电场强度对液滴撞击产生喷射行为的影响
发布时间：2021-12-22 03:17
对液滴在电场作用下的撞击及喷射行为的研究是静电喷雾冷却、原油脱水以及表面喷涂、微流控芯片等领域的重要研究内容。通过可视化实验观察了液滴在垂直电场下的撞击、喷射及反弹等运动行为。实验发现,液滴撞击具有超疏水性质的下极板表面上产生的喷射行为会随着场强的升高出现三种不同的模式,第一种模式,液滴撞击壁面后只会分裂一个或两个子液滴,分裂的子液滴体积较大,第二种模式,液滴撞击壁面后会分裂较多的子液滴,子液滴体积较小,第三种模式,液滴撞击壁面后,随着液滴的拉伸,液体截面积急剧缩小,液柱变得细长,最终会呈现出丝状的分裂,在三种模式中,电场力、液滴表面张力、液滴自身重力、库伦斥力和惯性力间的相互影响和耦合作用是出现三种模式的重要原因。
【文章来源】：工程热物理学报. 2019,40(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
图２超疏水表面ＳＥＭ图（标尺５０?ｐｍ）??Ｆｉｇ．?２?ＳＥＭ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ?ｗａｌｌ?ｓｕｒｆａｃｅ??（ｓｃａｌｅ?ｂａｒ?５０?（ｉｍ）??
为。高压静电发生器与??下极板相连，上极板和针管均作接地处理，可以有??效地降低上极板与针管之间的电势差，消除滴入液??滴的感应荷电量，确保中性液滴进入板间电常实??验中，利用注射泵定量滴取直径约为（３．１±０．１）?ｍｍ??的液滴，为详细记录液滴在电场下的整个撞击过程，??借助一台高速摄影仪（拍摄频率为２０００帧／秒）对液??滴撞击后的喷射过程及反弹行为进行拍摄记录，整??个实验过程均在室温环境下进行。实验中为了防止??静电累积，测量设备均作接地处理进行保护。实验??系统如图１所示。??图１可视化实验系统图??Ｆｉｇ．?１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｓｙｓｔｅｍ??实验中，下极板表面为超疏水表面，其超疏水??表面制备方法如下：利用激光束对光滑铝表面进行??规则刻蚀（单激光束功率５?Ｗ，刻蚀深度５（Ｕ〇ｎ），将??刻蚀后的铝表面浸入丙酮溶液进行超声波震荡洗涤??２０?ｍｉｎ，再用去离子水对其表面进行冲洗，并置于真??空干燥箱（７０°Ｃ）进行烘干５?ｈ。最终，将干燥后的铝??表面浸泡在体积分数为１％十七氟癸基三乙氧基硅烷??（Ｃｌｆ；Ｈ１９Ｆ１７０３Ｓｉ）的甲醇溶液中，并置于石墨加热板??上进行恒温（７０°Ｃ）加热１?ｈ，对铝表面进行低表面??能修饰。最终，获得的超疏水表面的液滴静态接触??角可达到１６０°，超疏水效果良好，其表面微观形貌??的ＳＥＭ图如图２所示。??图２超疏水表面ＳＥＭ图（标尺５０?ｐｍ）??Ｆｉｇ．?２?ＳＥＭ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ?ｗａｌｌ?ｓｕｒｆａｃｅ??（ｓｃａｌｅ?ｂａｒ?５０?（ｉｍ）??２实验结果及讨论
１２期??田野等：电场强度对液滴撞击产生喷射行为的影响??２８５１??现出丝状的分裂，如图４（ｃ）。??图３液滴在４?ｋＶ／ｃｍ场强下的高度变化??Ｆｉｇ．?３?Ｔｈｅ?ｄｒｏｐｌｅｔ?ｈｅｉｇｈｔ?ｖａｒｉａｔｉｏｎ?ｕｎｄｅｒ?４?ｋＶ／ｃｍ??ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｆｉｅｌｄ??图４三种液滴的喷射模式（标尺２?ｍｍ）??Ｆｉｇ．?４?Ｔｈｅ?ｔｈｒｅｅ?ｍｏｄｅｓ?ｆｏｒ?ｄｒｏｐｌｅｔ?ｅｊｅｃｔｉｏｎ?ｕｎｄｅｒ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ??ａｐｐｌｉｅｄ?ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｆｉｅｌｄ?（ｓｃａｌｅ?ｂａｒ?２?ｍｍ）??为了更好的明晰电场对液滴喷射的影响规律，??现定义当液滴处于有无电场中，达到临界喷射状态??时，其顶点距离下极板的距离分别为払和此０．??图５给出了?／／Ｓ／Ｈｓ０随场强的变化关系，模式１??下，私／Ｆｓｎ稍稍大于１，液滴拉伸髙度并无明显增??长，此时由千场强较小，电场力对液滴的拉伸作用??尚不显著，惯性力在液滴拉伸中起主导作用。模式??２下，液滴的拉伸高度显著增大，静电场对液滴的拉??伸作用愈发明显。模式３下，液滴拉伸高度达到最??大，约为无电场下的拉伸高度的２．５倍，且随着场强??的增大，风／私〇基本保持不变。一方面，液滴撞击??在带有电荷的铝表面上，会发生接触荷电，因此会??在液滴表面形成净电荷，而由于电荷间的相互排斥??作用，使得液滴表面张力降低，在一定程度上会促??进液滴的拉伸另一方面，在垂直电场中，液滴??会受到沿表面切向的电场力，该切向电场力可以显??著地加速界面处流体的流动１１Ｑ１，因此随着液滴的拉??伸，液体截面积会减小，液柱会变得细长，但这会导??致液柱表面电荷密度增
本文编号：3545657
【文章来源】：工程热物理学报. 2019,40(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
图２超疏水表面ＳＥＭ图（标尺５０?ｐｍ）??Ｆｉｇ．?２?ＳＥＭ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ?ｗａｌｌ?ｓｕｒｆａｃｅ??（ｓｃａｌｅ?ｂａｒ?５０?（ｉｍ）??
