微小液滴荷电特性的研究_许德玄
电场对协流式微流控装置中乳液液滴生成行为的调控机理
电场对协流式微流控装置中乳液液滴生成行为的调控机理李蕾;张程宾【摘要】建立了直流电场作用下协流式微流控装置中单乳液液滴乳化生成过程的非稳态理论模型,并开展了数值模拟研究,揭示了电场对液滴乳化生成动力学行为的调控机理,阐明了流场/电场参数对液滴乳化生成特性的影响规律.研究结果表明:沿流体流动方向施加静电场可在电物性参数不同的两相流体界面法线方向上产生指向内相流体的电场力,进而强化了内相流体界面的颈缩和断裂,提升了液滴生成速率和形变程度,减小了液滴生成尺寸;在同一毛细数下,随着电毛细数的增大,乳液乳化流型由每周期仅有单一液滴生成的滴式流型转变为每周期有一个主液滴并伴随有卫星液滴生成的滴式流型;随着毛细数和电毛细数的增大,黏性拖曳力以及电场力作用增强,使内相流体颈缩过程后期更容易形成细长型液线,从而有助于诱发液线上产生Rayleigh-Plateau不稳定现象,继而促进卫星液滴的形成.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)017【总页数】12页(P212-223)【关键词】微流控;液滴;乳化生成;电场调控【作者】李蕾;张程宾【作者单位】东南大学能源与环境学院, 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 南京 210096;东南大学能源与环境学院, 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 南京 210096【正文语种】中文1 引言微乳液是一种连续相中包含有大量互不相溶离散微小液滴的多相体系,其在生物医药、化学化工等领域都有着重要应用[1−3],因此如何实现乳液液滴的高效可控制备一直是人们关注的焦点.自21世纪初开始快速兴起的乳液微流控制备技术[4−6]可以在微小尺度上实现对多相流体的精确操控,具有制备过程平稳可控、原料消耗少、乳液制备品质高等诸多优势,故其已成为微乳液制备领域的研究热点[7−9].常规微流控乳液制备技术通过调节制备工艺操作参数(如微流道结构、工质流量、工质物性参数等)来改变各相工质的流体力学特性,从而调控乳液乳化生成行为,获得所需的乳液制备品质[10,11].然而近些年来,生物制药[12]、细胞分选[13]、惯性约束聚变制靶[14]、微电子冷却[15,16]等前沿科技领域的发展对微流控乳液制备的调控精度与效率提出了更高要求.但常规微流控技术由于单从各相工质流体力学特性控制的角度来调控乳液乳化生成行为[17−19],其调控精度、灵活性及响应速度都有待进一步提升.为此,国内外开始寻求将其他物理场主动控制方法与常规微流控技术相结合,继而发展更为精确高效的微流控乳液制备方法.值得注意的是,与其他物理场控制方法相比,电场调控方法具有环境友好、调节精确、响应迅速等优点.因此,近年来电场主动调控手段的引入为常规微流控技术带来了新发展,电润湿[20]、电聚结[21]和电纺丝[22,23]等一系列新兴微流控技术不断涌现,如Zhai等[24]和Luo等[25]发现利用电泳技术可以有效分离稀溶液中的染料成分,并且成功地将其应用于染料废水混合物中有效成分的高效回收.这为推动微流控乳液制备方法与技术的进步提供了契机.因此,准确掌握电场对常规微流控乳液制备过程的调控机制与规律将有助于促进微流控乳液制备技术的发展.同时,多物理场耦合作用下的多相流体及相界面动力学行为机理也一直是多相流与界面科学的研究热点,因此对电场与流场耦合作用下乳液微流控乳化生成行为机理开展深入研究,还将对进一步完善多相流与界面科学基础理论具有重要的科学意义.为此,国内外研究人员通过在常规微流控乳液制备过程中施加电场主动干预,开展了电场对乳液乳化生成行为调控机理与规律的实验与理论研究.Zhang和Basaran[26]较早地通过实验研究发现,在液滴微流控制备过程中引入均匀直流电场,将会改变液滴生成过程中的相界面演化特征,进而影响到液滴的生成尺寸及单分散性.随后,Kim等[27]实验发现在流动聚焦式微流控乳液制备装置中加入直流电场调控可以快速灵活地丰富和控制乳液乳化流型.Tan等[28]则在微流控乳液制备过程中施加了交流电场调控,实验研究结果表明改变流体电导率和交流电场频率,液滴生成流型会发生滴式到喷式的转变,从而使液滴的生成品质产生相应的变化.Wang等[29]和Ju等[30]以电喷射液滴作为模板,成功制备了单分散性良好的微球,实验发现微球大小主要受到喷射流体黏性控制,而喷射流体的电导率,流量和喷射口大小则对微球单分散性有着显著影响.以上研究均通过实验证实了外加电场对微流控乳液乳化生成的有效调控作用,但这些工作却多限于对调控效果的展示及影响因素的讨论,仍缺乏对电场调控机制的深入揭示.为此,部分研究人员采用理论建模及数值模拟的方法对微流控乳液乳化生成过程的电场调控机理和规律进行了有益探索.例如,Notz 和Basaran[31]采用Galerkin有限元方法模拟研究了电场对理想导电流体在理想绝缘介质中乳化生成液滴过程的调控作用,研究较好地复现了Zhang和Basaran[26]的实验,并通过对特征时间点的两相界面曲率及界面附近轴向周向速度等关键信息的计算和分析,探索了液滴生成过程中颈部夹断的机理.Li等[32]则采用level-set方法与静电模型耦合,建立了流动聚焦装置中乳液生成过程的二维模型并进行了数值模拟,该研究分析了电场力在液滴生成过程中对相界面形貌的调控机理,并发现电场的引入还能够在一定条件下激励内流体相生成纤维状连续液丝[27].Gong等[33]采用格子玻尔兹曼伪势模型模拟了微通道内液滴生成过程,并探讨了电场强度对生成液滴尺寸的影响.可以看出,理论建模与数值模拟方法已成为揭示电场对乳液液滴乳化生成行为调控机理的一种有效工具.综上所述,虽然当前关于电场主动调控乳液微流控乳化生成过程的实验与理论研究已经取得了一定进展,但电场对乳化生成流型产生与演化的调控机制尚待深入揭示,电场参数对乳液生成品质(如乳液液滴乳化生成速率、尺寸、形变程度等)的定量影响规律仍需进一步阐明.为此,本文采用基于Cahn-Hilliard方程的相场方法(phase- field method)捕捉液-液两相流体界面,并利用静电模型(electrostatic model,EM)表征电场力作用,通过电场与多相流体流场控制方程的双向耦合,建立协流式微流控装置中乳液液滴乳化生成过程的非稳态理论模型,数值模拟研究引入电场调控对乳液乳化生成过程的影响,探讨不同流场/电场工况下液滴乳化生成速率、尺寸、形状等品质参数的变化规律,揭示电场对乳液微流控乳化生成过程中流型产生与演化特性的调控机理.2 理论模型2.1 物理模型协流式微流控乳化装置一般由两个圆柱状毛细管同轴连接而成,因此,本文建立了二维轴对称模型加以研究,其几何模型如图1所示,物理模型几何参数见表1.半径Ri、壁厚δ的内毛细管伸入半径Ro的外毛细管中,两毛细管同轴嵌套安装,内毛细管伸入外毛细管的长度为L2,外毛细管沿主流流动方向的总长度为L1.内相流体以vi的恒定速度从内毛细管中流入外毛细管内,并在速度为vo的外相流体作用下生成液滴.为了对该常规协流式微流控乳化装置中乳液乳化生成过程进行电场主动调控,在外相流体入口处施加恒定电压U0,并将流体出口处接地.这样,便在入口与出口间长度为L1的空间内形成直流电场.本研究参考水及硅油物性[34],假设内、外相工质的密度和黏度相等,即ρi= ρo=998.00 kg/m3,µi= µo=1.00×10−3Pa·s.同时,内、外相工质的相对介电常数分别为εri=2.20和εro=80.00,两相流体之间的界面张力为σ=5.00×10−4N/m.图1 物理模型示意图Fig.1.Schematic diagram of physical model.表1 物理模型几何参数Table 1.Geometry parameters of physical model.参数值Ri/µm 25.0 Ro/µm 100 L1/µm 2.00×103 L2/µm 100 δ/µm 10.02.2 数学模型本文采用有限元方法直接离散求解两相流质量与动量守恒方程表征两相流体流动,并借助耦合求解基于相场理论的Cahn-Hilliard方程追踪两相界面演化行为.与格子玻尔兹曼方法通过求解粒子速度分布函数的碰撞、迁移演化方程并求矩获得流动信息相比,该方法能够更加直观地反映密度、压力、速度等多相流动信息.并且,与传统流体体积法[8]、level set方法[32]求解人为设置的界面追踪方程来刻画相界面相比,基于相场理论的Cahn-Hilliard方程在追踪两相界面演化行为方面更具明确的物理意义.2.2.1 两相流控制方程假设两相流体均为互不相溶的不可压缩牛顿流体.同时,本文研究条件下,Re=ρovoRo/µo≤0.38.因此,装置中流体流动状态为层流.据此,两相流体的流动满足如下质量守恒方程和动量守恒方程[35]:其中v为速度,t为时间,p为压力,I为单位向量,g为重力加速度,Fst表示界面张力,Fel表示电场力.两相间界面张力由下式进行计算:式中G表示化学势,其可通过下式进行计算,其中λ为混合能量密度,α为界面厚度,两者与界面张力系数σ的关系可以表示为相界面的形变、破碎等动力学行为是微流控乳液乳化生成过程中的特征物理现象.因此,本文采用基于Cahn-Hilliard方程的相场方法来定量描述该过程中复杂的相界面行为演化.该方法通过引入相场函数ϕ来追踪流场中的两相界面信息:ϕ函数由如下Cahn-Hilliard方程求解:该方程通常分解为以下两个方程进行处理:其中γ表示迁移率,可以表示为式中χ为迁移调节系数,决定Cahn-Hilliard扩散方程中的时间尺度,可根据实际计算收敛情况、各相质量守恒性能及界面追踪精度进行调节.(8),(9)两式分别用于处理相场变量和混合能量密度,由此可以确定液液界面的位置.内、外相体积分数可以用ϕ函数表示为:由此,工质的密度、黏度和相对介电常数可以表示如下:2.2.2 电场控制方程为考虑外加电场的影响,本文采用EM表征电场力作用,并将电场力Fel作为体积力项引入到动量方程(2)的求解中,模型中电场部分满足麦克斯韦方程其中ε0为真空中的介电常数.