导读：

在液滴微流体学中，静电场可用于调节液滴的形成，但对多层乳液液滴形成的理解仍然不全面。近期，武汉科技大学汪朝晖教授团队探究了在电场控制下，三重乳液液滴在交叉流微通道中的形成机制，通过数值模拟分析了液滴的流动特性、结构稳定性及其对液滴单分散性和尺寸的影响。相关研究以“Triple emulsion droplets formation in cross-flow microchannel under electrostatic field control”为题发表于期刊《Chemical Engineering Science》。

本文要点：

1、本研究通过建立静电场与相场的耦合模型，对三重乳液在交叉流微通道中的流动进行了数值模拟研究，并评估了液滴的质量和力学特性。

2、研究结果表明，通道中的乳液通过滴落和射流两种方式生成三重乳液液滴。

3、当电场强度保持不变时，滴落模式生成的液滴的平均核/壳偏心率为0.0366，平均壳层厚度最大可达375.322μm，表明其结构更稳定。

4、增加电场强度可增强液滴内部速度，加速内部物质循环。

5、静电驱动加速了三重乳液的形成，并影响液滴的单分散性和尺寸，导致三重乳液的壳层更薄。

6、上述研究结果加深了对多层乳液液滴形成过程的理解，为多组分液滴的微流体制备提供了理论基础。

电场强度对三重乳液液滴的形成有显著影响，主要体现在以下几个方面：

• 形成机制：在电场作用下，三重乳液液滴的形成主要通过两种机制进行：滴落（dripping）和射流（jetting）。电场的施加使得液滴在微通道中能够更有效地形成和分离。

• 内部流动速度：随着电场强度的增加，液滴内部的流动速度显著增强。这种增强的流动速度促进了液滴内部物质的循环，从而加速了液滴的形成过程。

• 液滴结构稳定性：研究表明，在恒定电场强度下，通过滴落机制生成的液滴具有较低的平均核/壳偏心率（ωim-i为0.0366），平均壳层厚度（δs）最大可达375.322μm，这表明液滴的结构更加稳定。

• 液滴单分散性和尺寸：电场的施加有助于提高液滴的单分散性，并导致生成的三重乳液液滴壳层更薄。这意味着电场不仅影响液滴的形成效率，还改善了液滴的均匀性和质量。

综上所述，电场强度通过调节液滴的形成机制、增强内部流动、提高结构稳定性以及改善液滴的单分散性和尺寸，显著影响三重乳液液滴的形成过程。

图1.（a）交叉流微流体装置示意图。（b）轴对称计算域的几何描述。（c）计算域的边界条件设置和三重乳液液滴的参数。（d）三重乳液液滴的结构。Qim、Qi、Qm和Qo分别是最内、内、中、外相的流量，E表示电场强度，V表示电势。

图2.三重乳液液滴的壳层厚度（δs）。

图3.乳液液滴形成的力学图。

图4.（a）计算域的网格。（b）局部区域的放大网格（c-c）。

图5.Ca_e=7.8×10^-4，Ca_o=0.076，Qim:Qi:Qm:Qo=5.25:1.8:5.25:17下的网格独立性验证结果。（a）不同网格数下三重乳液液滴形成的界面。（b）不同网格数下的压力分布。（c）不同网格数下液滴轴向直径的相对误差（ξ），其中下标im代表最内相流体，i代表内相流体；m代表中间相流体。

图6.用于乳液液滴形成的微流体装置示意图。

图7.实验和模拟结果的比较，L_E和L_S分别表示实验和数值结果中的液滴长度。

图8.静电场控制下流动聚焦通道中液滴的形成，实验和模拟结果的比较。（a）液滴形成频率随电势的变化；（b）不同电位下液滴的形态。

图9.滴落模式。（a）三重乳液液滴形成过程。（b）乳液流动的压力和速度场随时间的变化。（c）不同时刻乳液流动的界面张力（Fst）和静电力（Fe）。

图10.滴落状态下三重乳液液滴形成的质量评估和力学分析。

图11.短射流模式。（a）三重乳液液滴形成过程。（b）乳液流动的压力和速度场随时间的变化。（c）乳液流动的界面张力（Fst）和静电力（Fe）随时间的变化。

图12.短射流模式下三重乳液液滴形成的质量评估和力学分析。

图13.长射流模式。（a）三重乳液液滴形成的全过程。（b）乳液流动的压力和速度场随时间的变化。（c）不同时刻乳液流动的界面张力（Fst）和静电力（Fe）。

图14.长射流模式下三重乳液液滴形成的质量评估和力学分析。

图15.电场控制下乳液流态转变的力学分析。（Ca_im=8×10^-3，Ca_m=1.6×10^-3，Ca_o=0.072）

图16.不同参数下液滴的速度分布。

图17.乳液液滴形成过程中速度随时间的演变。

图18.不同参数下壳体厚度（δs）的演变。

图19.静电场控制下无量纲断裂线（l_b/L）的变化。

图20.电场对三重乳液形成的影响（Ca_im=0.01，Ca_i=7.2×10^-3，Ca_m=1.6×10^-3，Ca_o=0.072）。

图21.系统中的流态图随Ca和Ca_e的变化。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2025.121203