微通道壁面浸潤(rùn)性對(duì)氣-液兩相流的影響規(guī)律研究

引 言

微化工技術(shù)以其對(duì)化工過(guò)程的熱質(zhì)傳遞性能高、控制能力強(qiáng)[1-3]，尤其對(duì)涉及多相體系的傳遞及反應(yīng)過(guò)程[4-6]，得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛認(rèn)同、重視，經(jīng)多年發(fā)展，其已成為化學(xué)工程領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一[7-8]。在特征尺寸為亞毫米量級(jí)的空間范圍內(nèi)，與重力、慣性力等體積力相比，黏性力、表面張力等面積力對(duì)多相流體的影響更顯著，即：氣-液或液-液兩相界面張力、液-固兩相表面張力決定了多相流體流動(dòng)狀況[9-10]。

Santos等[11]通過(guò)數(shù)值模擬研究了接觸角對(duì)微通道內(nèi)氣泡和液彈形成過(guò)程的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨接觸角增大，氣-液界面由“凸”向“凹”轉(zhuǎn)變，且親水通道內(nèi)的徑向速度梯度更大，可促進(jìn)液彈內(nèi)的流體混合。Zhou等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，接觸角可改變流型間的轉(zhuǎn)換線(xiàn)，隨接觸角增加，親水通道內(nèi)的氣泡長(zhǎng)度增加，疏水通道則相反。Barajas等[13]利用氣-液混合裝置產(chǎn)生氣-液兩相混合流體，然后進(jìn)入四種接觸角材質(zhì)的毛細(xì)管，形成氣-液兩相流，并建立了相應(yīng)的氣-液兩相流型圖，發(fā)現(xiàn)四種通道內(nèi)的流型圖較相似，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨接觸角增大，在氣速較快區(qū)域，溪狀流取代了波浪流，且不同流型間的過(guò)渡邊界均有明顯變化。Wielhorski等[14]以不同液體為連續(xù)相，研究了液-固接觸角對(duì)氣泡大小的影響，結(jié)果表明，部分潤(rùn)濕情況下的氣泡長(zhǎng)度與Garstecki模型[15]預(yù)測(cè)的氣-液兩相體系差異較大。

為研究表面張力的影響，研究者們多采用添加表面活性劑及更換微通道材質(zhì)的方法[16-17]，前者主要側(cè)重于定量改變氣-液或液-液兩相界面張力，由于表面活性劑在通道壁面的吸附/脫附難以定量、吸附/脫附始終處于動(dòng)態(tài)變化中，因此液-固兩相表面張力及其對(duì)氣-液或液-液兩相流體流動(dòng)狀況的影響難以定量；后者則側(cè)重于定量改變液-固兩相表面張力，但不同材質(zhì)的通道表面粗糙度等物性參數(shù)差異較大，最終導(dǎo)致難以明確液-固兩相表面張力對(duì)氣-液或液-液兩相流體流動(dòng)狀況的影響，故有必要對(duì)通道壁面性質(zhì)影響進(jìn)行深入研究。孫俊杰等[18]用十八烷基硫醇對(duì)紫銅板進(jìn)行改性以提高通道的疏水性，觀察到了與親水性通道不同的氣-液兩相流型，但十八烷基硫醇與紫銅板間的結(jié)合力較弱，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中十八烷基硫醇易流失。Cubaud等[19]采用聚四氟乙烯涂層對(duì)硅和玻璃材質(zhì)的親水通道進(jìn)行疏水改性，研究了水、表面活性劑和空氣的混合物在親水和疏水微通道內(nèi)的氣-液兩相流動(dòng)形態(tài)，發(fā)現(xiàn)了疏水通道內(nèi)的不穩(wěn)定流動(dòng)；Choi等[20]采用十八烷基三氯硅烷對(duì)矩形光敏玻璃微通道表面進(jìn)行疏水處理，發(fā)現(xiàn)疏水微通道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)和親水微通道差異較大，但玻璃材質(zhì)微通道存在加工難度較大、成本較高、通道截面形狀不規(guī)則、操作不便等缺點(diǎn)，因此有必要開(kāi)發(fā)加工難度小、操作簡(jiǎn)單、成本低、截面形狀易控制的微通道，以研究液-固兩相表面張力對(duì)氣-液或液-液兩相流體流動(dòng)狀況的影響。

本文以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為基材，采用等離子體表面處理+表面紫外線(xiàn)照射接枝聚合技術(shù)對(duì)PMMA表面進(jìn)行改性，以獲得表面親/疏水性可控的PMMA材質(zhì)微通道。以氬氣-去離子水為實(shí)驗(yàn)體系，深入研究接觸角對(duì)氣-液兩相流動(dòng)狀況、氣泡形成過(guò)程及壓力降影響的規(guī)律，為微通道反應(yīng)器的個(gè)性化設(shè)計(jì)提供基本科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)所用微通道芯片由氣體及液體穩(wěn)壓區(qū)、氣-液兩相流體接觸區(qū)、氣-液兩相流體穩(wěn)定流動(dòng)區(qū)及出口減壓區(qū)共五個(gè)區(qū)域組成，并在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板上精密銑削刻出所需微通道的結(jié)構(gòu)及尺寸，其中氣體穩(wěn)壓區(qū)微通道的尺寸為0.3 mm×0.3 mm，出口減壓區(qū)微通道為1.0 mm×1.0 mm，其他區(qū)域的所有通道均為 0.6 mm×0.6 mm，具體如圖1所示。

圖1

圖1   微通道結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1   Schematic diagram of the microchannel structure

