压电式微量液滴分配的机理与实验研究

压电式微量液滴分配的机理与实验研究

液滴分配系统在打印生物液滴阵列,喷制柔性电子电路,打印生物组织与器官,制作微机电器件,配制药物以及快速精密成型制造等领域发挥了重要作用。其中,基于圆管式压电式喷头的液滴分配系统更是因为分配精度高、速度快和操作方便而被广泛应用。因此,研究圆管式压电喷头的内部动作机理和液体分配特性,包括相关的液柱分离机理、压电喷头激励波形的调整方法,对于设计压电式液滴分配系统、指导液滴分配试验均具有重要的意义。为了获得压电喷头在电压激励下其内部的变形情况和应力情况,建立了压电喷头稳态响应的数学模型。

基于逆压电效应和厚壁圆管变形理论,结合压电管和玻璃管的位移和应力条件,求得圆管式压电喷头在电压激励下的位移场、应力场、电势分布以及内部流体产生的压力大小。基于此,进一步讨论了壁厚和液体体积弹性模量对于喷头的整体位移场和驱动效应的影响效果。研究结果对于理解圆管式压电喷头的变形过程,设计合理的压电分配喷头具有指导意义。为了揭示液面振荡的内在机理,建立了压力波在喷头内部产生、传递和反射过程的数学模型,最终得到喷嘴口处压力波的响应情况。

该模型结合细管粘性流体的压力波传递理论,提出液体粘性能对于喷头内部的压力波传递过程产生了较为明显的阻滞和耗散作用。设计了液滴喷射实验和液舌振荡实验,结合液滴成像系统获得了不同停留时间情况下液滴喷射速度或液舌振荡情况随停留时间的变化关系,验证了压力波数学模型的正确性。实验发现,喷嘴口的压力响应是激励电压在上升时间和下降时间产生的压力波经过传播和反射后到达喷嘴口处的综合作用,过大或过小的停留时间均不利于液滴的产生。在喷射动能的意义上,最佳停留时间可能介于l/c(玻璃管长度除以静态声速)与2l/c之间,并且与流体粘度和激励频率存在一定的关系。

圆管式压电喷头除了可以在按需分配的模式下产生液滴外,也存在着连续分配液滴的潜力,因此,有必要研究液柱分离的相关机理。利用Young-Laplace定理建立了液柱轮廓演变过程中轴对称空间光滑曲面的当地曲率与法向应力之间的关系,确定了几个重要的边界条件,并结合柱坐标系下的连续性方程和动量方程,得到了液柱分离的数学模型。利用交错网格和有限差分法将偏微分方程组中的空间导数差分化,利用Matlab中的ODE15S求解器求解得到液滴分离前各个时刻液

柱的轮廓以及速度场分布情况。针对纯水和墨水等溶液模拟了液柱分离过程,讨论粘度和表面张力对于液柱分离的影响效果。

为了研究圆管式压电喷头在分配液体时的适用范围,有必要研究喷头的液体分配特性。针对圆管式压电喷头按需分配液滴的过程,根据驱动特点选择了合适的边界条件,在CFD-ACE软件中建立了相应的三维计算模型。以乙二醇水溶液为例,模拟了压电喷头分配该溶液的分配过程,并且在设计了液滴分配实验,利用液滴成像系统获取了不同时刻的液滴图像,验证了建立模型和数值算法的正确性。最后模拟了压电喷头在不同输入位移、不同粘度以及不同表面张力下的液体分配过程,得到了压电喷头的液体分配特性。

计算结果表明液体分配性能与输入位移密切相关,对于某种液体寻找一个合适的激励条件是非常重要的,过小的激励产生不了液滴,过大的激励会产生较大甚至多个卫星液滴。增大粘度会延缓或阻滞液滴形成过程,增大表面张力却能加快液滴形成过程。为了快速获得高质量、高效率的液滴分配效果,需要一种快速调整激励波形的调整系统或调节方法。本文设计了一套液滴实时测量系统,能够对液滴产生情况进行实时观测,还能实时绘制液滴位置曲线、长度曲线和速度曲线。

基于液滴的特征曲线,可以对液滴分离情况、主液滴和卫星液滴的产生和飞行速度进行监测或评价,从而对主液滴和卫星液滴的再融合情况做出预判。利用液滴实时测量系统,对激励波形的振幅和形状进行了调整,调整原则为:在液滴沉积于基板的瞬间,不存在多余的卫星液滴的干扰,且具有较高的分配效率。提出高质量液滴分配的两个必要条件:合适的激励波形以及适当的液体属性。设计了一个调控液滴尺寸的模糊控制器,能够有效调整液滴尺寸至合理值。