微通道中移动液滴冻结效率的数值研究

在微流控装置中，作为化学反应器或生物培养载体的液滴，在冻结过程中可形成稳定的封装颗粒，这在制药和微化学反应控制中具有重要重要性。本研究将体积化法（VOF）方法与熔点-多孔介质相变模型耦合，用于区分水-油两相系统和水-冰两相系统。数值仿真揭示了两种不同的固化模式：模式 I 在较低的雷诺数（Re）或液滴-通道直径比（D/W）下表现出均匀且对称的模式，在流动和横向方向上形成同步的固化前沿，由热导主导，呈现相对均匀的固化壳；模式 II 在较高的雷诺数和 D/W 比值下显示出剪切约束协同的非均匀模式，其中流动动力学与空间约束耦合，导致尾部区域快速固化和不对称的固化前沿。通过对数值结果的全面分析，我们推导出斯特凡数（Ste）、雷诺数（Re）和 D/W 比值对冻结时间的特征行为。我们建立了统一的冻结时间缩放关系：t_\text{final}\sim18.02 S t e^{-0.91}{ Re }^{-0.12} (D / W)^{1.42}。结果表明，增加斯特凡数和雷诺数可缩短冻结时间，而增加液滴 D/W 比值则延长冻结时间。此外，拟合系数表明温度和液滴尺寸对液滴冻结的影响更为显著。我们的结果与文献中已有结果表现良好，同时确实包含了运动的影响，这是本工作的新颖之处。