Введение к работе
Актуальность работы. На фоне прогресса микро- и нанотехнологий в последние годы наблюдается стремительное развитие микрогидродинамики (мик-рофлюидики) – нового междисциплинарного научного направления, предметом которого является исследование особенностей течения гомогенных и многофазных жидких сред в микроскопических каналах. Такие каналы составляют основу разнообразных микрожидкостных устройств («лабораторий-на-чипе»), которые находят широкое применение в химии, медицине, фармацевтике, микробиологии для решения разнообразных научных и прикладных задач.
В число наиболее актуальных проблем, стоящих перед микрофлюидикой, входят снижение чрезвычайно высокого гидродинамического сопротивления и повышение эффективности перемешивания жидкостей при течении в микроканалах. В последние годы эти проблемы находят частичное решение путем использования супергидрофобных свойств шероховатых поверхностей, в углублениях которых локализованы пузырьки газа. Такие поверхности позволяют существенно понизить гидродинамическое сопротивление за счет интенсивного скольжения жидкости на газовых участках. Применение анизотропных супергидрофобных текстур дает также возможность заметно повысить эффективность смешивания жидкостей в микроканале за счет наклонной ориентации текстуры относительно оси канала. Однако, полученные на сегодняшний день результаты касаются в основном поведения ньютоновских жидкостей, в то время как поведение полимерных сред в микроканалах оставалось слабо изученной. Поскольку вязкость полимерных растворов зависит от скорости сдвига, можно ожидать ряд новых нетривиальных особенностей транспорта таких жидкостей в микроканалах.
С другой стороны, заметный интерес представляет изучение закономерностей течения многокомпонентных дисперсных сред в микроканалах. Не в последнюю очередь это обусловлено необходимостью создания новых технологий производства монодисперсных капель микронных размеров, которые применяются во многих областях, в частности, в качестве микроконтейнеров химических и лекарственных препаратов. Научный и практический интерес представляют вопросы, связанные с генерацией микрокапель в процессе течения несовместимых жидкостей в коаксиальных капиллярах. В этом случае формирование капель может протекать по нескольким механизмам: за счет их срыва с внутреннего капилляра (капельный режим) либо вследствие неустойчивости струи дисперсного компонента (струйный режим). В связи с этим важное значение приобретают вопросы взаимосвязи возможных морфологических состоя-3
ний двухфазной среды с гидродинамическими параметрами и реологическими характеристиками полимерных и низкомолекулярных жидкостей. Течение капель в микроканалах, в свою очередь, может сопровождаться их деформацией или разрушением. Эти процессы очень чувствительны к условиям конфайнмен-та, то есть когда размеры капель соизмеримы с поперечным размером микроканалов. При этом открытыми оставались вопросы, связанные с динамикой деформирования и распада композитных капель, содержащих жидкое ядро заданной вязкости.
Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы было исследование методами численного моделирования ряда гидродинамических особенностей, возникающих при течении однородных и дисперсных ньютоновских и псевдопластичных полимерных жидкостей в микроканалах. Для достижения данной цели основное внимание было сосредоточено на решении следующих задач:
– Исследование механизмов скольжения псевдопластичных полимерных жидкостей в микроканале с анизотропным супергидрофобным покрытием при течении простого сдвига.
– Изучение закономерностей образования геликоидального течения и процессов перемешивания ньютоновских и псевдопластичных полимерных жидкостей в микроканале с наклонной ориентацией анизотропной супергидрофобной текстуры.
– Математическое моделирование механизмов формирования капель в коаксиальных капиллярах при их обтекании ньютоновской и псевдопластичной жидкостями.
– Исследование деформационного поведения и механизмов разрушения одноядерных композитных капель при течении простого сдвига в условиях конфай-нмента.
Научная новизна:
– Впервые доказано, что скольжение псевдопластичной полимерной жидкости в микроканале с анизотропным супергидрофобным покрытием обусловлено возникновением периодических возмущений вязкости над участками с граничными условиями скольжения (жидкость-газ) и прилипания (жидкость-твердая стенка).
– Впервые установлена немонотонная зависимость длины кажущегося скольжения псевдопластичной полимерной жидкости от скорости сдвига и ее высокая чувствительность к изменению наклона реологической кривой вязкости. – Впервые дано обоснование механизмов формирования геликоидального течения и установлены закономерности перемешивания ньютоновской и псевдо-4
пластичной полимерной жидкостей в микроскопических каналах с наклонной ориентацией анизотропного супергидрофобного покрытия.
– Методами численного моделирования впервые установлены условия формирования струйного и капельного режимов истечения дисперсной фазы при течении несовместимых ньютоновских жидкостей в коаксиальных капиллярах. – Впервые показано, что размер капель, формирующихся в коаксиальных капиллярах при обтекании псевдопластичной полимерной средой, практически не зависит от отношения расходов и значительно превышает размер капель, образованных при обтекании ньютоновской жидкостью.
