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Dec 10, 2023

Un mapa de flujo para la formación de microgotas de núcleo/cáscara en el co

Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 22010 (2022) Citar este artículo

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La formación de microgotas de núcleo/cáscara con tamaño uniforme se investiga numéricamente en el microcanal de coflujo. El contorno de la interfaz y la fracción de volumen entre tres fluidos inmiscibles se capturan utilizando un modelo de campo de fase ternario. Investigaciones anteriores han demostrado que los parámetros efectivos del tamaño de las microgotas son las propiedades físicas y la velocidad de las tres fases. Al ajustar estas variables, se observan cinco patrones de flujo principales en simulaciones numéricas. Se observa un régimen de goteo/slug de núcleo/corteza cuando la inercia de la fase continua interrumpe el flujo de las fases de núcleo y corteza y forma una gota. En el régimen de slug, la fase continua tiene menos inercia, y las gotitas que se forman están rodeadas por las paredes del canal, mientras que en el régimen de goteo, el fluido de la fase coraza está rodeado por la fase continua. Un aumento en la velocidad de flujo del fluido continuo o del fluido de la coraza conduce a una transición de goteo a chorro. Cuando tres líquidos inmiscibles fluyen de forma continua y paralela sin dispersarse, esto se conoce como flujo laminar. En el régimen de tubería, la fase central fluye continuamente en la región central del canal, la fase envolvente fluye en el espacio anular formado por la región central de la fase central y la fase continua fluye entre el fluido de la fase envolvente y las paredes del canal. Con el fin de discriminar entre los patrones de flujo antes mencionados utilizando los números de Weber y Capilary y establecer criterios de transición de régimen basados ​​en estas dos variables adimensionales, se proporciona un mapa de régimen de flujo. Finalmente, se propuso una correlación para el grosor de la capa utilizando la relación de velocidad de fase de la capa a la del núcleo y realizando 51 simulaciones CFD.

Los flujos trifásicos acuosos, en particular el movimiento de una sola microgota de núcleo/carcasa a través de la tercera fase como una fase continua1, son útiles en una amplia gama de aplicaciones industriales y médicas, incluida la transferencia eficiente de calor y masa2, estudios de seguridad nuclear3, técnicas de recuperación eficientes4, ingeniería de tejidos5, tecnología de revestimiento6 y sistemas de administración de fármacos7. Debido al potencial de las estructuras core-shell en áreas como la administración de fármacos, el tratamiento con imágenes biomédicas y la terapia tumoral, se han vuelto importantes en la última década8.

En las últimas décadas se ha investigado ampliamente una combinación de flujos trifásicos con tecnología microfluídica para proporcionar un control preciso y una operación continua9,10. La miniaturización de los sistemas de síntesis brinda nuevas posibilidades para la síntesis química mejorada, así como una plataforma de aplicaciones biológicas y médicas11. La formación de microgotas de núcleo-envoltura (CSM) en dispositivos de microfluidos tiene una serie de ventajas: (1) precisión y eficiencia de procesamiento mejoradas, (2) flexibilidad de diseño para una plataforma de varios pasos, (3) resultados de respuesta rápidos para propiedades de ajuste fino de formas gotas, (4) ahorro de costos por la reducción del consumo de materias primas y reactivos, y (5) el uso de una cantidad significativamente menor de productos químicos y reactivos potencialmente dañinos permite operaciones más seguras y un impacto reducido en el medio ambiente12.

Para la formación de microgotas de núcleo-envoltura, se usa ampliamente el enfoque de doble emulsión13. Además de otras operaciones sofisticadas y de varios pasos, el proceso de síntesis incluye la evaporación del solvente, la emulsión, la purificación y la sonicación de las gotas producidas14. Las gotitas producidas también tenían tasas de recuperación modestas15, distribuciones de tamaño estrechas16 y microestructuras complejas17. Las tecnologías de microfluidos se utilizan para controlar la formación y el tamaño de las partículas debido a la dificultad del manejo de fluidos en los métodos a granel18. La solubilidad19, la estabilidad, la reactivación mediante estímulos visuales20, la distribución estrecha del tamaño, el procesamiento del núcleo y la cubierta y las capacidades autónomas son los aspectos más esenciales de los CSM como modelo básico para los materiales funcionales21. Muchos tipos distintos de materiales de núcleo-carcasa, como materiales simples o múltiples en el plano, núcleo/carcasa o compuestos, pueden clasificarse como materiales de núcleo-carcasa22. En general, las estructuras de núcleo/carcasa se definen como aquellas que tienen un material interno y un material de capa exterior23.

Las características de las partículas portadoras de fármacos core-shell son bien conocidas24,25,26. Li et al. desarrolló un novedoso dispositivo de microcanales y lo usó para la preparación de microesferas de núcleo-cubierta de sílice-sílice mediante la combinación con un diacrilato de dextrano/poli (etilenglicol) (DEX/PEGDA) con diferentes tamaños de núcleos, espesores de cubiertas y relaciones de caudal de Soluciones acuosas de DEX/sílice y PEGDA/sílice27. Knauer et al. Dispersiones coloidales sintetizadas de nanopartículas con núcleo/capa y multicapa de metales nobles en soluciones acuosas en presencia de bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) con un microflujo continuo de dos pasos28. En otro estudio, se propuso una plataforma de cribado de alto rendimiento que utiliza un dispositivo microfluídico centrífugo para producir catalizadores trimetálicos combinatorios, en los que el nanocubo de Pd servía como núcleo y los átomos de Au y Pt formaban una capa29. Sun et al. investigaron la rigidez ajustable de nanopartículas (núcleo polimérico)-(cubierta lipídica) en diferentes concentraciones para la absorción celular regulada30. Un estudio realizado por Costa et al. La insulina se encapsula en liposomas que han sido recubiertos con quitosano para mejorar la mucoadhesión31. La encapsulación de polímero entérico brinda protección contra el ambiente digestivo severo. De hecho, las partículas de núcleo y cubierta atraen mucha atención ya que presentan una combinación de propiedades superiores que los componentes separados no tienen. Las estructuras podrían combinar propiedades y características del núcleo y la cubierta32. Estas partículas se crearon para administrar una dosis regulada de medicamento en un lugar específico. Así, las consecuencias negativas se reducirían33. Como resultado de las ventajas de las estructuras de núcleo/carcasa, han surgido nuevos métodos e ideas para su fabricación. La Tabla 1 muestra algunos ejemplos de nanopartículas core-shell, sus bases y sus aplicaciones.

La extracción, la polimerización, la nitración y la química farmacéutica son solo algunos de los muchos campos en los que los sistemas líquido-líquido son importantes. Pocos investigadores han examinado los patrones de flujo líquido-líquido y la hidrodinámica asociada en la literatura45,46,47,48,49. Los dispositivos de microfluidos a menudo tienen dos o más microcanales para permitir la entrada de fases líquidas dispersas y continuas. La geometría del dispositivo de microfluidos determina dónde convergen los canales, y la forma de la unión resultante desempeña un papel en la definición de los campos de flujo locales que distorsionan la interfaz entre los dos fluidos50.

