牛顿流体液滴成形特性的实验和数值研究

发布时间：2020-04-16 04:24

【摘要】：液滴成形在自然界是很正常的现象,且其广泛应用于科学研究、工业生产等领域,例如液体萃取、生物医学、喷墨打印、内燃机等,因此其研究具有十分重要的实际意义。由于液滴形成和下落过程有着复杂且细微的形态变化,致使其研究过程存在一定的困难。为了深入了解液滴成形过程的细微变化和研究粘度、流速等因素对其成形的影响,本文以丙三醇溶液为研究对象,通过实验和数值模拟相结合的方法研究其过程。搭建实验平台,结合高速摄影系统对不同流速和不同粘度的液滴形成过程的形态演化进行拍摄,得到液滴形成和下落的时间序列图片,研究了流速和粘度对液滴形成的影响。通过采用VOF方法和几何重构方法(geometric reconstruction)捕捉液滴成形的界面,分析液滴内部速度矢量和压力的分布及下落振荡的情况,得到如下结果:(1)通过数值模拟方法分析低流量毛细管末端液滴成形过程,并与实验对比,验证了数值模拟的可行性,并将液滴成形过程分为成形、颈缩、断裂三个阶段。(2)进行了不同流速下液滴成形的实验,分析了断裂阶段流速与压力和轴向速度的关系,轴向速度显示了涡环的位置。分析了不同流速下液滴成形所受合力的情况,并推导出流速与断裂体积的关系式,经分析知流速不改变液滴振荡的周期。(3)进行了不同质量分数溶液液滴的形成实验,研究了液滴颈缩线长度与粘度的关系,粘度越大,形成的颈缩线的长度越长。实验研究了液滴下落过程粘度与振幅的关系,随着液体粘度的增大,振荡幅值相应减小,振荡周期不随粘度变化,粘性对液滴下落过程的振荡有吸收作用。(4)研究不同粘度下液滴内部压力和轴向速度的变化情况,且最大压力出现在颈部的位置,轴向速度波峰波谷的产生表明涡环的产生。分析了液滴成形过程中所受的合力,解释了液滴断裂的原因。
【图文】：

序列图,序列图,水滴,成形

粘度、表面张力系数等物理特性一直是影响初始液滴和卫星液滴体积、颈缩线变化的重要因素，因此对这些因素的研究必不可少。1936 年 Hauser 等[6]使用高速摄影机拍摄液滴成长的过程，并获得了其成形的一系列图片，分析了初始液滴的形成，表明了液滴成形在流体动力学中是个短暂而复杂的过程。Edgerton 等[7]发现液体的物理性质对液滴形成的机理有很大的影响，并对确定表面张力的动态方法和静态方法分别进行了论述，得出结论动态方法：应谨慎使用动态方法测试表面张力，静态方法是更适合用于确定表面张力。Sh等[8]和 Zhang 等[9]都对影响初始液滴和卫星液滴的参数进行了研究，如流体粘度、流速、电场等，通过实验研究发现流体粘度高时，单个液滴更容易形成。颈缩线的长度随着粘度和流速增加而相应地增加，生成的初始液滴和卫星液滴的体积相应增加，随着电场强度的增加，初级液滴的体积减小，而颈缩线的长度和直径以及卫星液滴的体积相应增加。图 1.1显示了水滴成形的序列图，显示了初始液滴和卫星液滴的产生，Zhang 总结了毛细管的不同半径和流量对卫星液滴产生的影响。

示意图,实验台,液滴

方法滴成形实验的主要目的是为了获得液滴成长过程形态随时间演变的定量信息段液滴断裂形成的初始液滴和产生的卫星液滴的体积的信息。本研究通过改和粘度来研究液滴成形的特性。本文的实验对象为丙三醇（glycerol），，国家，相对密度 1.26170 g/ml（25℃），具有吸湿性。验设备验以毛细管末端的液滴为研究对象，分析了不同流速和不同质量分数下液滴实验装置包括毛细管、蠕动泵和一些附加装置组成，如图 2.1 实验示意图所一定的流量经过毛细管输送液体，并在毛细管的末端形成液滴。附加装置包滴形成过程的图像的高速摄像机以及用于记录、存储和分析液滴形状和压力件。整个装置中除了毛细管是插在外围流体中，其余设备都放在隔震台上以
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O35;O241

【参考文献】