高速摄像机揭示微流控通道内液滴接触、漂浮与弹跳机制

（原标题：高速摄像机揭示微流控通道内液滴接触、漂浮与弹跳机制）

使用千眼狼（Revealer）M220型高速摄像机与VOF数值模拟发现，连续相与分散相之间的微小密度差可在微通道输运过程中累积改变液滴轨迹，形成接触、漂浮和弹跳三种运动模式。

1实验背景

微流控系统中，液滴尺度通常处于微米量级，界面张力和黏性力占主导地位。由于Bond数通常远小于1，重力作用在液滴形成及局部界面演化分析中往往被忽略。然而，对于液滴在较长为通道中的持续运输，密度差产生的净体积力虽然微弱，却可能随停留时间累积为可观测的横向位移。

南京工业大学、浙江师范大学联合研究团队以密度较高的水相液滴在硅油连续相中的输运为对象，系统考察连续相黏度、流量及通道尺度对液滴沉降和近壁运动的影响。实验通过高速摄像机连续记录液滴生成、沉降、近壁减速及反弹过程，并结合数值模拟分析其动力学机制。

2实验设备

实验系统由微流控芯片、精密注射泵、千眼狼（Revealer）M220高速摄像机、均匀光源和计算机组成。

微流控芯片采用亚克力材料加工并通过热键合完成密封。芯片整体竖直放置，主通道轴线保持水平，使液滴主流方向与重力方向垂直，便于观测密度差引起的横向迁移。分散相为1 wt%的海藻酸钠水溶液，密度约1010 kg/m³，动力黏度约100 mPa·s；连续相为二甲基硅油，密度约963 kg/m³，黏度分别为10、50、100和200 mPa·s。两相密度差约为47 kg/m³。

Revealer M220高速摄像机与透射光源分别布置于芯片两侧。均匀背光提高液滴轮廓、通道壁面及近壁间隙的图像对比度，高速摄像机连续采集液滴位置、轮廓、形变及液滴—壁面距离变化，是液滴运动模式识别和轨迹分析的主要实验设备。

图1-Revealer M220高速摄像机、透射光源和竖直微流控芯片组成的液滴输运观测系统

3实验方法

水相与油相分别由精密注射泵注入十字交汇式微流控芯片，在流动聚焦作用下形成油包水液滴。实验通过调节连续相黏度、连续相流量和分散相流量，改变液滴尺寸、输运速度及通道停留时间。

高速摄像机连续记录液滴从生成位置进入主通道后的运动过程。以液滴最低点至通道下壁面的距离h 作为位置特征参数，通过逐帧图像分析获得液滴轨迹，并据此划分三种模式：

h持续减小并趋近于零，为接触模式；

h先减小后稳定在非零值，为漂浮模式；

h接近零后迅速增大，为弹跳模式；

数值模拟采用ANSYS Fluent 2021R1和VOF模型，分析液滴界面、速度场和压力场。实验结果进一步映射至We–Oh和Ca–Oh参数空间，用于建立液滴行为相图。

4实验数据解析

4.1高速摄像机识别三种液滴运动模式

高速图像序列显示，微液滴在通道内呈现接触、漂浮和弹跳三种典型输运模式。

接触模式下，液滴沿主通道运动的同时持续向下迁移，最终接近或接触下壁面；漂浮模式下，液滴先发生沉降，随后在未接触壁面的位置保持稳定间距并继续输运；弹跳模式下，液滴接近壁面后发生形变，随后迅速改变垂向运动方向。

高速摄像机通过保留完整的时间序列，明确区分了持续沉降、沉降后稳定、接触后反向运动。

图2-高速摄像机连续观测微通道液滴的接触、漂浮与弹跳三种运动模式，并通过液滴-壁面距离变化判别

4.2连续相黏度对液滴沉降轨迹的影响

在连续相流量为100 μL/min、分散相流量为4 μL/min的条件下，高速图像对比了连续相黏度分别为200、100、50和10 mPa·s时的液滴输运状态。

高速图像显示，连续相黏度为200 mPa·s时，液滴在观测范围内基本保持稳定高度；随着黏度降低，液滴沉降趋势逐渐增强；当黏度降至10 mPa·s时，液滴在较短输运距离内即明显接近下壁面。

