荷电液滴破碎机理及电流体动力学特性研究

发布时间：2020-10-20 03:48

　　 静电雾化是电流体力学的重要基础内容,以较低能耗(毫瓦级)可获得大量粒径细小、单分散性好、可控性强、沉积率高的荷电微液滴,在微／纳米颗粒制备、微型燃烧、空气净化、空间微动力推进及生物工程等领域应用潜能巨大。静电雾化及其应用过程中产生的复杂荷电多相流动,广泛存在着荷电液滴的变形、破碎、聚合及分离等重要现象,其耦合场下的电流体动力学特性极为复杂。特别是射流模式的稳定性问题、荷电液滴相间的动力学行为等尚不明确,涉及的科学问题新颖且极具研究价值。随着现代流动测量技术的发展,采用显微高速摄像对荷电微射流开展可视化研究并对其二次雾化模型及聚并分离机理进行解析是深入探讨荷电微射流雾化行为的一个重要途径,为发展静电雾化技术提供了理论基础。本文基于可视化研究手段对荷电液滴破碎演变行为及其电流体动力学特性开展了较为全面的研究,主要的研究工作及创新点如下：电场作用下微通道荷电液滴脱落过程中液桥的形成及卫星液滴运动形貌的可视化研究。设计并建立了单液滴诱导荷电测试实验台,精确捕捉到荷电液滴液桥的断裂形貌特征,提出采用母液滴及半月面夹角值判定液桥的断裂顺序,获得了随电邦德数增加滴状模式过渡行为的演变规律。系统研究了荷电卫星液滴聚合与非聚合的演变行为。分析了主导力的大小及方向对卫星液滴运动轨迹的影响规律,从能量守恒的角度探讨了电邦德数对卫星液滴运动行为的影响因素及作用机制,设计了单液滴电荷量测量系统并首次提出卫星液滴电荷量的计算方法,为荷电液滴间相互作用行为的机理研究提供了实验基础。荷电微射流模式的过渡转变及其不稳定性分析。创新性地利用流体动力学弛豫时间和荷电弛豫时间,揭示了不同导电性液体的射流过渡演变机制。分析了表面张力及粘度影响下的微射流雾化演变形貌特征；通过研究生物柴油的射流雾化特性,分析了射流模式转变对子液滴尺寸及速度变化的影响,探讨了微射流破碎形式对雾化特性的作用规律；对无水乙醇的射流不稳性进行分析,通过显微高速数码摄像结合PIV技术探明了荷电微射流的稳定雾化区间,获得影响锥射流及多股射流模式的射流不稳定性特征的作用因素,制定了调控微射流稳定雾化行为的准则。电场作用下异性荷电液滴的相间作用行为的研究。通过构建异性荷电液滴碰撞的可视化测量系统,借助时空分辨率较高的高速摄像技术首次发现了异性荷电液滴的非接触反弹及非接触破碎行为。从离子迁移的角度,描述了电导率影响下异性荷电液滴的接触反弹行为；首次利用气体电离理论并结合瑞利极限理论,揭示了非接触反弹及非接触破碎的作用机制。通过正交试验分析,界定了碰撞行为区间；针对非接触破碎行为,定义了破碎体积及拉伸速率来评估其电导率影响下的破碎强度。荷电液滴碰撞过程的负极端破碎研究。通过分析液滴界面曲率、高压电极极性及溶液pH值对荷电液滴破碎极性选择的影响,验证了空气环境下荷电液滴碰撞特有的负极性破碎行为。首次采用氦气环境对异性荷电液滴的非接触反弹及非接触破碎演变行为进行精确捕捉,研究氦气环境下非接触破碎行为的极性选择特征,揭示了空气环境下荷电液滴始终发生负极端破碎行为的作用机制,获得了气体电离对空气／氦气环境下异性荷电液滴的非接触反弹及破碎特性的影响规律。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：O35
【部分图文】：