Dependiendo de la geometría de la unión en forma de cruz y de los microcanales, los caudales de las dos o tres fases y las características de las dos o tres fases, pueden aparecer una variedad de patrones de flujo. Las transiciones en los patrones de flujo para un flujo trifásico líquido-líquido-líquido en un microcanal están definidas por la tensión interfacial, la fuerza de corte viscoso y la inercia del líquido, cuyas magnitudes relativas dependen de la geometría del canal, las tasas de flujo y las condiciones físicas. Propiedades del núcleo, capa y fases continuas. El núcleo, la cubierta y las fases continuas, así como sus estructuras de flujo asociadas, están determinadas por las cualidades humectantes de los líquidos con respecto a las paredes de los microcanales. Los investigadores observaron y mapearon distintos patrones de flujo en microcanales con diferentes uniones de entrada utilizando velocidades de fase dispersas y continuas o números adimensionales como los números capilares para flujo de dos fases51,52,53. Específicamente, Cubaud y Mason han observado roscado, chorro, goteo, tubería y desplazamiento viscoso para uniones microfluídicas en forma de cruz54. Dado que los parámetros dimensionales en los mapas de patrones de flujo no son tan personalizables como los números adimensionales, los mapas dimensionales no son tan aplicables.

Varios factores, incluidos los mencionados anteriormente, determinan los patrones de flujo. Las fuerzas que predominan en los patrones de flujo son la base de estos elementos. Normalmente, las transiciones en el patrón de flujo eran el resultado de fuerzas como el corte, la inercia y la tensión interfacial. Por lo general, los mapas de patrones de flujo se basan en las velocidades superficiales de las fases o en números adimensionales55. En este trabajo, se utilizan números adimensionales para ilustrar patrones de flujo. En consecuencia, en los estudios de patrones de flujo líquido-líquido-líquido, el análisis adimensional proporciona una forma eficiente de desarrollar mapas generales de patrones de flujo.

El examen experimental del flujo trifásico no suele ser adecuado para obtener una comprensión completa de los fenómenos de flujo asociados. Además, medir microestructuras es una técnica desafiante. Por lo tanto, la dinámica de fluidos computacional (CFD) se ha desarrollado como un método alternativo para investigar el flujo ternario en microcanales56. Para realizar una comparación directa entre los resultados numéricos y experimentales, el tamaño de las microgotas del núcleo/capa debe coincidir con el de los datos experimentales. Esto se puede lograr simulando la configuración de formación de microgotas de núcleo/capa utilizada en el experimento. Dicho modelado requiere cálculos inestables y exigentes desde el punto de vista computacional.

La formación de gotas en microcanales se ha estudiado ampliamente para el flujo de dos fases57,58,59, pero mucho menos para el flujo de tres fases utilizando el método de simulación de campo de fase. Wang et al. investigó la impresión de chorro electrohidrodinámico coaxial (CE-jet). Su trabajo propone una simulación novedosa basada en campo de fase, una metodología precisa de dinámica de fluidos. El estudio examina los efectos del voltaje aplicado, la distancia aguja-sustrato, la viscosidad dinámica, la permitividad relativa, el tamaño de la aguja y el caudal en las morfologías de CE-Jet60. En otro estudio, una burbuja de aire ascendente pasa a través de una interfaz horizontal estratificada entre dos líquidos newtonianos. La interfaz entre tres fluidos inmiscibles se modeló utilizando un modelo de campo de fase ternario61.

Casi todos los estudios anteriores a este se basaron en estudios experimentales y exploraron ampliamente el efecto de numerosos parámetros (como las propiedades físicas de las tres fases en varios aspectos de la formación de microgotas de núcleo/capa). Sin embargo, pocos o ningún trabajo lleva a cabo una investigación CFD exhaustiva de la generación de microgotas de núcleo/capa, incluidos los diversos regímenes que pueden ocurrir y las condiciones de transición. Debido a los límites de una investigación experimental, se propuso un mapa de flujo no dimensional que puede cubrir todos los regímenes posibles. El objetivo de este estudio es descubrir y caracterizar los regímenes de flujo que siguen a las microgotas que pasan a través de una interfaz líquido-líquido. Para determinar los regímenes se realizan simulaciones numéricas utilizando el modelo fase-campo. El enfoque de campo de fase tiene muchos beneficios que VOF y otros métodos numéricos no tienen. Esta física puede mantener automáticamente la nitidez de una interfaz sin romper la continuidad, preservar la estructura de una interfaz a medida que evoluciona y eliminar la necesidad de reconstruir o reinicializar una interfaz. Para trazar el mapa de régimen de flujo y determinar los criterios de transición entre regímenes, es necesario clasificar los regímenes y determinar los números adimensionales relevantes.

El propósito de esta simulación es formar una microgota de núcleo-capa en el centro del microcanal de coflujo rodeado por la fase continua mediante el control de las tasas de flujo. En las siguientes secciones, se presentan en detalle las ecuaciones de gobierno, las condiciones de simulación, la geometría de la solución y la independencia de la malla.

Se utiliza un modelo de campo de fase ternario para trazar los límites entre tres fases de fluidos inmiscibles, o las fases 1, 2 y 3. El núcleo, la cubierta y el líquido circundante se denominan fases 1, 2 y 3, respectivamente. La medida de concentración de cada fase está representada por una variable de campo de fase \((\phi\)) que puede tomar valores entre 0 y 1. La variable de campo de fase de la fase 1, por ejemplo, es 1 cuando solo esta fase es involucrada y 0 cuando no hay fase 1 presente. Dado que los fluidos son inmiscibles, un cambio en la variable del campo de fase indica la presencia de una interfaz. Cuando dos fases adyacentes tienen variables de campo de fase que se desvían de sus valores límite, este límite se conoce como interfaz de separación. Para cada punto en el tiempo, debe cumplirse necesariamente la siguiente condición para las variables de campo de fase62:

Dado que se supone que la densidad de cada fase permanece constante, la variable de campo de fase representa la fracción de volumen de cada fase.

El potencial químico generalizado de cada fase \({\eta }_{i}\) introduce una nueva variable dependiente en el campo de fase ternario, transformándolo de una ecuación diferencial parcial (PDE) de cuarto orden en dos PDE de segundo orden63:

donde \({\varvec{u}}\) es el vector de velocidad del fluido.

El coeficiente de difusión \({M}_{o}\), también conocido como movilidad, define la escala de tiempo de difusión61:

donde \({M}_{const}=2\times {10}^{-10}{\mathrm{m}}^{2}/\mathrm{s}\). Si bien debe ser lo suficientemente grande para mantener constante el espesor interfacial, no puede ser demasiado grande o se sofocará el transporte convectivo. La movilidad es nula en las fases puras. \(\varepsilon\) puede verse como el tamaño característico de la interfaz; es un parámetro que determina el grosor de la interfaz y sigue el mismo patrón que los elementos en los dominios de interfaz fluido-fluido.

El parámetro capilar \({\Sigma }_{i}\) se define a continuación para cada fase61:

La tensión superficial (\(\mathrm{N}/\mathrm{m}\)) de la interfaz entre las fases i y j se denota por \({\sigma }_{ij}\). Después de eso, el coeficiente \({\Sigma }_{T}\) se define de la siguiente manera61:

Para finalizar el modelo, la física del campo de fase se combina con las ecuaciones de Navier-Stokes para el flujo laminar. Las interfases son consistentes con los principios de conservación de masa y cantidad de movimiento64:

donde \(g\) es la aceleración gravitatoria (m/s2) y p es la presión estática (Pa). La densidad y la viscosidad de la mezcla fluida se definen de la siguiente manera61:

Debido a que todos los fluidos son newtonianos e incompresibles, la densidad y la viscosidad de cada fase pura se consideran constantes.

