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毛细管在带电粒子传输和导向方面的应用文献综述（王洪成，2010年5月23日）摘要：本文首先回顾了离子束技术的整体状况，在此基础上介绍了具有各种形状及尺寸的毛细管在离子束聚焦及导向方面的国内外研究进展，包括纳米尺寸直管、宏观弯管毛细管及宏观锥形毛细管分别对电子束，高电荷态离子束的聚焦和导向技术研究进展。
指出电荷的自组织充电是毛细管对带电粒子束具有聚焦和导向效应的重要原因。
关键词：毛细管；带电离子束；电荷的自组织充电；聚焦1引言微米尺寸的带电粒子束在生命科学、材料科学等学科涉及的微细加工、改性、改性的微观机理研究以及核反应分析等方面有着极其重要的应用。
2001年，日本原子物理实验室Y. Kanai和日本理化所的T. Azuma等人在研究高电荷态离子（HCI）与平靶面碰撞的机理时，发现使用平靶面进行实验时，很难观察到所产生的中空原子[1]的性质，原因在于中空原子的固有存在时间比原子在表面上方的形成距原子到达表面之间的时间间隔要稍短。
为了克服这个缺点，Y. Kanai等人采用内径尺寸为100nm的微毛细管作为靶材在真空中产生中空原子，实验中发现，HCI沿微毛细管轴向冲击毛细管时，部分离子形成的中空原子能够在撞击管壁之前穿过微毛细管，从而较为方便的对中空原子的产生和弛豫机理进行研究。
[2]该现象引起了世界各国学者的广泛关注，并掀起了对纳米毛细管和带电粒子的相互作用研究的热潮。
在一定距离处，若表面电子的势垒高度同离子某一轨道能级能量相近，入射离子将此表面电子共振俘获到其相应轨道能级上。
这个过程将持续进行直到离子完全被中和。
俘获的电子处于主量子数很大的高激发亚稳定轨道上，内部有大量空穴的存在，这就是所谓的“中空原子”长期以来，人们都在发展各种技术手段和方法来提高远距离传输带电粒子的效率。
高电荷态离子与平靶面碰撞时产生的中空原子在撞击毛细管前穿过毛细管的现象跟远距离带电粒子的传输带来了新的希望。
2纳米尺寸毛细管对带点粒子的导向效应二十世纪后期，人们已经对带电粒子和固体表面的相互作用现象及机理进行了较为深入的研究，并在其应用方面取得了重大进展。
北科大《固态转变》研究生课程考题历年整理及部分答案1.从自由能成分曲线，相界面，原子扩散方式，新相的成分和结构状态，驱动力，形核的方式，显微组织区分调幅分解和形核长大型相变。
2.什么是第一类相变，什么是第二类相变，并举例？⏹分类标志：热力学势及其导数的连续性。
自由能和内能都是热力学函数，它们的第一阶导数是压力（或体积）和熵（或温度）等，而第二阶导数是比热、膨胀率、压缩率和磁化率等。
第一类相变（一级相变）：凡是热力学势本身连续，而第一阶导数不连续的状态突变，称为第一类相变。
第一阶导数不连续，表示相变伴随着明显的体积变化和热量的吸放(潜热)。
普通的气液相变、液固相变、金属和合金的多数固态相变、在外磁场中的超导转变，属于第一类相变。
第二类相变（二级相变）：热力学势和它的第一阶导数连续变化，而第二阶导数不连续的情形，称为第二类相变。
这时没有体积变化和潜热，但膨胀率、压缩率和比热等物理量随温度的变化曲线上出现跃变或无穷的尖峰。
超流、没有外磁场的超导转变、气液临界点、磁相变、合金中部分有序-无序相变，属于第二类相变。
习惯上把第二类以上的高阶相变，通称为连续相变或临界现象。
玻色-爱因斯坦凝结现象是三级相变。
按相变方式分类：形核长大型相变、连续型相变……<材基P595>按原子迁移特征分类：扩散型相变、无扩散型相变相似问题：相变的分类有哪些，其分类标准是什么？3.下图哪个是第一类相变，哪个是第二类相变，并说明理由？⏹从热力学函数的性质看，第一类相变点不是奇异点（singularity），它只是对应两个相的函数的交点。
交点两侧每个相都可能存在，通常能量较低的的那个得以实现。
这是出现“过冷”或“过热”的亚稳态以及两相共存的原因。
第二类相变则对应热力学函数的奇异点，它的奇异性质目前并不完全清楚。
在相变点每侧只有一个相能够存在，因此不容许“过冷”和“过热”和两相共存。
4.根据经典形核公式计算再结晶临界形核尺寸（给定存储能和界面能）；若位错提供主要的储存能，（给定位错密度和单位位错的能量）导出临界形核尺寸和位错密度的关系；评论经典形核理论的可行性？⏹经典形核理论假设核心的界面能与大块晶体的界面能相等，但是小原子团的界面非常漫散，尤其是当脱溶转变的母相成分接近调幅分解成分时，没有明确的相界面。