电场强度E与电势V的关系可以表示为电场力为麦克斯韦应力张量T的梯度:2.3 边界条件与数值求解方法计算时,如图1所示计算区域的两相流体入口采用恒定流速边界条件,出口处则设为1 atm恒定压力出口条件,装置内、外毛细管内壁面均采用无滑移边界条件处理,内相流体与内毛细管壁面的接触角设定为145°.同时,外相流体入口施加恒定电压边界条件,流体出口接地,其余壁面设为零电荷边界.采用规格化网格对如图1所示的协流式微流控装置计算区域进行网格划分,模型中的控制方程采用有限元方法进行离散,利用PARDISO方法直接求解.相场方法中,界面厚度α采用2.5µm,迁移调节系数χ采用0.3 m·s/kg,从而在保证界面准确表征的同时将计算量控制在合理范围内.模拟计算开始前,采用不同的网格尺寸与计算时间步长进行网格独立性检验,以确保模拟结果与计算所采用的网格尺寸和时间步长之间无关联性.2.4 模型验证为保证计算结果真实可信,本文分别从流场、电场以及流场与电场耦合操控液/液相界面行为的不同角度来验证所建立数学模型的合理性.如图2所示,本文首先对无电场作用时流动聚焦式微流控装置中乳液液滴乳化生成行为的数值模拟与可视化实验结果[36]进行了对比.由图可知,本文数值模拟计算获得的液滴乳化形貌与实验结果取得了较好的一致性.另外,基于电绝缘假设,O’Konski和Thacher[37]提出了在均匀直流电场中液滴稳态变形参数的解析解:式中a和b分别表示变形液滴的长轴和短轴(见图3),S为两相流体相对介电常数之比;CaE=ε0εrE2R/σ,其表征了电场力与界面张力之比.目前,该解析解的正确性已经获得了广泛认可.为此,图3对比了液滴稳态变形参数解析解与数值模拟结果.由图可见,两者之间符合较好.此外,如图4所示,本文进一步将电场作用下流动聚焦式微流控装置中乳液液滴乳化生成过程的模拟数据与实验结果[27]进行了对比,并同样取得了较好的一致性.以上对比分析表明:本文所建立的理论模型在模拟流场和电场调控液-液相界面行为方面具有合理性和有效性.图2 无电场作用时流动聚焦式微流控装置中乳液液滴乳化生成过程中界面形貌的数值模拟和实验结果对比(a)µi/µo=20,Qo/Qi=20;(b)µi/µo=50,Qo/Qi=parison of numerical with experimental results of interface pro file during droplet formation in flow-focusing micro flow device without electricfield:(a)µi/µo=20,Qo/Qi=20;(b)µi/µo=50,Qo/Qi=20.图3 均匀直流电场中液滴稳态变形参数解析解[37]与数值模拟结果比较parison between analytical[37]and numerical results of droplet deformation under uniform direct electric field.图4 电场作用下流动聚焦式微流控装置中乳液液滴乳化生成过程中界面形貌的数值模拟和实验结果[27]对比(a)Qi/Qo=80/350,U0=0V;(b)Qi/Qo=80/350,U0=1000 parison of numerical with experimental results of interface pro file during droplet formation in flow-focusing micro flow device under electric field:(a)Qi/Qo=80/350,U0=0 V;(b)Qi/Qo=80/350,U0=1000 V.3 结果分析如图5和图6所示,为阐明电场对微流控装置中乳液液滴乳化生成过程的影响,本文对比研究了施加电场前后乳液液滴乳化生成特性.考虑到在本文研究工况下,Re≤0.38且We=因此惯性力在整个乳液乳化生成过程中的影响可以忽略不计,而黏性力、界面张力以及电场力则发挥了主要作用.因此除了引入上文所述的电场毛细数外,采用外相流体毛细数Ca来表征黏性力与界面张力之比:定义无量纲时间来定量表征该非稳态过程的时间演化:此外,特别定义乳液液滴乳化生成过程中内毛细管出口处内相流体颈部的无量纲最小半径最小半径处与内毛细管出口之间的无量纲距离(即颈部长度)以及液滴端部与内毛细管出口之间的无量纲距离(即液滴端部长度),用于定量描述过程中相界面行为的动态演化(见图1).同时,通过监测内、外相流体入口处平均压力pi和po来定量表征过程中压力的实时变化.3.1 无电场作用下乳液液滴乳化生成充分认识无电场作用下乳液液滴乳化生成过程是揭示电场对该过程调控机理的基础.为此,图5展示了无电场作用下Ca=0.075时协流式微流控装置中乳液液滴乳化生成全过程的相界面行为、压力场及流场的非稳态演化.如图所示,液滴乳化生成过程呈现出滴式流型,其可分为两个阶段,即生长阶段和分离阶段.在生长阶段,内相流体通道出口处形成一个半球状端部(图5(a)-(i)),并随着内相流体的持续注入而长大为“梨形”(图5(a)-(ii)).同时,在外相流体的黏性拖曳作用下,“梨形”端部不断向下游移动.在该阶段中,内相流体颈部半径最小处始终位于其通道出口处(即颈部半径最小处到通道出口的距离为0,图5(b)),并且颈部最小半径始终与通道出口处半径相等(图5(b)).随着“梨形”端部体积的增长,其界面平均曲率半径逐渐增大,使得端部界面张力引起的内、外相间的Laplace压差不断减小.因此,在外相压力变化不大的情况下,“梨形”端部内的压力随之降低,进而造成内相流体入口处平均压力pi降低(图5(b)).此外,“梨形”端部的长大导致外相流体对其产生的黏性拖曳力增大,造成作用于外相流体的反作用力也同步增强.该反作用力施力总方向与外相流体流动方向相反,可视为外相流体的一种流动阻力,故其增大可引起外相流体上游入口处平均压力po的升高(图5(b)).同时,我们注意到,在生长阶段早期,液滴端部长度变化出现了起伏,导致内外相流体入口压力产生波动.但液滴端部长度起伏变化很小,因此,压力波动范围也较小,不超过2 Pa(图5(b)).生长阶段完成后,液滴生成过程即进入分离阶段(图5(a)-(iii)),内相流体颈部半径开始快速减小,颈缩现象凸显,同时颈部位置向下游加速移动(图5(b)).随着颈缩过程的不断推进,内相流体颈部逐渐缩小成一条短液线(图5(a)-(iv)),液线周向很小的界面曲率半径产生了明显的Laplace压差,引起其内部出现了局部高压(见图5(a)-(a-1)).该高压驱动液线中的内相流体向两侧快速排出,从而在上游与内相流体来流相互撞击而形成了对称涡流(图5(a)-(iv)),并促进了液线的快速夹断,液滴随之生成.值得注意的是,颈缩过程中,颈部上游内毛细管出口处内相流体界面逐渐回缩,其平均曲率半径随之减小,造成内、外相间的Laplace压差不断升高,从而再次引起内相流体入口处平均压力pi增大(图5(b)).另外,由图5(b)可知,与生长阶段相比,分离阶段颈缩过程中的界面张力辅助颈部内相流体排液加快了“梨形”端部向下游的移动速度,缩小了外相流体与“梨形”端部间的速度差异,从而使得外相流体对端部产生的黏性拖曳力及其反作用力减小,外相流体上游入口处平均压力po随之降低(图5(b)).随着液滴的生成,内相流体端部在表面张力的作用下回缩并恢复半球形,乳液液滴乳化生成过程进入下一个周期(图5(a)-(v)).图5 无电场作用下乳液液滴乳化生成过程(Ca=0.075) (a)液滴生成过程中相界面形貌压力场与流场演化;(b)液滴生成过程中颈部最小半径颈部长度和液滴端部长度及内外相流体入口压力的实时变化Fig.5.Droplet formation process without control of electric field(Ca=0.075):(a)Evolutions of interface profile,pressure field and flow field during the droplet formation;(b)evolutions of minimum neck radius,neck length,and droplet head length as well as pressures of inner and outer fluid inlets.3.2 电场作用下乳液液滴乳化生成图6 乳液液滴乳化生成过程中局部电势及两相界面处电场力模拟结果(Ca=0.075,CaE=0.35,t*=120) (a)电势云图;(b)两相界面处电场力,紫色箭头为电场力矢量Fig.6.Simulation results of local electric potential and electric field force on interface during the droplet formationprocess(Ca=0.075,CaE=0.35,t*=120):(a)Contour of electricpotential;(b)electric field force on interface,where the purple arrow indicate electric force vectors.图7 电场作用下乳液液滴乳化生成过程(Ca=0.075,CaE=0.35) (a)液滴生成过程中相界面形貌、压力场与流场演化;(b)液滴生成过程中颈部最小半径、颈部长度和液滴端部长度及内、外相流体入口压力的实时变化Fig.7.Droplet formation process under control of electric field(Ca=0.075,CaE=0.35):(a)Evolutions of the shape of phase interface pro file,pressure field and evolution of flow field during the process of droplet formation;(b)evolutions of minimum neck radius,neck length and droplet head length as well as pressures of inner and outer fluid inlets.