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电场作用下平板液环的动力学特性研究

电场作用下平板液环的动力学特性研究

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作者：覃诗怡桂林电子科技大学

学位级别：硕士

环面结构在食品加工,工业制造,生物医学,3D打印技术等领域都具有很广泛的应用价值。但环面结构因Rayleigh-Plateau不稳定性导致其形貌变得难以维持,从而影响环面结构的工程应用。本课题以在外电场作用力下固体基底上3D打印环面结构技术... 详细信息

环面结构在食品加工,工业制造,生物医学,3D打印技术等领域都具有很广泛的应用价值。但环面结构因Rayleigh-Plateau不稳定性导致其形貌变得难以维持,从而影响环面结构的工程应用。本课题以在外电场作用力下固体基底上3D打印环面结构技术出现的关键科学问题为背景,从物理机制上研究电场力作用下固体基底上的环形液滴流动稳定性和非线性化演变规律,对揭示平板液环的成环机理和外电场力作用下的破碎机理具有重要的科学研究价值。在理论分析方面,根据平板液环的成环时间和破碎时间,推导了成环与转速的关联式,分析了液环体积量与长径比、接触角之间的关系。在环宽a0、长径比R0/a0确定的情况下,液环体积随着接触角θ的增加而增加,在环宽a0、θ确定的情况下,液环体积与长径比成正比,且接触角越大,斜率越大。从液环的受力方面分析了电场作用下平板液环的断裂机制,液环受到电应力、重力、剪切应力、摩擦力等,电应力达到一定值时,液环会发生膨胀。在数值模拟方面,利用COMSOL Multiphysics中的流体流动模块对实验进行模拟,通过Level-set法来捕捉流体与空气接触的界面,采用三维瞬态模型研究液滴在平板上的演化过程。数值模拟长径比、表面张力、黏度、液体与固体基底的最终接触角对液环演化造成的影响。数值结果表明:上述参数会改变从初始状态到最终状态的时间,且表面张力对液环的演化起到促进作用,而黏度起到抑制的作用。在实验研究方面,搭建了一套能够在固体基底上制备环形液滴,并且施加电场的实验装置。利用不同质量分数的PVA、NaCl、吐温20配置溶液作为实验工质,对受到电压值0V、3000 V、6000 V的不同初始长径比的液环进行分析,对增长速率最快的不稳定模式所对应的长径比进行正比例函数拟合,得到斜率分别为0.6、0.7、0.74,电压值越大得到的斜率越大。探讨了在4000 V电压作用下同一长径比,溶液不同电导率、表面张力、黏度对液环破碎的影响以及同一长径比下电压值对环形液滴的影响。实验结果表明,溶液的电导率、表面张力促进液环的分裂,而黏度抑制液环的分裂,且电场力越大液环膨胀得越明显,趋向破碎成更多的球形液滴。

关键词：平板液环 Rayleigh-Plateau 外加电场液环破碎粘性力

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