该结果表明，连续相黏度决定了微小密度差能否在有限输运时间内转化为显著横向位移。较高黏度产生较强黏性阻力，可抑制液滴沉降；较低黏度则削弱阻尼作用，使密度差净体积力的累积影响更加明显。高速摄像机将不同工况下的静态位置转化为连续轨迹证据，避免将液滴初始生成位置差异误判为沉降效应。

图3-高速摄像机记录不同连续相黏度下微液滴的高速图像序列，显示黏度降低导致液滴沉降和近壁迁移增强

4.3漂浮模式的动态证据

高速图像表明，液滴进入主通道后先向下沉降，随后在未接触壁面位置停止下降，并保持稳定间距继续运输。因此，漂浮是沉降后形成新的动力学平衡。

数值模拟显示，液滴下方流道逐渐收缩，连续相在狭窄间隙内加速并形成局部高压。该压力作用与黏性阻力共同抵消微重力，使液滴维持稳定壁面间距。高速摄像机捕获了“先沉降、后稳定”的过程，数值模拟则解释了稳定状态形成的原因。

图4-高速摄像实验与VOF模拟对比展示微液滴先沉降后保持稳定壁面间距的漂浮模式

4.4弹跳模式的瞬态捕获

高速摄像机记录到液滴首先向下运动，接近壁面后发生压缩形变，随后在表面张力作用下恢复形态并获得向上速度。该过程表明，液滴弹跳并非刚性碰撞，而是液膜润滑、液滴惯性、界面形变和表面能释放共同作用的结果。

由于弹跳时间毫秒尺度，且位移尺度小，低时间分辨率成像易将其误识别为普通漂浮，借助高速摄像机，则完整记录了接近、形变、恢复和反弹全过程。

图5-高速摄像机记录微液滴接近壁面、压缩形变、界面恢复和向上反弹的完整瞬态过程

4.5高速成像数据支撑液滴行为相图

研究基于高速图像序列对各实验工况进行模式分类，并建立We–Oh和Ca–Oh液滴行为相图。虽然相图并非高速摄像机采集的原始图像，但其中每个实验点对应的接触、漂浮或弹跳标签均来源于高速图像判定。

相图显示，液滴状态由密度差、黏性力、惯性力、界面张力和液滴尺度共同决定。当Ca增大至约0.01以上时，液滴更易由接触模式转向漂浮模式；在较低Ca区域，密度差净体积力的影响更加明显，接触和弹跳模式更易出现。

图6-基于高速图像模式分类建立的微液滴We–Oh和Ca–Oh行为相图，标示接触、漂浮与弹跳模式的参数分布

5实验结论

本研究通过高速摄像实验与VOF数值模拟，揭示了微流控通道内微小密度差对液滴长期运输行为的累积影响。核心结论如下：

I. 千眼狼（Revealer）M220型高速摄像机提供的毫秒级时间分辨实况影像，揭示了微流控通道内液滴在密度差驱动下呈现的接触、漂浮、弹跳三种运动模式。

II. 连续相黏度是影响液滴沉降的重要参数。高黏度增强黏性阻力，可抑制横向迁移；低黏度则使微重力效应更加突出。液滴接近壁面后，液膜阻力和局部高压显著增加，可延缓接触，甚至使液滴保持稳定悬浮。特定低黏度和流量条件下，液滴还可通过界面形变与表面能释放产生反弹。

III. 对于微流控系统中的弱体积力、近壁运输及液滴碰撞问题，高速摄像机捕获的序列图像是连接瞬态形态、运动轨迹、受力机制与工况边界测量的实验基础，相关研究发现可为液滴微流控芯片的通道高度设计、连续相选型、流量窗口设定、壁面涂层保护及长期运行稳定性评估提供理论依据。