La fuerza de tensión superficial se introduce en las ecuaciones de Navier-Stokes como una fuerza de cuerpo multiplicando los potenciales químicos de la fase por el gradiente de la variable de campo de fase apropiada61:

Para simular el problema, se acoplaron física de flujo laminar y de campo de fase (flujo trifásico). El método de volumen finito se puede utilizar para discretizar y resolver numéricamente las ecuaciones gobernantes. Al asignar una suposición inicial a la variable de campo de fase (\(\phi\)) y resolver la ecuación. (2), el potencial químico generalizado, los parámetros de movilidad y capilaridad, las propiedades físicas de la fase y la fuerza de tensión interfacial se calculan e introducen como parámetros de entrada a la ecuación de Navier-Stokes. Luego, al calcular el campo de velocidad y presión, se obtiene un nuevo valor de \(\phi\) en el siguiente paso de tiempo, y este procedimiento continúa hasta la convergencia.

En el método microfluídico de tres fases, las fases central, envolvente y continua generalmente ingresan al microcanal desde tres entradas separadas. La geometría de la unión trifásica afecta fuertemente el tamaño de las gotas y ayuda a definir los campos de flujo locales que muestran la deformación de la interfaz entre las tres fases. Para ello, se utilizó una geometría de co-flujo con un diámetro interior de 0,6 mm. Para las fases de núcleo y capa respectivamente, se fijó en el centro del canal un canal circular con un radio interior de 0,2 mm y un radio exterior de 0,3 mm, como se puede ver en la Fig. 1. Cabe señalar que la simulación de la El microcanal se realizó en dos dimensiones (2D) con simetría axial.

Geometría del microcanal.

Las simulaciones numéricas se han utilizado tradicionalmente para resolver las pequeñas escalas espaciales y temporales del flujo, lo que permite acceder a demasiados detalles del flujo que serían imposibles de obtener experimentalmente. Sin embargo, los análisis fundamentales existentes se han centrado principalmente en canales circulares que se pueden modelar con geometrías simétricas 2D. Esta opción se puede utilizar si la geometría de nuestro modelo y las cargas y restricciones que pretende aplicarle son simétricas con respecto a un eje, como estructuras cilíndricas y cónicas como tanques, bridas o ciertas abrazaderas. Los modelos axisimétricos 2D son una porción del modelo 3D real que se convertiría en la estructura 3D original si se gira alrededor del eje Y del sistema de coordenadas cartesianas de referencia o el eje r del sistema de coordenadas cilíndricas de referencia.

En modelos axisimétricos 2D:

Toda la geometría incluida debe estar en el plano r–z del sistema de coordenadas cilíndricas elegido como sistema de coordenadas de referencia del modelo.

Toda la geometría debe estar ubicada en la región z > = 0 del plano r–z.

El plano r-z es donde se deben especificar los esfuerzos y las deformaciones.

Forma simétrica del canal y patrón de flujo.

Si el modelo elegido cumple con estos requisitos, una sección del sistema estructural se puede representar como un modelo axisimétrico 2D.

El flujo axisimétrico se simuló ajustando varios parámetros de entrada para calcular la fracción de volumen de las fases. La precisión de la simulación es del 97,1 %, ya que existe una diferencia del 2,9 % entre el diámetro de la microgota de núcleo/carcasa derivada de la simulación y los resultados experimentales. Aunque los modelos axisimétricos son poco comunes, pueden ser una alternativa útil al modelado 3D, que es un esfuerzo que requiere mucho tiempo. Cabe señalar que esta técnica solo puede conducir a resultados precisos si se cumplen sus suposiciones. En esta investigación, al comparar la simulación axisimétrica con el modelado 3D, se encontró que la técnica axisimétrica era diez veces más rápida que el modelado informático. Los modelos axisimétricos pueden ayudar a acelerar el proceso de determinar el nivel correcto de resolución de cuadrícula para los modelos 3D y estimar los parámetros del acuífero a partir de experimentos de campo.

Como puede verse en la Fig. 1, el microcanal tiene tres entradas: una para la fase central, otra para la fase envolvente y otra para la fase continua. La condición de velocidad de entrada se elige para todas estas entradas. La salida de presión es una condición límite en la salida del microcanal. Se utiliza una condición de pared húmeda con un ángulo de contacto de 135 grados para las paredes exteriores de microcanales y las paredes del núcleo/carcasa. La interfaz interna es la condición límite en el lado de salida de la fase de núcleo/carcasa. La Tabla 2 proporciona un resumen de las condiciones de contorno del dispositivo de coflujo y sus valores asociados.

La geometría diseñada y extraída se introdujo en el simulador CFD después de la generación de la malla. Las velocidades de entrada se han establecido para las fases del núcleo, la cubierta y los alrededores. Las ecuaciones, que se basaron en una discretización de elementos finitos y una fórmula de diferenciación hacia atrás (BDF) para el esquema de pasos de tiempo, se resolvieron utilizando el solucionador directo disperso multifrontal masivamente paralelo dependiente del tiempo (MUMPS). El método de elementos finitos (FEM) ofrece una buena flexibilidad y precisión para las simulaciones dependientes del tiempo, al tiempo que facilita el modelado de formas geométricas y asimétricas complicadas. El tiempo total de cálculo en un procesador AMD Quad Core de 64 bits a 3,1 GHz fue de unos 420 minutos.

Como se mencionó anteriormente, el método de resolución de problemas se basó en la incompresibilidad del fluido y las condiciones de estado no estacionario. Debido al bajo número de Reynolds (Re), el modelo de flujo seleccionado es el flujo laminar en las simulaciones. La tensión superficial entre cada dos fases se consideró constante. Luego, utilizando reglas de mezcla, se obtienen las propiedades físicas de la fase y se introducen en la simulación como parámetros de entrada. El método de campo de fase ha sido seleccionado para modelar flujos trifásicos. El paso de tiempo bajo consideración es de 10–4 s, y las simulaciones se realizaron en 1000 pasos de tiempo.

El tamaño de la malla tiene un efecto directo en los resultados de la simulación. Para capturar la formación de una microgota de núcleo-cáscara, se consideró una malla muy fina para el sitio de colisión trifásico. Las cuadrículas normales se pueden usar en el resto de los dominios de microcanales para optimizar y minimizar el tiempo de cómputo. Después de considerar el movimiento de las gotas, la evolución de la forma a lo largo del tiempo y la complejidad geométrica de la interacción de las microgotas con la interfaz líquido-líquido, se utilizó una malla no estructurada con elementos triangulares para la discretización.

Como se puede inferir de la Tabla 3, el dominio computacional se discretizó utilizando 349.763 elementos de malla triangular. La independencia de la solución respecto al tamaño de la malla se verificó realizando cálculos sobre una malla con 1.430.567 elementos. En todo el dominio, se encontró que las diferencias entre las soluciones de las dos mallas mencionadas anteriormente eran inferiores al 2 %. Por lo tanto, el informe de densidad de malla se puede ajustar de acuerdo con la Tabla 3.

Como se muestra en la Tabla 3, para 349 763 mallas, se necesitan 31 h para resolver el problema con un paso de tiempo de 10 a 4 s aproximadamente. Para este número de mallas, el problema está casi optimizado y no hay necesidad de agregar mallas para resolver el problema con mayor precisión. De acuerdo con la Tabla 3, el porcentaje de error del problema con 349.763 mallas casi pierde su tendencia incremental y se vuelve confiable. Entonces, este número de mallas se puede elegir como la mejor malla para simular el problema.

