CN115445681A - 一种基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备系统，由脉冲振动装置和液滴生成器组成；其中脉冲振动装置由气流通道、旋转阀、直流电机构成；气流通过气压调节计控制气压流入气流通道，直流电机带动旋转阀旋转，旋转阀控制气流通道的通断状态，形成周期性的脉冲气流。脉冲气流涌入液滴生成器内，剪切液体进而形成泰勒流及液滴；通过控制气体气压、旋转阀转速、旋转阀通孔数量及结构，可精确调控脉冲气流的振幅、扰动频率、占空比，从而实现对通道内流场的控制，主动控制泰勒流及液滴的体积、生成频率、气液比等变量，实现了基于气液两相系统中泰勒流及液滴的可控制备，多相流体中水包油或油包水型液滴生成过程的主动控制。
Description
技术领域
本发明属于微流控领域，特别是一种基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备系统。
背景技术
基于微流控技术的气液两相系技术由于其较高的传热、传质效率，被广泛的应用于化学反应及材料合成等用途。基于微流控技术的气液两相流体的流型主要分为：气泡流、泰勒流、环形流，其中泰勒流是由于液体和气体之间的相互剪切作用形成，主要由气泡和液塞组成，气体被包裹于液体内，形成均一的气泡被液塞包裹的流型。泰勒流的流型稳定性高，可生成周期性的气泡，产生的气泡和液塞之间具有明确的流体界面，且内部循环会导致扩散和对流的有利叠加出现规律的两相界面，提高了微通道内气液两相的传热、传质效率。但由于气液两相流体在微通道内具有较大的惯性，现有技术下只能在低流速、低频下稳定制备泰勒流，无法实现高流速、高频制备稳定的泰勒流，达到高通量制备的要求，限制了泰勒流在工业生产上的应用。
与气液两相的泰勒流制备技术不同，基于微流控技术的气液两相液滴制备技术往往被用于化学分析及检测中。在气液两相制备液滴时，需要更高的气流流速剪切流体，才可在疏水通道中形成液滴。因此，在气液两相的环境中生成液滴需要较大的气液比，造成液滴间距普遍较大的结果。且由于气流中的流速较高，液滴生成状态也会变得不稳定，会造成液滴生成尺寸不均一的结果，可生成的液滴尺寸范围较窄。因此，限制了气液两相制备液滴技术在工程上的应用。
现如今，气液两相系统的泰勒流及液滴制备方法被分为主动方式和被动方式，被动方式的泰勒流及液滴生成方法主要依靠流体的流量比、流体的黏度、通道尺寸等因素间接控制生成泰勒流及液滴的大小。但是泰勒流及液滴大小、频率与通道尺寸、流体物性、流量等相互关联因而难以灵活控制，增加了精确调控的难度，且泰勒流及液滴生成往往只能在低流速及低频下制备，限制了工程应用。主动方式生成泰勒流及液滴的技术是通过主动施加在两相流间的外力促进气泡及液滴主动制备的技术。不仅可以通过流体的流量、流体的黏度、通道尺寸等控制微通道内的流型，而且可以通过施加外力的大小和频率，精确调节通道内的流型，控制泰勒流及液滴体积和频率。现如今多数主动控制方式的控制对象往往为水油两相流体，很少对气液两相进行精确调控，且生成频率与扰动频率并非一一对应，生成频率往往较低(<100Hz)，无法达到高通量的需求。对于气液两相中的泰勒流及液滴制备技术，由于气流流速较高，惯性力的影响超过了表面张力，液体极易被气体击穿，难以稳定生成。现如今还缺乏在气液两相中控制泰勒流及液滴生成的有效手段。此外，现有实现主动控制的外部扰动源往往需要嵌入液滴生成器内，增加了液滴生成器的制作成本，减少了液滴生成器的可靠性、实用性。因此，基于气液两相的液滴制备技术在可行性、生产成本、实用性上还存在着极大的挑战性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备系统，以解决在气液两相中制备泰勒流及液滴调控局限性及高频制备的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备系统，
包括脉冲振动装置、液滴生成器；