將加工好的微通道芯片置于空氣等離子體（40 kHz，Diener Femto）氣氛中一段時(shí)間以形成表面活性位，隨即將排氣后的甲基丙烯酰乙基磺基甜菜堿（SBMA）水溶液加入微通道內(nèi)，在紫外線(xiàn)（高壓汞燈，1 kW）照射下進(jìn)行接枝聚合反應(yīng)，增強(qiáng)通道表面的親水性，最后在去離子水中超聲去除未反應(yīng)的SBMA；進(jìn)行疏水改性時(shí)，則將等離子體處理后的微通道芯片置于1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(FAS-C8)的環(huán)己烷溶液（0.01 mol/L）中24 h，最后在環(huán)己烷中超聲，獲得表面疏水的通道表面[21]，如圖2所示。用接觸角測(cè)量?jī)x（JC2000，上海中辰數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司）測(cè)量水的接觸角，表征改性后材料表面的親疏水程度。

圖2

圖2   改性原理示意圖

Fig.2   Schematic diagram of modification principle

實(shí)驗(yàn)裝置由流體輸送、微通道芯片、圖像采集等三部分組成，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別由兩個(gè)配備有50 ml不銹鋼注射器的注射泵（LSP01-1BH，Longer）注入氬氣和去離子水，用自動(dòng)電子皂膜流量計(jì)（GL-101B，北京北芬三浦）和天平稱(chēng)重法校正氣-液兩相流體流量，通過(guò)壓力傳感器（DMP305X，LEEG，中國(guó)）測(cè)量流體壓力降。圖像采集部分包括體視顯微鏡（Olympus ZX2-ILLK，日本）和高速攝像機(jī)（Phantom Miro R311，美國(guó)），當(dāng)液滴生成頻率和長(zhǎng)度穩(wěn)定后進(jìn)行圖像采集，采集速度為3200幀/秒，每組記錄1000張圖片，至少重復(fù)2次，利用Matlab對(duì)圖像進(jìn)行處理，獲得氣泡長(zhǎng)度與速度。

圖3

圖3   實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1—計(jì)算機(jī);2—高速攝像機(jī);3—液體注射泵;4—?dú)怏w注射泵;5—壓力傳感器;6—光源;7—微反應(yīng)器;8—接料容器

Fig.3   Schematic diagram of the experimental setup

2 結(jié)果與討論

2.1 微通道表面改性

2.1.1 等離子體改性

等離子體處理可使材料表面的C—C鍵和C—H鍵斷裂、形成碳自由基，暴露在空氣中時(shí)這些自由基可與O2反應(yīng)生成羥基等極性基團(tuán)，減小材料表面接觸角；另外，氧等離子體轟擊材料表面，在材料表面產(chǎn)生羥基使接觸角減小[22-23]。水接觸角越小，代表等離子處理帶來(lái)的接枝位點(diǎn)越多，處理效果越好。圖4(a)表示輸入功率為12 W的空氣等離子體處理PMMA表面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)?shù)入x子體處理時(shí)間（tp）由1 min增至7 min時(shí)，其表面的水接觸角（θ）由70°減小至10°，即：處理時(shí)間越長(zhǎng)，接觸角越小，表面改性效果越好，盡管如此，但長(zhǎng)的等離子體處理時(shí)間易使PMMA表面受損，故在達(dá)到表面改性效果的前提下應(yīng)盡量縮短處理時(shí)間；隨后將等離子體處理過(guò)的PMMA板放置在空氣中，發(fā)現(xiàn)接觸角隨放置時(shí)間（ts）有一定回升，這是因?yàn)榈入x子體處理后表面極性基團(tuán)具有不穩(wěn)定性，會(huì)隨時(shí)間的推移向材料內(nèi)部翻轉(zhuǎn)[24]。不過(guò)這些基團(tuán)能夠?yàn)榫酆衔飭误w提供接枝位點(diǎn)，可以在等離子體處理后快速接枝功能性單體，通過(guò)這種化學(xué)鍵結(jié)合的改性方式，能夠有效保證改性的穩(wěn)定性及耐用性[25]。當(dāng)輸入功率增加至55 W時(shí)[圖4(b)]，處理時(shí)間超過(guò)1.5 min，PMMA表面即可改性至完全潤(rùn)濕 （θ<1°），可見(jiàn)產(chǎn)生的接枝位點(diǎn)多且快，有利于后續(xù)的紫外接枝表面改性。

圖4

圖4   不同功率等離子體處理并在空氣中放置一定時(shí)間后的水接觸角

Fig.4   Water contact angle after plasma treatment with different power and placed in air for a certain time

2.1.2 紫外線(xiàn)接枝改性

以SBMA為表面改性試劑，實(shí)驗(yàn)考察了紫外線(xiàn)輻射時(shí)間（ti）和改性單體濃度（Cm）對(duì)PMMA表面水接觸角的影響，在超聲波處理10 min的情況下，發(fā)現(xiàn)：在0.1~0.4 mol/L范圍內(nèi)，單體濃度的影響可忽略不計(jì)；在紫外線(xiàn)輻射時(shí)間小于6 min的范圍內(nèi)，即可將PMMA表面的水接觸角由70°減小至40°~50°，且可穩(wěn)定存在；當(dāng)輻射時(shí)間增加到6~10 min時(shí)，表面潤(rùn)濕性得到較大改善，接觸角急速減小并穩(wěn)定在10°左右，繼續(xù)增加輻射時(shí)間，接觸角的變化不明顯，如圖5(a)所示。原因在于，SBMA是一種典型的兩性離子聚合物，每個(gè)單體上均同時(shí)攜帶正電荷和負(fù)電荷，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間較短，兩性離子聚合物鏈段較短時(shí)，鏈與鏈之間的相互作用力較弱，只有接枝鏈尾端的親水基團(tuán)暴露在材料表面，親水性小幅增加，當(dāng)鏈增長(zhǎng)到一定程度，鏈內(nèi)部或鏈與鏈之間的靜電作用使分子鏈回折、纏繞，暴露的親水基團(tuán)增加，使親水性大幅增加[26-27]。