La tensión interfacial tiene un efecto significativo en la morfología de las microgotas. La Figura 2 ilustra un modelo esquemático de una gota de núcleo/capa formada por dos fases A y B incompatibles. La fase A y la tensión interfacial de la fase continua están representadas por \({\sigma }_{A}\), y la fase B y la tensión interfacial de fase continua está indicada por \({\sigma }_{B}\). Las tres fuerzas interfaciales que actúan a lo largo de la interfacial están en equilibrio, siendo \({\sigma }_{AB}\) la tensión interfacial entre la fase A y la fase B, siendo \({\theta }_{A}\) la ángulo entre \({\sigma }_{A}\) y \({\sigma }_{AB}\), siendo \({\theta }_{B}\) el ángulo entre \({\sigma }_{B}\) y \({\sigma }_{AB}\). Tres morfologías primarias están representadas en la Fig. 2:

Las gotitas no envolventes de la fase A se mantienen separadas de las gotitas de la fase B cuando \({\sigma }_{A}\), \({\sigma }_{B}\) y \({\sigma }_ {AB}\) cumplen la fórmula (12), como se muestra en la Fig. 2a.

Envolvimiento completo La gota de fase A envuelve completamente a la gota de fase B, creando una gota con la estructura de núcleo-capa B@A, como se ve en la Fig. 2c, cuando \({\sigma }_{A}\), \({ \sigma }_{B}\), y \({\sigma }_{AB}\) cumplen la fórmula (13).

La gota de la fase B envuelve completamente a la gota de la fase A, creando una gota con la estructura de núcleo-capa A@B, como se ve en la Fig. 2d, cuando \({\sigma }_{A}\), \({\sigma }_{B}\), y \({\sigma }_{AB}\) cumplen la fórmula (14).

Envolvente parcial La Fig. 2b representa una estructura de Janus formada por gotitas de fase A y gotitas de fase B cuando las fórmulas (12), (13) y (14) para \({\sigma }_{A}\), \ ({\sigma }_{B}\) y \({\sigma }_{AB}\) no se cumplen, las gotitas de la fase A y la fase B comparten una interfaz, y ambas fases son evidentes en la fase continua .

El paso de microgotas de núcleo/cubierta a través de una fase continua y la dependencia de las propiedades físicas, incluida la tensión superficial, se pueden cuantificar utilizando una gran cantidad de grupos adimensionales. El número de Reynolds (\(Re\)), el número de Weber (\(We\)) y el número capilar (\(Ca\)) son tres de los ejemplos más conocidos. \(We\), que define la capacidad de la gota para superar la resistencia de la interfaz, y \(Ca\), que representa el equilibrio entre las tensiones de cizallamiento locales y la presión capilar, se utilizan para estudiar los diversos estados que pueden ocurrir durante una micro- el paso de las gotitas y tiene un impacto sustancial en la transición entre regímenes de flujo individuales.

La condición de contacto y el efecto de la tensión interfacial de la gota de núcleo/cáscara.

De acuerdo con los puntos clave en los dispositivos de microfluidos, como la formación de gotas, el transporte, la clasificación53 y el rendimiento, se observaron varios patrones de flujo líquido-líquido-líquido comunes en los microcanales (p. ej., goteo, chorro, etc.). Estos patrones de flujo dependen de la geometría de los microcanales, el tamaño de los microcanales, las uniones de entrada, la humectabilidad de los microcanales y las propiedades del líquido. Como se mencionó anteriormente, la formación de diferentes patrones de flujo de microgotas de núcleo/cubierta en el microcanal fue controlada por la competencia entre la fuerza viscosa y la fuerza de tensión interfacial. Por lo tanto, se usaron dos fases (capa y fases continuas) que juegan un papel importante en la formación de gotas para hacer un modelo que pudiera predecir cómo los patrones de flujo dependen de las velocidades y propiedades del fluido.

Como se mencionó, la competencia entre la inercia y la presión capilar se modela utilizando el número de Weber49:

donde \(\rho\) es la densidad de fase, \(u\) es la velocidad de la microgota, \(\sigma\) es la tensión interfacial entre las fases y \(d\) es el diámetro equivalente de la microgota. El número \(We\) refleja la importancia de la energía cinética de la microgota del núcleo/carcasa en comparación con la resistencia a la deformación de la interfaz. Por lo tanto, este número incorpora las propiedades de los líquidos del núcleo y de la cubierta. \(We\), define la tensión interfacial como una medida de la resistencia de una interfaz al engullimiento de las gotas. Según el rango de diámetro de las microgotas y los cambios de velocidad correspondientes, el número \(Re\) de la gota, definido como \(Re=\rho ud/\mu\) 49, es de aproximadamente 50–250. Mientras algunas de las variables se mantienen constantes, las variables relativas se varían para la variación de los números mencionados dentro de los límites estándar. Junto con el diámetro de gota del núcleo/cáscara, estos valores también incluyen las propiedades materiales de las tres fases. El rango de las variables relevantes utilizadas en esta investigación se muestra en la Tabla 4.

En primer lugar, en esta sección se examinan la evolución y la validación de las gotas en el microcanal de coflujo. Los resultados de CFD de la formación de gotitas de núcleo/cáscara en la configuración indicada se estudian en la siguiente etapa, y se discuten los patrones de flujo de la formación de gotitas. Finalmente, se propone un modelo fenomenológico para la estimación del espesor de la concha.

Los resultados numéricos se validaron utilizando datos experimentales proporcionados por Li et al.,27 para garantizar su precisión. Experimentaron con la formación de microgotas de dextrano/sílice@poli (etilenglicol) diacrilato/sílice a través del éster metílico de ácido graso de aceite de soja como una fase continua. Debido a la separación de fases de las soluciones acuosas de PEGDA y DEX, el novedoso dispositivo de microcanales desarrollado puede preparar fácilmente microgotas de núcleo-capa DEX@PEGDA. Se utilizan tres números constantes diferentes para caracterizar la tensión interfacial entre las fases núcleo/capa, núcleo/continua y capa/continua. Usando las propiedades de los materiales respectivos y condiciones similares a las que se dan en la Tabla 4, se llevó a cabo una simulación numérica. La Figura 3 compara las secuencias de imágenes experimentales con las simulaciones numéricas del contorno de la fracción de volumen.

Comparación del experimento27 y la simulación numérica para la formación de microgotas de núcleo/cáscara a diferentes tasas de flujo de \({u}_{cáscara}:{u}_{núcleo}\), (a) 1:1, (b) 2:1, (c) 3:1; La barra de escala era de 250 µm.

Los resultados experimentales que se muestran en la Fig. 3 indican que las microgotas de núcleo-cubierta de DEX/sílice@PEGDA/sílice con el mismo tamaño de aproximadamente 300 µm se prepararon con éxito en diferentes relaciones de caudal de VPEGDA:VDEX. Se produjeron microgotas de tamaño uniforme mediante un caudal total constante de fase acuosa y fase oleosa (fase continua). Sin embargo, las relaciones de caudal de DEX/sílice y PEGDA/sílice hacen que varíen el tamaño del núcleo y el grosor de la cubierta. El grosor de la cubierta de PEGDA fue mínimo cuando la proporción de caudales de VPEGDA a VDEX fue de 1:1. Las Figuras 3b,c ilustran que a medida que aumenta la relación VPEGDA:VDEX, el núcleo DEX/sílice se reduce mientras que la cubierta de PEGDA/sílice aumenta. Cuando las relaciones de velocidad de flujo de VPEGDA:VDEX fueron 1:1, 2:1 y 3:1, respectivamente, la relación entre el grosor de la cubierta y el diámetro de las microgotas fue 1:30, 1:7 y 1:5, respectivamente. Los resultados muestran que las microgotas de núcleo y cubierta hechas de DEX/sílice@PEGDA/sílice se pueden formar fácilmente en el dispositivo de microcanal utilizando una variedad de diámetros de núcleo y espesores de cubierta.