– Впервые установлено, что при течении простого сдвига тейлоровская деформация двухмерной одноядерной композитной капли достигает максимального значения при определенном отношении радиусов ядра и оболочки, значение которого определяется капиллярным числом (эффект подпирания).
– Впервые показано, что маловязкое ядро в композитной капле с высоковязкой оболочкой при течении простого сдвига в условиях конфайнмента приводит к снижению стационарной деформации и росту критического капиллярного числа распада такой капли по сравнению с соответствующей однородной каплей.
Практическая значимость работы. Полученные в ходе работы над диссертацией результаты свидетельствуют о перспективности применения псевдопластичных полимерных жидкостей для повышения производительности микрожидкостных систем за счет многократного снижения гидродинамического сопротивления микроканалов с супергидрофобными покрытиям. Установленные в работе условия формирования капель в коаксиальных капиллярах определяют диапазон гидродинамических параметров и относительных вязкостей компонентов среды, при которых возможно производство монодисперсных капель. Данные о гидродинамическом поведении композитных капель могут быть использованы при создании жидких микроконтейнеров с заданными прочностными и деформационными свойствами.
Методы исследования. Основные исследования, выполненные в диссерта
ционной работе, осуществлялись методами численного моделирования. С этой
целью исходные системы дифференциальных уравнений решали численно с
применением методов конечных объемов и конечных разностей. Моделирова
ние динамической эволюции формы межфазных границ раздела многокомпо
нентных жидкостей проводили методами объема жидкости и функции уровня.
Методология вычислительных процедур базировалась на объектно-
ориентированном подходе с использованием языка С++ на основе открытой вычислительной платформы OpenFOAM, а также программном комплексе, разработанном сотрудниками лаборатории вычислительной гидродинамики
ИПХФ РАН. Наиболее ресурсоемкие расчеты производили методами параллельных вычислений на многопроцессорных кластерах Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН.
Достоверность научных результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечена применением общепризнанных методов математического моделирования, сходимостью численных решений на оптимизированных расчетных сетках и подтверждена соответствием полученных решений известным экспериментальным и теоретическим результатам.
Основные положения, выносимые на защиту:
– Механизмы кажущегося скольжения псевдопластичной полимерной жидкости в микроскопических каналах с анизотропным супергидрофобным покрытием.
– Закономерности перемешивания ньютоновской и псевдопластичной полимерной жидкостей в микроскопических каналах при наклонной ориентации анизотропной супергидрофобной текстуры.
– Обобщенные диаграммы морфологических состояний двухкомпонентной среды несовместимых жидкостей при течении в коаксиальных капиллярах в широком диапазоне скоростей и относительных вязкостей компонентов. – Механизмы формирования монодисперсных капель в коаксиальных капиллярах при их обтекании ньютоновской и псевдопластичной полимерной жидкостями.
– Гидродинамическое поведение двухмерных и трехмерных одноядерных композитных капель при течении простого сдвига в узком микроканале.
Апробация результатов работы. По материалам диссертации опубликовано 7 статей, 6 из которых – в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК и индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus и 1 статья – в рецензируемом сборнике статей.
Основные результаты обсуждались на 14 всероссийских и международных научных конференциях и симпозиумах: 6-я Всероссийская Каргинская конференция «Полимеры 2014» (Москва, 2014); XXIX International Conference on Equations of State for Matter (Elbrus, Kabardino-Balkaria, Russia, 2014); 27-й Симпозиум по реологии (Тверь, 2014); 6th International conference on polymer behavior (Vienna, Austria, 2014); XXX International Conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter (Elbrus, Kabardino-Balkaria, Russia, 2015); IV Конференция молодых учёных «Реология и физико-химическая механика гетерофаз-ных систем» (Москва, 2015); XXXI International Conference on Equation of State for Matter (Elbrus, Kabardino-Balkaria, Russia, 2016); 28 Симпозиум по реологии (Москва, 2016); VI Бакеевская всероссийская с международным участием шко-6
ла для молодых ученых «Макромолекулярные нанообъекты и нанокомпозиты» (Москва, 2016); XXXI International Conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter (Elbrus, Kabardino-Balkaria, Russia, 2017); VII Всероссийская Каргинская конференция «Полимеры 2017» (Москва, 2017); V Конференция молодых ученых «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем» (Москва, 2017).
Личный вклад автора. Автор диссертации принимал участие в постановке задач, планировании и проведении всего объема численного моделирования, обсуждении результатов расчетов, их анализе и оформлении, а также написании научных статей и тезисов докладов.
Структура диссертации и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка обозначений и списка цитируемой литературы, включающего 290 наименований. Общий объем диссертации составляет 141 страницу текста, включая 80 рисунков и 8 таблиц.