圖5

圖5   不同條件下紫外線(xiàn)處理后的水接觸角

Fig.5   Water contact angle under different conditions of UV treatment

為進(jìn)一步測(cè)試改性后表面的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將超聲波處理時(shí)間延長(zhǎng)至1 h，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)單體濃度較低（0.1~0.2 mol/L）時(shí)，與超聲波處理10 min相比，接觸角略有增加，如圖5(b)所示，這是因?yàn)榇朔N情況下表面接枝量少且分布密度低，長(zhǎng)時(shí)間超聲波處理會(huì)使接枝鏈重建，最終導(dǎo)致接枝鏈被埋在疏水表層下，當(dāng)接枝密度增加，接枝鏈之間的相互作用會(huì)抑制這種重建[28-29]；但當(dāng)單體濃度過(guò)高（>0.4 mol/L）時(shí)，在紫外線(xiàn)輻射下SBMA單體間發(fā)生反應(yīng)，而不是接枝到材料表面，易出現(xiàn)嚴(yán)重自聚現(xiàn)象，改性效果差。最終，選取0.3 mol/L SBMA改性20 min（10°）和5 min（40°）為CH-1和CH-2，未改性的70o為CH-3，及疏水改性方法得到的110°為CH-4，共4種微通道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖6。

圖6

圖6   四種不同水接觸角的微通道

Fig.6   Four microchannels with different water contact angles

2.2 壁面浸潤(rùn)性對(duì)氣-液兩相流型的影響

為研究微通道壁面浸潤(rùn)性對(duì)氣-液兩相流動(dòng)狀況的影響，對(duì)比了不同接觸角微通道內(nèi)的六種典型流型，如圖7~圖13所示。當(dāng)氣-液體積流量比在1附近，且氣-液相流量均小于10 ml/min時(shí)，易形成穩(wěn)定的氣-液兩相彈狀流，在氣相表觀流速(jG)與液相表觀流速(jL)均為0.116 m/s時(shí)，與CH-4相比，CH-1內(nèi)的氣泡截?cái)辔恢孟蛏嫌我苿?dòng)了0.3 mm，氣泡和液彈的生成時(shí)間由9 ms增加到18 ms，氣泡和液彈長(zhǎng)度、液膜厚度（氣泡周?chē)年幱皩挾龋┚黾?，氣泡頭尾處的陰影部分變寬，即：液膜的鋪展性更好、彈狀流更易于形成，如圖7所示。

圖7

圖7   jG= jL =0.116 m/s條件下的氣-液彈狀流形成過(guò)程特性（流動(dòng)方向?yàn)樽杂蚁蜃螅灰晕⑼ǖ缹挾?.6 mm為標(biāo)尺）

Fig.7   Formation process characteristics of gas-liquid slug flow at jG= jL =0.116 m/s(The flow direction is from right to left. The microchannel width was 0.6 mm as a scale bar)

圖8

圖8   jG=0.162 m/s、jL=0.023 m/s條件下的氣-液彈狀-環(huán)形流特性（流動(dòng)方向?yàn)樽杂蚁蜃?；以微通道寬?.6 mm為標(biāo)尺）

(The flow direction is from right to left. The microchannel width was 0.6 mm as a scale bar)

Fig.8   Characteristics of gas-liquid slug-annular flow at jG=0.162 m/s, jL=0.023 m/s

圖9

圖9   jG=1.389 m/s、jL=0.463 m/s條件下的環(huán)狀流特性（流動(dòng)方向?yàn)樽杂蚁蜃螅灰晕⑼ǖ缹挾?.6 mm為標(biāo)尺）

Fig.9   Annular flow characteristics at jG=1.389 m/s, jL=0.463 m/s(The flow direction is from right to left. The microchannel width was 0.6 mm as a scale bar)

圖10

圖10   jG=3.704 m/s、jL=0.023 m/s條件下的并行流特性（流動(dòng)方向?yàn)樽杂蚁蜃?；以微通道寬?.6 mm為標(biāo)尺）

Fig.10   Parallel flow characteristics at jG=3.704 m/s, jL=0.023 m/s(The flow direction is from right to left. The microchannel width was 0.6 mm as a scale bar)

圖11

圖11   jG=2.315 m/s、jL=1.389 m/s條件下的攪拌流特性（流動(dòng)方向?yàn)樽杂蚁蜃?；以微通道寬?.6 mm為標(biāo)尺）

Fig.11   Churning flow characteristics at jG=2.315 m/s, jL=1.389 m/s(The flow direction is from right to left. The microchannel width was 0.6 mm as a scale bar)

圖12

圖12   jG=0.231 m/s、jL=0.926 m/s條件下的泡狀流特性（流動(dòng)方向?yàn)樽杂蚁蜃?；以微通道寬?.6 mm為標(biāo)尺）

Fig.12   Bubbly flow characteristics at jG=0.231 m/s, jL=0.926 m/s(The flow direction is from right to left. The microchannel width was 0.6 mm as a scale bar)

圖13

圖13   四種微通道內(nèi)的氣-液兩相流型圖及流型轉(zhuǎn)換線(xiàn)