Como se ilustra en la Fig. 3, la simulación numérica reproduce cualitativamente el concepto observado. Como ejemplo, tanto las imágenes experimentales como las numéricas muestran la nucleación y el crecimiento de gotas de núcleo/cubierta, el desprendimiento de gotas de núcleo/cubierta y la liberación de la cadena de gotas de núcleo/cubierta. Las predicciones del tamaño de las gotitas del núcleo/cáscara se compararon con los datos experimentales obtenidos durante los mismos intervalos de tiempo para la validación cuantitativa. La figura 3 demuestra una estrecha concordancia entre la simulación numérica y la observación experimental. Además, se determinó el tamaño de la gota del núcleo/cáscara después del desprendimiento y se comparó con datos experimentales en diferentes proporciones de flujo de \({u}_{cáscara}:{u}_{núcleo}\). El tamaño estimado de la gota en ese momento era \(309\, \upmu \mathrm{m}\), mientras que el valor medido experimentalmente era \(300\, \upmu \mathrm{m}\), lo que indica un 2,9% error relativo. Cabe señalar que la relación entre las tasas de flujo del núcleo y la cubierta determina tanto el tamaño del núcleo como el espesor de la cubierta. Cuando la relación de caudal de \({u}_{carcasa}:{u}_{núcleo}=1:1\), la carcasa era excesivamente delgada (Fig. 3a). Como se puede ver en la Fig. 3b, c, a medida que aumenta la relación \({u}_{shell}:{u}_{core}\), la fase de la capa se vuelve más gruesa y la fase del núcleo se encoge. En base a estos resultados, parece que la formación de microgotas de núcleo/cubierta con una amplia gama de tamaños de núcleo y espesores de cubierta en un dispositivo de microcanal es relativamente simple.

En general, la formación y el movimiento de una gota de núcleo/cubierta en un medio microfluídico son tridimensionales. En consecuencia, los errores fueron causados ​​por la suposición de axisimetría en dos dimensiones. Además, los errores pueden desviar el parámetro medido del parámetro real al evaluar las propiedades de los fluidos, particularmente la tensión interfacial entre tres fases (que tiene un efecto significativo en el patrón de flujo). Se observaron algunas inconsistencias en la forma de las gotas y la deformación de la interfaz debido a estas imprecisiones, pero en general, el modelo numérico y las observaciones experimentales concordaron bien, y el tamaño de las gotas del núcleo/cubierta y el patrón de flujo se predijeron con gran precisión. Sin embargo, tales imprecisiones y discrepancias no tienen un efecto notable en los patrones de flujo para los fines de esta investigación. Por lo tanto, la simulación numérica se verificó y empleó para analizar los patrones de flujo de formación de gotas de núcleo/cubierta en un medio microfluídico a través de una fase continua.

Como se mencionó en la revisión de la literatura, la simulación de flujo de dos fases, la formación de gotas y la presentación de mapas de flujo de dos fases utilizando dispositivos de microfluidos se han estudiado ampliamente. Pero en el campo de la simulación de flujo trifásico y la formación de microgotas de núcleo/capa, se han realizado algunos estudios. Hasta el momento no se ha presentado ningún mapa de flujo considerando tres fases. Esta investigación tiene como objetivo crear un mapa de flujo completo que tenga en cuenta todos los patrones diferentes utilizando números adimensionales por primera vez.

La estabilidad del flujo en el microcanal depende linealmente de la relación de caudal de las fases, el número de capilares de la fase continua y la dinámica de las microgotas. Al principio, una tasa de flujo más alta en la fase continua presenta un gradiente de velocidad más alto y una presión más alta en la interfaz, lo que indica una mayor fuerza de corte viscoso y, por lo tanto, promueve el alargamiento del núcleo/rosca y el adelgazamiento del cuello, lo que finalmente resulta en la ruptura del disperso. núcleo o hilo en flujos más cortos. En segundo lugar, un mayor caudal de las fases de la carcasa muestra una mayor inercia debido a que la fase de la carcasa está alimentada continuamente por una bomba. En consecuencia, el aumento de la inercia de la fase envolvente proporciona una mayor resistencia a los procesos de elongación y adelgazamiento inducidos por la fase continua, lo que retrasa la ruptura y da como resultado flujos más prolongados.

Cuando una gota de núcleo/cubierta se separa de una punta de microcanal, varios parámetros, como las propiedades físicas del fluido y el tamaño de la gota, pueden influir en el paso de la gota a través de la fase continua. Algunos patrones de flujo pueden aparecer durante la transición de flujo en el microcanal aguas abajo, dependiendo de los valores relativos de los parámetros efectivos. Al variar los parámetros efectivos, se pueden observar cinco patrones principales de flujo: goteo de núcleo/carcasa, chorro de núcleo/carcasa, slug de núcleo/carcasa, tubería y flujos paralelos. Cada uno de los patrones de flujo se investigará por separado en las siguientes secciones.

Las fuerzas viscosas que tiran de la interfase para que se rompa dominan los efectos de la tensión interfacial que estabilizan la gota en formación contra la rotura en el modo de goteo a medida que aumenta el número de capilares de la fase continua. La ruptura se produce directamente en la boquilla de la carcasa en el microcanal en modo de goteo. La gota mantiene su forma esférica con un tamaño menor que el diámetro del canal como resultado de la alta fuerza de corte viscoso que hace que el fluido de la fase de capa se rompa antes de que la gota emergente obstruya los microcanales. Cuando la tensión viscosa permanece constante, se forman gotas uniformes. El régimen de goteo tiene varias ventajas, incluido un fácil control y una notable reproducibilidad.

La clave para crear un flujo de gotas o babosas es dispersar una fase (la fase de capa) en la otra fase (fase continua) para formar gotas o babosas adecuadas. De hecho, los mecanismos de generación de gotitas y babosas son bastante similares. Las gotas, como se ilustra en la Fig. 4, tienen diámetros menores que la profundidad o el ancho del microcanal y, por lo tanto, no sufren ninguna deformación, mientras que las gotas, que son más grandes que estas dimensiones, deben sufrir deformación para encajar en el microcanal como se indica. como se muestra en la Fig. 5. La transición de un régimen de goteo a un flujo lento generalmente se logra aumentando el flujo de la fase envolvente y disminuyendo el flujo de la fase continua. Durante un flujo de slug, el área de interfaz entre las fases aumenta considerablemente debido a la presencia de una capa delgada de la fase continua entre la pared y cada slug deformado. Además, se forma un flujo de vórtice en la mitad superior del trozo y un flujo anti-vórtice se forma en la mitad inferior como resultado de la fuerza de corte entre la película delgada y el trozo. Paralelamente a esto, la fuerza cortante entre la pared y la fase continua adyacente al bloque induce dos flujos de vórtice de recirculación internos con direcciones de recirculación opuestas. Estos flujos giratorios internos son completamente caóticos. Como se ilustra en las Figs. 4 y 5, el grosor de la cubierta aumenta al aumentar la relación de velocidad de la fase de la cubierta con respecto a la fase del núcleo a una velocidad constante del fluido de la fase portadora.

Regímenes de goteo en el microcanal de coflujo para microgotas de núcleo/cubierta; Velocidad del núcleo, capa y fase continua y espesor de la capa, respectivamente: (a) 0,00088 m/s, 0,002126 m/s, 0,00655 m/s y 15,79 µm, (b) 0,00088 m/s, 0,003827 m/s, 0,00655 m/s y 31,16 µm, (c) 0,00088 m/s, 0,004678 m/s, 0,00655 m/s y 47,37 µm, (d) 0,00088 m/s, 0,005954 m/s, 0,00655 m/s y 62,34 µm.

