圆柱微流体装置中滴落生成水动力学的实验与计算分析
流体动力学
2026-03-04 v1
摘要
本研究利用微型 PIV 实验和 CFD 模拟探讨了 T 字形圆柱微流体装置中滴落生成的水动力学。内部直径为150微米的装置通过一种成本有效的嵌入式模板方法制造，使用 PDMS 制成。进行流动可视化，采用不可混合的硅油和去离子水，形成水-in-油滴液。求解耦合 Navier-Stokes 方程和保守等值面方程的数学模型，采用有限元方法。获得在流量比（0.1-10）和卡门数（0.001-0.1）范围内的详细流场（速度、压力和相分布），以特征化滴落生成机制。相演化揭示了明确的破裂阶段（滞后、填充、颈缩和切断）以及多种 regime（压缩、滴落、香蕉流和平行流带尖流）。开发了滴液与非滴液区域的 regime 图。滴液大小、曲率和内部流动轮廓对 Ca 和 Qr 表现出强烈依赖。尺度分析显示，在压缩 regime 中，滴液大小对 Qr 呈线性依赖，而曲率几乎独立于 Qr。相反，在滴落 regime 中，大小和曲率都遵循 Ca 和 Qr 的幂律依赖。滴液内部的速度场为层流和抛物线形。压缩 regime 中的全开发Plug状轮廓出现，而滴落中的前后区域仍在发展中。包括考虑 visco-inertial 和毛细作用的新薄膜模型的滴液长度、曲率和薄膜厚度的相关式，使我们能够在所研究范围内进行预测性设计。这一发现推进了受限滴液动力学的基本理解，为优化基于滴液的微流体系统提供了定量指南。
引用
@article{arxiv.2603.02666,
title = {Experimental and Computational Analysis of the Hydrodynamics of Droplet Generation in a Cylindrical Microfluidic Device},
author = {Pratibha Dogra and Ram Prakash Bharti and Gaurav Sharma},
journal= {arXiv preprint arXiv:2603.02666},
year = {2026}
}