Capillary film and breakup mechanism in the squeezing to dripping transition regime at the mesoscale between micro and milli-fluidics

Abstract

Presentamos un estudio sobre la generación de gotas en flujos bifásicos de fluidos inmiscibles en una matriz de canales circulares en forma de T, a una mesoescala entre la microfluídica y la milifluídica. Nuestros experimentos muestran que el equilibrio entre los diferentes tipos de fuerzas (fuerzas capilares, fuerzas viscosas de cizallamiento, etc.) puede diferir significativamente del observado por autores anteriores en canales microfluídicos más pequeños. Por lo tanto, los resultados pueden aplicarse a sistemas prácticos donde las gotas actúan como pequeños reactores químicos o contribuyen a mejorar la mezcla. Sugerimos una posible extensión interesante a la generación de gotas en medios porosos. Presentamos experimentos en los que se miden sistemáticamente la longitud de las gotas y el espesor residual de la película de fluido circundante en función de los caudales respectivos de ambos fluidos. Estos resultados se comparan cuidadosamente con modelos teóricos que consideran de diferentes maneras los efectos capilares y viscosos, y con resultados obtenidos por otros autores para canales más pequeños. Se prueban diversas variables de control adimensionales (número de capilares, relación de los caudales de ambos fluidos, etc.). El espesor de la película capilar ha demostrado ser una variable útil para identificar los diferentes regímenes de formación. La comparación de los modelos teóricos con los datos experimentales mostró que el cambio de un régimen de formación a otro se acompaña de un cambio en la función de los efectos viscosos. Se probaron dos modelos de mecanismos de ruptura: por un lado, el mecanismo de acumulación de presión y, por otro, un segundo mecanismo correspondiente al equilibrio de las tensiones cortantes tangenciales y la tensión interfacial. De acuerdo con los regímenes de formación, ambos modelos proporcionaron predicciones satisfactorias de los resultados experimentales. Sin embargo, a esta mesoescala, los datos experimentales se describieron mejor mediante los modelos dependientes del número de capilares, como se informó previamente en sistemas con un bajo grado de confinamiento.

We report a study of droplet generation in two phase flows of non-miscible fluids in a T-shaped array of circular channels, at the mesoscale between micro- and milli-fluidics. Our experiments show that the balance between the different types of forces (capillary forces, shear viscous forces, etc.) may differ significantly from that found by previous authors in smaller, microfluidics channels. The results may, therefore, be applied to practical systems in which droplets act as small chemical reactors or help enhance mixing. We suggest a possible interesting extension to the generation of drops inside porous media. We report experiments in which the length of the droplets and the residual thickness of the surrounding fluid film are systematically measured as a function of the respective flow rates of the two fluids: These results are carefully compared to theoretical models taking into account in different ways the capillary and viscous effects and to results obtained by other authors for smaller channels. Several dimensionless control variables are tested (capillary number, ratio of the flow rates of the two fluids, etc.). Capillary film thickness is shown to be a useful variable to identify the different regimes of formation. Testing of the theoretical models with the experimental data showed that the change from one formation regime to the other is accompanied by a change in the role of viscous effects. Two models of breakup mechanisms were tested: on the one hand, the pressure buildup mechanism and, on the other hand, a second mechanism corresponds to the balance of tangential shear stresses and interfacial tension. According to the formation regimes, both models have provided satisfactory predictions of the experimental results. However, at this mesoscale, the experimental data were better described by the models dependent on the capillary number, as previously reported in systems with a low degree of confinement.

Relatamos um estudo da geração de gotas em escoamentos bifásicos de fluidos não miscíveis em um arranjo de canais circulares em forma de T, na mesoescala entre micro e milifluídicos. Nossos experimentos mostram que o equilíbrio entre os diferentes tipos de forças (forças capilares, forças viscosas de cisalhamento, etc.) pode diferir significativamente daquele encontrado por autores anteriores em canais microfluídicos menores. Os resultados podem, portanto, ser aplicados a sistemas práticos nos quais as gotas atuam como pequenos reatores químicos ou ajudam a melhorar a mistura. Sugerimos uma possível extensão interessante para a geração de gotas dentro de meios porosos. Relatamos experimentos nos quais o comprimento das gotas e a espessura residual do filme de fluido circundante são sistematicamente medidos em função das respectivas vazões dos dois fluidos: esses resultados são cuidadosamente comparados a modelos teóricos que levam em consideração de diferentes maneiras os efeitos capilares e viscosos e a resultados obtidos por outros autores para canais menores. Diversas variáveis de controle adimensionais são testadas (número de capilares, razão entre as vazões dos dois fluidos, etc.). A espessura do filme capilar se mostra uma variável útil para identificar os diferentes regimes de formação. O teste dos modelos teóricos com os dados experimentais mostrou que a mudança de um regime de formação para o outro é acompanhada por uma mudança no papel dos efeitos viscosos. Dois modelos de mecanismos de ruptura foram testados: por um lado, o mecanismo de acúmulo de pressão e, por outro lado, um segundo mecanismo corresponde ao equilíbrio de tensões de cisalhamento tangenciais e tensão interfacial. De acordo com os regimes de formação, ambos os modelos forneceram previsões satisfatórias dos resultados experimentais. No entanto, nessa mesoescala, os dados experimentais foram melhor descritos pelos modelos dependentes do número capilar, como relatado anteriormente em sistemas com baixo grau de confinamento.