为。高压静电发生器与??下极板相连，上极板和针管均作接地处理，可以有??效地降低上极板与针管之间的电势差，消除滴入液??滴的感应荷电量，确保中性液滴进入板间电常实??验中，利用注射泵定量滴取直径约为（３．１±０．１）?ｍｍ??的液滴，为详细记录液滴在电场下的整个撞击过程，??借助一台高速摄影仪（拍摄频率为２０００帧／秒）对液??滴撞击后的喷射过程及反弹行为进行拍摄记录，整??个实验过程均在室温环境下进行。实验中为了防止??静电累积，测量设备均作接地处理进行保护。实验??系统如图１所示。??图１可视化实验系统图??Ｆｉｇ．?１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｓｙｓｔｅｍ??实验中，下极板表面为超疏水表面，其超疏水??表面制备方法如下：利用激光束对光滑铝表面进行??规则刻蚀（单激光束功率５?Ｗ，刻蚀深度５（Ｕ〇ｎ），将??刻蚀后的铝表面浸入丙酮溶液进行超声波震荡洗涤??２０?ｍｉｎ，再用去离子水对其表面进行冲洗，并置于真??空干燥箱（７０°Ｃ）进行烘干５?ｈ。最终，将干燥后的铝??表面浸泡在体积分数为１％十七氟癸基三乙氧基硅烷??（Ｃｌｆ；Ｈ１９Ｆ１７０３Ｓｉ）的甲醇溶液中，并置于石墨加热板??上进行恒温（７０°Ｃ）加热１?ｈ，对铝表面进行低表面??能修饰。最终，获得的超疏水表面的液滴静态接触??角可达到１６０°，超疏水效果良好，其表面微观形貌??的ＳＥＭ图如图２所示。??图２超疏水表面ＳＥＭ图（标尺５０?ｐｍ）??Ｆｉｇ．?２?ＳＥＭ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ?ｗａｌｌ?ｓｕｒｆａｃｅ??（ｓｃａｌｅ?ｂａｒ?５０?（ｉｍ）??２实验结果及讨论
１２期??田野等：电场强度对液滴撞击产生喷射行为的影响??２８５１??现出丝状的分裂，如图４（ｃ）。??图３液滴在４?ｋＶ／ｃｍ场强下的高度变化??Ｆｉｇ．?３?Ｔｈｅ?ｄｒｏｐｌｅｔ?ｈｅｉｇｈｔ?ｖａｒｉａｔｉｏｎ?ｕｎｄｅｒ?４?ｋＶ／ｃｍ??ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｆｉｅｌｄ??图４三种液滴的喷射模式（标尺２?ｍｍ）??Ｆｉｇ．?４?Ｔｈｅ?ｔｈｒｅｅ?ｍｏｄｅｓ?ｆｏｒ?ｄｒｏｐｌｅｔ?ｅｊｅｃｔｉｏｎ?ｕｎｄｅｒ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ??ａｐｐｌｉｅｄ?ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｆｉｅｌｄ?（ｓｃａｌｅ?ｂａｒ?２?ｍｍ）??为了更好的明晰电场对液滴喷射的影响规律，??现定义当液滴处于有无电场中，达到临界喷射状态??时，其顶点距离下极板的距离分别为払和此０．??图５给出了?／／Ｓ／Ｈｓ０随场强的变化关系，模式１??下，私／Ｆｓｎ稍稍大于１，液滴拉伸髙度并无明显增??长，此时由千场强较小，电场力对液滴的拉伸作用??尚不显著，惯性力在液滴拉伸中起主导作用。模式??２下，液滴的拉伸高度显著增大，静电场对液滴的拉??伸作用愈发明显。模式３下，液滴拉伸高度达到最??大，约为无电场下的拉伸高度的２．５倍，且随着场强??的增大，风／私〇基本保持不变。一方面，液滴撞击??在带有电荷的铝表面上，会发生接触荷电，因此会??在液滴表面形成净电荷，而由于电荷间的相互排斥??作用，使得液滴表面张力降低，在一定程度上会促??进液滴的拉伸另一方面，在垂直电场中，液滴??会受到沿表面切向的电场力，该切向电场力可以显??著地加速界面处流体的流动１１Ｑ１，因此随着液滴的拉??伸，液体截面积会减小，液柱会变得细长，但这会导??致液柱表面电荷密度增
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