内部结构对复杂乳液流变影响的数值研究

专 业： 化学工程研 究 生： 李小端指导教师： 王靖涛 副教授

大纲

天津大学

1 、应用背景2 、研究背景3 、课题进展4 、研究内容

应用背景

双乳液 复杂乳液

• 制药工业中药物缓释幻灯片 5

食品工业中降低脂肪含量

保护食品内部风味

水性的功能组分选择被包裹在内水相 w1 ，在控制环境PH 、温度、表面活性组分或酶活性下有效控制功能

组分的释放。

在脂肪含量相同时， W/O/W 的黏度明显高于 w/O乳液，而大多数脂肪类物质都是以 W/O 形式存在，若我们将油相再一个水相中，既能降低脂肪含量，

又不影响口感。如蛋黄酱、糖果酱、酱油等。

香料等有效成分包裹在 w1 中， w1 与 w2 形成阻隔能对w1 起保护作用，避免挥发、化学降解或副反应。

用复杂乳液生成装置，将细胞置于内部相，用不同环境的培养液做外层，在生物环境培育，

然后对之进行生存能力检测。

细胞筛选

应用背景

Stephan Schmidt , Release Properties of Pressurized Microgel Templated capsules. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 1411–1418

应用背景

H. S. Chen, Y. J. Zhao, J. Li, et al. Reactions in double emulsions by flow-controlled coalescence of encapsulated dro

ps .[J], Lab Chip, 2011, 2312-2315.

应用背景

复杂乳液的制备：应用背景

鉴于复杂乳液的广泛应用，我们希望通过进一步研究复乳液的形变、聚合、破裂等过程，了解液滴变形的类型和程度，提出液滴变形和破裂的准则，以便于指导生产实践。

应用背景

Stone- 基于液滴的模拟计算

H. A. STONE. L. G. LEAL. Breakup of concentric double emulsion droplets in linear flows. 1990

研究背景

Smith -- 双乳液剪切流下变形破裂

K. A. Smith ， J.M. Ottino ， M. Olvera de la Cruz. Encapsulated Drop Breakup in Shear Flow. Physical Review Letters. 12 November 2004, 204501:1-4

研究背景

Zhou- 双乳液在收缩管内变形与移动

C.F. Zhou. Deformation of a compound drop through a contraction in a pressure-driven pipe flow [J], Int. J. Mult. Flow 2008,34,102-109

研究背景

其他研究小组只研究了核壳式的双乳液，因此，我们开发了新的边界积分公式来研究具有任意结构的复杂乳液。

研究背景

0

1

1,j

i

i,j

m

1,j 1,jj=1

mnijmom

i,j i,ji=2 j=1

[ ]

[ (1 ) ]

[ ( ) ]

S f T u n

S f T u n

S f T u n

S

S

S

LHS dS

dS

dS

0 0 0

1,j 0 0 1,j

ijmomi,j 0 0 i,j

i i

2 ( )

2 (1 ) ( )

2 ( ) ( ) ,

(i 2,3, n 1,n

j = 1,2,3, m 1,m )

u x x

u x x

u x x

S

SLHS

S

其中 LHS：

边界积分方程为 :

课题进展

框架进出口速度

壁面速度 u=0, 液滴上力已知

由无滑移条件，液滴表面速度与紧临流体速度相同。

2

0

0

12

r rG

r

u n

ijmomi,j i,j i,j

ijmomi,j i,j

i

(i=2,3, , n; j=1,2, ,m )

f f f

n n g x n

边界条件为 :

课题进展

同心多层复乳液 含多个子液滴的双乳液

课题进展

具有非对称内部结构的复杂乳液

具有复杂内部结构的复杂乳液

课题进展

我采用波谱边界元素法，建立了不可压缩W/O/W 复乳液液滴动力学模型并进行了数值求解，模拟了十字孔微通道延展流条件下液滴在流场中的变形程度及运动物理过程。我们希望通过模拟能达到对液滴的可控变形，并用这种方法给生产实践提供参考。

液滴变形不同的最终形态：

课题进展

液滴变形系数受粘度比的影响：课题进展

这是在亚临界流场中，初始位置不同时液滴的最终截然不同的运动形态，亚临界流场中，液滴变形伴随内流场形成，并不断平衡的过程。

分析液滴内流场：课题进展

研究结果表明：粘性力是导致液滴变形并最终破裂的主要因素，而相界面张力则是阻碍变形的主要因素；液滴的变形程度随着毛细数的增大而加剧，且复乳液内液滴的变形程度要明显小于液滴整体变形程度；存在一个临界毛细数，如果液滴毛细数数小于临界毛细数时，液滴只发生稳定变形；反之则不稳定无限拉伸分断或内外液滴界面膜接触发生破裂；液滴的临界毛细数随着内外液滴半径比的增大而减小。

液滴变形系数受毛细管数 Ca 和子液滴半径比 k 的影响：课题进展

液滴为什么发生非对称位移？因此，我们希望通过分析液滴的表面受力情况 , 调查复杂乳液内部液滴 非对称位移的物理机理。

研究内容

f σ n

02 ( ) [ ]B

dS u x S f T u n

利用以下公式计算液滴内外表面所受的剪切力：

液滴表面受力为：

t

n

f

f

f t

f n

表面力的法向分量和切向分量：

研究内容

1 、查阅文献及流体力学相关书籍，用数学方法模拟控制方程，寻找适合边界条件，数值离散化及函数近似，再求解方程；

2 、编写程序及调试；

3 、数值模拟并测定数据；4 、整理数据，与相关实验对比验证。

研究内容

天津大学

谢谢大家！