Regímenes de slug en el microcanal de coflujo para microgotas de núcleo/cubierta; Velocidad del núcleo, capa y fase continua y espesor de la capa, respectivamente: (a) 0,000288 m/s, 0,000546 m/s, 0,0035 m/s y 17,65 µm, (b) 0,000288 m/s, 0,000682 m/s, 0,0035 m/s y 34,78 µm, (c) 0,000288 m/s, 0,000773 m/s, 0,0035 m/s y 52,94 µm, (d) 0,000288 m/s, 0,00091 m/s, 0,0035 m/s y 89,55 µm.

Un aumento en la tasa de flujo del fluido continuo o del fluido de la coraza provoca una transición de goteo a chorro, en el que un largo chorro de líquido emerge del canal de la fase de la coraza antes de romperse en gotitas. El régimen de chorro se caracteriza por una corriente (chorro) del líquido interior que se extiende hacia el canal de salida, gotitas que se desprenden aguas abajo y la punta de la fase interior que persiste en el canal de salida después de la ruptura. La formación de gotas puede ocurrir con mayor frecuencia (1 a 2 órdenes de magnitud) en el régimen de chorro en comparación con el régimen de goteo. La figura 6 muestra el régimen de chorro a diferentes velocidades de las tres fases de núcleo/carcasa/portador.

Régimen de chorro en el microcanal de coflujo para microgotas de núcleo/cubierta; Velocidad del núcleo, capa y fase continua y espesor de la capa, respectivamente: (a) 0,00729 m/s, 0,0165 m/s, 0,0455 m/s y 15,58 µm, (b) 0,00729 m/s, 0,021 m/s, 0,0455 m/s y 31,17 µm, (c) 0,00729 m/s, 0,03 m/s, 0,0455 m/s y 38,46 µm, (d) 0,00729 m/s, 0,0375 m/s, 0,0455 m/s y 54,55 µm.

En el régimen de chorro, se forman más gotas polidispersas cuando se someten a perturbaciones capilares que en el régimen de goteo. Cuando las fuerzas viscosas combinadas del fluido continuo y la inercia del fluido de la cubierta son más altas que las fuerzas de tensión interfacial, se produce un chorro para las corrientes de líquido cofluyentes. De acuerdo con el argumento del equilibrio de fuerzas, los chorros en geometrías de coflujo se pueden clasificar como chorros que se estrechan o chorros que se ensanchan.

Dentro de los límites del régimen de tubería, la fase central fluye continuamente dentro de la región central del canal, mientras que la fase envolvente fluye dentro del espacio anular formado por la región central de la fase central, y la fase continua también fluye en el espacio anular formado por el centro de la fase envolvente. y las paredes del canal. A velocidades de flujo relativamente altas de la fase de caparazón, se pueden ver pequeñas ondas y ondulaciones interfaciales a lo largo de la interfaz. Sin embargo, dentro del área de visualización, no hay distinción a lo largo del hilo líquido. En la mayoría de los casos, la continuidad del hilo se puede mantener a lo largo de una distancia considerable.

Un núcleo viscoso que representa la mayor parte de la sección transversal del microcanal principal aguas abajo de la unión corresponde al régimen de tubería. El régimen de tubería normalmente ocurre a tasas de flujo de fase continua bajas. En este régimen, tres fases fluyen una cerca de la otra, con la excepción de que la alta velocidad de las fases evita la ruptura de la fase núcleo/corteza y la formación de gotitas núcleo/corteza. El aumento de la velocidad de la fase de la cáscara, como en el régimen de goteo, también dará como resultado un aumento en el espesor de la cáscara, como se muestra en la Fig. 7.

Régimen de tubería en el microcanal de coflujo para microgotas de núcleo/cubierta; Velocidad del núcleo, capa y fase continua y espesor de la capa, respectivamente: (a) 0,084 m/s, 0,1076 m/s, 0,0633 m/s y 18,18 µm, (b) 0,084 m/s, 0,1329 m/s, 0,0633 m/s y 27,27 µm, (c) 0,084 m/s, 0,1646 m/s, 0,0633 m/s y 63,63 µm, (d) 0,084 m/s, 0,1899 m/s, 0,0633 m/s y 76,12 µm.

El flujo laminar en el microcanal de coflujo también se conoce como flujo paralelo en la literatura. El flujo laminar ocurre cuando tres líquidos inmiscibles fluyen de forma continua y paralela entre sí sin dispersarse. La transferencia de fase núcleo/carcasa se produce por difusión molecular entre fases, y se crea una interfaz uniforme, continua y estable entre las tres láminas líquidas inmiscibles. La estructura de entrada y la estabilidad de la interfaz son los dos factores más importantes para crear un flujo laminar. Los factores importantes que afectan la estabilidad de la interfase son las altas velocidades de flujo de las fases, las propiedades físicas, la modificación de la superficie, la estructura guía, la pared divisoria intermitente, la membrana microporosa y el tensioactivo.

La diferencia en el valor del ángulo de contacto entre este régimen y los regímenes anteriores es significativa. Si el ángulo de contacto entre las tres fases se reduce ligeramente, la fase del núcleo se une primero a la pared y luego la fase de la cubierta se une a la fase del núcleo, y el fluido de la fase portadora se une a la fase de la cubierta y fluye junto con ella. En consecuencia, este régimen podría considerarse distinto de los regímenes anteriores. Sin embargo, en este estudio, se intentó investigar los cinco regímenes al mismo tiempo. En este régimen, el aumento de la velocidad de la fase de capa causa un aumento en el espesor de la fase de capa (Fig. 8).

Régimen laminar/paralelo en el microcanal de coflujo para microgotas de núcleo/cubierta; Velocidad del núcleo, capa y fase continua y espesor de la capa, respectivamente: (a) 0,0201 m/s, 0,04178 m/s, 0,0882 m/s y 42,86 µm, (b) 0,0201 m/s, 0,05849 m/s, 0,0882 m/s y 56,67 µm, (c) 0,0201 m/s, 0,06684 m/s, 0,0882 m/s y 85,71 µm, (d) 0,0201 m/s, 0,08356 m/s, 0,0882 m/s y 119 µm.

\({We}_{shell}\) y \({Ca}_{c}\) se utilizaron para identificar distintos regímenes de flujo en una amplia gama de parámetros físicos, como se explicó anteriormente. El mapa de flujo muestra cinco regímenes separados: goteo de núcleo/carcasa, slug, jetting, tubería y flujo laminar/paralelo basado en los valores \({We}_{shell}\) y \({Ca}_{c}\) . Con números bajos de \({We}_{shell}\) y números bajos de \({Ca}_{c}\), se puede observar un flujo lento, como se ilustra en la Fig. 9. Un \({We}_ bajo El número {shell}\) indica una energía cinética de microgotas baja o una tensión interfacial alta. Por lo tanto, la gota no tiene la capacidad de estar rodeada por una fase continua. El pequeño diámetro de la gota, la baja densidad y la alta viscosidad de la fase de la cubierta contribuyen a la baja velocidad de la gota, que es necesaria para una energía cinética baja. Dado que el diámetro de la microgota núcleo/cáscara es una potencia de 4 en la relación \({We}_{shell}\) simplificada, ejerce el mayor control sobre el número \({We}_{shell}\). Si el número \({Ca}_{c}\) es alto, entonces la tensión superficial es baja o la viscosidad y la velocidad de la fase continua son altas. Por ejemplo, la fase de cubierta no puede formarse como una gota si la viscosidad de la fase continua es alta.