如图6所示,在外相流体入口处施加恒定电压并将流体出口处接地后,便在两相流体区域产生了关于协流式微流控乳化装置中心轴线对称的电场,并且其电势由流体入口处向下游逐渐减小.特别是,依据麦克斯韦静电力学理论[38],由于本研究中内相流体的相对介电常数小于外相流体,于是在两相流体界面的法线方向上便产生了指向内相流体的电场力.在电场力的作用下,乳液液滴乳化生成过程中两相界面的动态演化行为将发生改变,进而影响到液滴乳化生成流型的产生与演化以及液滴尺寸、形状、生成速率等品质参数.为此,图7与图8展示了在如图5所示工况基础上引入不同强度电场调控后,协流式微流控乳化装置中乳液液滴乳化生成全过程的相界面行为、压力场及流场的非稳态演化.由图7可知,当电场强度较小时(CaE=0.35),液滴生成过程依然呈现出滴式流型,但由于受到如图6(b)所示的电场力挤压作用,整个生成过程中内相流体界面在垂直于装置中轴线的方向上被压扁,生长阶段和分离阶段的半球状端部及“梨形”端部全部转变为椭球形(图7(a)).特别是,在分离阶段,电场力的挤压作用强化了颈缩过程,并进一步促进颈部液线处内相流体向两侧排液,从而造成液线上游产生的涡流也较无电场作用时更为明显(图7(a)-(iv)).同时,在电场力作用下,乳化生成的液滴也呈现出椭球状形貌(图7(a)-(v)).总的来看,电场的引入加速了乳液液滴的乳化生成.图8 电场作用下乳液液滴乳化生成过程(Ca=0.075,CaE=1.08) (a)液滴生成过程中相界面形貌、压力场与流场演化;(b)液滴生成过程中颈部最小半径、颈部长度和液滴端部长度及内、外相流体入口压力的实时变化Fig.8.Droplet formation process under control of electric field(Ca=0.075,CaE=1.08):(a)Evolutions of the shape of phase interface pro file,pressure field and evolution of flow field during the process of droplet formation;(b)evolutions of minimum neck radius,neck length and droplet head length as well as pressures of inner and outer fluid inlets.随着电场强度的提升,两相流体界面处电场力向中心轴线的挤压作用更加明显,乳液液滴乳化生成流型产生了新的变化,如图8所示(CaE=1.08).由图可知,电场力挤压作用增强,使液滴乳化生成过程中内相流体界面被压得更扁,颈缩过程被进一步强化.尤其是由于受到电场力的持续挤压,在分离阶段后期,内相流体颈部区域形成一条细长液线,并且颈部区域上游出现明显的内相流体回缩(图8(a)-(iii)).随着液线持续变细,其表面因Rayleigh-Plateau不稳定性而产生波动,随之液线和上游内相流体主体部分分离(图8(a)-(iv)),而后又与下游主液滴之间再次分离,继而生成一个跟随主液滴向下游流动的卫星液滴,内相流体继续回缩至内毛细管出口处,由此液滴生成进入下一周期(图8(a)-(v)).与CaE=0.35工况相比,电场强度的提升使得液滴乳化生成周期进一步缩短,生成液滴的形变程度提高.3.3 电场对乳液液滴乳化生成特性的影响为了阐明电场对乳液液滴乳化生成品质的影响规律,本研究数值模拟并统计获得了不同Ca数和CaE数组合工况下,准稳定乳化阶段液滴生成的平均尺寸及平均变形率(卫星液滴不纳入统计),如图9所示.可以看出,在Ca数不变的情况下,随着CaE数的增大,生成液滴的尺寸减小,变形率增大.由前述分析可知,这是由于电场力的增大,强化了内相流体界面沿中轴线方向向内的挤压作用,使其颈缩和断裂进程加快,进而提升了液滴生成速率.这样,根据质量守恒定律,在内相流体流量保持不变的情况下,液滴尺寸随生成速率的增大而减小.再者,由于受到界面处电场力的挤压,生成液滴的形貌也由近似球形转变为椭球型,变形率增大.另外,从图9中还可以看到,在同一CaE 数下,即界面处电场力一定时,随着Ca数的增加,液滴乳化生成过程中所受到的黏性拖曳力增强,促进了内相流体界面的颈缩和断裂,从而使生成液滴的尺寸减小,进而导致液滴表面的Laplace压差力作用增强,液滴形变受到抑制,液滴变形率降低.由前述分析可知,电场力的引入改变了常规协流式微流控装置中液滴乳化生成时相界面的动态演化行为,进而使液滴乳化生成流型产生了新的变化,即出现了伴随有卫星液滴生成的滴式流型.并且,该流型的产生与液滴乳化生成过程中黏性力、表面张力及电场力间的相互竞争密切相关.为此,采用Ca数和CaE数定量表征黏性力、表面张力及电场力间的竞争关系,并基于本文的数值模拟研究结果,图10绘制了液滴乳化生成流型图.从图中可以看出,无卫星液滴生成的滴式流型通常出现在低Ca数和低CaE数区域,而伴随有卫星液滴生成的滴式流型则出现在Ca数和CaE数较高时.如前所述,这主要是由于随着Ca数和CaE数的增大,黏性拖曳力以及电场力作用增强,使内相流体颈缩过程后期更容易形成细长型液线,从而有助于诱发液线上产生Rayleigh-Plateau不稳定现象,继而促进卫星液滴的形成.图9 不同Ca下液滴乳化生成品质随CaE的变化 (a)无量纲液滴半径;(b)液滴变形率Fig.9.Droplet formation qualities as a function of CaE under different。
澳科学家研制出“金属液滴”
澳科学家研制出“金属液滴”
佚名
【期刊名称】《《军民两用技术与产品》》
【年(卷),期】2013(000)003
【摘要】澳大利亚皇家墨尔本理工学院的科学家最新研制出一种液态金属滴，其不会溅射至四周，仍能保持像橡皮球一样的外型。
【总页数】1页(P29-29)
【正文语种】中文
【中图分类】TF124.39
【相关文献】
1.科学家研制金属液滴类似终结者机器人材料 [J],
2.美科学家将制造悬浮金属液滴揭开玻璃之谜 [J], 胡心亦（供稿）
3.澳研制新型金属液滴可切割融合能弹起 [J], 无;
4.科学家研制金属液滴类似终结者机器人材料 [J], ;
5.澳科学家研制出新细胞生长液可让伤口快速愈合 [J],
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荷电液滴吸附颗粒物过程的试验-江苏大学
ＷＡＮＧＪｕｎｆｅｎｇ，ＸＵＲｏｎｇｂｉｎ，ＺＵＯＺｉｗｅｎ，ＳＵＮＣｈｅｎｇｒｅｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅｄ ｄｒｏｐｌｅｔｓｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｒｅｍｏｖａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｏｎａｓｉｎｇｌｅｃｈａｒｇｅｄｄｒｏｐｌｅｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ．Ｕｓｉｎｇｈｉｇｈｓｐｅｅｄｃａｍｅｒａａｎｄｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｍｏｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａ ｓｉｎｇｌｅｃｈａｒｇｅｄｄｒｏｐｌｅｔｓｃａｖｅｎｇｉｎｇｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｍｏｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄａｃｔｉｏｎｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｆｏｒｃｅ，ｍａｓｓｆｏｒｃｅａｎｄｖｉｓｃｏｕｓｆｏｒｃｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｈａｒｇｅｄｄｒｏｐｌｅｔｓｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｕｎｃｈａｒｇｅｄｄｒｏｐｌｅｔｓ．Ｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｃａｎ′ｔｏｖｅｒｃｏｍｅｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎｏｆｄｒｏｐｌｅｔａｎｄｄｅｐｏｓｉｔｏｎｔｈｅｄｒｏｐｌｅｔｓｕｒｆａｃｅ．Ｗｈｅｎｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄｐａｒｔｉｃｌｅ ａｇｇｒｅｇａｔｅｓｆｌｙｔｏｃｈａｒｇｅｄｄｒｏｐｌｅｔ，ｐａｒｔｓｏｆｔｈｅｍｏｃｃｕｒｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ．Ｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ａｎｄｔｈｅｄｅｐｏｓｉｔｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎａｆｆｅｃｔｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｃｈａｒｇｅｄｄｒｏｐｌｅｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅｃｈａｒｇｅｄｄｒｏｐｌｅｔ；ｐａｒｔｉｃｌｅｓ；ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ；ｍｏｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｐｈｅ
