液滴的合并与碰撞相关研究
发布时间：2020-08-24 16:23
【摘要】：液滴合并及碰撞是自然界和工业生产中各种流体动力学过程中常见的现象,研究及深化理解液滴合并及其碰撞过程,有着重要的学术意义,并具有指导相关工业生产过程的实际应用价值。近年来关于液滴合并研究的基本侧重于在外加条件下的响应,如乳液滴电致合并、液体大理石合并等,但从相对简单体系的液滴合并来深刻理解合并现象的相关研究比较少。此外,关于液滴碰撞的基本动力学以及相关扩展的研究比较多,涉及研究液滴碰撞的动力学、液滴碰撞超疏水表面后的弹跳,液体大理石的碰撞等,但对于液滴碰撞颗粒层表面相关的研究比较少。本文从实验和理论两方面探讨了在有机玻璃基底上的两个坐滴合并后液体桥的弛豫现象。发现液体桥通过两种截然不同的方法弛豫到平衡状态:阻尼振荡弛豫和欠阻尼弛豫。当粘度较低时(丙三醇水混合溶液中丙三醇的重量分数小于70%,即粘度小于24.18)(6?),阻尼振荡会出现,在这种现象中,液体桥会经历阻尼振荡过程,直到它达到稳定的形状为止。然而,如果粘滞效应变得显著(丙三醇水混合溶液中丙三醇的重量分数大于70%,即粘度大于24.18)(6?),就会发生欠阻尼弛豫。在这种情况下,液体桥在非周期衰变模式下弛豫到它的平衡态。进一步分析表明,阻尼振荡的阻尼率和振荡周期与惯性毛细时间尺度τ_((8)有关。这些实验结果也通过COMSOL Multiphysics的数值模拟得到验证。此外,本文采用高速摄像机与显微镜系统相结合的方式以透射光成像系统研究了液滴碰撞颗粒层表面,结果发现:液滴碰撞覆盖有一层或多层PMMA疏水性颗粒的载玻片表面会形成无颗粒环,随后经过一系列数据处理分析形成无颗粒环的机理。在不同的碰撞速度下,形成无颗粒环的过程和原因都不相同,根据形成原因可以分为两部分:第一种是液滴碰撞颗粒表面层后,由于最小表面能原理,在表面张力和毛细力的作用下,液滴传播边缘回缩带回一部分颗粒形成无颗粒的环;第二种是液滴碰撞后,重力势能会转化为其他耗散能以及动能,使得液滴传播边缘推动颗粒,颗粒在惯性势的作用下前进或飞溅,形成无颗粒环。另外,在我们进行实验的碰撞速度范围内(0.16m/sv2.82m/s),根据无颗粒环的宽度与碰撞速度的关系,大致可以分为三个区域:第一部分,当碰撞速度从0.16m/s变化到0.90m/s时,依靠碰撞后液滴传播边缘回缩带回一部分颗粒形成环,表现出无颗粒环的宽度随着碰撞速度的增加而呈线性关系增加;第二部分,当冲击速度从0.90m/s到1.40m/s时,环宽度基本不变,该部分无颗粒环的形成是液滴传播边缘液体回缩带回一部分颗粒和液滴传播边缘推动颗粒前进和飞溅的共同作用形成;第三部分,碰撞速度范围从1.40m/s到2.26m/s时,无颗粒环的宽度随碰撞速度线性增加,但在碰撞速度大于2.26m/s后,环宽度基本保持不变,该环宽仅依靠液滴传播边缘推动颗粒形成。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O351.2
【图文】：
分布会受到碰撞的结果（合并、反弹或者飞溅）的影响，从而对随后的过程产生很大影响，所以研究者早期主要关注最终结果以及其决定因素来对液滴碰撞进行研究。再比如内燃机、发动机中的喷雾燃烧过程[37]，食品、化妆品等加工制造业中的乳液聚合形成过程[38, 39]，化工工程中的各种液液萃取过程[40, 41]，日常生活垃圾处理和碳氢化合物发酵过程等等。此外，还有喷墨液滴等，从电子元件的焊接到生物技术的微滴阵列形成，喷墨液滴的研究结果在制造和技术开发过程中的作用越来越大。1.2 液滴合并相关的研究综述如前文所述，液滴合并对许多工业生产制造过程都十分关键，吸引着众多研究者的研究兴趣，但对于合并现象的深刻理解仍旧比较缺乏。而对于液滴合并，根据两种液体是否相同又可以分为两类：同种类液滴合并和不同种类液滴合并。下面将分别进行阐述。1.2.1 不同种类液滴的合并