所述脉冲振动装置用于生成脉冲气流，脉冲振动装置由直流电机、旋转阀、气流通道组成；所述气流通道出口与液滴制备芯片气流入口之间装有旋转阀，旋转阀通过电机和控制器控制旋转速度，通过剪切气流通道流出的气流，控制气流通道的通、断状态，从而产生脉冲气流，并能够调整气流的参数：振幅、占空比、频率；
所述液滴生成器内的微通道设有气动作用孔和液体通道；
所述气动作用孔作为脉冲气流流入通道，脉冲气流经气动作用孔流入液体通道内，并对液体通道的液体产生扰动，使流体发生变形或断裂，从而完成泰勒流及单分散性液滴的制备；
通过调整脉冲气流的参数及液体流量，主动控制泰勒流及液滴的体积、生成频率、气液比。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1、本发明将脉冲气流生成器作为扰动源，扰动源设置在液滴生成器外部，扰动源与液滴生成器之间相互独立，扰动源无需嵌入芯片内，且可重复使用，减少了加工成本，提高系统的实用性和可靠性；
2、本发明利用直流电机带动旋转阀剪切气流形成脉冲气流，由旋转阀的转速、孔径、结构形状等参数，间接控制脉冲气流的特征参数，通过对微通道内液体的可控扰动，实现了气液两相中泰勒流及液滴的可控制备；
3、本发明利用旋转阀实现了对气流的脉冲扰动，与传统机械阀相比，能够有效克服惯性阻尼的影响，从而显著提升其工作频率，达到数千频率的高频扰动，实现了液滴及泰勒流高频可控制备；且生成的液滴及泰勒流稳定且均一。
4、本发明利用脉冲气流对液体介质进行扰动的原理，可以对不同种类的液体进行扰动，通过对脉冲气流特征参数的控制，分别可以主动控制制备气液两相系统中的液滴、油包水型液滴、水包油型液滴，可实现多种液滴制备的主动控制，提高了系统的多功能性及扩展性；
5、本发明由直流电机转速及旋转阀通孔数调节液滴生成的频率，液滴生成频率与扰动频率一一对应，液滴生成频率即为电机转速与旋转阀通孔数的乘积：f＝NM直流电机转速为N，旋转阀通孔数为M，泰勒流和液滴生成频率为f。通过增大直流电机的转速和通孔数量，可以实现液滴的高频制备。也可通过并行放大的方式，增加周向及径向气流通道的数量，同时布置多组液滴生成器，实现多组液滴生成器在同一扰动源下同频工作，从而提高了液滴生成频率及产量；f＝NMK，K为液滴生成器的数量。
附图说明
图1为本发明系统组成示意图；
图2为实施例1中基于脉冲气流的泰勒流制备系统整体结构图；
图3为实施例1中液滴生成器示意图；
图4为实施例1中泰勒流生成原理图；
图5不同旋转阀结构示意图；
图6为实施例1中通过控制脉冲气流生成的泰勒流；
图7为实施例2中液滴生成器示意图；
图8为实施例2中液滴生成原理图；
图9为实施例2中通过控制脉冲气流生成的液滴图；
图10是本发明实施例3液滴生成器；
图11是本发明实施例3水包油型液滴生成过程示意图；
图12油包水型液滴生成过程示意图；
图13为实施例3中通过控制脉冲气流生成的油包水液滴图；
图14为实施例4的系统组成示意图；
图15为实施例4的系统结构示意图；
图16为实施例4的多通道液滴生成器结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
本实施例的一种基于脉冲气流的泰勒流制备系统，包括脉冲振动装置、液滴生成器组成；如图2所示，脉冲振动装置主要由直流电机1、气流管道2、旋转阀3、液滴生成器4、旋转阀通孔5、联轴器6、联接板7组成。所述旋转阀3与直流电机1通过联轴器6安装固定，直流电机1与气流管道2固定于联接板7。通过直流电机1控制旋转阀3旋转，气流从气流管道2喷出，进而被旋转的旋转阀3和旋转阀通孔5剪切为脉冲气流。脉冲振动装置及液滴生成器4则通过联接板7联接固定，气动作用孔11与旋转阀通孔5保持同轴位置。通过控制电机1的转速可以控制脉冲气流的扰动频率，改变气流管道2中气压的大小可以控制脉冲气流的振幅。如图3所示，液滴生成器4由PMMA(亚克力板)经数控机床雕刻而成，材料本身呈现亲水性的特征，液滴生成器4主要结构有液体流入口8、液体通道9、弧形凹槽10、气动作用孔11、流体流出通道12、流体出口13；液体由液体入口8涌入液体通道9，弧形凹槽10凹槽为旋转阀通孔旋转路径，可以使脉冲气流在旋转阀通孔两侧形成涡流，阻碍脉冲气流向外界流通，有效的减少脉冲气流的损耗。气动作用孔11垂直于液体通道9及流体流出通道12，液体通道9、流体流出通道12与气动作用孔11交错呈T型错流结构，脉冲气流由气动作用孔11流入流体流出通道12，两者在液体通道9与气动作用孔11交汇处汇聚形成泰勒流，制备后的泰勒流沿流体流出通道12流动，经流体出口13流出液滴生成器4。