Fig.13   Gas-liquid flow patterns and conversion lines in the four microchannels

當(dāng)氣-液體積流量比較大且液速較小時(shí)，形成氣泡長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于液彈長(zhǎng)度的彈狀-環(huán)狀流，與其他通道相比，在壁面浸潤(rùn)作用下CH-1入口處的更多液體沿通道角落進(jìn)入氣體入口通道及主通道下游，形成較為穩(wěn)定的液-固界面，故氣泡的形成實(shí)為氣-液界面的變化過(guò)程，而其他通道內(nèi)均存在氣-固界面及氣-液-固三相接觸線(xiàn)，氣泡形成過(guò)程伴隨液-固界面取代氣-固界面的過(guò)程，氣-固界面及三相線(xiàn)位置如圖8(b)、(c)所示。氣-液-固三相接觸線(xiàn)移動(dòng)使流動(dòng)阻力增加，氣泡斷裂時(shí)間增加（如：jG=0.162 m/s、jL=0.023 m/s條件下，斷裂時(shí)間由CH-1的32 ms增至CH-3的37 ms），如圖8（a）~（c）所示，與此同時(shí)，液彈長(zhǎng)度則在壁面浸潤(rùn)作用下由0.78 mm增至0.83 mm。與CH-1相比，CH-4內(nèi)的液體難以浸潤(rùn)壁面，無(wú)法形成穩(wěn)定的液-固界面，液速較小情況下，液體慣性作用不足以克服氣-液-固三相接觸線(xiàn)帶來(lái)的阻力，導(dǎo)致氣泡截?cái)辔恢貌灰?guī)律，氣泡與液彈的形成時(shí)間不穩(wěn)定、長(zhǎng)度不均勻，氣泡擠壓時(shí)間較長(zhǎng)（>40 ms），但在遠(yuǎn)離T形交叉點(diǎn)較長(zhǎng)距離位置后仍符合彈狀-環(huán)狀流特性，且壁面上易出現(xiàn)微液滴殘留及聚并，導(dǎo)致液彈前端彎液面出現(xiàn)不規(guī)則形狀，如圖8（d）、（e）所示。

當(dāng)氣相流速增加到一定程度，慣性力的影響超過(guò)了表面張力，形成的液彈極易被氣體擊穿，難以穩(wěn)定存在，但在Rayleigh不穩(wěn)定性作用下，出現(xiàn)形成液彈的趨勢(shì)，隨即被連續(xù)氣相擊穿，在通道壁上形成了不穩(wěn)定液環(huán)，稱(chēng)為環(huán)狀流。與CH-4相比，相同流速下，CH-1內(nèi)的液環(huán)數(shù)量較少，氣-液界面的波動(dòng)頻率較小，因CH-1內(nèi)的液體易于在壁面潤(rùn)濕，液膜存在更穩(wěn)定，使生成不穩(wěn)定液環(huán)的頻率降低，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了1000張照片（約1/3 s）中出現(xiàn)的液環(huán)數(shù)量，結(jié)果表明通道入口處液環(huán)生成數(shù)量由約1500個(gè)/秒減少為約800個(gè)/秒，如圖9所示。

當(dāng)氣相流速足夠大時(shí)，在CH-4內(nèi)，液體難以到達(dá)另一側(cè)壁面，僅在通道一側(cè)流動(dòng)，稱(chēng)為并行流；當(dāng)氣-液體積流量比足夠大時(shí)，在CH-1內(nèi)，液體以液膜的形式在通道中流動(dòng)，難以出現(xiàn)液環(huán)，也稱(chēng)為并行流，但與CH-4內(nèi)的并行流特征差別較大，如圖10所示。

當(dāng)氣-液兩相流速均較快時(shí)，慣性力作用占主導(dǎo)作用，氣-液界面難以穩(wěn)定存在，流動(dòng)狀況較為混亂、無(wú)序，稱(chēng)為攪拌流，此時(shí)界面力作用較小，親/疏水通道無(wú)明顯差別，如圖11所示。

當(dāng)液相流速較快而氣速較慢時(shí)，氣泡斷裂方式由擠壓主導(dǎo)衍變?yōu)榧羟兄鲗?dǎo)，形成氣泡長(zhǎng)度小于通道寬度的泡狀流。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與CH-4相比，CH-1內(nèi)的氣泡較大,生成頻率也由約1900個(gè)/秒減少為約1300個(gè)/秒，計(jì)算方式同上。且氣泡斷裂時(shí)的氣-液界面波動(dòng)較劇烈，原因在于液相在通道壁面的潤(rùn)濕性好，使其易于進(jìn)入氣體入口通道，且在T型交叉點(diǎn)處的鋪展面積較大，減小了截?cái)鄽馀輩^(qū)域的液相流速和沿主通道方向的剪切力，如圖12所示。

將其他操作條件下的流型標(biāo)繪至流型圖中，四種微通道內(nèi)（水接觸角分別為10°、40°、70°、110°）的氣-液兩相流型圖及流型轉(zhuǎn)換線(xiàn)示于圖13中?？梢钥闯?，當(dāng)接觸角為10°時(shí)，并行流與環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變線(xiàn)為jG=8.88jL0.28，40°時(shí)為jG=9.20jL0.38，70°時(shí)為jG=9.21jL0.46，說(shuō)明隨接觸角增加，流型轉(zhuǎn)換線(xiàn)向流型圖的右下方偏移，而110°時(shí)，環(huán)狀流消失，這是因?yàn)橥ǖ辣诿媸杷栽黾樱合嗔黧w難以浸潤(rùn)氣體占據(jù)的通道部分，液相流體以并行流存在；對(duì)于彈狀流與泡狀流的轉(zhuǎn)換線(xiàn)，在接觸角10°時(shí)為jG=6.46jL4.31、40°時(shí)為jG=2.88jL3.50、70°時(shí)為jG=2.28jL3.31、110°時(shí)為jG=1.84jL2.40，接觸角越大，由彈狀流轉(zhuǎn)變?yōu)榕轄盍魉璧囊核僭叫?，且轉(zhuǎn)變線(xiàn)向流型圖的左上方沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；對(duì)于彈狀流與彈狀-環(huán)形流的轉(zhuǎn)換線(xiàn)，在接觸角10°時(shí)為jG=89.61jL1.40、40°時(shí)為jG=72.42jL1.45、70°時(shí)為jG=33.09jL1.29、110°時(shí)為jG=22.21jL1.26，接觸角越大，由彈狀流轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤?環(huán)形流所需的氣速越小，流型轉(zhuǎn)換線(xiàn)向流型圖的右下方偏移，彈狀流范圍減小，這主要由于通道壁面的親疏水性對(duì)氣泡長(zhǎng)度有較大影響，當(dāng)氣-液體積流量比較大、在彈狀流與彈狀-環(huán)形流轉(zhuǎn)換線(xiàn)附近時(shí)，接觸角增加使氣泡長(zhǎng)度增加，當(dāng)氣-液體積流量比較小、在彈狀流與泡狀流轉(zhuǎn)換線(xiàn)附近時(shí)，接觸角增加使氣泡長(zhǎng)度減小，具體原因?qū)⒃谙旅嬗懻摗Ｓ捎跀嚢枇髦饕荏w積力控制，壁面性質(zhì)對(duì)其影響較小，即：水接觸角對(duì)攪拌流邊界影響不大。