同粘度值与表面张力差值的合并行为相图。描绘了液滴表面张力的差异与液。每一对符号的上端点表示延迟合并的表面张力差值最小值 Δγ，相应的下导致了快速的合并的最大表面张力差值 Δγ。hase diagram of the coalescence behavior in the surface tension difference vs viscifference in surface tensionΔγ of the droplets is plotted as a function of the viscosifilled droplet. The upper point of each pair indicates the minimumΔγ for which dence was observed. The respective lower point represents the maximum Δγ, which fast coalescence.[42]细现象总是使得两个相互靠近的液滴倾向于合并。尽管如此，两个同，不同种类但完全混溶的液滴通常不会在接触后瞬间融合，而是观察到不合并阶段。Stefan Karpitschka 及其研究团队[42, 43]利用实验部和侧面观察了不同但完全互溶液体坐滴的合并过程，如图 1.1 所示不同的非挥发性二醇与碳酸的水混合物组成，表面张力从 33mN/m~在 9°~20°之间，粘度范围为 1cP~12cP。分析给出了这些液滴合并行
重庆大学硕士学位论文 1 绪 论5图1.4 草酸过量的情况下，通过原理图、俯视图图像(OM)和SEM图像展示在液滴合并过程中的沉淀物析出分布。过量浓度在 η M之间的，析出形成了不同聚集形态和大小的条纹图案。在所有情况下，草酸浓度固定在1.1M，粘度为
本文编号：2802689
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O351.2
【图文】：
分布会受到碰撞的结果（合并、反弹或者飞溅）的影响，从而对随后的过程产生很大影响，所以研究者早期主要关注最终结果以及其决定因素来对液滴碰撞进行研究。再比如内燃机、发动机中的喷雾燃烧过程[37]，食品、化妆品等加工制造业中的乳液聚合形成过程[38, 39]，化工工程中的各种液液萃取过程[40, 41]，日常生活垃圾处理和碳氢化合物发酵过程等等。此外，还有喷墨液滴等，从电子元件的焊接到生物技术的微滴阵列形成，喷墨液滴的研究结果在制造和技术开发过程中的作用越来越大。1.2 液滴合并相关的研究综述如前文所述，液滴合并对许多工业生产制造过程都十分关键，吸引着众多研究者的研究兴趣，但对于合并现象的深刻理解仍旧比较缺乏。而对于液滴合并，根据两种液体是否相同又可以分为两类：同种类液滴合并和不同种类液滴合并。下面将分别进行阐述。1.2.1 不同种类液滴的合并
同粘度值与表面张力差值的合并行为相图。描绘了液滴表面张力的差异与液。每一对符号的上端点表示延迟合并的表面张力差值最小值 Δγ，相应的下导致了快速的合并的最大表面张力差值 Δγ。hase diagram of the coalescence behavior in the surface tension difference vs viscifference in surface tensionΔγ of the droplets is plotted as a function of the viscosifilled droplet. The upper point of each pair indicates the minimumΔγ for which dence was observed. The respective lower point represents the maximum Δγ, which fast coalescence.[42]细现象总是使得两个相互靠近的液滴倾向于合并。尽管如此，两个同，不同种类但完全混溶的液滴通常不会在接触后瞬间融合，而是观察到不合并阶段。Stefan Karpitschka 及其研究团队[42, 43]利用实验部和侧面观察了不同但完全互溶液体坐滴的合并过程，如图 1.1 所示不同的非挥发性二醇与碳酸的水混合物组成，表面张力从 33mN/m~在 9°~20°之间，粘度范围为 1cP~12cP。分析给出了这些液滴合并行
重庆大学硕士学位论文 1 绪 论5图1.4 草酸过量的情况下，通过原理图、俯视图图像(OM)和SEM图像展示在液滴合并过程中的沉淀物析出分布。过量浓度在 η M之间的，析出形成了不同聚集形态和大小的条纹图案。在所有情况下，草酸浓度固定在1.1M，粘度为
本文编号：2802689
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