了Janus液滴在泊肃叶流中的液滴迁移模式,以及复合液滴在剪切流中变形破裂模式。图4展示的是复合液滴在剪切流中的变形和破裂过程。
 
 
图4 复合液滴在剪切流中的变形和破裂过程(Ca=0.3,Re=0.1,表面张力比1:1:3)
 

 4.  多孔介质多相流   

   多孔介质多相流在工业领域有很多应用,例如石油开采,CO2封存以及燃料电池内的水管理等。由于多孔介质内的多相流动受到重力、毛细力、粘性力以及孔隙结构等多方面的影响,完全理解多孔介质内的多相流是一项极具挑战力的工作。我们基于LBM方法中的颜色模型发展了针对多孔介质内部多相流的高性能程序,并对其内部流动进行了精细的刻画。以下是一些算例:

图5  毛细数为5*10-5的drainage和imbibition过程

图6  在各向同性与各向异性多孔介质内不同毛细数下drainage过程稳定时的相分布

5. 液滴微流控

   双乳剂是指water in oil in water(水包油包水)等液滴内含有液滴的乳剂。基于双乳剂外层流体对内层流体的包裹结构,可以防止内部活性物质的降解;通过调节外层流体的属性,实现对内部流体的可控释放;以及提供微化学反应环境等。因此,双乳剂在制药、化工、材料、食品加工和个护等行业取得了广泛应用。然而,双乳剂制备过程中涉及复杂的三相流体动力学行为,对乳剂生成机理的认识提出了很大的挑战。课题组采用三相LBM方法复现了双乳剂制备过程中的单步(图7)和双步(图8)制备行为,并进一步研究了各相关参数的影响。 

图7 双交叉型通道内双乳剂液滴的单步生成   

图8 双交叉型通道内双乳剂液滴的双步生成   

  

     图9 T型微通道内的液滴生成                                   图10  激光诱导的液滴热毛细运动

 

 

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