导读：

单分散液滴具有尺寸分布均一、理化性质可控的特点，已在药物递送、生物工程和食品科学领域得到广泛应用。然而，通过实验调控液滴尺寸通常需要多次设计光刻掩模并制作微流控芯片，成本高且效率低。为解决这一问题，齐鲁工业大学（山东省科学院）机械工程学院苏伟光副教授团队基于Fluent软件中的流体体积（VOF）方法，开发了一种微流控液滴生成数值模型。该模型通过实验验证，误差低于5.43%，系统揭示了结构与操作参数对液滴生成的影响机制，实现了液滴尺寸在13.6–108.55 μm范围内的精准调控。相关研究以“Control of monodisperse droplet size in microfluidics: A combined experimental and numerical investigation”为题目，发表在期刊《Physics of Fluids》上。

本文要点：

1、本研究基于Fluent中的流体体积（VOF）法，开发了一种微流控液滴生成数值模型。该模型经实验验证，最大相对误差低于5.43%。

2、系统研究了液滴形成机制，尤其关注结构和操作参数对液滴尺寸控制的影响。

3、采用分散相入口宽度分别为20、40和70 μm的三种流动聚焦芯片，实现了对13.6至108.55μm液滴直径的可控调节。

4、监测流动聚焦结构入口区域几何中心的压力变化，发现液滴形成存在滞后、填充、颈缩和分离四个阶段，压力曲线呈周期性波动，可作为液滴单分散性和生成稳定性的可靠判断依据。

5、结构参数对液滴尺寸和生成频率均有显著影响：入口宽度为20 μm的芯片，液滴生成频率为625-7695 Hz，远高于入口宽度为70μm的芯片（66.67-715 Hz）。

6、本研究建立的数值模型有望替代传统耗时的试错性实验，为实现高效、低成本的单分散液滴可控生成提供了新途径。

图1. 实验示意图。（a）连续相与聚二甲基硅氧烷（PDMS）接触角的时间分辨图像；（b）连续相与 PDMS 接触角的变化曲线；（c）连续相与改性后 PDMS 接触角的时间分辨图像；（d）连续相与改性后 PDMS 接触角的变化曲线；（e）微流控芯片示意图：Ⅰ. 芯片整体结构的二维示意图；Ⅱ. 微流控芯片实物图；Ⅲ. 液滴生成区域放大图，标注了关键几何参数、XZ 监测面 M（Y=-60 μm）、监测流体域 Q 及压力监测点 P。

图2. 网格生成与独立性分析。（a）网格划分策略及边界层配置示意图，包含 XZ 监测面 M（Y=-60 μm）；（b）网格独立性验证结果。

图3. 液滴生成过程的周期性演变（分散相流速：600 μL/h；连续相流速：1200 μL/h）。（a）滞后阶段；（b）填充阶段；（c）颈缩阶段；（d）分离阶段。每个虚线框包含以下内容：Ⅰ. 带监测流体域 Q（用于提取液滴体积瞬态曲线）的三维形态云图；Ⅱ. XY 平面横截面图；Ⅲ. 实验图像。（e）液滴体积随时间的瞬态变化曲线；（f）连续相流速固定为 1200 μL/h 时，不同分散相流速下的模拟结果与 Han 等人的实验数据对比；（g）连续相流速固定为 600 μL/h 时，不同分散相流速下的模拟结果与 Han 等人的实验数据对比。

图4. 不同入口通道宽度（d₁）下单分散液滴的生成状态。（a、c、e）液滴生成结果散点图：红点表示成功生成单分散液滴，黑点表示未能生成单分散液滴；（b、d、f）响应面图，展示液滴直径与连续相-分散相流速比的关系。

图5. 监测点 P 处的动态压力特征。（a）连续相流速为 1000 μL/h 时，监测点 P 的压力瞬态曲线；（b）液滴形成四个特征阶段（滞后、填充、颈缩、分离）的压力演变过程。

图6. d₁=20 μm 时不同流动条件下的压力特征与液滴形态。（a-c）连续相流速对监测点 P 压力的影响，对应分散相流速分别为 5 μL/h、40 μL/h、100 μL/h。每个子图上方为监测点 P 的压力瞬态曲线，下方为对应操作条件下的液滴生成轮廓图。

图7. d₁=40 μm 时不同流动条件下的压力特征与液滴形态。（a-c）连续相流速对监测点 P 压力的影响，对应分散相流速分别为 100 μL/h、400 μL/h、1000 μL/h。每个子图上方为监测点 P 的压力瞬态曲线，下方为对应操作条件下的液滴生成轮廓图。

图8. d₁=40 μm 时不同流动条件下的压力特征与液滴形态。（a-c）连续相流速对监测点 P 压力的影响，对应分散相流速分别为 100 μL/h、1000 μL/h、2600 μL/h。每个子图上方为监测点 P 的压力瞬态曲线，下方为对应操作条件下的液滴生成轮廓图。

图9. 分散相流速固定为 0.0139 m/s、连续相流速固定为 0.3472 m/s 时，通道宽度 d₁（20、40、70 μm）对液滴生成特征的影响。（a-c）液滴体积随时间的瞬态曲线；（d）不同通道宽度下的液滴尺寸与生成频率。

图10. 不同通道宽度（d₁）下液滴生成频率与液滴尺寸的关系。（a-c）分散相流速分别为 40 μL/h、300 μL/h、400 μL/h 时的频率-尺寸关系；（d-f）连续相流速分别为 500 μL/h、3000 μL/h、6000 μL/h 时的频率-尺寸关系。

图11. 不同通道宽度（d₁）下，固定流速比时分散相流速对液滴尺寸的影响。每条曲线代表一个不同的流速比：（a）d₁=20 μm；（b）d₁=40 μm；（c）d₁=70 μm。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0283746

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