電場與外流場耦合作用下液滴動力學行為的數(shù)值研究.pdf

1、乳液體系因其獨特的封閉液-液相界面結(jié)構(gòu)，而成為微儲存器、微反應器、微殼核材料等微功能器件構(gòu)建的有效模板。然而，乳液液滴往往在外流場的操控下形成所需的尺寸、單分散度、界面形狀等主要結(jié)構(gòu)特征，并通過聚合、交聯(lián)、溶劑揮發(fā)、固化、組裝等物理化學過程完成微功能器件的構(gòu)建。因此，乳液液滴在外流場作用下所出現(xiàn)的形變、破碎等動力學行為將對微功能器件的結(jié)構(gòu)及性能產(chǎn)生重要影響。因此，準確地掌握乳液液滴在外流場作用下的動力學行為機理及其界面演化規(guī)律，探尋液滴

2、在外流場中動力學行為的主動控制方法，將對乳液液滴法構(gòu)建微功能器件工藝過程的精密調(diào)控具有重要的現(xiàn)實意義。
　　近年來，隨著電流體力學的發(fā)展，外加電場主動控制已成為一條精確調(diào)控外流場中液滴動力學行為的有效途徑。然而，當前人們對于電場與流場耦合作用下液滴動力學行為特征與規(guī)律仍缺乏完整認識，并且流場力與電場力對液滴動力學行為的耦合調(diào)控機制仍有待進一步揭示，這些都導致工程實際中外加電場主動調(diào)控外流場中液滴動力學行為過程仍缺乏系統(tǒng)的理論指導依

3、據(jù)。為此，本文基于相場方法捕捉多相流體界面，并利用電流模型表征液滴荷電過程及電場力作用，通過電場與多相流體流場控制方程的雙向耦合，建立了不可壓縮單乳液、雙重乳液液滴動力學模型并開展數(shù)值模擬，研究了在拉伸流場、外加電場及其耦合作用下乳液液滴的形變動力學行為特征與機理，分析了粘性曳力、表面張力與電場力在液滴形變行為中的耦合作用機制。概括起來，論文的主要研究內(nèi)容和研究結(jié)論如下:
　　(1)建立不可壓縮單乳液液滴動力學模型，研究了在拉伸流

4、場、外加電場及其耦合作用下單乳液液滴的形變動力學行為特征與機理，給出了不同物理場以及不同毛細數(shù)、電毛細數(shù)、介電常數(shù)比、電導率比等對單乳液液滴形變的影響。研究結(jié)果表明:單液滴處于單一伸流場中流場產(chǎn)生的粘性曳力將促使液滴發(fā)生形變，當毛細數(shù)較小時（Ca＜0.06）液滴形變率隨著毛細數(shù)的增大呈線性增加;施加電場后，在液滴與連續(xù)相相對電導率R和相對介電常數(shù)S的共同影響下，液滴界面處將產(chǎn)生兩種不同的感應電荷分布;當施加與拉伸流場來流方向相平行的電場

5、并且當液滴和連續(xù)相的電物性參數(shù)滿足RS＞1時，電場所產(chǎn)生的電場力可以抑制液滴的形變。
　　(2)建立不可壓縮雙重乳液液滴動力學模型，研究了在拉伸流場、外加電場及其耦合作用下雙重乳液液滴的形變動力學行為特征與機理，給出了不同物理場以及不同毛細數(shù)、電毛細數(shù)、介電常數(shù)比、電導率比等對雙重乳液液滴形變的影響。研究結(jié)果表明:雙重乳液液滴處于單一拉伸流場中外液滴主要受外加拉伸流場粘性曳力的作用而產(chǎn)生寬扁型形變，內(nèi)液滴主要受外液滴內(nèi)部流體所產(chǎn)生

6、粘性曳力的作用而產(chǎn)生瘦長型形變;施加電場后，在內(nèi)外液滴與連續(xù)相相對電導率R和相對介電常數(shù)S的共同影響下，液滴界面處將產(chǎn)生四種不同的感應電荷分布并隨之產(chǎn)生四種不同的形變類型;當施加與拉伸流場來流方向相平行的電場時，由介電常數(shù)比S和電導率比R的不同，雙重乳液可以產(chǎn)生O-P型、O-O型、O-S型、P-P型、P-O型、P-S型、S-O型、S-S型、S-P型形變，(O-寬扁型，P-瘦長型，S-球型)特別是，通過調(diào)節(jié)連續(xù)相、外液滴以及內(nèi)液滴的相對介

7、電常數(shù)S和相對電導率R可以主動抑制雙重乳液在流場中的被動形變而保持液滴具有很好的球形度。
　　(3)在對單乳液液滴的形變動力學行為研究的基礎上，進一步開展了單乳液液滴分裂動力學行為研究。研究結(jié)果表明:無論是在單一拉伸流場還是單一電場中，當毛細數(shù)（電毛細數(shù)）大于臨界值時液滴將發(fā)生分裂現(xiàn)象，且在單一電場作用下，液滴分裂形式隨著電導率比R和介電常數(shù)比S的不同而變化;當施加與拉伸流場來流方向相平行的電場并且當液滴和連續(xù)相的電物性參數(shù)滿足R