电场作用下无黏聚焦射流的时间不稳定性研究

基于电场作用下的流动聚焦实验建立了简化的理论模型,开展了带电同轴液气射流的时间不稳定性分析.在无黏假设下,得到了扰动在时间域内发展演化的解析形式的色散关系,分析了主要控制参数对不稳定模态的影响.结果表明,只有轴对称扰动和第一类非轴对称扰动在时间域内是增长的;液气界面的表面张力对轴对称扰动有着双重影响而对非轴对称扰动起抑制作用;外层气体的流速以及密度的增加均能促进射流的失稳.这些结论与实验结果是定性一致的.结果也表明,在不考虑初始界面电荷密度时,单一的轴向电场能抑制射流的失稳.     

流动聚焦及射流不稳定性

流动聚焦是一种有效的微细射流产生方法,其原理可以描述为从毛细管流出的流体由另一种高速运动的流体驱动,经小孔聚焦后形成稳定的锥–射流结构,射流因不稳定性破碎成单分散的液滴.自从1998年流动聚焦被提出以来,陆续发展了单轴流动聚焦、电流动聚焦、复合流动聚焦和微流控流动聚焦等毛细流动技术.这些技术稳定、易操作、没有苛刻的环境条件的要求,能够制备单分散性较好的微纳米量级的液滴、颗粒和胶囊,在科学研究和实际应用中具有重要价值.流动聚焦涉及了多尺度、多界面和多场耦合的复杂流体力学问题,其中稳定的锥形是形成稳定射流的先决条件,过程参数是影响射流界面扰动发展的关键因素,而射流不稳定性分析是揭示射流破碎的最主要理论工具.该文回顾了近二十年来不同结构流动聚焦的研究进展,概述这些技术涉及的过程控制、流动模式、尺度律和不稳定性分析等关键力学问题,总结射流不稳定性的研究方法和已取得的成果,最后展望流动聚焦的研究方向和应用前景.     

同轴流动聚焦中射流不稳定性的理论研究

壳核结构的微胶囊在医学药学材料食品农业等领域具有广泛的应用前景, 其制备方法一直是相关领域关注的焦点.同轴流动聚焦(co-flow focusing)是一种新型制备技术, 利用复合射流的破碎制备微胶囊具有包裹率高过程量化可控参数域广产率高等诸多优势.在实验中, 复合射流的破碎受到多个过程参数的影响, 并涉及了多层界面的耦合效应.利用简化的物理模型, 在时间和时空域中分析了三相水-油-水复合射流不稳定性的发展和演化.在黏性流体线性稳定性理论中, 同轴射流和驱动液体的基本速度型分别基于管流和误差函数构造, 并通过数值方法求解满足相应边界条件下的线化小扰动控制方程.结果表明:增加内外层界面的界面张力均有利于射流的破碎; 流体的黏性对同轴射流的稳定性均有着促进作用; 越大的黏性越小的内界面张力对应着越大的射流破碎波长; 内外界面的耦合作用以及复合液滴的包裹情况均与内外射流的半径比息息相关; 绝对-对流不稳定性转换的临界Weber数随Reynolds数内层界面张力的增大而增大, 随内层和驱动流体的黏性增大而减小.这些结果将有助于提高液体驱动下同轴流动聚焦技术的过程控制, 为实际应用提供理论指导.      

电场作用下流动聚焦的实验研究

通过在流动聚焦的同轴液-气射流区域施加电场, 开展了电场力和气动力共同作用下锥形以及带电 射流的不稳定性特性实验研究. 实验在精密设计的流动聚焦装置上完成, 分析了外部电压、 气体压力降和液体流量等主要控制参数对流动聚焦过程的影响, 获得了锥形的振动模式和稳 定模式及其之间的转换, 得到了射流的滴模式、轴对称模式、共存模式和非轴对称模式及其 转换并定量分析了电场对射流尺寸参数的影响. 结果表明, 相比于单一的流动聚焦, 该方法 能够增强锥形的稳定性, 促进液体射流雾化, 减小颗粒的直径, 因此在科技领域和工程实际 中具有重要的应用价值.     

电流动聚焦中非牛顿流体射流影响因素的实验研究

在一套流动聚焦装置上加载高压直流电场形成电流动聚焦,并开展了非牛顿流体带电射流的不稳定性特性实验研究。实验在自行设计的装置系统上完成,获得了电流动聚焦中非牛顿流体射流的流动状态,考察了不同控制参数下射流形态的变化。结果表明,由于非牛顿流体具有粘弹性,与牛顿流体相比,非牛顿流体带电射流体现了更复杂的流动特点。这些实验结果为我们理解复杂条件下非牛顿流体射流的流动机理提供了参考,也有助于深入的实验分析和理论研究奠定了基础。