[论文解读] Pressure-driven dynamics of liquid plugs in rectangular microchannels: influence of the transition between quasi-static and dynamic film deposition regimes

Stéphanie Signe Mamba, Farzam Zoueshtiagh+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Innovative Microfluidic and Catalytic Techniques Innovation参考文献 45被引用 5

一句话总结

本研究通过实验和理论方法，研究了矩形微通道中压力驱动液滴的动态行为，重点分析了准静态与动态液膜沉积模式之间的转变。研究发现，该转变导致液滴发生剧烈加速并破裂，且存在一个与压力相关的临界初始长度，决定其在循环压力作用下的稳定性，该结论通过结合几何特异性液膜沉积规律和润滑效应的简化模型得到验证。

ABSTRACT

In this paper, we study experimentally and theoretically the dynamics of liquid plugs in rectangular microchannels for both unidirectional and cyclic pressure forcing. In both cases, it is shown that the transition between quasi-static and dynamic film deposition behind the liquid plug leads to a dramatic acceleration of the plug, rapidly leading to its rupture. This behaviour proper to channels with sharp corners is recovered from a reduced dimension model based on previous theoretical and numerical developments. In addition, it is shown for cyclic periodic forcing that the plug undergoes stable periodic oscillations if it remains in the quasi-static film deposition regime during the first cycle, while otherwise it accelerates cyclically and ruptures. The transition between these two regimes occurs at a pressure-dependent critical initial length, whose value can be predicted theoretically.

研究动机与目标

• 理解准静态与动态液膜沉积模式之间的转变如何影响矩形微通道中液滴的动力学行为。
• 识别在循环压力作用下决定液滴稳定性或破裂的临界初始液滴长度。
• 开发并验证一个考虑矩形几何结构、润滑效应及液膜沉积转变的简化维数模型。
• 比较矩形与圆柱形微通道中的液滴动力学行为，突出由于拐角效应导致的关键差异。
• 为具有矩形截面的微流体器件提供液滴稳定性和破裂行为的预测框架。

提出的方法

• 通过PDMS微流体通道结合Y型接头生成液滴，利用注射泵和压力控制器实现单向或循环压力驱动。
• 通过测量湿分数（量化液膜厚度），基于毛细数和液滴动力学特征表征液膜沉积模式。
• 基于[4]、[30]和[35]中的既有理论框架，发展简化维数模型，引入适用于矩形通道的几何特异性液膜沉积规律。
• 模型考虑了往复运动引起的润滑效应，以及准静态与动态液膜沉积模式之间的突变转变。
• 将理论预测与数百次不同初始液滴长度和驱动条件下的实验数据进行对比。
• 进行敏感性分析以评估实验数据的离散性，主要归因于通道污染和模型简化。

实验结果

研究问题

• RQ1 准静态与动态液膜沉积模式之间的转变如何影响矩形微通道中液滴的加速与破裂？
• RQ2 在周期性压力驱动下，能够将稳定周期振荡与循环加速及破裂行为分隔开的临界初始液滴长度是多少？
• RQ3 矩形微通道中液滴的动力学行为与圆柱形微通道相比有何不同，特别是在破裂行为和稳定性方面？
• RQ4 通过引入几何特异性液膜沉积规律和润滑效应，简化维数模型在多大程度上能准确预测液滴动力学？
• RQ5 毛细数在决定矩形通道中液膜沉积模式及后续液滴行为方面起什么作用？

主要发现

• 准静态与动态液膜沉积模式之间的转变导致液滴发生剧烈加速，迅速引发破裂，这一现象在矩形通道中由尖锐拐角驱动，具有独特性。
• 在循环压力驱动下，约4.7 mm的临界初始液滴长度将两种行为分隔开：低于此长度时为稳定周期振荡，高于此长度则发生循环加速并最终破裂。
• 当初始液滴长度趋近于4.7 mm的临界值时，破裂时间渐近趋于无穷大，表明存在一个稳定阈值，这与圆柱形管道中观察到的渐进指数趋势截然不同。
• 简化维数模型通过整合几何依赖的液膜沉积规律、润滑效应以及沉积模式之间的突变转变，成功复现了实验结果。
• 实验偏差主要归因于通道污染，而理论偏差则源于对转变过程、粘性压降及预润湿膜厚的建模近似。
• 本研究确立了矩形微通道与圆柱形微通道在液滴动力学上存在根本差异，其根源在于拐角诱导的准静态液膜沉积，而这种现象在圆柱形几何结构中并不存在。