系统工作时，将气源通过管道接于气流管道2，气压调节器调节气流气压大小。当系统为工作状态时，首先通入气流，并调节至合适的气压。通入气源后，再通过电机1及控制器控制电机1的启动，并使电机1保持一定转速旋转，气流经过气流管道2流出，通过固定转速的旋转阀3剪切气流形成脉冲气流。待脉冲气流产生后，再将液体由注射泵通入液体入口8。如图4所示，气动作用孔11为圆台及圆柱形组合而成，圆台上宽下窄，圆柱高度为圆台高度的1/2。此结构可以有效的减少脉冲气流损耗，减少生产成本。由于脉冲气流具有一定的压力和速度脉冲，因此，脉冲气流经气动作用孔11流入液滴生成器4的微通道内，脉冲气流作用于液体，并对其产生强烈剪切效果，进而气体由于被液体包裹在微通道内。形成以气泡和液塞组成的泰勒流。通过调节流量大小(Q)、气压大小(P)、旋转阀通孔数量(M)及结构、电机转速(N)等参数，可以间接控制脉冲气流的振幅(A)、占空比(D)、频率(fP)等变量，实现主动控制泰勒流生成过程，从而达到主动控制气泡体积(Vg)、液塞体积(Vd)、生成频率(ft)的目的。脉冲气流的振幅(A)由气流气压(P)决定，脉冲气流的振幅可控制气泡的体积(Vg)，Vg∝A。脉冲气流的频率由电机转速(N)及旋转阀数目(M)决定，脉冲气流的频率(fp)决定了泰勒流生成的频率(ft)，两者保持同步同频状态。通过改变脉冲气流的频率(fp)进而可控制气泡(Vg)和液塞的体积(Vd)，Vg∝fp,Vd＝Q/fP。通过注射器可定量注射液体，液体的流量(Q)可直接影响制气泡(Vg)和液塞的体积(Vd)，Vg∝Q,Vd＝Q/fP。
如图5(a)所示，占空比(D)为旋转阀通孔圆心角(θr)与相邻旋转阀通孔中心之间的圆心角(θd)的比值，D＝θr/θd，此时旋转阀通孔数量为M。如图5(b)所示，当旋转阀通孔为2M时，液滴生成频率相较于(a)提高了两倍，此时脉冲气流的占空比2D。如图5(c)所示，当旋转阀气流通道为弧形孔，占空比为脉冲气流的占空(D)比为弧形孔圆心角(θr)与相邻旋转阀通孔之间的圆心角(θd)之比。fb＝NM，电机转速为N，旋转阀通孔数为M，气泡生成频率为fb，在保持转速不变的情况下，通过增加旋转阀通孔数及芯片个数可提高液滴生成频率。如图6所示，单个液滴生成器生成的泰勒流频率可达1384Hz。
实施例2
本实施例的一种基于脉冲气流的液滴制备系统，包括脉冲振动装置、液滴生成器4。脉冲振动装置与实施例1一致。液滴生成器。如图7(a)所示，液滴生成器4内的微通道需进行疏水处理或材料本身呈现疏水性的特点。T型错流的液滴生成器4主要由液体入口8、液体通道9、弧形凹槽10、气动作用孔11、流体流出通道12、流体出口13、气流通道14组成。液体通道9与气流通道14相互垂直。如图7(b)所示，流动聚焦型液滴生成器与T型错流的液滴生成器组成结构相似，但气流通道14分为两条支路，自上下垂直于液体通道9于与流体流出通道12，脉冲气流自上下两方向涌入微通道内。如图7(c)所示，为共流聚焦型液滴生成器，该液滴生成器4中，液体通道采用毛细管15嵌入PMMA制作而成，脉冲气流与嵌入毛细管中的液体同向流动。
液滴生成原理如图8所示，脉冲气流由气动作用孔11流入，沿气流通道14流向流体流出通道12。液体由液体入口8注入，沿液体通道9向下游流动，脉冲气流与液体在气流通道14与液体通道9交汇处相遇，周期性的脉冲气流剪切液体形成液滴，使液体在疏水性的微通道内，被剪切为无液膜连接的独立液滴，液滴之间保持独立，液滴随着脉冲气流的惯性力沿流体流出通道12流动，从流体出口13流出液滴生成器4。