Mapa de régimen de flujo no dimensional con criterios de transición para la formación de microgotas de núcleo/cubierta en el microcanal de coflujo.

En números grandes de \({We}_{shell}\) y números grandes de \({Ca}_{c}\), se genera un régimen de flujo conocido como flujo de tubería. Para un número \({We}_{shell}\) dado, la energía cinética de la gota es lo suficientemente alta como para atraer y mantener parte de la fase continua. Como se indicó anteriormente, el diámetro de las microgotas juega un papel importante, y las gotas más grandes tienen un número mayor de \({We}_{shell}\). Por lo tanto, dada una corriente sustancial de fase de caparazón, la posibilidad de un régimen de tubería es alta. Sin embargo, otro parámetro, el número \({Ca}_{c}\), es crucial para determinar el régimen. Para el régimen de tubería, no solo es necesario un número de \({We}_{shell}\) alto, sino también un número de \({Ca}_{c}\) alto.

Si la diferencia de velocidad entre las tres fases es insignificante y la velocidad de la fase continua es ligeramente superior a la de las otras fases, el régimen de flujo laminar/paralelo se produce cuando las tres fases se colocan una al lado de la otra en el microcanal aguas abajo. Como resultado, en flujo laminar/paralelo, los números capilares y de Weber están en el mismo orden. En el régimen de flujo de goteo, la velocidad de la fase de la cáscara es baja y la velocidad de la fase continua es alta, y la inercia de la fase continua provoca la separación de la fase de la cáscara, que fluye en forma de gotas aguas abajo de el canal. Este régimen ocurre en capilaridad media y bajo número de Weber. Ahora bien, si la velocidad de la fase continua es tan alta que las gotitas formadas se adhieren entre sí en el área de mezcla trifásica y se forma una longitud de chorro, el régimen de flujo cambia a un chorro, que tiene un mayor número de capilares que el régimen de goteo.

Solo el número \({We}_{shell}\) es esencial para valores bajos de \({Ca}_{c}\) (\({Ca}_{c}<0.28\)), como se ve en la Fig. 9. Cuando \({We}_{shell}\le 0.00294-0.00823{Ca}_{c}\), se ve el patrón de slug flow, y cuando \(0.00294-0.00823{Ca}_{c}\ le {We}_{shell}\le 0.20144-0.5576{Ca}_{c}\), se observa el patrón de flujo de goteo. Para números intermedios de \({Ca}_{c}\) (\(0.28<{Ca}_{c}<0.97\)), el régimen de flujo de chorro se observa cuando \({We}_{shell}\le 4.548{Ca}_{c}-1.022\). La energía cinética de la microgota aumenta a medida que aumenta el número de \({We}_{shell}\). Además, para números \({We}_{shell}\) bastante grandes, el número \({Ca}_{c}\) es el único parámetro importante. El régimen de flujo laminar/paralelo se determina cuando \({Ca}_{c}>0.97\) y \(0.634-0.0915{Ca}_{c}\le {We}_{shell}\le 4.548{Ca} _{c}-1.022\). Cuando \({We}_{shell}\) es alto (\({We}_{shell}\ge 4.548{Ca}_{c}-1.022\)), aumentando \({Ca}_{c }\) valores (\({Ca}_{c}>0.71\)), se ve el régimen de flujo de la tubería. Cabe señalar que a valores moderados de \({We}_{shell}\) y \({Ca}_{c}\), la determinación del régimen de flujo está relacionada linealmente con ambos números adimensionales.

Como se ve en la Fig. 9, se producen cinco patrones de flujo diferentes para la formación de microgotas de núcleo/cubierta en el microcanal. Pero hay zonas vacías entre estos patrones por las siguientes dos razones:

Con el fin de investigar exhaustivamente todos los diferentes patrones de flujo, el número de Weber adimensional de la fase de capa se varía en un amplio rango. En consecuencia, aumenta el área vacía entre los patrones. Al igual que en estudios anteriores para sistemas de dos fases, la mayoría de ellos investigó dos patrones de flujo paralelo y de tubería o dos patrones de goteo y flujo lento. Por lo tanto, la zona vacía de la Fig. 9 alcanza el valor más bajo posible si evaluamos los patrones estudiados de esta manera (es decir, un mapa de flujo para ambos patrones). La alta velocidad de la fase de capa también contribuye a la inestabilidad del régimen de chorro. El régimen de chorro que ocurre en el microcanal es la forma más estable en la región representada en la Fig. 9. El cambio de las condiciones límite (tasas de flujo) de cada fase cuando los patrones de transición ayudaron a asegurar la validez del estudio.

Las geometrías de los microcanales varían ampliamente en términos de área de sección transversal, forma del canal principal y configuración del conector para mezclar. Tanto el patrón de flujo como el tamaño de las microgotas del núcleo/cáscara se ven extremadamente afectados por la geometría de la unión trifásica y la región de mezcla trifásica. Al disminuir el diámetro del microcanal, el área de superficie específica entre la capa/fases continuas y las fuerzas superficiales aumentan mientras que las fuerzas volumétricas disminuyen. En consecuencia, se reduce el tamaño de las microgotas. Dado que en este estudio solo se ha investigado un tipo de microcanal con un tamaño específico, se espera que ocurra inestabilidad en algunos puntos que fueron omitidos de la investigación.

El uso de este mapa de flujo en una aplicación médica es posible. Dependiendo del objetivo de la formación y el desarrollo de la microgota de núcleo/cubierta en el microcanal de coflujo, se puede elegir la condición apropiada. El régimen de goteo/slug/jetting es apropiado para operaciones como transmisión de fluidos o encapsulación de partículas. Es posible transmitir un fluido a otro a través de un tercer fluido (el fluido medio) usando este régimen y consideraciones adicionales. Se requiere investigación adicional sobre este tema. El régimen de goteo ahora se utiliza para mejorar la transferencia de masa y la mezcla entre dos líquidos estratificados inmiscibles. El régimen de flujo laminar/tubing se puede utilizar para mover fluidos a través de una segunda o tercera fase sin mezclar las fases ni causar mucha deformación en la interfaz.

Este trabajo se centra exclusivamente en las situaciones en las que las microgotas de núcleo/cubierta pueden formarse y fluir a través del flujo descendente del microcanal de co-flujo. En presencia de números altos de \({We}_{shell}\) y \({Ca}_{c}\), la fase intermedia es imposible de formar la microgota de núcleo/capa. Como resultado, se crea el mapa de flujo para el paso y el estado del flujo. El régimen de goteo puede estudiarse a fondo y justificarse en futuros estudios. Además, los regímenes de flujo para la formación de microgotas de núcleo/cubierta en otro microcanal podrían ser un tema interesante para futuras investigaciones.

Para estimar el grosor de la capa de las gotitas formadas en el régimen de goteo, se puede expresar una correlación en términos de la velocidad, las tensiones superficiales y las propiedades físicas del núcleo, la capa y la fase continua. Para este propósito, al realizar 51 simulaciones CFD para diferentes velocidades de tres fases, se formaron gotas con diferentes tamaños y espesores de capa. La Figura 10 muestra la relación entre el grosor de la cubierta y el tamaño de las microgotas en términos de la relación de velocidad de fase de la cubierta al núcleo.

La relación entre el grosor de la cubierta y el tamaño de las microgotas en términos de la relación de velocidad de fase entre la cubierta y el núcleo; Simulación CFD y Estudio experimental de Li et al.27.