农药静电喷雾液滴直径和荷电量的测量装置
农药静电喷雾液滴直径和荷电量的测量装置
石文茂
【期刊名称】《农业工程学报》
【年(卷),期】1993(000)004
【摘要】用正弦交变电场法测量液滴的直径和荷电量的方法是根据荷电液滴在正弦电场中受电场力、重力、空气的浮力及斯托克斯力的作用，液滴的运动轨迹是一条正弦曲线，测出正弦曲线的振幅和波长，就可能计算出液滴的直径和荷电量。
【总页数】4页(P85-88)
【作者】石文茂
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】S491
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4.两相流中气泡和液滴的直径及其分布的自动测量 [J], 高郭岳;於兵
5.液—液分散体系中液滴直径分布的测量技术 [J], 杨建宇;张学岗;李修伦
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电极位置影响荷电量的试验研究
电极位置影响荷电量的试验研究
杨超珍;叶五梅;赵伟敏
【期刊名称】《高电压技术》
【年(卷),期】2007(33)10
【摘要】为研究在感应荷电状态下环形针状电极安装位置对雾滴荷电性能影响,进行了相同的喷雾压力和液体介质的条件下,3种不同流量喷头的全因素射流荷电喷雾试验。
试验采用环径50 mm的电极,等距离选取5种安装位置,用网状目标法测量群体雾滴电流,用荷质比评价感应荷电性能,此后详细分析了荷电电压、电极安装位置及喷头流量等因素对荷电量的影响。
试验结果表明:荷电量与荷电电压成正比并随电极的安装位置前移而增大;荷电量与安装位置间存在线性关系;喷头流量对荷质比的影响较大。
最后根据试验结果提出了荷电量计算公式和相应系数的计算方法,其计算误差<5%,可用于荷电量计算和预测,为荷电效果的定量分析奠定基础。
【总页数】4页(P79-82)
【关键词】感应荷电;静电喷雾;电极;位置;喷头;射流
【作者】杨超珍;叶五梅;赵伟敏
【作者单位】宁波工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】O44;TM15
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滴状模式下液桥形成及断裂的电流体动力学特性研究
滴状模式下液桥形成及断裂的电流体动力学特性研究霍元平; 王军锋; 左子文; 刘海龙【期刊名称】《《力学学报》》【年(卷),期】2019(051)002【总页数】7页(P425-431)【关键词】荷电液滴; 液桥; 电流体动力学; 高速数码摄像【作者】霍元平; 王军锋; 左子文; 刘海龙【作者单位】江苏大学能源与动力工程学院江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TK018引言作为电流体动力学的一个重要分支，微通道静电雾化是区别于传统机械雾化的一种新型喷雾技术，带电液滴在库仑斥力的作用下削弱了液滴的表面张力，从而促使液滴易于破碎成更细小的微液滴[1].这种雾化技术凭借低能耗(毫瓦级)可获得大量粒径小、单分散性好、可控性强、沉积率高的荷电微液滴，在微/纳薄膜及颗粒制备、微型燃烧、空间微动力推进等领域应用潜能巨大[2−4].静电雾化理论的发展涉及到荷电液滴的变形及其破碎机理、静电雾化模式及其雾化特性、荷电射流不稳定性等各个方面[5−8]，如1882年Rayleigh[9]首次通过理论分析预测了球形荷电液滴的临界破碎条件(瑞利极限)，1915年Zeleny[10]通过较为系统的实验研究最早对静电雾化进行了观察与分析，确立了高电压作用下从毛细管尖端喷射出液锥的分裂破碎机制，Taylor等[11−14]理论分析结合实验测量对电场中无黏射流的稳定性进行了开拓性的研究，在小扰动近似下计算了Varicose模态和Kink模态的增长率.这一系列的研究为静电雾化机理的研究奠定了理论及数值模拟基础，建立在此基础上的研究工作使静电雾化理论的发展取得了长足的进步.值得一提的是，滴状模式下液桥的形成及演化行为是荷电微射流雾化模式研究中经常容易被忽视的一个科学问题，对液桥形成及断裂的动力学行为的深入分析是揭示射流雾化模式过渡演变规律的关键，其电流体动力学特性直接影响着静电雾化模式显微形貌的发展.Jaworek等[15]对蒸馏水、乙二醇和乙醇不同雾化模式下的射流状态进行高速摄影，单一地描述了滴状模式、微滴落模式、纺锤模式、多股射流模式等的液滴及射流形成过程，未涉及滴落机制及射流模式过渡演变的分析.文献[16]在不综合考虑液滴物性的前提下,围绕滴状模式下液滴形成过程对液线断裂及卫星液滴运动规律开展实验研究，结果表明注射流量及电场强度影响下液滴尺寸与液线形貌的变化存在映射关系，而对液桥自身的演变特征未过多关注.Lee等[17]重点研究了交流电场中液滴的形成机理及动力学问题，分析了液滴拉长和破碎两阶段的机理，并提及了电极距离和绝缘材料等影响液滴形成过程的一些关键参数.Mariano等[18]报道了高邦德数下毛细管脱落液滴形成的动力学特性及射流过渡行为，定量分析了在定流量时黏度及毛细管径对卫星液滴形成及射流演变的影响，并描述了高黏液滴液桥形貌随韦伯数的变化规律.Moloud等[19]针对牛顿与非牛顿流体，定义液滴拉伸长度、最小液桥宽度及当前接触角分析了非荷电液滴的形成过程，结果表明在液体浓度及流量的影响下非牛顿流体与牛顿流体的液桥变化存在明显差异.综上所述，液桥的形成及演变是滴状模式下液滴脱落所孪生的流体动力学行为，相关研究学者从多角度直接或间接的描述了液桥的动力学行为，然而针对静电雾化过程中滴状模式的液桥演变特征却仍存在较多的研究盲点，尤其是在综合考虑表面张力、黏度及电导率等参数情况下对液桥长度及液桥破碎顺序的探讨还缺乏相关报道.本文基于时空分辨率较高的高速摄像技术，通过精确捕捉静电雾化滴状模式下液桥形成及断裂过程的显微形貌特征，研究了不同电压下液体电导率、表面张力及黏度对液桥电流体动力学演变行为的影响，并从液桥断裂长度及断裂顺序的角度分析了滴状模式的变化及过渡演变机制，对揭示荷电微射流雾化模式演变规律及丰富静电雾化基础理论具有十分重要的意义.1 实验装置及方法图1为实验的装置示意图.实验所采用的毛细微通道内径为0.47 mm，外径0.7 mm.微流量注射泵精确控制液体流量在50µL/min，使单液滴形成稳定的发生频率；负高压静电发生器(0～20 kV)的负极与毛细微通道尖端连接，正极接板状电极(紫铜材质)并接地，构成负高压静电发生系统.板状电极放置在距毛细微通道尖端正下方1.3 cm处，组成针-板荷电形式的电场区域；关键结合部位用聚四氟乙烯材料绝缘；二维滑动导轨可以精确调节微射流在相机拍摄区域的位置，为射流捕捉区域的选取与定位提供便利.为获得亚毫秒至微秒级时间内的微射流演变过程，借助奥林巴斯公司i-SPEED 3高速摄像机(拍摄频率为2000帧/秒时图像分辨率为1280×1024)，配合型号为NAVITAR 12X的显微变焦镜头对射流雾化区域内从滴状模式到多股射流模式的射流演变行为进行显微拍摄从而进行可视化研究.拍摄光源为LED冷光源，放置在相机正对面.实验中为了防止静电累积，测量设备均应作接地处理进行保护.本实验工况均在(25±0.5)°C恒温环境中进行，室内湿度控制在30%.实验选取了生物柴油、不同浓度的氯化钠水溶液及无水乙醇等几种实验介质，如表1所示.无水乙醇和去离子水的物性方面差异性较大的是它们的表面张力，而生物柴油的黏性较大；对于不同浓度的NaCl去离子水溶液，其包括密度、表面张力、黏度等的物性参数基本相似，但电导率存在较大差异外(彼此至少存在一个数量级的差异)，因此可以通过对比分析这三种液体的射流雾化特征获取黏度、表面张力及电导率对其射流雾化界面演变及射流雾化区间的影响及作用规律.图1 荷电液滴形成的可视化实验装置Fig.1 Experimental devicefor charged droplet formation表1 试验介质的相关物性参数Table 1 Properties of the liquids used in the experimentExperimental mediumDensity/(kg·m−3)Viscosity/(mm2·s−1)Conductivity/(µS·cm−1)Surfacetensio n/(mN·m−1)Relativedielectric constant biodiesel 880 6.95 4.0×10−6 261.90 ethyl alcohol 790 1.3 0.5 21 25.7 deionized water 999 1.07 1.3 72 77.5 0.5%NaCl 1012 1.04 9.2×103 72 73.2 10%NaCl 1071 1.02 1.42×105 75 70.32 结果与讨论对于单液滴发生器来说，液滴从毛细管口脱落过程中会与管口半月面之间形成液桥，无水乙醇的液桥形成过程如图2所示.L代表临界液桥长度，它表示液桥任意一端脱落瞬间的端点到液桥边界与半月面边界的交点的垂直距离(见图3)，即图中液桥所形成锥体的高度.这个长度不仅与液体的物性如表面张力、黏度、密度等有密切关系，同时还受液体流量、毛细管径等的重要影响，这里引入相对液桥长度LR(临界液桥长度与毛细管半径之比).当液滴发生器周围存在电场时，即把负高压静电发生器的高压端与毛细微通道相连，板状电极接地，形成一个负高压荷电区域，此时在液桥的拉升过程中电场力将扮演着非常重要的角色.毛细微通道静电雾化过程中，管口半月面形貌的过渡演变是静电力与毛细管力共同作用的结果，可以通过电邦德数加以描述[20]其中，ε和σ分别代表空气的介电常数与液体的表面张力，R是毛细管半径，E(0)表示毛细管口的电场强度.对于实验中采用的针-板极形式的电场形态，毛细管口电场强度为[21]图2 无水乙醇的液桥形成过程图像Fig.2 Formation processof liquid bridgefor ethyl alcohol图3 液桥的形成示意图Fig.3 Schematic of liquid bridgeformation process其中V为毛细管口的荷电电压，H表示板电极表面到毛细管口端面的距离.