I、油层物理学的方法进展A油层物理学在研究技术方法上有哪些进展，与常规方法相比的区别及优势1.ASPE-730自动空隙检测系统常用的恒压压汞仪只能得到喉道大小分布的参数, 孔隙则用铸体薄片图象分析系统，应用等效球模型研制的软件研究孔隙。
这样喉道的参数与孔隙的参数只能来自两块不同的岩样，这在一定程度上影响了研究的质量。
ASPE-730系统采用恒速法压汞，使用极低的压汞速度，当在较高压力下进入某一尺寸的喉道后，再进入该喉道所控制的孔隙时压力下降，最后可获得一条喉道子曲线和一条孔隙子曲线（两条子曲线的总和即为恒压法的压汞曲线）。
特点可在同一岩样上同时测得孔隙与喉道大小分布的数据。
2．岩石孔隙结构特征直观研究方法：铸体薄片法与扫描电镜法铸体薄片法很方便地直接观察到岩石薄片中的面孔率、孔隙、喉道及孔喉配位数等；扫描电镜能够清楚地观察到储层岩石的主要孔隙类型：粒间孔、微孔隙、喉道类型和测定出孔喉半径等参数。
3.利用CT扫描技术进行岩心分析CT扫描法又叫层析成像法，是发射X射线对岩心作旋转扫描，在每个位置可采集到一组一维的投影数据，再结合旋转运动，就可得到许多方向上的投影数据；综合这些投影数据，经过迭代运算就可以得到X射线衰减系数的断面分布图，这就是重建岩心断面CT图像的基础。
CT扫描法的最大优点是对岩心没有损伤，且测量速度快，但是其测量方法复杂，且费用较高。
岩心的CT扫描能够提供岩石孔隙结构、充填物分布、颗粒表面结构、构造及物性参数等。
应用：1）利用CT确定油层基本物理参数 2）岩石微观特征描述 3）岩心地质特征描述①描述裂缝分布和微裂缝②层理判断③孔洞连通性④岩心污染4）油水驱替动态特征描述①孔隙度及其分布特征②岩心在不同注入压力下的含水饱和度分布特征4.核磁共振技术进行岩心分析采用核磁共振技术，可以获得孔隙度(总孔隙度、有效孔隙度、粘土束缚水孔隙度等)、可动流体百分数、孔径分布以及渗透率等多种岩石物性参数，低磁场（共振频率2MHz和5MHz）核磁共振全直径岩心分析系统，开发了多种适合岩心分析的脉冲序列及多弛豫反演技术，实现了孔隙度、渗透率、自由流体孔隙度等岩石物性参数的快速无损检测。
第二章习题解答1.简要说明气相色谱分析的基本原理借在两相间分配原理而使混合物中各组分分离。
气相色谱就是根据组分与固定相与流动相的亲和力不同而实现分离。
组分在固定相与流动相之间不断进行溶解、挥发(气液色谱)，或吸附、解吸过程而相互分离，然后进入检测器进行检测。
2.气相色谱仪的基本设备包括哪几部分?各有什么作用?气路系统.进样系统、分离系统、酒控系统以及检测和记录系统.气相色谱仪具有一个让载气连续运行'管路密闭的气路系统.进样系统包括进样装置和气化室.其作用是将液体或固体试样，在进入色谱柱前瞬间气化，然后快速定量地转入到色谱柱中.3.当下列参数改变时':(1)柱长缩短，(2)固定柑改变，(3)流动相流速增加，(4)相比减少，是否会引起分配系数的改变?为什么?答:固定相改变会引起分配系数的改变，因为分配系数只于组分的性质及固定相与流动相的性质有关.所以(1)柱长缩短不会引起分配系数改变(2) 固定相改变会引起分配系数改变(3) 流动相流速增加不会引起分配系数改变(4) 相比减少不会引起分配系数改变4.当下列参数改变时:(1)柱长增加，(2)固定相量增加，(3)流动相流速减小，(4)相比增大，是否会引起分配比的变化?为什么?答:k=KIh，而b=V M/V S ，分配比除了与组分，两相的性质，柱掘，柱压有关外，还与相比有关，而与流动相流速，柱长无关.故:(1)不变化，(2)增(3)不改变，(4)减小加，5.试以塔板高度H做指标，讨论气相色谱操作条件的选择.解:提示:主要从速率理论(v a n D ee m e requation)来解释，同时考虑流速的影响，选择最佳载气流速.P13-24 0(1)选择流动相最佳流速。
(2)当流速较小时，可以选择相对分子质量较大的载气〈如N2，A时，而当流速较大时，应H时，同时还应该考虑载气对该选择相对分子质量较小的载气(如H2，不同检测器的适应性。
(3)柱温不能高于固定液的最高使用温度，以免引跑固定液的挥发流失。
毛细管电泳原理毛细管电泳(capillary electrophoresis，CE)是20世纪80年代初发展起来的一种新型分离分析技术，乃经典电泳技术和现代微柱分离有机结合的产物，是继高效液相色谱(HPLC)之后，分析科学领域的又一次革命。
