英文原題：Taylor Bubble Generation Rules in Liquids with a Higher Viscosity in a T‑Junction Microchannel
通訊作者：駱廣生，清華大學化學工程系
作者：Lin Sheng (盛林), Yu Chang (昌宇), Jian Deng (鄧建), Guangsheng Luo (駱廣生)
微化工技術可為化學品生產提供安全、高效的新途徑，是國內外學術界和產業界的研究熱點，其研究熱點為微尺度下多相流動、分散、傳遞和反應等基本規律。微反應器內微氣泡的生成和調控機制對於氣液體系微化工技術的發展和產業應用具有重要的指導意義。
目前，T型微通道因其加工工藝簡單和易於設備放大等特點，得到廣泛關注。對於常規的氣液微分散體系（空氣-水）而言，研究者們廣泛認為常規T型微通道內低粘溶液中Taylor氣泡的生成是受擠壓破碎機制所控制。值得注意的是，高粘氣液體系是化工領域十分常見的體系，其傳質和反應性能強化是目前化工過程強化的重要課題之一。氣液微分散體系提供了新的思路，然而關於T型微通道內Taylor氣泡在高粘溶液中的生成機制和界面動態特性還未曾見報道。
近日，清華大學化學工程系駱廣生教授團隊報道了T型微通道內高粘溶液（45.6~240.5 mPa·s）中Taylor氣泡的生成機制。研究結果表明，不同於低粘溶液中Taylor氣泡在生成過程中可以完全堵塞微通道截面（圖1a），高粘溶液中Taylor氣泡在生成過程中始終和通道壁面之間存在明顯的液膜區域。特別地，氣泡頸部在快斷裂時會整體移到T型分散出的下方並實現氣泡的斷裂（圖1b）。
圖1. Taylor氣泡生成過程的界面動態變化圖
同時，該工作根據氣泡頸部寬度隨生成時間的變化規律將T型微通道內高粘溶液中Taylor氣泡生成階段劃分為Expansion、Shrinking和Necking三個階段，並揭示了三個階段界面行為的主要受力情況（圖2）。
圖2. Taylor氣泡頸部寬度變化圖
此外，該工作首次在高液體粘度和高氣液界面張力的情況下，發現Taylor氣泡頸部在Necking階段會逐漸演變為一條細線，並最終破碎為多個衛星氣泡（圖3），填補了氣液微分散體系無衛星氣泡生成的研究空白。
圖3. 衛星氣泡生成過程界面動態變化圖
最後，該工作提出了基於無量綱氣相壓力和液相毛細管數的數學模型來預測Taylor氣泡長度，且該數學模型對低粘溶液中Taylor氣泡尺寸的預測也有較好的適用性（圖4）。
圖4. 氣泡尺寸數學預測模型
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Ind. Eng. Chem. Res.2022,61, 6, 2623-2632
Publication Date: February 4, 2022
https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c05015
Copyright © 2022 American Chemical Society
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