電場(chǎng)與外流場(chǎng)耦合作用下液滴動(dòng)力學(xué)行為的數(shù)值研究.pdf

1、乳液體系因其獨(dú)特的封閉液-液相界面結(jié)構(gòu)，而成為微儲(chǔ)存器、微反應(yīng)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(chǎng)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(xué)過程完成微功能器件的構(gòu)建。因此，乳液液滴在外流場(chǎng)作用下所出現(xiàn)的形變、破碎等動(dòng)力學(xué)行為將對(duì)微功能器件的結(jié)構(gòu)及性能產(chǎn)生重要影響。因此，準(zhǔn)確地掌握乳液液滴在外流場(chǎng)作用下的動(dòng)力學(xué)行為機(jī)理及其界面演化規(guī)律，探尋液滴

2、在外流場(chǎng)中動(dòng)力學(xué)行為的主動(dòng)控制方法，將對(duì)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(shí)意義。
　　近年來，隨著電流體力學(xué)的發(fā)展，外加電場(chǎng)主動(dòng)控制已成為一條精確調(diào)控外流場(chǎng)中液滴動(dòng)力學(xué)行為的有效途徑。然而，當(dāng)前人們對(duì)于電場(chǎng)與流場(chǎng)耦合作用下液滴動(dòng)力學(xué)行為特征與規(guī)律仍缺乏完整認(rèn)識(shí)，并且流場(chǎng)力與電場(chǎng)力對(duì)液滴動(dòng)力學(xué)行為的耦合調(diào)控機(jī)制仍有待進(jìn)一步揭示，這些都導(dǎo)致工程實(shí)際中外加電場(chǎng)主動(dòng)調(diào)控外流場(chǎng)中液滴動(dòng)力學(xué)行為過程仍缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)依

3、據(jù)。為此，本文基于相場(chǎng)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(chǎng)力作用，通過電場(chǎng)與多相流體流場(chǎng)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(dòng)力學(xué)模型并開展數(shù)值模擬，研究了在拉伸流場(chǎng)、外加電場(chǎng)及其耦合作用下乳液液滴的形變動(dòng)力學(xué)行為特征與機(jī)理，分析了粘性曳力、表面張力與電場(chǎng)力在液滴形變行為中的耦合作用機(jī)制。概括起來，論文的主要研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)論如下:
　　(1)建立不可壓縮單乳液液滴動(dòng)力學(xué)模型，研究了在拉伸流

4、場(chǎng)、外加電場(chǎng)及其耦合作用下單乳液液滴的形變動(dòng)力學(xué)行為特征與機(jī)理，給出了不同物理場(chǎng)以及不同毛細(xì)數(shù)、電毛細(xì)數(shù)、介電常數(shù)比、電導(dǎo)率比等對(duì)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(chǎng)中流場(chǎng)產(chǎn)生的粘性曳力將促使液滴發(fā)生形變，當(dāng)毛細(xì)數(shù)較小時(shí)（Ca＜0.06）液滴形變率隨著毛細(xì)數(shù)的增大呈線性增加;施加電場(chǎng)后，在液滴與連續(xù)相相對(duì)電導(dǎo)率R和相對(duì)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(yīng)電荷分布;當(dāng)施加與拉伸流場(chǎng)來流方向相平行的電場(chǎng)

5、并且當(dāng)液滴和連續(xù)相的電物性參數(shù)滿足RS＞1時(shí)，電場(chǎng)所產(chǎn)生的電場(chǎng)力可以抑制液滴的形變。
　　(2)建立不可壓縮雙重乳液液滴動(dòng)力學(xué)模型，研究了在拉伸流場(chǎng)、外加電場(chǎng)及其耦合作用下雙重乳液液滴的形變動(dòng)力學(xué)行為特征與機(jī)理，給出了不同物理場(chǎng)以及不同毛細(xì)數(shù)、電毛細(xì)數(shù)、介電常數(shù)比、電導(dǎo)率比等對(duì)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(chǎng)中外液滴主要受外加拉伸流場(chǎng)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(zhǎng)型形變;施加電場(chǎng)后，在內(nèi)外液滴與連續(xù)相相對(duì)電導(dǎo)率R和相對(duì)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(yīng)電荷分布并隨之產(chǎn)生四種不同的形變類型;當(dāng)施加與拉伸流場(chǎng)來流方向相平行的電場(chǎng)時(shí)，由介電常數(shù)比S和電導(dǎo)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(zhǎng)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(duì)介

7、電常數(shù)S和相對(duì)電導(dǎo)率R可以主動(dòng)抑制雙重乳液在流場(chǎng)中的被動(dòng)形變而保持液滴具有很好的球形度。
　　(3)在對(duì)單乳液液滴的形變動(dòng)力學(xué)行為研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展了單乳液液滴分裂動(dòng)力學(xué)行為研究。研究結(jié)果表明:無論是在單一拉伸流場(chǎng)還是單一電場(chǎng)中，當(dāng)毛細(xì)數(shù)（電毛細(xì)數(shù)）大于臨界值時(shí)液滴將發(fā)生分裂現(xiàn)象，且在單一電場(chǎng)作用下，液滴分裂形式隨著電導(dǎo)率比R和介電常數(shù)比S的不同而變化;當(dāng)施加與拉伸流場(chǎng)來流方向相平行的電場(chǎng)并且當(dāng)液滴和連續(xù)相的電物性參數(shù)滿足R