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Viscosity ratio as a governing factor in microdroplet generation and size modulation

分手 粘度 机械 毛细管数 物理 毛细管作用 缩放比例 涡度 还原粘度 分手 剪切速率 相对粘度 产量(工程) 热力学 两相流 表观粘度 相(物质) 剪应力 体积流量 体积粘度 流量(数学) 剪切(地质) 涡流 连续相位调制 变形(气象学) 剪切流 材料科学 流体静力平衡 微流控 调制(音乐) 固有粘度 粘性应力张量 流变学 湍流 流体力学 特性粘度 计算流体力学 经典力学
作者
Yan Pang,Xin Li,Qingshan Yang,刘赵淼,Xiang Wang
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:37 (8) 被引量:3
标识
DOI:10.1063/5.0281527
摘要

This study utilizes numerical methods to systematically investigate the effect of viscosity ratio on the formation dynamics and size modulation of microdroplets within cross-shaped microchannels with a contraction structure. It demonstrates that varying the viscosity ratio between the dispersed and continuous phases gives rise to three droplet formation modes: dripping, transition, and jetting. In contrast to standard cross-junction microchannels, the contraction geometry significantly enhances local shear stress and pressure differentials, resulting in a non-monotonic dependence of droplet size on viscosity ratio—exhibiting an initial decrease followed by a subsequent increase. Specifically, in the dripping mode, a higher dispersed phase viscosity reduces internal vorticity and deformation resistance, increases pressure-driven forces beyond the interfacial tension, and thereby accelerates droplet breakup to yield smaller droplets. Conversely, in the jetting mode, the high viscosity of the dispersed phase impedes deformation, elongates the breakup cycle, and ultimately increases droplet size. The flow field analysis reveals the underlying force competition mechanism that dynamically governs the droplet breakup process across regimes. Additionally, theoretical scaling relations are proposed for predicting droplet size, which is derived from the capillary number and viscosity ratio, and validated against simulation data.
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