结合方程(1)和(2)可知电邦德数Bo E与电压的平方成正比，且受毛细管尺寸、极间距及液体表面张力的影响，较单一的电压参数能更准确地鉴别射流模式的过渡行为，对于研究荷电液滴形成及射流转变的动力学行为特征有重要的指导意义.2.1 液桥的断裂长度不可压缩流体黏性的增强会导致临界液桥长度的显著增大，因为黏性力的增大使作用于液桥界面的阻尼干扰增强.与此同时，因液体相对表面张力的减小而导致收缩性下降，液桥长度也会有一定程度的增大.众所周知，弹簧系统中弹性系数与位移是成反比的，如果用液桥弹簧模型进行分析，黏性的增大或表面张力的减小会导致弹性系数的下降，此时类比于弹簧位移的临界液桥长度L将会增大.外加电场存在的情况下，直径为D、荷电量为q的荷电液滴，其相对表面张力将被削弱[22]其中，σ和σ0分别代表液体的相对表面张力和固有表面张力,而q是此时液滴的荷电量.当相对表面张力减小时，液滴抵抗变形的能力减弱，液滴不稳定性增强从而更容易发生变形.值得注意的是，方程(4)成立的假设条件是电荷在液滴表面是均匀分布的，实际上由于液桥的非球形特征，其表面电荷密度是非均一的，电荷主要聚集在液桥上下游两个曲率较大的断裂点处，这导致轴向(电场力方向)断裂点处的相对表面张力比液桥其余位置处削弱的更明显，意味着液桥沿轴向更容易变形，因此滴状模式下临界液桥长度L对外加电场的变化十分敏感.2.1.1 时间特征数对临界相对液桥长度的影响图4 不同实验介质的临界相对液桥长度Fig.4 Relativelengthsof different experimental media表2 不同物性液体的相关时间常数及相对液桥长度Table 2 Relative time constant and liquid length of different liquidsMedium τH/µs τc/µs L R 0 kV 1.0 kV 2.0 kV 2.7 kV biodiesel 80.00 3.5×103 1.12 1.14 1.20 1.31 ethyl alcohol 13.2 0.36 0.90 0.92 1.02 1.20 deionized water 5.20 0.40 0.67 0.69 0.78 0.90 1%NaCl 5.00 6.0×10−5 0.66 0.69 0.77 0.89 10%NaCl 4.703.7×10−6 0.64 0.68 0.74 0.87图4给出了不同电压下各种试验介质的相对液桥长度.这里引入流体动力学弛豫时间[23]τH=ηR/σ及荷电弛豫时间[24]τc=ε/4πγ来分析黏度和电导率对液桥长度的影响规律.其中ε和γ分别表示液体的介电常数及电导率，η代表液体的黏度，τc能够直接反应表面电荷沿电场力方向迁移速度的大小，而τH能够直观地反应毛细波(表面张力波)的机械变形速度.根据表1计算出5种实验介质的相关时间常数，其对应的相对液桥长度如表2所示.从表中可以看出，生物柴油、无水乙醇、去离子水、1%NaCl及10%NaCl的τH分别为80.8，13.2，5.2，5.0及4.7µs，此时对应Bo E=0时的相对液桥长度分别为1.12，0.9，0.67，0.66及0.64，这表明相对液桥长度对流体动力学弛豫时间的变化十分敏感.去离子水、1%NaCl及10%NaCl三种介质的荷电弛豫时间至少存在一个数量级的差别，然而在荷电情况下他们之间的相对液桥长度基本一致，这意味着相对液桥长度与荷电弛豫时间的变化关系不大.根据表2可以进一步发现，不同浓度的NaCl水溶液除了电导率和去离子水有较大差异之外，其他物性参数处于同一数量级.这意味着液体的电导率对相对液桥长度的变化影响微弱.此外需要注意的是，低电压工况下各实验介质液桥相对长度的变化并不明显，而在较高电压工况下相对液桥长度的增长速度加快.生物柴油和无水乙醇之间除了黏度差别较大外其他物性参数相似，而生物柴油的液桥长度总是比同等实验工况下的无水乙醇要大，这表明在液桥拉伸的过程中黏度是影响相对液桥长度的一个非常重要的参数；同时与无水乙醇相比，去离子水在其他物性参数与之相似的前提下表面张力是无水乙醇的3倍，而其相对液桥长度总比同工况的无水乙醇要小，这意味着表面张力同样对液桥拉伸的形貌特征影响显著. 2.1.2 电邦德数对相对液桥长度的影响滴状模式下随着Bo E的不断增大，母液滴脱落过程中液桥的长度及母液滴的半径r也都在发生相应的变化，图5给出了其高速数码拍摄的液桥形成过程的显微形貌.两种实验介质的液桥长度均会随着电邦德数的增大而增大，而母液滴的尺寸却都在电邦德数的增大过程中不断减小.从图中不难发现，两种实验介质的液滴脱落模式均存在突变区，当Bo E＞1.51时无水乙醇由滴状模式过渡到纺锤模式，而当Bo E ＞1.82时生物乙醇由滴状模式过渡到脉动模式.不同的是，两者突变区来临前的液桥长度存在较大差异，生物柴油突变区的液桥长度成倍增大.图6给出了两种实验介质相对液桥长度及相对母液滴尺寸随电邦德数的变化.当Bo E较小时，两种实验介质的液桥相对长度对电场强度的变化并不明显，均表现为略微增大，此时无水乙醇液桥相对长度始终小于生物柴油，此时相对于静电力，液体的毛细管力占主导地位.当Bo E较大时，生物柴油和无水乙醇的相对液桥长度随着Bo E的增大均有明显提升，这说明相对液桥长度仅对较高的电场强度变化敏感，由方程(4)可知，这是由于液滴荷电削弱了相对表面张力而导致的，此时无水乙醇的相对液桥长度要大于生物柴油的值.从图中可以看出，无论是无水乙醇还是生物柴油介质，相对液桥长度均存在突变区.对于无水乙醇，当Bo E从1.41增大到1.51时，相对液桥长度从1.5陡然升至2.25，此后从液桥形貌可以发现，滴状模式过渡到纺锤模式.同样对于生物柴油，当Bo E从1.82增大到1.88时，相对液桥长度从2.25陡然升至4.25，此后从液桥形貌可以发现，滴状模式过渡到脉动模式.这表明液桥的突变恰恰就是雾化模式过渡的信号.此外从母液滴的尺寸变化来看，随着Bo E的增大，母液滴的相对大小均在不断下降，在液桥长度微增大区间，两种介质的r/R近似线性递减，而在在液桥长度明显增大区间,两种介质的r/R呈现非线性递减特点.同时对比两种实验介质，无水乙醇母液滴的大小始终比同Bo E下的生物柴油要小.图5 不同Bo E下液桥形成过程的显微演变形貌Fig.5 Micro morphology of theliquid bridgeformation processat different Bo E图6 不同Bo E下相对液桥长度及母液滴相对大小Fig.6 Relativelengthsof theliquid bridgeand droplet radiusat different Bo E相对液桥长度是反映卫星液滴形成过程的一个非常重要的因素.在外加电场存在的情况下，液桥的表面张力随着电压的不断增大被削弱的程度也在不断增大，这导致相对液桥长度会持续增大.相对表面张力的减小会引起弹性系数的降低，使得液桥收缩形成卫星液滴后其向上的初始动量减小，最终带来的影响将是卫星液滴沿微通道轴向空间上下振幅的缩小.图7 不同Bo E下液桥的上下游相对曲率半径.介质为无水乙醇Fig.7 Relativecurvatureradiusof theliquid bridgeat different Bo E.Liquid is ethyl alcohol图8 不同Bo E下形成角的变化Fig.8 Anglechanges with theincreaseof Bo E 2.2 液桥的断裂顺序当液桥达到一个临界长度时便会从上下游末端依次断裂，而此时液桥的断裂顺序将直接影响到射流模式过渡演变的形貌特征.液桥断裂后管口半月面及母液滴可以近似为球形曲面，此时基于球形半径的曲率半径可以通过测量直接获得.这里我们引入相对曲率Z R(曲率半径与毛细管半径之比)使得曲率半径具有可参照性，液桥的破碎顺序取决于上游管口半月面及下游母液滴的相对曲率值的大小.图7给出了不同Bo E下无水乙醇的液桥上下游相对曲率值的变化情况.图中发现，当Bo E范围在0～1.40范围内时，母液滴的相对曲率半径值Z R2的测量值一直大于半月面的相对曲率半径值Z R1.由于界面的曲率更大，此时半月面管口毛细压力较母液滴的大，这导致液桥始终会在下游先断裂而后是上游与半月面夹断.然而，随着Bo E的不断增大，从微通道管口脱落的初始液滴的尺寸在不断减小.当Bo E达到1.51时，Z R2近似于Z R1，此时液桥的上下游两端几乎同时夹断；继续增大Bo E至1.56时，母液滴的Z R2值开始小于管口半月面的Z R1值，这导致液桥从上游末端先断裂而后才是下游末端断裂.这也就意味着如果Z R2＞Z R1，液桥总是从下游先断裂，这种破碎顺序的发生是基于非荷电或荷电电压较低的实验工况.当电场强度足够高时，从微通道管口脱落的母液滴尺寸开始逐渐小于管口半月面从而导致Z R2＜Z R1，此时液桥将从上游末端先发生断裂.后处理过程中我们把液桥上游末端瞬间断裂后的管口半月面锥与水平线的形成角记为α，同时把液桥下游末端瞬间断裂后的母液滴上游锥面与水平线的形成角记为β，通过图片后处理获得不同Bo E工况下的α和β值并类比Z R1和Z R2，如图8所示.对于无水乙醇，随着Bo E不断增大，α值从Bo E=0工况下的50.2°缓慢增长到Bo E=1.61时的55°；然后大不相同的是，β值却从Bo E=0工况下的17.4°迅速增长到Bo E=1.61时的62°.这期间α和β值在Bo E=1.51时有一个交叉点，α≈β=53.8°.与图5对比可以发现，α和β的数值关系直接反映着管口半月面和母液滴曲率的变化，表明形成角数值与曲率半径成反比关系.当β＜53.8°时，液桥将始终从下游末端先断裂，而一旦β＞53.8°时，液桥的断裂顺序发生突变，开始从上游末端先破裂.这与曲率比φ表达的思想是一致的，如果α＞β,Z R2＞Z R1;同样,Z R2＜Z R1如果α＜β.因此α和β值是用来评估液桥破碎顺序的一个非常重要的参数.实际上，随着Bo E的不断增大，不同物性的液体其形成角变化存在较大差异.