Моделирование процесса образования полимерных капель в микрофлюидном устройстве Х-типа
Автор: Рылькова А.Ю., Сорокин С.В., Гусева Е.В.
Журнал: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий @vestnik-vsuet
Рубрика: Химическая технология
Статья в выпуске: 2 (108) т.88, 2026 года.
Бесплатный доступ
В данной работе изучен процесс образования полимерных капель в микрофлюидном устройстве Х-типа методом одностадийного эмульгирования двух несмешивающихся фаз, из эмульсии которых путем удаления остаточного растворителя на роторном испарителе формируются полимерные наночастицы. Было проведено математическое моделирование процесса образования полимерных капель в каналах микрофлюидного устройства Х-типа с использованием метода конечных разностей или конечных объемов в пакете программ вычислительной гидродинамики ANSYS Fluent 16.1. Данный метод решает единый набор уравнений сохранения для обеих фаз, отслеживая объемную долю сплошной и дисперсной фаз во всей расчетной области. Приведено математическое описание гидродинамического режима потоков сплошной и дисперсной фаз внутри микрофлюидного устройства. Модель учитывает поверхностное натяжение на границе двух фаз и смачиваемость стенок каналов. Кроме того, изучен процесс формирования полимерных наночастиц из образованной в микрофлюидном устройстве эмульсии капель методом испарения органического растворителя. Приведены расчеты размера наночастиц с учетом размера капель и коэффициента агрегации А, учитывающего коалесценцию между получаемыми в микрофлюидном устройстве полимерными каплями. Было проведено сравнение результатов эксперимента и моделирования и установлена относительная ошибка вычисления модели. Приведены результаты расчета размера наночастиц при различных вариантах соотношения расхода потоков дисперсной и сплошной фаз. На основании вычислительного эксперимента были определены значения расходов сплошной и дисперсной фаз, соотношение которых приводит к образованию наночастиц с размером, лежащим внутри требуемого диапазона. Разработанная математическая модель позволяет прогнозировать образование полимерных капель и, в дальнейшем, наночастиц необходимого размера.
Микрофлюидное устройство Х-типа, полимерные капли, математическое моделирование, ANSYS Fluent, гидродинамика
Короткий адрес: https://sciup.org/140315829
IDR: 140315829 | УДК: 004.942 | DOI: 10.20914/2310-1202-2026-2-371-378
Modeling of the formation process of polymer droplets in an X-type microfluidic device
In this work, the process of formation of polymer droplets in an X-type microfluidic device was studied by the method of one-step emulsification of two immiscible phases, from the emulsion of which polymer nanoparticles are formed by removing the residual solvent on a rotary evaporator. Mathematical modeling of the formation of polymer droplets in the channels of an X-type microfluidic device was carried out using the finite difference or finite volume method in the computational fluid dynamics software package ANSYS Fluent 16.1. This method solves a single set of conservation equations for both phases, tracking the volume fraction of the continuous and dispersed phases throughout the computational domain. A mathematical description of the hydrodynamic regime of flows of continuous and dispersed phases inside a microfluidic device is given. The model takes into account the surface tension at the interface between two phases and the wettability of the channel walls. In addition, the process of formation of polymer nanoparticles from a droplet emulsion formed in a microfluidic device by evaporation of an organic solvent was studied. Calculations of the size of nanoparticles are presented taking into account the size of the droplets and the aggregation coefficient A, which takes into account the coalescence between the polymer droplets obtained in the microfluidic device. The results of experiment and simulation were compared and the relative calculation error of the model was established. The results of calculating the size of nanoparticles for various variants of the ratio of flow rates of dispersed and continuous phases are presented. Based on a computational experiment, the flow rates of the continuous and dispersed phases were determined, the ratio of which leads to the formation of nanoparticles with a size lying within the required range. The developed mathematical model makes it possible to predict the formation of polymer droplets and, subsequently, nanoparticles of the required size.
