流動聚焦中帶電同軸射流的不穩定性研究

《流動聚焦中帶電同軸射流的不穩定性研究》是依託中國科學技術大學，由司廷擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：流動聚焦中帶電同軸射流的不穩定性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：司廷
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

本申請採用流動聚焦、電霧化、電紡絲三種技術相結合的方法，在流動聚焦的同軸射流區域施加電場作用，通過實驗和數值分析研究在電場力和慣性力耦合下帶電同軸射流的不穩定性行為。一方面採用顯微鏡結合CCD、立體攝影等技術採集高速運動射流的清晰圖像和定量數據；另一方面利用數值方法研究同軸射流的時間不穩定性以及時空和空間演化特性。通過本項目研究，獲取不同實驗條件和物性參數下牛頓流體和非牛頓流體帶電同軸射流的直徑、速度、擾動發展和失穩模態，獲得流動模式及其工作區域，並得到滴模態和射流模態、軸對稱模態和非軸對稱模態之間相互轉變的主要影響因素，為實際套用提供理論指導。與單一的流動聚焦、電霧化或電紡絲相比，該方法在製備微納米尺度的液滴、顆粒和纖維方面更有優勢，有望使霧化更穩定，可套用的參數範圍更廣，製備的產物直徑更小，因而具有重大的套用前景。

結題摘要

本項目開展了在電場作用下的流動聚焦中同軸射流不穩定性的實驗和理論研究。首先，設計加工了多種電場作用下的流動聚焦裝置，達到了易於操作、易於控制、易於觀察的實驗目的。一方面加工了吹氣式的核心裝置，利用高壓氣體進行驅動，並將電場施加在針頭和接收電極之間；另一方面加工了吸氣式的核心裝置，利用負壓抽吸氣體進行驅動，將電場施加在針頭和小孔所在金屬平板之間。同時，我們不僅加工了單軸流動聚焦針頭，還利用雷射焊接方法解決了同軸及多軸針頭的加工難題，成功得到了多層錐-射流結構的形成方法。其次，搭建了流場顯示和測試的實驗平台，並配置了流體物理屬性參數的測試設備，獲得了多種試劑的物性參數資料庫，成功實現了錐形和射流運動圖像的清晰拍攝，獲取了射流直徑、速度、擾動發展、優勢模態轉換等定量數據。再次，系統開展了電場作用下流動聚焦的實驗研究，考慮了牛頓流體和非牛頓流體兩種材料，並分析了主要控制條件和物性參數的影響規律。在實驗中，流動聚焦裝置的幾何參數對錐形的穩定性有重要影響，液體流量、氣體壓力差、電壓等過程參數對帶電射流的不穩定性起決定作用。而流體的表面張力係數、粘性以及非牛頓流體的粘彈性等對帶電射流的形態也有重要影響。本項目獲得了牛頓流體和非牛頓流體帶電射流的流動模態及其工作區域，並分析了模態之間轉換的主要影響因素。最後，通過理論分析方法推導了電場作用下流動聚焦的基本電場分布，建立了近似的基本速度型，並開展了有粘和無粘帶電射流的不穩定性分析，取得了和實驗一致的結果。在無粘穩定性分析中，採用均勻速度型和電場，獲得了解析的色散關係；在有粘穩定性分析中，採用與實驗近似吻合的速度型和電場分布，採用數值方法求解廣義特徵值問題。當考慮非牛頓流體時，採用近似的本構關係和物理模型進行分析。總之，該項目按計畫完成了預定內容，研究成果將有助於凝聚研究方向，形成較好的人才隊伍。通過本項目研究，揭示了電場作用下帶電同軸射流運動和破碎的物理規律及內在機理，為流動聚焦、電霧化、電紡絲及其結合技術的實際套用提供了重要的指導。