Hay tres grupos de puntos, como se muestra en la Fig. 10, y cada grupo se evalúa a una velocidad constante de la fase central. La velocidad del fluido de la fase continua es baja (\(0.00655\, \mathrm{m}/\mathrm{s}\) y \(0.0033 \,\mathrm{m}/\mathrm{s}\)) en el primer grupo, y la microgota de núcleo/cubierta obtenida tiene un diámetro de 309 μm y 421 μm, respectivamente. Por otro lado, se espera que para todos los puntos del primer grupo, el grosor de la capa aumente a medida que aumenta la relación entre la velocidad de fase de la capa y el núcleo. (\({u}_{carcasa}=0,002126\frac{m}{s}-0,005954\frac{m}{s}\to Carcasa\,espesor=15,7\, \upmu \mathrm{m}-62,3\ , \upmu \mathrm{m}\)).

En el segundo grupo, la velocidad de la fase continua aumenta relativamente (\(0.011144 \,\mathrm{m}/\mathrm{s}\), \(0.012455\, \mathrm{m}/\mathrm{s}\) y \(0.01311\, \mathrm{m}/\mathrm{s}\)). Al aplicar más inercia al fluido de la fase de cubierta, el tamaño de las microgotas de núcleo/cubierta se reduce a 228 μm, 203 μm y 191 μm, respectivamente, y de manera similar, el grosor de la cubierta también disminuye. Como resultado, se espera que al aumentar la velocidad del fluido de la fase portadora, los puntos del segundo grupo se formen más bajos que los puntos del primer grupo. (\({u}_{carcasa}=0,002126\frac{m}{s}-0,008505\frac{m}{s}\to Carcasa\,espesor=3,4\, \upmu \mathrm{m}-29,4\ , \upmu \mathrm{m}\)).

La única diferencia entre el tercer y segundo grupo es que la velocidad de la fase de la capa en estos tres puntos es muy alta (\({u}_{shell}=0.0106232 \,\mathrm{m}/\mathrm{s}\ )), lo que hace que el espesor de la cáscara aumente significativamente. Las velocidades de fase continua del primer, segundo y tercer punto (desde arriba) del tercer grupo son 0,01311 m/s, 0,012455 m/s y 0,011144 m/s, respectivamente, y los diámetros del núcleo/carcasa obtenido las microgotas son de 191 µm, 203 µm y 228 µm, respectivamente. Debido a que la relación de velocidad de fase de capa a núcleo (que es constante) aumentó, el grosor de la capa aumentó más que en el segundo grupo con un salto exponencial.

Finalmente, el propósito de esta sección fue demostrar que la Fig. 10 proporciona una comprensión integral de los efectos de los valores de velocidad del núcleo/cubierta en el tamaño de las microgotas del núcleo/cubierta y el grosor de la cubierta.

Usando el enfoque de campo de fase en un microcanal de co-flujo, se ha estudiado numéricamente la formación de microgotas de núcleo/cubierta a través de una tercera fase continua. El modelo era axisimétrico y parecía tener flujo laminar. Los datos experimentales proporcionados en la literatura se han utilizado para validar el modelo. Las simulaciones de dinámica de fluidos computacional y los resultados experimentales estaban en buen acuerdo. Todos los regímenes de flujo posibles han sido identificados y clasificados usando un método computacional. Se determinó que el goteo del núcleo/carcasa, el chorro del núcleo/carcasa, el slug del núcleo/carcasa, la tubería y el flujo laminar/paralelo eran los cinco regímenes de flujo primarios. El tamaño de las microgotas, la densidad, la viscosidad y la tensión superficial de las fases son los parámetros más importantes. La competencia entre la inercia y la presión capilar se describió mediante el número \(We\), mientras que el equilibrio entre los esfuerzos cortantes locales y la presión capilar se describió mediante el número \(Ca\). Los cinco regímenes de flujo separados se dividieron en zonas distintas usando estos números adimensionales para crear el mapa de régimen de flujo. Además, después de realizar 51 simulaciones CFD, se propuso una correlación para la estimación del espesor de la cubierta. Los siguientes son los hallazgos para cada régimen de flujo:

El régimen de slug flow ocurre cuando tanto \({We}_{shell}\) como \({Ca}_{c}\) son bajos. El régimen de flujo siempre es flujo lento para \({Ca}_{c}<0.28\) y \({We}_{shell}\le 0.00294-0.00823{Ca}_{c}\).

A números de Weber relativamente más altos (\(0.00294-0.00823{Ca}_{c}\le {We}_{shell}\le 0.20144-0.5576{Ca}_{c}\)) y el mismo número capilar (\( {Ca}_{c}<0.28\)) en comparación con el régimen de slug, se produce el régimen de goteo. En este régimen, la inercia de la fase continua es lo suficientemente alta como para que la fase envolvente esté completamente rodeada por la fase continua.

Al aumentar la inercia de la fase continua, las gotas se agrupan y crean una longitud de chorro en la región de mezcla trifásica. En números capilares moderados (\(0.28<{Ca}_{c}<0.97\)) y Weber \({We}_{shell}\le 4.548{Ca}_{c}-1.022\), el régimen de inyección Es evidente.

El régimen de flujo laminar/paralelo se determina cuando \({Ca}_{c}>0.97\) y \(0.634-0.0915{Ca}_{c}\le {We}_{shell}\le 4.548{Ca} _{c}-1.022\).

El régimen de tubería ocurre cuando tanto \({We}_{shell}\) como \({Ca}_{c}\) son altos. El régimen de flujo es flujo de tubería para \({We}_{shell}\ge 4.548{Ca}_{c}-1.022\) y \({Ca}_{c}>0.71\).

Los datos están disponibles con el permiso de [Salman Movahedirad]. Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente, [Saeed Ghasemzade Bariki], previa solicitud razonable.

número capilar

Tamaño de microgotas de núcleo/carcasa (\(\upmu \mathrm{m}\))

Fuerza de tensión superficial (\(\mathrm{kg}/{\mathrm{m}}^{2}\,{\mathrm{s}}^{2}\))

Aceleración gravitatoria (\(\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^{2}\))

Coeficiente de movilidad (\({\mathrm{m}}^{2}/\mathrm{s}\))

Presión estática (\(\mathrm{Pa}\))

número de Reynolds

Tiempo transcurrido (\(\mathrm{s}\))

Velocidad del fluido (\(\mathrm{m}/\mathrm{s}\))

número de Weber

Tamaño característico de la interfaz (\(\upmu \mathrm{m}\))

Potencial químico (\(\mathrm{J}/\mathrm{kg}\))

Ángulo de contacto (grado)

Viscosidad dinámica (\(\mathrm{Pa\, s}\))

Densidad (\(\mathrm{kg}/{\mathrm{m}}^{3}\))

Tensión superficial (\(\mathrm{N}/\mathrm{m}\))

Parámetro capilar (\(\mathrm{N}/\mathrm{m}\))

Variable de campo de fase

Fase continua, fase portadora

fase central

Cada contador de fase

Fase de caparazón

pared mojada

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Este trabajo se basa en una investigación financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de Irán (INSF) bajo el proyecto No.4012815.

Escuela de Ingeniería Química, Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán, Teherán, 16846-13114, Irán

Saeed Ghasemzade Bariki y Salman Movahedirad

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SGB ​​escribió el texto principal y preparó figuras y tablas. Ambos autores (SGB y SM) revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Salman Movahedirad.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Bariki, SG, Movahedirad, S. Un mapa de flujo para la formación de microgotas de núcleo/capa en el microcanal de coflujo utilizando un modelo numérico de campo de fase ternario. Informe científico 12, 22010 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26648-3

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Recibido: 16 Octubre 2022

Aceptado: 19 de diciembre de 2022

Publicado: 20 diciembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26648-3

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