電場作用下同軸流動聚焦的複合射流不穩定性特性研究

《電場作用下同軸流動聚焦的複合射流不穩定性特性研究》是依託中國科學技術大學，由司廷擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：電場作用下同軸流動聚焦的複合射流不穩定性特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：司廷
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

本申請提出將同軸結構的流動聚焦、電霧化和電紡絲三種技術相結合的方法，在同軸流動聚焦的複合錐形和射流區域施加電場作用，採用先進的顯微系統結合高速攝影機和雷射切片流場顯示技術，獲得高速運動複合氣-液射流的清晰圖像和定量數據，並利用理論分析方法研究在多相流和多場耦合條件下帶電複合射流的不穩定性特性，力求獲得電場作用下同軸流動聚焦的物理規律和力學機理。通過本項目研究，建立複雜條件下同軸結構毛細流動的實驗研究平台，獲取不同控制參數下牛頓流體和非牛頓流體帶電複合射流的直徑、速度、擾動發展和失穩模態，得到流動模式及其參數域，並給出優勢模態之間相互轉變的主要影響因素和規律，為實際套用提供理論指導。與單一的同軸技術相比，該方法在製備微納米尺度的膠囊和複合纖維方面更有優勢，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，因此具有重要而廣泛的套用前景。

結題摘要

具有殼核結構的微納米液滴和膠囊在科學研究和工程實踐中具有重要的套用前景。本項目組結合流動聚焦、電霧化和電紡絲技術的優勢，提出了同軸流動聚焦、同軸電流動聚焦等主動控制的製備方法，可有效控制和調節產物的形貌、尺寸、結構、分散性甚至功能，並系統開展了深入的實驗和理論研究工作，在過程控制、流動模態、尺度律和不穩定性機理等方面取得了系列創新研究成果。首先，自行設計加工了新穎的複合針頭和核心裝置，搭建了可靠的實驗測試平台，實現了複合錐形和複合射流的可控生成和流場診斷。獲得了錐形、射流以及製備產物的清晰圖像和微觀結構，得到了不同流動模態及其工作域，發現了單核及多核微膠囊的形成條件，建立了產物粒徑和控制參數之間的尺度律關係。其次，提出了包含有粘、有電場、非均勻基本流、同軸結構或非軸對稱擾動等複合射流的不同物理模型，建立了氣驅和液驅同軸射流和帶電射流的不穩定性理論分析方法，得到了射流失穩的主要無量綱參數和對應的臨界值，闡明了慣性力、電場力、表面張力、粘性力等不同作用力的競爭機制。最後，給出了電場力和慣性力共同作用下界面發展和失穩的主要影響因素和演變趨勢，闡明了電場強度和表面電荷分布對錐形和射流穩定性的作用機制，得到了最不穩定擾動的波長、絕對/對流不穩定性以及軸對稱/非軸對稱不穩定性的轉換邊界，獲得的理論預測與實驗結果一致。受本項目資助，已申請了多項國家專利，正式發表16篇重要國際期刊SCI論文，包括Physics of Fluids、Applied Physics Letters、Lab on a Chip、Microfluidics and Nanofluidics等，受邀在《力學進展》發表長篇綜述論文，多次受邀在國際和國內學術會議上做口頭報告。項目負責人司廷於2017年獲得國家基金委優秀青年科學基金資助，近年來也凝鍊了研究方向，拓展了研究內容，並取得了突出研究進展，具有一定的國際影響力。