图中对于生物柴油，当Bo E从0逐渐增大到1.69时，α值从52°缓慢增长到57°，β值从32°较快增长到46°；然而当Bo E增大到1.86时，α值将迅速增长到66°而β值依旧维持在46°附近.此时从图中可以发现，整个过程中α值均大于β值，这导致整个滴状模式区间内液桥将始终从下游末端先断裂.因此随着Bo E的不断增大，不同物性液体的射流过渡行为由于形成角变化的不确定性而存在较大差异.当前实验研究发现，对于无水乙醇液体，Bo E的增大使滴状模式首先过渡到纺锤模式，而对于生物柴油液体，滴状模式后会首先出现脉动模式而非纺锤模式，这在一定程度上映射了不同物性液体的静电雾化模式存在着差异性.3 结论(1)流体动力学弛豫时间是影响相对液桥长度一个非常重要的无量纲数，表明黏度与表面张力之比决定着液桥的断裂长度，而通过荷电弛豫时间的对比发现液体电导率对液桥长度的变化影响甚微.(2)当Bo E较小时，液桥相对长度变化并不明显，当Bo E较大时，相对液桥长度随着Bo E的增大均有明显提升.两种介质的相对液桥长度均存在突变区并伴随着雾化模式的转变，表明液桥的突变恰恰是雾化模式过渡的信号.(3)α和β值是用来评估液桥破碎顺序的重要参数，随着Bo E的不断增大，无水乙醇存在液桥断裂顺序转变的临界形成角值，进而过渡到纺锤模式；对于生物柴油，由于β值始终小于α值，液桥无法从上游半月面率先脱落，这导致当Bo E增大到某一临界值时滴状模式会过渡到脉动模式而非纺锤模式.参考文献【相关文献】1 Jaworek A,Lackowski M,Krupa A,et al.Electrostatic interaction of free EHDjets.Experimentsin Fluids,2006,40(4):568-5762 Varea A,Monereo O,Xuriguera E,et al.Electrospray as a suitable technique for manufacturing carbon-based devices.Journal of Physics D AppliedPhysics,2017,50(31):3153013刘海龙,沈学峰,王睿等.纳米流体液滴撞击壁面铺展动力学特性研究.力学学报,2018,50(5):1024-1031(Liu Hailong,Shen Xuefeng,Wang Rui,et al.Study on spreading characteristicsof nanoflu ids droplet impinging on solid surface.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2018,50(5):1024-1031(in Chinese))4郑捷庆,庄友明,张军等.高电压技术在制冷设备除霜中的应用.高电压技术,2007,33(12):97-100(Zheng Jieqing,Zhuang Youming,Zhang Jun.Application of high voltagetechnology in refrigeration equipment defrosting.High Voltage Engineering,2007,33(12):97-100(in Chinese))5甘云华，江政纬，李海鸽.锥射流模式下乙醇静电喷雾液滴速度特性分析.力学学报,2017,49(6):1272-1279(Gan Yunhua,Jiang Zhengwei,Li Haige.A study on droplet velocity of ethanol during electrospraying process at cone-jet mode.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(6):1272-1279(in Chinese))6 Dharmansh,Chokshi P.Axisymmetric instability in athinning electrifie jet.Physical Review E,2016,93(4-1):0431247李帅兵,杨睿,罗喜胜等.气流作用下同轴带电射流的不稳定性研究.力学学报,2017,49(5):997-1007(Li Shuaibing,Yang Rui,Luo Xisheng,et al.Instability study of an electrifie coaxial jet in a cofl wing gas stream.Chinese Journal of Theoretical and AppliedMechanics,2017,49(5):997-1007(in Chinese))8吕明,宁智,阎凯.可压缩旋转气体中超空化射流的热稳定性.力学学报,2018,50(3):561-569(L¨u Ming,Ning Zhi,Yan Kai.Thermal stability of supercavitating jetin acompressiblerotary gas.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2018,50(3):561-569(in Chinese)) 9 Lord Rayleigh FRS.XX.On the equilibrium of liquid conducting masses charged with electricity.Philosophical Magazine,2009,14(87):184-18610 Zeleny J.On theconditionsof instability of liquid dropswith applications to the electrical discharge from liquid point.Proc.Camb.Phil.Soc,1915,18(3):71-8311 Taylor GI,Mcewan A D.Thestability of ahorizontal flui interface in avertical electric field Journal of Fluid Mechanics,2006,22(1):1-1512 Taylor G.Studies in electrohydrodynamics.I.The circulation produced in adrop by electrical field Proceedingsof the Royal Society A,1966,291(1425):159-16613 Taylor G.Electrically driven jets.Proceedingsof the Royal Society ofLondon,1969,313(1515):453-47514 And JRM,Taylor GI.Electrohydrodynamics:A review of theroleof interfacial shearstresses.Annual Review of Fluid Mechanics,1969,1(1):111-14615 Jaworek A,Krupa A.Jet and drops formation in electrohydrodynamic spraying of liquids.A systematic approach.Experiments in Fluids,1999,27(1):43-5216 Zhang X，Basaran OA.Dynamics of drop formation from a capillary in the presence of an electric field Journal of Fluid Mechanics，1996(1)，326:239-26317 Lee BS,Cho HJ,Lee JG,et al.Drop formation via break of a liquid bridge in an ACelectric field Journal of Colloid and Interface Science，2006,302(1):294-30718 Rubio-Rubio M,Taconet P,Sevilla A.Dripping dynamicsand transitions at high Bond numbers.International Journal of Multiphase Flow,2018,104(7):206-21319 Salehi MS,Esfidan MT,Afshin H,et al.Experimental investigation and comparison of Newtonian and non-Newtonian shear-thinning drop formation.Experimental Thermal and Fluid Science,2018,94(6):148-15820 Reznik SN,Yarin AL,Theron A,et al.Transient and steady shapes of dropletsattached to asurfacein astrong electric field Journal of Fluid Mechanics,2004,516(516):349-37721 Coelho R.Properties of the tip-plane configuration Journal of Physicsd—Applied Physics,1971,4(9):1266-128022霍元平,王军锋,毛文龙等.荷电液滴脉动变形特性的实验研究.工程热物理学报,2013,34(1):99-102(Huo Yuanping,Wang Junfeng,Mao Wenlong,et al.Experimental study on oscillation and deformation of charged droplet.Journal of Engineering Thermophysics,2013,34(1):99-102(in Chinese))23 Yun O,Gjonaj E,Weiland T,et al.Electrohydrodynamic simulation of electrically controlled droplet generation.International Journal of Heat and Fluid Flow,2017,64(1):120-12824 Lopez-Herrera JM,Ga˜n´an-Calvo AM,Perez-Saborid M.Onedimensionalsimulationof thebreakup of capillary jetsof conducting liquids.Application to EHD spraying.Journal of Aerosol Science,1999,30(7):895-912。