2.3 壁面浸潤(rùn)性對(duì)彈狀流氣泡長(zhǎng)度的影響

2.3.1 對(duì)氣泡生成的影響

彈狀流是氣-液兩相體系的常見(jiàn)流型，氣泡及液彈具有形狀規(guī)則、流動(dòng)狀況可控、周期性強(qiáng)、操作條件彈性大等優(yōu)點(diǎn)，可為氣-液兩相傳質(zhì)及反應(yīng)過(guò)程提供充足的相界面積，從基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用角度看，此流型極為重要，已引起微化工技術(shù)領(lǐng)域較多研究者的關(guān)注[15,17,30]，本部分主要研究壁面潤(rùn)濕性對(duì)彈狀流的影響。

氣泡的生成過(guò)程可分為三個(gè)階段：膨脹階段、擠壓階段和快速斷裂階段。在氣泡膨脹階段：氣體的持續(xù)輸入使氣相頭部逐漸沿軸向和徑向膨脹，直至氣相頭部堵塞整個(gè)主通道。以氣相體積流量QG=3.5 ml/min、液相體積流量QL=2.0 ml/min為例，如圖14所示，CH-1內(nèi)的膨脹階段持續(xù)了4.69 ms，在此時(shí)間段內(nèi)前一個(gè)周期形成的氣泡向下游移動(dòng)約1.47 mm，氣相入口通道內(nèi)的氣泡頭僅向下游移動(dòng)約0.35 mm，原因在于：液體在通道壁面上的強(qiáng)浸潤(rùn)性使其易于沿通道的四個(gè)角落分別向氣相入口通道上游、主通道下游快速移動(dòng)，即沿通道角落的泄漏流較大，維持氣泡向下游移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力減小。相同操作條件下，與CH-1相比，CH-4內(nèi)的膨脹階段僅耗時(shí)約3.13 ms，前一個(gè)周期形成的氣泡向下游移動(dòng)了0.91 mm，氣泡頭向下游移動(dòng)了0.3 mm，與CH-1相比，相同時(shí)間內(nèi)氣泡頭部向下游的移動(dòng)距離增加，說(shuō)明泄漏流量減少，T形交叉點(diǎn)處的液相壓力增加，導(dǎo)致氣泡向下游移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力增加，氣泡頭及頸部的形變加劇，膨脹階段縮短，如圖14所示。這是因?yàn)榍耙粋€(gè)周期的氣泡斷裂后，在界面張力作用下T形交叉點(diǎn)處的氣-液界面向能量最低化狀態(tài)轉(zhuǎn)變，對(duì)于CH-1，液體在通道壁面上的浸潤(rùn)性較強(qiáng)，液膜的存在使液-固相界面積保持恒定，故氣-液界面迅速回縮至氣相入口通道內(nèi)，以維持氣-液相界面積的最小化；對(duì)于CH-4，在前一個(gè)周期氣泡形成過(guò)程中，氣泡的擠壓使通道壁面上部分區(qū)域的液膜被氣相取代，形成了氣-固界面，氣泡斷裂后，氣體的回縮過(guò)程勢(shì)必出現(xiàn)液-固界面取代氣-固界面的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的自由能變化為?ΔG=γsg?γsl=γlgcos θ$-\Delta G={\gamma }_{sg}-{\gamma }_{sl}={\gamma }_{lg}cos\theta$，式中γ為表面張力，下角標(biāo)s、l和g分別為固體、液體和氣體，θ為接觸角，可以看出，通道越疏水，這個(gè)過(guò)程的Gibbs自由能越大，導(dǎo)致氣-液界面回縮減少，部分氣體留在主通道內(nèi)，使氣泡頭部提前膨脹，最終膨脹階段時(shí)間減少。

圖14

圖14   QG=3.5 ml/min、QL= 2.0 ml/min條件下的氣泡生成過(guò)程

Fig.14   Bubble formation process at QG=3.5 ml/min, QL= 2.0 ml/min

在擠壓階段，主通道被氣泡頭堵塞，T形交叉點(diǎn)處的壓力增加，氣泡頭部上下游間形成較大壓差，氣-液界面在液相流體擠壓作用下發(fā)生拉伸變形，同時(shí)在通道四個(gè)角落內(nèi)連續(xù)相泄漏流的剪切作用下，氣相頸部逐漸變細(xì)，氣泡頭部不斷向下游運(yùn)動(dòng)，如圖14所示。與CH-1相比，液相流體在CH-4內(nèi)難以完全浸潤(rùn)通道壁面，部分區(qū)域的氣泡與通道壁面間無(wú)液膜存在，形成氣泡-壁面直接接觸的氣-固界面，氣相頸部變細(xì)過(guò)程實(shí)質(zhì)為氣-固界面被液-固界面取代的過(guò)程，如前所述，通道越疏水，這個(gè)過(guò)程自由能越大，導(dǎo)致氣泡頸部變細(xì)的速度變慢，擠壓階段時(shí)間變長(zhǎng)。