脉冲气流的振幅(A)及占空比(D)决定了相邻两液滴之间存在的气体体积(Vg)。脉冲气流的频率(fp)决定了液滴生成的频率(fd)，两者保持同步同频状态。液体流量(Q)决定了液滴生成的体积大小(Vd)，Vd＝Q/fd。通过调整改变脉冲信号的频率、气压、占空比，改变液滴生成的过程，可控制生成液滴的体积(Vd)、气液比(Vg/Vd)、频率(fd)，达到主动控制单液滴生成过程的目的。如图9所示，单个芯片内的液滴生成(fd)的频率为250Hz，气体体积(Vg)与液体体积(Vd)之比最小可达到0.69。
实施例3
对于水包油型液滴制备系统，系统主要由脉冲振动装置、液滴生成器4组成。脉冲振动装置与实例1中的脉冲振动装置的形状及结构组成都保持不变。液滴生成器4由PMMA(亚克力板)经数控机床雕刻而成，材料本身呈现亲水性的特征。如图10所示，所述液滴生成器4由气动作用孔11、疏水膜槽16、疏水膜17、油相入口18、油相通道19、液体流出口20、液滴流出通道21、脉冲扰动通道22、脉冲扰动槽23、水相入口24、水相通道25。该液滴生成器4为两层结构，气动作用孔11设置在第一层结构上，气动作用孔11上设有疏水膜槽16，疏水膜槽16内设有疏水膜17；油相入口18、油相通道19、液体流出口20、液滴流出通道21、脉冲扰动通道22、脉冲扰动槽23、水相入口24、水相通道25设置在第二层结构上。芯片基本构造与实例2相同，但由于液滴生成过程是三相流体的相互作用。因此，脉冲气流作用于水相并对水相进行扰动，进而生成水包油型液滴。在制备水包油型液滴的过程中，液滴生成器内的微通道需进行亲水处理或材料本身呈现亲水性的特点。为了保证此过程中芯片内的流体不流出，且脉冲气流还可作用于流体，采用疏水膜17作为脉冲气流及水相流体的联动部件，疏水膜17嵌入并固定于疏水膜槽16内，脉冲气流经过疏水膜16流入脉冲扰动槽23，并对扰动槽23内的流体进行扰动，进而带动脉冲扰动通道22内的流体产生扰动，实现液滴的可控制备。
当系统工作时，脉冲振动装置如实例1所述能产生稳定的脉冲气流。如图11所示，水相及油相均由输送泵作用注入液滴生成器内，水相从水相入口24流入，油相从油相入口18流入，水相和油相分别沿水相通道25和油相通道19向下游流动。脉冲气流通过气动作用孔11流入芯片内，经过疏水膜17流入膜的另一侧，脉冲气流对脉冲扰动槽23内的流体进行扰动作用，并将速度及压力脉冲传递给脉冲扰动通道22的水相，产生速度脉冲的水相与油相流体在T型结构交汇处汇聚，油相受到水相的强烈扰动使流体断裂成大小均一、间距相等的水包油型液滴。通过调整改变脉冲气流的频率(fp)、振幅(A)、占空比(D)，可控制生成液滴的体积(Vd)、频率(fd)，其中Vd＝Q/fp，液滴生成频率(fd)与脉冲气流(fp)频率保持一致。达到主动控制水包油型液滴生成过程的目的。
如图12所示，通过将疏水膜17替换为疏油膜，液滴生成器4内的微通道需进行疏水处理或材料本身呈现疏水性的特点，脉冲气流经过疏油膜作用于油相，经油相剪切水相，可制备油包水型液滴。如图13所示，为经过脉冲气流作用于油相，剪切水相液滴生成的油包水型液滴。
实施例4
本实施例的一种基于脉冲气流的液滴制备系统，系统组成包括脉冲振动装置、液滴生成器；所述并行放大液滴制备系统实现如图14所示，通过增加旋转阀通孔5及液滴生成器4的数量，可以提高泰勒流和液滴的产量；f＝NMK，电机转速为N，旋转阀通孔5数为M，液滴生成频率为f，K为液滴生成器4的个数。如图15所示，基于脉冲气流的多通道液滴制备系统，该系统加装了多个气流通道2。如图16所示，液滴生成器4可以采用多条微通道的设计结构，便于液滴生成器4的安装及加工。液滴生成器包括K个气动作用孔和K条微通道，K条微通道共用一个液体介质注入通道。采用直流电机带动旋转阀旋转，脉冲气流作用于每一个脉冲气动作用孔都经过相同的时间间隔，使得每个独立的微通道内液滴同频生成，通过调整改变脉冲信号的频率(fp)、振幅(A)、占空比(D)，改变液滴生成的过程，可以控制生成泰勒流和液滴的体积(Vd)、气液比(Vg/Vd)、频率(fd)，达到主动控制高通量液滴生成的目的。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备系统，其特征在于，包括脉冲振动装置、液滴生成器；