将带电液滴射入气流而非真空环境。当荷电微液滴在电场中经过＂热气流＂时，??它们被蒸发，液滴半径不断减小，最终表面电荷密度达到达到Ｒａｙｌｅｉｇｈ极限状态，??发生所谓的＂库仑破碎＂行为，产生气化离子（图１．１）。对此ＤｏｌｅｌｉＵ?（１９６８）和??ｌｒｉｂａｍｅ［ｉ２］（?１９７５）分别提出了?ＣＲＭ（Ｃｈａｒｇｅ?Ｒｅｓｉｄｕｅ?Ｍｏｄｅｌ）和?ＩＥＭ（Ｉｏｎ?Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ??Ｍｏｄｅｌ）模纸进行解释。ＣＲＭ模型认为：＂库仑破巧＂是一个不断重复的过巧，当??液滴中的溶剂挥发完后，即得到了所需的气相离子；旧Ｍ模型认为：蒸发和库仑??破碎使得液滴的直径不断减小，Ｗ致于液滴最终依靠自身的电场将溶质离子释放??到气相空间中。不管最终那种理论更好地揭示了破碎机理，电雾化技术的成功应??用，降低了质谱测量对溶液挥发性的要求；同时能够使分子携带大量的电荷，提??高了离子的荷质比，从而提高了仪器灵敏度与测量的精度。这对于检测生物领域??易分解的有机大分子有着极其重要的意义。耶鲁大学教授Ｄｒ．?Ｊｏｈｎ?Ｆｅｎ在１９８８年??提出的这种电喷射离子化质谱仪精确测量蛋白子分子质量的构想与实验证据使其??获得２００２年诺贝尔化学奖，这也充分体现了静电雾化在生物工程领域的研究价值。??近年来

成为目前技术领域研究的热点。由于通过静电雾化方法的有效控制可Ｗ得到尺度??范围较宽？Ｉｃ耐的荷电微液滴，具有极好的单分散性［…７］，且电雾化设备较??为简单，在常溫常压下工作，此项技术被成功应用于纳米材料的制备（图１．２）。??特别是雾化形成的荷电微液滴群能够很好的吸附在基底上，这使得微通道静电雾??化更多地用于制备各种纳、微米薄膜。??ｆＷＷ＼Ｊ?发热元件??Ｘ?、■？基底??高压静电发生Ｈ?＼雾化射流??Ａ?ｍ??０００?化也ｗ?Ｈ因??＝喷嘴！画＂＼冢送溶液??ＡＩ?（蠕动冢）??￥??图１．２纳米薄膜制备装置??Ｆｉｇ?１．２?Ｎａｎｏ?化ｉｎ?巧Ｉｍ?ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ?ｄｅｖｉｃｅ??Ｇｏｕｒａｒｉ等（２０００）采用静电雾化方法制备了?Ｓｎ〇２－Ｍ化〇３多层薄胺材料（＜１０??／／Ｗ），研制了用于监测易燃、有毒气体的传感器纳件。鉴于ＴＫ）２薄膜具有广泛的??工程应用背景，Ｃｈｅｎ等（１９９９）用静电雾化方法制备了?Ｔｉ化薄膜。对薄膜样品??的分析结果表明：Ｗ静电雾化方法制备的Ｔｉ化薄膜具有任意密度，薄膜均匀等显??著优点。Ｓｕ等（２０００）利用静电雾化结合蒸发沉降技术，制备了?ＣｄＳ薄膜（＜１０??这一技术解决了?Ｗ往化学浴沉降法的污染问题和抛洒热解法的低效能问题。??ＫｉｍＰｉｌ?（２０００）在普通静电雾化装置上安装了特殊的＂导向加热源＂，并１＾＾此制备??了?ＭｇＯ薄膜；实验过程中通过改变导向加热器和基面的温度，他们得到了?３４－８７＾??／分钟的薄膜生长速度。ＭｉａｏＰＳｌ?（２０００）基于静电雾化方法对Ｚｒ〇２和ＳｉＣ陶瓷颗??粒（＜１０＾ｍ）的悬浮液进行了雾化特性研究。分析表明

指出液体静电雾化时，喷嘴尖端会在一定条件下形成一锥形液柱（称为??Ｔａｙｌｏｒ?Ｃｏｎｅ，泰勒锥），并发现毛细管出口处圆锥液面的理论半锥角为４９．３°，随??后通过分析弯月形锥形液柱中的力平衡问题得到泰勒锥的产生原理（图１．４?），??Ｔａｙｌｏｒ的送些开拓性的研究工作为静电雾化的数值模拟研究奠定了基础。??７??
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本文编号：2848161