T型微通道几何比率对液滴断裂的影响机制及理论预测模型

本文通过三维数值模拟研究T型微通道中几何参数对液滴断裂行为的影响，创新性提出整合毛细管数（Ca）、液滴长度比（ε）、侧臂长度比（γ）和宽度比（β）的理论预测模型。该模型基于表面张力与粘性拖曳力的动态平衡，精准预测断裂临界条件，为微流控芯片（lab-on-a-chip）的液滴操控提供重要理论框架。

　　

Highlight

几何参数对液滴断裂的理论预测模型

T型微通道中液滴行为存在三种经典模式：非断裂（NB）、隧道断裂（TB）和永久阻塞断裂（POB）。本研究聚焦断裂与非断裂的临界转换，通过建立力平衡模型整合毛细管数（Ca）、液滴长度比（ε）、侧臂长度比（γ）和宽度比（β）等关键参数，揭示几何构型对断裂动力学的调控机制。

T型微通道几何构型与边界条件

如图2所示，微通道入口为正方形截面（宽度W_in，高度H），出口通道高度固定，侧臂长度比γ（1.0-2.25）和宽度比β（1.0-1.6）作为变量。该设计参考Chen等人的研究，通过三维模拟捕捉几何不对称性对液滴界面演化的影响。

模型验证

在粘度比0.1条件下，采用Chen等人的实验数据验证模型准确性。对比Cheng模型（常数k₁=1.3，k₂=1.0）和Asghari模型（系数a=1.6，b=0.3，c=0.7），本模型在γ=β=1时展现出更高预测精度，尤其适用于低Ca值场景。

结论

理论模型成功量化几何参数对断裂阈值的影响：侧臂长度比γ增大抑制断裂并诱发不对称模式，出口-入口宽度比β增加同样降低断裂概率。该成果为微流控系统设计提供可量化的调控策略。

作者贡献声明

Thanh Van Hoang：课题构思与资源统筹；Tung Thanh Nguyen：数据建模、仿真分析及论文撰写。

数据可用性声明

研究数据可应要求从通讯作者处获取。

利益冲突声明

作者声明无任何可能影响研究结果的财务或个人利益冲突。

致谢

本研究获Vingroup创新基金会（VINIF）奖学金支持（编号VINIF.2023.ThS.118）。