在快速斷裂階段，當(dāng)氣相頸部寬度減小到一個(gè)臨界值時(shí)，在表面張力的作用下，頸部斷裂，氣泡形成，該過(guò)程僅受氣-液界面張力控制[31-32]，壁面浸潤(rùn)性對(duì)其影響較小。

為進(jìn)一步了解微通道壁面潤(rùn)濕性對(duì)氣泡形成過(guò)程的影響，考察了水接觸角、氣-液兩相流量與膨脹階段時(shí)間（texp）及擠壓階段時(shí)間（tsqu）的關(guān)系，如圖15所示?？芍?，相同操作條件下，接觸角增加，膨脹時(shí)間減小，這主要由于隨接觸角增加，T形交叉點(diǎn)處液-固界面取代氣-固界面時(shí)的自由能增加，氣泡斷裂后滯留在主通道的氣體量增加，導(dǎo)致氣泡膨脹階段堵塞通道所需的時(shí)間縮短，與液相速度相比，氣相速度對(duì)膨脹時(shí)間的影響更大，氣速增大使氣泡膨脹速度增加，氣泡膨脹時(shí)間減少，如圖15(a)、(c)所示；另一方面，接觸角增加，氣泡頸部直徑減小的速率降低，使擠壓時(shí)間增加，且液速變化對(duì)擠壓時(shí)間的影響較大，如圖15(b)、(d)所示。對(duì)比圖15(a)、(b)，可見(jiàn)，當(dāng)通道壁面接觸角由10°增加到110°，在液速為1.0 ml/min時(shí)，texp由4.7 ms減小至2.5 ms，而tsqu則從16.3 ms增加到23.8 ms，氣泡生成時(shí)間凈增 5.3 ms，由于氣速不變，故氣泡長(zhǎng)度增加；當(dāng)液速增加到7.0 ml/min時(shí)，texp由4.1 ms減小至2.5 ms，而tsqu僅約為0.9 ms，接觸角影響可忽略不計(jì)，氣泡生成時(shí)間凈減1.6 ms，故氣泡長(zhǎng)度減?。豢芍核僮兓瘜?duì)膨脹階段影響較小，對(duì)擠壓階段影響較大，故隨著液速的增加，接觸角增加對(duì)氣泡長(zhǎng)度的影響呈現(xiàn)氣泡長(zhǎng)度先增加后減小。對(duì)比圖15(c)、(d)可見(jiàn)，當(dāng)通道壁面接觸角由10°增加到110°，在氣速為2.5 ml/min時(shí)，texp由6.9 ms減小到3.1 ms，而tsqu由8.8 ms增加到10.9 ms，氣泡生成時(shí)間凈減1.7 ms，氣泡長(zhǎng)度減少；氣速為5.5 ml/min時(shí)，texp由3.1 ms減小到1.9 ms，而tsqu由7.2 ms增加到8.5 ms，氣泡生成時(shí)間凈增僅0.1 ms，氣泡長(zhǎng)度略增加。

圖15

圖15   氣-液相流速及接觸角對(duì)氣泡生成各階段時(shí)間的影響規(guī)律

Fig.15   The influence of gas-liquid velocity and contact angle on the time of each stage of bubble formation

2.3.2 氣泡長(zhǎng)度變化規(guī)律

圖16所示為氣泡長(zhǎng)度隨通道壁面水接觸角的變化規(guī)律。由圖16(a)可知，固定氣相流速情況下，所有通道內(nèi)的氣泡長(zhǎng)度均隨液相流速增加而減小，氣泡長(zhǎng)度隨通道壁面水接觸角的變化過(guò)程中存在臨界值，在低液相流體流速式（QL<1.5 ml/min）區(qū)域，相同操作條件下，接觸角越小，氣泡長(zhǎng)度越短，隨液相流體流速增加，不同接觸角通道內(nèi)的氣泡長(zhǎng)度差異減小，直至消失（臨界點(diǎn)處），原因在于此區(qū)域擠壓階段占主導(dǎo)，疏水通道內(nèi)的擠壓效率降低，氣泡長(zhǎng)度增加；而在高液相流體流速（QL>1.5 ml/min）區(qū)域，相同操作條件下，接觸角減小，氣泡長(zhǎng)度卻增加，從臨界點(diǎn)開(kāi)始，隨液相流體流速增加，氣泡長(zhǎng)度的差異性逐漸增加，原因在于此區(qū)域膨脹階段占主導(dǎo)，隨通道壁面接觸角增加，氣泡斷裂后滯留在主通道中的氣體量增加，膨脹時(shí)間縮短，相同流速下氣泡長(zhǎng)度減小。實(shí)驗(yàn)還考察了其他氣速下氣泡長(zhǎng)度隨液速的變化情況，如圖16(b)所示，不同氣速下都符合這個(gè)規(guī)律。

圖16

圖16   氣泡長(zhǎng)度隨通道壁面水接觸角的變化規(guī)律

Fig.16   The variation of bubble length with water contact angle of channel wall

2.3.3 氣泡尺寸預(yù)測(cè)

