微流控十字交叉口瞬态早期乳化过程的3D CFD建模：URANS与DNS方法对比研究

《Results in Engineering》：3D CFD Modeling of Transient Early-Stage Emulsification in Microfluidic Cross-Junctions: Comparison of URANS and DNS Approaches

　　

摘要 水包油（W/O）乳液作为替代燃料正受到越来越多的关注，因为分散在水中的油滴通过微爆促进二次雾化，从而提高燃烧效率并降低污染物排放。此类乳液的质量在很大程度上取决于其形成过程，即两相接触的最初几毫秒内，然而该过程的初始瞬态阶段受到的关注相对较少。为此，本研究通过瞬态3D CFD模拟，采用互补的URANS和DNS方法，研究高通量非对称交叉槽微流控装置中水包油乳化的早期阶段。据研究人员所知，这是首次解析此类装置中早期微秒级界面动力学，并在两个独立的CFD平台上进行交叉验证。在所研究的装置中，水相和油相两股入流分别通过截面为300×300 μm和600×600 μm的方形微通道迎面碰撞，而所得乳液的出口通道截面为600×600 μm。模型捕捉了文献中两种实验操作条件下的早期界面动力学（前10-12 ms），对应的水流量分别为7.1和15.2 mL/min，油流量为65-67 mL/min，实现10-18%的体积分数。关键结果揭示了W/O界面上局部毛细数（Ca）和韦伯数（We）的演变，显示出从初始细丝化行为向稳定射流态的转变。DNS解析出比URANS更尖锐的Ca/We峰值和更薄的剪切层，而URANS则平滑了梯度。尽管如此，两种方法得到的占据率与现有实验数据及出口速度具有合理的一致性。

论文解读：微流控十字交叉口瞬态早期乳化过程的3D CFD建模——URANS与DNS方法对比研究

一、研究背景与问题

乳液作为一种液相在另一种不混溶液相中的暂时稳定分散体系，广泛应用于食品加工、制药和化妆品等领域。其中，水包油（W/O）乳液作为替代燃料受到特别关注：当乳液燃料在发动机燃烧室中暴露于高温时，水因沸点较低而率先汽化形成气泡，当内部压力超过周围压力和表面张力时，气泡破裂引发微爆，从而增强雾化效果、改善燃料-空气混合、提高燃烧效率并减少碳质污染物生成。此外，水的存在降低了缸内温度峰值，同时减少氮氧化物（NOx）排放。

乳液的质量——通过分散液滴的尺寸和分布来量化——在很大程度上取决于乳化方法和操作条件。传统乳化方法如搅拌桨间歇混合、静态混合器、高压均质机等在控制液滴尺寸和分布方面存在局限性；膜乳化虽被探索但面临膜污染等挑战。近年来，微流控装置作为一种能够生产高度单分散液滴、精确控制液滴尺寸和均匀性的新兴技术受到广泛关注。微通道中的乳化受流体动力、界面张力和通道几何之间的微妙相互作用控制，液滴形成可区分为挤压（squeezing）、滴落（dripping）和射流（jetting）等机制，其主导性可通过毛细数（Ca）、雷诺数（Re）和韦伯数（We）等无量纲数表征。

尽管大多数研究量化了在下游收集罐中最终乳液的特性，但乳液形成的最初瞬间——两相接触的最初几毫秒——受到的关注相对较少。现有文献中缺乏针对高通量交叉槽对撞构型微流控装置中W/O乳液形成的3D CFD数值模拟研究。为此，本研究聚焦于非对称交叉槽构型在高通量条件下乳化的早期阶段，通过两种互补的瞬态3D CFD方法对该过程进行高分辨率解析。

二、研究内容与主要技术方法

本研究采用两种不同的3D CFD方法对W/O乳化过程进行模拟：一种是在Ansys Fluent中开发的非定常雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）模型，采用k-ω-SST两方程湍流闭合模型；另一种是在Simcenter Star-CCM+中实现的直接数值模拟（DNS）方法。两种方法均采用流体体积法（VOF）追踪两种不混溶液体之间的界面演化，界面张力系数设为常数0.0276 N/m，采用连续表面力（CSF）模型将表面张力力纳入动量方程，壁面接触角设为90°。计算域为实验装置的一半（利用对称性），入口通道长4 mm以确保充分发展速度剖面，出口通道长19.8 mm（33个水力直径）。URANS方法采用自适应网格细化（AMR）将界面区域局部细化至0.5 μm，时间步长设为1 μs；DNS方法同样对界面进行高分辨率解析。两种方法分别模拟了文献中两种实验操作条件（水流量7.1和15.2 mL/min，油流量约65-67 mL/min），对应水体积分数约10%和18%。

三、研究结果

3.1 界面动力学与流型演化

两种CFD方法均成功捕捉了早期阶段（前10-12 ms）的界面动力学特征。结果显示，水相与油相在交叉口对撞后，界面经历从初始细丝化（threading）行为向稳定射流（jetting）态的转变。通过分析W/O界面上的局部毛细数（Ca）和韦伯数（We）的时空演化，研究人员揭示了这一流型转变的定量特征。

3.2 URANS与DNS方法对比

DNS方法解析出比URANS更尖锐的Ca/We峰值和更薄的剪切层，表明DNS能够分辨更精细的界面结构特征；而URANS由于湍流模型的平均化效应，对梯度进行了平滑处理。尽管如此，两种方法在占据率（occupancy ratio）和出口速度方面与可用实验数据均表现出合理的一致性，验证了两种方法在该问题上的适用性。

3.3 与实验数据的验证

通过将数值模拟结果与文献中的实验数据进行对比，两种方法得到的占据率与实验数据吻合良好，出口速度也处于合理范围。研究人员还开发了一种将数值结果与可用摄影图像进行比较的原始策略，为后续实验验证提供了方法学基础。

四、讨论与结论

本研究通过跨平台URANS/DNS对比，首次解析了非对称高通量交叉槽装置中W/O乳化早期阶段的微秒级界面动力学。研究结果表明，尽管URANS和DNS在解析精细界面结构方面存在差异——DNS能够分辨更尖锐的梯度而URANS倾向于平滑化——但两种方法在宏观量（占据率、出口速度）上与实验数据的一致性验证了两种方法的可靠性。该研究填补了微流控乳化早期瞬态阶段数值研究的空白，为未来实验验证活动和微流控乳化工艺优化策略提供了基础。所开发的方法论可推广至其他多相流问题，如液滴聚并、乳化剂输运或芯片实验室系统中的相分离等。

论文发表在《Results in Engineering》期刊上，其意义在于：首次对微流控交叉槽装置中早期乳化过程进行了跨平台、跨方法的交叉验证，为高速成像实验设计提供了数值基线，并识别了关键的时间和空间尺度。