相变微液滴的凝固和熔化特性研究
广东化工2021年第9期· 4· 第48卷总第443期相变微液滴的凝固和熔化特性研究陈润泽，陈颖*，贾莉斯，莫松平(广东工业大学材料与能源学院，广东广州510006)[摘要]储能技术是解决能量供求在时间和空间上不匹配问题，提高能源利用率的有效手段。
相变材料具有在熔化和凝固过程中吸收和释放大量潜热的特性，其形成的相变微乳液和相变胶囊悬浮液均是高效的相变储能材料。
本文围绕相变微乳液液滴的凝固和熔化特性开展研究。
实验采用先进的微流控方法制备粒径可调的正十七烷相变微液滴，结合光学显微镜与高速摄像仪显微观测相变微液滴的凝固和熔化过程，研究液滴粒径和温度对正十七烷相变微液滴凝固和熔化特性的影响。
结果显示：相变微液滴的凝固和熔化速率在小粒径下(＜400 μm)的变化明显，反而在大粒径下(＞400 μm)的变化很小；相变微液滴的凝固速率随冷却温度的下降而增大，熔化速率随加热温度的上升而增大。
[关键词]相变微液滴；凝固；熔化；液滴粒径；温度[中图分类号]TB6 [文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2021)09-0004-03Investigation on Solidification and Melting Propertiesof Phase-change MicrodropletsChen Runze, Chen Ying*, Jia Lisi, Mo Songping(School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou510006, China) Abstract: Microdroplets of n-heptadecane were prepared via the microfluidic method, and the microdroplet size was precisely controlled by adjusting the velocities of the continuous and dispersed phases. The solidification and melting processes of phase-change microdroplets were measured using the optical microscope and high speed camera. The effects of microdroplet size and ambient temperature on the phase-change properties of phase-change microdroplets were investigated detailedly. The results showed that the size played an important role in the phase-change rate of microdroplets with sizes smaller than 400 μm while had little effect on the phase-change rate when microdroplet sizes were greater than 400 μm. The effect of temperature on the solidification and melting rates of phse-change microdroplets were different, namely, the solidification rate increased as the cooling temperature decreased, whereas the melting rate increased a s the heating temperature increased.Keywords: phase-change microdroplets；solidification；melting；droplet size；temperature在现有的能源结构中，热能是最重要的能源之一。
尘埃颗粒对电接触的影响
尘埃颗粒对电接触的影响尘埃中存在大量的尘埃，而大量的尘埃颗粒是致使电接触故障的重要因素之一，因此，研究尘埃颗粒对电接触的影响对于电接触理论相当重要。
研究说明，北京西部室内的尘土颗粒中无机化合物的重量百分比达70%，无机化合物包括24 种物质，含量最高的为石英，其次为长石、方解石、云母和石膏。
己有实验得出，在外表失效触点中往往存在石膏、有机材料、云母和钛氧化物等等，它们在尘土中散布并非多，如从原始尘土样品分析结果可见石英约占被检出物相重35%，长石约为27%，方解石约为17%，云母约为15%，石膏占2%。
其中细尘粒中云母和石膏所占比例较大；细尘粒即颗粒尺寸小于1um的颗粒。
石膏主要成份为CaO约为32.5%，S03约为46.6%，H2O约为20.9%；云母主要成份有Si02，含量一般在49%左右，Al203约为30%左右。
上面针对尘埃的主要成份，各类成份的含有量进展了分析，那么尘埃颗粒那些特性会对电接触产生影响呢？又有有哪些影响呢？我在下面进展了总结。
1尘埃的物理特性对电接触的影响：尘埃的物理特性包括尘埃的硬度和尺寸等。
如石膏为长条状，莫氏硬度，性脆，在加压时极容易碎裂成粉粒状。
云母颗粒自身微观形貌为片状，莫氏硬度2-3。
颗粒的存在是对电接触是有实际影响的，主要影响是颗粒对接触电阻的影响。
颗粒影响接触电阻的主要原因是：由于它的存在，减少了机械接触面积并分担了接触压力，进而增大收缩电阻，使接触电阻升高。
另外，接触压力和外表粗糙度对电接触也是有影响的，其趋势是接触压力越大，接触电阻越小，反之亦然；外表粗糙度越大时，接触电阻越大，反之那么越小。
当尘埃硬度以不同时，在收到挤压时，尘埃颗粒的碎裂和嵌入特性不同。
当压力大时，碎裂充分，使得根底面积增大接触电阻反而小。
而且在挤压的进程中，还会影响接触面的滑腻程度，从而产生微动磨损，对接触电阻产生影响。
同时，对应于不同的接触外表形貌，存在着一个尘土颗粒的危险尺寸范围。
荷电电压、介质物性对静电雾化特征的影响
Ｍ ｓｉ ａｋ 等 在试 验研 究 中发 现 液体 的静 电雾 化 与其 本身 的密 度 、 度 、 面 张 力 、 电 常数 、 黏 表 介 电导 率 有 密切 的关 系． 了具 体研 究 介 质 物性 因素 对 静 电雾 为
算． 在大 气 中 ， 流 量 液 体 的静 电雾 化 易 发 生 卷 吸 微
现象 ， 为了保 证 法拉 第 筒 收 集 到 全 部 的雾 化 液滴 ，
将 液体雾 化模 式保 持在滴 状模 式和锥 射流模 式 ．
荷 质 比计 算公 式 ：
＝ ＝
体 的静 电雾化 研究 ， 微 流 量 条件 下 液 滴 的荷 质 比 对 进行 测 量 ， 探讨 荷 电 电压 、 质 的 物性 参 数 （ 度 、 介 黏 表 面张力 、 率 ） 电导 对荷 质 比的影 响 ， 示介 质 物 性 揭
Ｅｆｅ ｔ ｆｌｑ ｉ ｏ ｒ ｉｓ ｏ ｌ ｃ ｒ ｓ ａ ｉ ｐ ａ ｈａ ａ ｔ ｒ ｓｉｓ ｆ ｃ ｓ ｏ ｕ ｄ ｐｒ ｐｅ ｔｅ ｎ ｅｅ ｔ ｏ ｔ ｔｃ ｓ ｒ ｙ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｉ
Ｗ ｎ ｕｆｎ ，Ｗ ｎ ｅ Ｈ ｏＹ ａｐｎ Ｍａ ｅｌｎ Ｚ ａ ｇＪ ａｊａ ａ ｇ Ｊｎｅｇ ａ ｇＺ ， ｕ ｕ ｎ ｉ ｇ， ｏＷ ｎｏｇ， ｈ ｎ ｕ ｎｕ ｎ
ａ ｄ ｅｅ ｔｏ ｅ ｖ ｌａ ｅ ｏ ｌ ｃｒ ｓａ ｉ ｐ ａ ｉ ｇ ｗｅ ｅａ ａｙ ｅ ｈ ｏ ｇ ｈ ｒ ｉ ｇ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓｏ ｈ ｒ ｅ ｎ ｌｃ ｒ ｄ ｏｔ ｇ ｎ ｅｅ ｔｏ ｔｔｃ ｓ ｒ ｙｎ ｒ ｎ ｌｚ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｗｏ ｋ ｎ ａ ａ ｔｒ ｆｃ ａ ｇ —
越 大 ， 质 比随荷 电电压增 大得越 快 ， ５ ａ １ 液 与水 的 电导 率相 差 近 ２ ０倍 ， 荷 但 ％Ｎ Ｃ 溶 ０ 测得 的荷 质 比却相 差很 小 ， 明 当介质 的 电导率较 小时 ， 电 电压 对液 滴荷 质 比起 主 导作 用 ． 质 的黏 度 对 说 荷 介
磁增强电晕放电及其对颗粒荷电的研究
磁增强电晕放电及其对颗粒荷电的研究
林山杉;盛连喜;李明非;孙英浩;许德玄
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2004(019)009
【摘要】介绍磁增强电晕放电的特性及其对颗粒荷电的性能.在负电晕放电中,磁场可提高极间自由电子的能量,增加带电粒子的浓度,增大放电电流.在放电极雾化负电晕放电中,磁场可显著提高微小颗粒的凝并效能.采用永久磁铁形成放电极附近较强的非均匀磁场,比均匀磁场对负电晕放电有更好的增强效果.