氣泡長(zhǎng)度是微通道內(nèi)氣-液兩相體系的重要參數(shù)，對(duì)流動(dòng)、傳遞及反應(yīng)過(guò)程有重要影響，較多研究表明，其尺寸主要由通道構(gòu)型、流體物性、壁面性質(zhì)及流動(dòng)狀況等決定[15,17,33-34]。Garstecki等[15]認(rèn)為擠壓模式下氣泡膨脹階段結(jié)束后其長(zhǎng)度近似等于通道寬度，氣泡擠壓階段的氣相頸部寬度減小速率近似為連續(xù)相平均流速（usqueeze≈Qc/hw$u_{squeeze}\approx Q_c/hw$），氣泡生長(zhǎng)速率與分散相有關(guān)（ugrowth≈Qd/hw$u_{growth}\approx Q_d/hw$），最終氣泡長(zhǎng)度為：

LB/w=1+α(Qd/Qc)$L_B/w=1+\alpha (Q_d/Q_c)$(1)

式中,Qc和Qd分別為連續(xù)相和分散相的體積流量;LB為氣泡長(zhǎng)度；w為通道寬度；h為通道高度；α為與通道結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。方程右側(cè)第一項(xiàng)可看作膨脹階段的貢獻(xiàn)，與氣-液體積流量比無(wú)關(guān)；第二項(xiàng)為擠壓階段的貢獻(xiàn)，與Qd/Qc成正比，關(guān)聯(lián)式為LB/w=1+1.77(Qd/Qc)$L_B/w=1+1.77(Q_d/Q_c)$，其預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差為8.31%，最大相對(duì)誤差為24.51%。Garstecki模型忽略了慣性力、剪切力、泄漏流及通道壁面性質(zhì)等因素的影響，但多數(shù)情況下這些因素均對(duì)氣泡長(zhǎng)度有顯著影響。Xu等[33]認(rèn)為膨脹階段的貢獻(xiàn)不能簡(jiǎn)單看作是固定值“1”，引入?yún)?shù)a對(duì)Garstecki模型進(jìn)行了修正：

LB/w=a+b(Qd/Qc)$L_B/w=a+b(Q_d/Q_c)$(2)

式中,a和b均為與通道結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。關(guān)聯(lián)式為LB/w=1.31+1.68(Qd/Qc)$L_B/w=1.31+1.68(Q_d/Q_c)$，其預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差為7.27%，最大相對(duì)誤差39.72%，總體預(yù)測(cè)精度有了一定上升。為進(jìn)一步提高大液速區(qū)域的預(yù)測(cè)精度，Yao等[34]引入慣性項(xiàng)對(duì)Garstecki模型進(jìn)行了修正，得到了適用于大液速區(qū)域的氣泡長(zhǎng)度預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。以上模型均基于某一固定通道壁面性質(zhì)的流動(dòng)數(shù)據(jù)得出，未將通道壁面性質(zhì)引入氣泡長(zhǎng)度預(yù)測(cè)模型。

圖17所示為四種微通道內(nèi)氣泡無(wú)量綱長(zhǎng)度和氣-液體積流量比的關(guān)系，可知，每個(gè)通道內(nèi)的LB/w均分別與QG/QL成不同的線(xiàn)性關(guān)系，這是由于通道壁面的水接觸角在某種程度上影響了膨脹階段與擠壓階段所致。據(jù)此，在Garstecki模型、Xu模型及Yao模型的基礎(chǔ)上，在關(guān)聯(lián)式中引入水接觸角的影響θ項(xiàng)，將θ轉(zhuǎn)化為弧度制θ0，并擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得：

LB/w=0.94θ?0.370+1.87θ0.160(QG/QL)$L_B/w=0.94{\theta }_0^{-0.37}+1.87{\theta }_0^{0.16}(Q_G/Q_L)$(3)

圖17

圖17   氣泡長(zhǎng)度隨通道壁面水接觸角的變化規(guī)律

Fig.17   The variation of bubble length with water contact angle of channel wall

由式(3)可知，膨脹階段項(xiàng)里水接觸角θ0的指數(shù)為負(fù)值，表明接觸角增加對(duì)膨脹階段有促進(jìn)作用，使氣泡在主通道內(nèi)向下游的延伸距離縮短，即：膨脹階段對(duì)氣泡長(zhǎng)度的貢獻(xiàn)減小，減緩氣泡增加速率，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好；擠壓階段項(xiàng)里水接觸角θ0的指數(shù)為正值，表明接觸角增加有利于擠壓階段的氣泡生長(zhǎng)，但指數(shù)僅為0.16，與膨脹階段相比，接觸角影響的敏感性降低。引入接觸角θ關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差為6.62%，最大相對(duì)誤差22.32%，預(yù)測(cè)精度得到進(jìn)一步提升，如圖18所示。

圖18

圖18   模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

Fig.18   The comparison of model predicted value and experimental value

2.4 壁面浸潤(rùn)性對(duì)泰勒流壓降的影響

根據(jù)Fuerstman等[35]提出的模型，微通道內(nèi)彈狀流的壓力降主要包括三部分：①液彈區(qū)域，ΔPnb； ②氣泡主體區(qū)域，ΔPbody；③氣泡兩端頭部區(qū)域，ΔPcaps，即：ΔPT=ΔPnb+ΔPbody+ΔPcaps，如圖19所示。