所述脉冲振动装置用于生成脉冲气流，脉冲振动装置由直流电机、旋转阀、气流通道组成；所述气流通道出口与液滴制备芯片气流入口之间装有旋转阀，旋转阀通过电机和控制器控制旋转速度，通过剪切气流通道流出的气流，控制气流通道的通、断状态，从而产生脉冲气流，并能够调整气流的参数：振幅、占空比、频率；
所述液滴生成器内的微通道设有气动作用孔和液体通道；
所述气动作用孔作为脉冲气流流入通道，脉冲气流经气动作用孔流入液体通道内，并对液体通道的液体产生扰动，使流体发生变形或断裂，从而完成泰勒流及单分散性液滴的制备；
通过调整脉冲气流的参数及液体流量，主动控制泰勒流及液滴的体积、生成频率、气液比。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备技术，其特征在于，脉冲气流振幅A由气流通道内的气压P决定；脉冲气流频率fp由电机转速N和旋转阀通孔M数决定，fp＝NM；所述的旋转阀通孔数量在旋转阀尺寸范围内进行更改，在旋转阀周向及径向方向上进行数量上的改变，直接改变脉冲气流的通断频率，影响液滴及泰勒流的生成频率；脉冲气流占空比D由旋转阀通孔圆心角θr与相邻通孔中心之间的圆心角θd的比值决定,D＝θr/θd；通过不同的通孔结构，调节通断周期的占空比。
3.根据权利要求1所述的基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备系统，其特征在于，所述液滴生成器内的微通道表面呈亲水性或通道材料本身呈现亲水性
气动作用孔垂直于液体通道及流体流出通道；
液体通道、流体流出通道与气动作用孔交错呈T型错流结构；液体和脉冲气流在气体通道与液体通道交汇处汇聚形成泰勒流。
4.根据权利要求1所述的基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备系统，其特征在于，所述液滴生成器内的微通道表面呈疏水性或通道材料本身呈现疏水性的特点；
液体通道与气体通道相互垂直；脉冲气流与液体在气体通道与液体通道交汇处相遇，周期性的脉冲气流剪切液体形成液滴，使液体在疏水性的微通道内，被剪切为无液膜连接的独立液滴。
5.根据权利要求1所述的基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备系统，其特征在于，所述液滴生成器内的微通道与脉冲气流作用孔呈T型错流结构、十字型流动聚焦结构或共流聚焦结构，所述十字型流动聚焦结构为十字型平面结构，脉冲气流从两侧通道流入微通道作用于流体；所述共流聚焦结构为流体通道套接与所述微通道内。
6.根据权利要求1所述的基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备系统，其特征在于，所述液滴生成器具有弧形凹槽，凹槽为旋转阀通孔旋转路径，脉冲气流从旋转阀通孔喷出后，弧形凹槽内侧形成涡流。
7.根据权利要求1所述的基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备系统，其特征在于，所述液滴生成器内的微通道还设有油相通道；
气动作用孔上设有疏水膜槽，疏水膜槽内设有疏水膜，疏水膜作为脉冲气流及水相流体的联动部件；
脉冲气流通过气动作用孔经过疏水膜流入芯片内，对扰动槽内的流体进行扰动，并将速度及压力脉冲传递给脉冲扰动通道的水相，产生速度脉冲的水相与油相流体在T型结构交汇处汇聚，油相受到水相的扰动形成水包油型液滴。
8.根据权利要求6所述的基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备系统，其特征在于，所述疏水膜替换为疏油膜，脉冲气流经过疏油膜作用于油相，经油相剪切水相以制备油包水型液滴。
9.根据权利要求1所述的基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备系统，其特征在于，通过增加旋转阀通孔、气流通道及液滴生成器的数量，可提高泰勒流和液滴生产量：f＝NMK，其中f为泰勒流和液滴的生成频率，N为电机转速，M为旋转阀通孔数，K为液滴生成器的数量。
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