【总页数】5页(P42-45,56)
【作者】林山杉;盛连喜;李明非;孙英浩;许德玄
【作者单位】东北师范大学环境科学与工程系,长春,130024;东北师范大学环境科学与工程系,长春,130024;东北师范大学环境科学与工程系,长春,130024;东北师范大学环境科学与工程系,长春,130024;东北师范大学环境科学与工程系,长
春,130024
【正文语种】中文
【中图分类】X511
【相关文献】
1.柴油机排气颗粒物电晕放电下荷电特性的研究 [J], 杜小朋;孙平;孟建;吕俊翔
2.电晕放电与电晕荷电水雾表面灭菌的初步研究 [J], 王希英
3.永久磁铁放电极电晕放电的磁增强放电特性及其对细小粉尘荷电的影响 [J], 孙
英浩;许德玄;米俊锋;张刚
4.磁增强负电晕放电特性和荷电方式研究 [J], 毕业武;秦献礼;贾凌寒
5.磁增强雾化电晕放电烟气净化器研究 [J], 米俊锋;许德玄;杜胜男;孙英浩;郝成祥因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
细颗粒物撞击荷电液滴的研究
细颗粒物撞击荷电液滴的研究左子文;王军锋;霍元平;许荣斌【期刊名称】《中国科学院研究生院学报》【年(卷),期】2017(034)002【摘要】利用设计的实验装置研究了颗粒和颗粒微团受静电力牵引撞击荷电液滴过程.研究发现:部分颗粒到达荷电液滴表面后出现撞击反弹现象,当撞击角小于85 °时,接近50％的颗粒发生反弹;颗粒微团由于结构松散在撞击荷电液滴后发生解体,大部分子颗粒被排斥反弹.部分体积较大的颗粒微团由于吸收过量空间电荷导致极性与荷电液滴一致,受库仑斥力作用在接触液滴表面以前发生逃逸.细颗粒物出现反弹、解体以及逃逸等二次飞散现象明显降低荷电液滴对细颗粒物的捕集效率.%An in-house designed device is used to investigate the behavior of fine particles impacting the pendant charged droplet by electrostatic attraction.The results show that part of the particles bounce off the droplet surface after physical contact.Nearly half of the particles rebound when their impact angles are smaller than 85°.Due to the loosestructures,particle clusters disintegrate when impacting the droplet surface,and most generated daughter particles rebound subsequently.The larger volume of particle cluster enables it to capture more free charge during its motion,which may even offset the initial polarity and result in repulsion by the charged droplet.The reentrainment caused by particle rebound and cluster disintegration or escape significantly reduces the capture efficiency of the charged droplet.【总页数】6页(P259-264)【作者】左子文;王军锋;霍元平;许荣斌【作者单位】江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013;江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013;江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013;江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TK018【相关文献】1.细颗粒物撞击荷电液滴的研究 [J], 左子文;王军锋;霍元平;许荣斌;2.荷电液滴吸附颗粒物过程的试验 [J], 王军锋;许荣斌;左子文;孙成仁3.荷电液滴撞击织物表面铺展特性的试验 [J], 王军锋;吴琦;霍元平;许荣斌4.荷电液滴吸附细颗粒物的数值模拟分析 [J], 王军锋;谢立宇;霍元平;左子文5.荷电液滴联合声波捕集颗粒物的过程和特性 [J], 刘舒昕; 骆仲泱; 鲁梦诗; 赫明春; 方梦祥; 王浩霖因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
单个微粒粒径和电荷的同时测量
单个微粒粒径和电荷的同时测量
许德玄;李祥生;等
【期刊名称】《静电》
【年(卷),期】1992(007)001
【总页数】4页(P19-22)
【作者】许德玄;李祥生;等
【作者单位】东北师范大学静电所;东北师范大学静电所
【正文语种】中文
【中图分类】O441.5
【相关文献】
1.用密立根油滴仪同时测量粉尘的粒径和荷电量 [J], 许德玄;李祥生
2.实现微粒大小和速度同时测量的激光二极管阵列三焦点激光测速仪 [J], Nakat.,N;邢清盖
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发动机冷转情况下液滴入射过程特性分析
发动机冷转情况下液滴入射过程特性分析唐杰;闫至骐;王立文;石旭东;王涛【摘要】针对航空发动机在翼清洗过程中射流雾化液滴进入风扇级的运动过程,对其在飞机进气口处的运动特性进行研究.通过航空发动机内气液两相流场以及射流的数值模拟,获得了液流运动和液滴传质传热特性.分析结果显示进入风扇级后液流速度不受喷嘴输入压力的影响;液滴的尺寸越小,经过风扇级后温度和质量损失越大,500 μm液滴的温度和质量损失很少,而50 μm液滴降温幅度大,质量损失较明显.为飞机发动机清洗系统的研发提供了理论基础.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2017(000)003【总页数】6页(P87-92)【关键词】抗空发动机;清洗;射流;液滴;运动特性【作者】唐杰;闫至骐;王立文;石旭东;王涛【作者单位】中国民航大学航空工程学院,天津300300;燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004;中国民航大学航空工程学院,天津300300;中国民航大学地面特种设备科研基地,天津300300;中国民航大学地面特种设备科研基地,天津300300;中国民航大学航空工程学院,天津300300【正文语种】中文【中图分类】TH137;TH138;O359+.1航空发动机在工作时，大气中的灰尘、悬浮颗粒物会进入发动机内部附着在进气道、压气机叶片等零部件上，随着飞机发动机工作时间的积累，气路部件表面污染物逐渐堆积，使部件表面形状发生变化，并影响发动机的性能，不利于安全飞行。
为了提升飞机发动机性能和保障飞行安全，在飞机维修手册中明确规定，在一定的飞行周期内必须对发动机进行在翼(不用拆卸)清洗[1，16-19]。
发动机清洗系统由清洗供液车及清洗射流系统两大部分组成。
清洗射流系统如图1所示，由4个喷嘴组成，其中3个扇形角度较小，只向内涵道喷射，第4个喷嘴处于中间位置，喷嘴扇形角较大，同时向内外涵道喷射。
每个喷嘴均与发动机风扇叶片形成不同的入射角度，以保证清洗液更好的进入到发动涵道内。
基于磁、电及其耦合作用的液滴表面张力研究
基于磁、电及其耦合作用的液滴表面张力研究
贾荞溪;荆德吉;邓洋波;葛少成
【期刊名称】《现代矿业》
【年(卷),期】2022(38)3
【摘要】为了进一步提高水雾降尘效率,提出一种新型联合降尘技术并确定其最佳技术参数至关重要。
采用交叉实验法,对不同磁场强度、荷电电压下的液滴表面张
力进行测量,并运用Materials Studio模拟软件对水分子进行动力学模拟,得到磁化、荷电及磁电耦合作用下液滴表面张力的变化规律。
结果表明:磁化、荷电及磁电耦
合作用均能使液滴表面张力发生变化,其改善能力的强弱为磁电耦合作用>荷电作用>磁化作用,当荷电电压为9 kV、磁场强度为300 mT时,是获得最小表面张力的最佳磁电耦合参数。
【总页数】5页(P226-230)
【作者】贾荞溪;荆德吉;邓洋波;葛少成
【作者单位】辽宁工程技术大学安全科学与工程学院;大连海事大学船舶与海洋工
程学院;太原理工大学安全与应急管理工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.基于磁液表面张力磁流体密封模型的研究
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荷电液滴特性及液滴荷电量测定方法的研究5.基于振荡气泡法测定声悬浮液滴的表面张力
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