圖19

圖19   微通道內(nèi)各部分壓力降分布示意圖

Fig.19   Schematic diagram of pressure drop distribution in microchannel

隨通道壁面水接觸角增加，氣泡與通道壁面間的液膜變薄，直至消失，并在氣泡主體區(qū)域形成氣-固兩相界面、氣泡兩端頭部區(qū)域形成氣-液-固三相接觸線(xiàn)。對(duì)于液彈區(qū)域，壓力降主要源于流體流動(dòng)時(shí)通道壁面附近的黏滯阻力、液彈內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)的阻力，接觸角的增加使通道壁面與液彈間的黏滯作用減弱，甚至出現(xiàn)“滑移”現(xiàn)象，接觸角越大，滑移越顯著[36]，導(dǎo)致ΔPnb減小；對(duì)于氣泡主體區(qū)域，ΔPbody主要源于氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣泡主體與壁面液膜間、液膜與壁面間的摩擦阻力壓降，并與液膜內(nèi)的泄漏流流量正相關(guān)，隨接觸角增加，液膜逐漸變薄，直至消失，形成氣-固兩相界面，通道角落的泄漏流減少，導(dǎo)致ΔPbody減小，另外，F(xiàn)uerstman等[35]發(fā)現(xiàn)，無(wú)表面活性劑的情況下，ΔPbody比ΔPnb、ΔPcaps均小1~3個(gè)數(shù)量級(jí)，故可忽略不計(jì)；對(duì)于氣泡兩端頭部區(qū)域，依據(jù)Bretherton[37]對(duì)圓形管中ΔPcaps的預(yù)測(cè)模型可知，ΔPcaps主要源于氣泡頭部與其附近液膜間的黏滯阻力，Wong等[38-39]利用數(shù)值計(jì)算將Bretherton模型推廣到矩形通道，隨接觸角增加，氣泡頭部與氣泡主體銜接區(qū)域和通道壁面間的液膜變薄，直至消失，形成氣-液-固三相接觸線(xiàn)，此區(qū)域的壓力降由黏滯阻力引起衍變?yōu)槿嘟佑|線(xiàn)移動(dòng)誘發(fā)的ΔPMCL[40-41]；Rapolu等[42]估算了三相接觸線(xiàn)移動(dòng)對(duì)壓力降的影響，得到ΔPMCL=n4γDh(cos θA?cos θR)$\Delta P_{MCL}=n\frac{4\gamma }{D_h}(cos{\theta }_A-cos{\theta }_R)$，其中n為氣泡數(shù)量，Dh為通道水力直徑，θA為前進(jìn)角，θR為后退角，由于壁面與液體間的黏滯作用，θA<θR，且流速增加，θA減小，θR增大，導(dǎo)致ΔPMCL增加，如圖20所示。

圖20

圖20   氣-液-固三相接觸線(xiàn)示意圖

Fig.20   Schematic diagram of gas-liquid-solid three phase moving contact line

由圖21(a)可知，隨氣速增加，通道內(nèi)壓降增加，由圖21(b)可知隨液速增加，通道內(nèi)壓降也增加，這主要是由于通道中ΔPbody增大。且兩圖中都可以看到，親水通道內(nèi)的壓力降隨接觸角增加而減小，此時(shí)滑移引起的ΔPnb減小、液膜變薄引起的ΔPcaps減小，而另一方面，接觸角增大引起的氣泡長(zhǎng)度變化對(duì)壓力降的影響較小，可忽略不計(jì)。對(duì)于氣液體積流量比較小情況，如：當(dāng)QL=2 ml/min、QG=2.5 ml/min時(shí)，接觸角增大，氣泡變短，通道內(nèi)氣泡數(shù)量增多，使總ΔPcaps增加，但液彈區(qū)域總長(zhǎng)度減小，使Pnb減?。粚?duì)于氣液體積流量比較大情況，如：當(dāng)QL=2 ml/min、QG=5.5 ml/min時(shí)，接觸角增大，氣泡變長(zhǎng)，通道內(nèi)氣泡數(shù)量減少，使總ΔPcaps減小，液彈區(qū)域總長(zhǎng)度增加，使ΔPnb增大，總之，二者作用相互抵消。當(dāng)通道壁面疏水時(shí)，ΔPcaps開(kāi)始包含ΔPMCL，隨氣-液兩相流速增加，θA減小，θR增大，ΔPMCL變化較大，此時(shí)，與親水通道相比，疏水通道內(nèi)的總壓降ΔPcaps增加幅度更大。

圖21

圖21   四種微通道內(nèi)的壓力降變化規(guī)律

Fig.21   The variation of pressure drop in four microchannels

3 結(jié) 論

本文采用等離子體表面接枝技術(shù)對(duì)PMMA進(jìn)行了表面改性，得到四種不同接觸角的微通道，研究了壁面浸潤(rùn)性對(duì)微通道內(nèi)流型、氣泡長(zhǎng)度和壓降的影響，得到以下結(jié)論。

（1）用SBMA作為單體接枝到通道表面，可以得到10°和40°兩種穩(wěn)定的微通道；用FAS-C8作為單體接枝到通道表面，可以得到110°微通道。最終改性效果好，性能穩(wěn)定，可以在保留材料本身透明、易加工等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)便地控制通道表面的親疏水性。

（2）疏水通道內(nèi)更易形成并行流，親水通道更易形成環(huán)狀流，親水通道內(nèi)的彈狀流范圍更大，且親/疏水通道內(nèi)的彈狀流氣泡長(zhǎng)度有明顯區(qū)別。

（3）通道越親水，氣泡截?cái)嗪髿埩粼谥魍ǖ纼?nèi)的氣體越少，膨脹階段越長(zhǎng)；通道越疏水，液體擠壓氣泡頸部的速度越慢，擠壓階段越長(zhǎng)。據(jù)此建立了與材料表面水接觸角相關(guān)的氣泡尺寸預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，與Garstecki經(jīng)典預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式相比，預(yù)測(cè)精度更高。

（4）在壁面親水的情況下（θ<90°），接觸角越大，液膜越薄，滑移效果越明顯，壓降越小。在疏水的情況下（θ>90°），三相接觸線(xiàn)的存在會(huì)增加流動(dòng)的阻力，導(dǎo)致壓降增加。