毛细管电泳泛指以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离的一类液相分离技术。
毛细管电泳仪的基本结构包括一个高压电源，一根毛细管，一个检测器及两个供毛细管两端插入而又可和电源相连的缓冲液贮瓶。
毛细管电泳仪的工作原理:毛细管电泳所用的石英毛细管柱，在pH>3情况下，其内表面带负电，和溶液接触时形成一双电层。
在高电压作用下，双电层中的水合阳离子引起流体整体朝负极方向移动的现象叫电渗。
粒子在毛细管内电解质中的迁移速度等于电泳和电渗流(EOF)两种速度的矢量和。
正离子的运动方向和电渗流一致，故最先流出;中性粒子的电泳速度为“零”，故其迁移速度相当于电渗流速度;负离子的运动方向与电渗流方向相反，但因电渗流速度一般都大于电泳流速度，故它将在中性粒子之后流出，从而因各种粒子迁移速度不同而实现分离。
理论基础:如果溶质纵向扩散是区带展宽的唯一因素，对于CE来说，可以通过增大分离高压和缩短毛细管来提高速度，同时兼顾分离效率。
在任何给定的时间内要获得最高的理论塔板数，分离电压与毛细管长度的比例应该最大，也就是说在只考虑溶质纵向扩散的前提下，采用尽可能高的分离电压和短的毛细管，可以实现高柱效和快速分离。
高电渗流同样可以提高分析速度和柱效。
焦耳热:但实际上，分离高压增大和毛细管长度缩短时，除了扩散外，还有诸多因素影响柱效，其中最严重的是温度效应，即毛细管的焦耳热问题，这是HSCE 中不可忽略的问题。
焦耳热随着分离高压增大和毛细管的缩短而增大。
焦耳热过大会造成峰扩展、变形。
减少焦耳热的方法:理论上，当G小于1W,m时，焦耳热造成的峰扩展可以忽略不计。
《高分子物理》习题集一、 概念：第一章 构型与构象 均方末端距 链段 全同立构与无规立构第二章 球晶 片晶 高分子合金第三章 溶液 溶度参数 第二维利系数 Huggins 参数第四章 特性粘度 GPC 原理第五章 玻璃化转变（温度） 次级转变 物理老化与化学老化 内增塑作用与外增塑作用均相成核与异相成核第六章 熵弹性 热塑性弹性体第七章 蠕变 应力松弛 滞后现象与力学内耗 时温等效原理 Blotzmann 叠加原理第八章 脆性断裂与韧性断裂 杨氏模量 屈服强度 屈服伸长率 断裂强度 断裂能冲击强度 剪切带 银纹第九章 牛顿流体与非牛顿流体 假塑性流体 宾汉流体 表观粘度 粘流活化能 韦森堡效应（包轴效应） 巴拉斯效应（挤出物胀大现象） 不稳定流动第十章 介电常数 介电损耗 驻极体 热释电谱 热性能 表面与界面二、选择答案1、高分子科学诺贝尔奖获得者中，（ ）首先把“高分子”这个概念引进科学领域。
A 、H. Staudinger,B 、K.Ziegler, G .Natta,C 、P. J. Flory,D 、H. Shirakawa2、下列聚合物中，（ ）是聚异戊二烯(PI)。
A 、 CCH 2n CH CH 2CH 3B 、O C NH O C NH C 6H 4C 6H 4n C 、 CH Cl CH 2n D 、OC CH CH O O n O C3、链段是高分子物理学中的一个重要概念，下列有关链段的描述，错误的是（ ）。
A 、高分子链段可以自由旋转无规取向，是高分子链中能够独立运动的最小单位。
B 、玻璃化转变温度是高分子链段开始运动的温度。
C 、在θ条件时，高分子“链段”间的相互作用等于溶剂分子间的相互作用。
D 、聚合物熔体的流动不是高分子链之间的简单滑移，而是链段依次跃迁的结果。
4、下列四种聚合物中，不存在旋光异构和几何异构的为（ ）。
A 、聚丙烯，B 、聚异丁烯，C 、聚丁二烯，D 、聚苯乙烯5、下列说法，表述正确的是（ ）。
毛细管力是油(气)初次运移的动力吗？王志欣【期刊名称】《石油实验地质》【年(卷),期】2000(022)003【摘要】一般认为,在油气的二次运移过程中,由于孔隙结构的变化,当连续油(气)相后端曲率半径大于前端时毛细管力是油气运移的阻力,而当连续油(气)相后端曲率半径小于前端时毛细管力是油气运移的动力;毛细管力总是趋向于使非润湿相占据较大的孔隙空间.在浮力、水动力和毛细管力的共同作用下,油(气)呈间歇性运动,这在物理模拟实验中已得到证实.实际上,在毛细管中存在着3种毛细管力.第一、二种方向与毛细管延伸方向平行,第三种垂直于毛细管管壁并指向非润湿相;第三种毛细管力主要起增大非润湿相与孔喉壁之间的摩擦阻力的作用,在孔喉较粗的介质(如储集层)中该类毛细管力常常被忽略.油气要发生运移,则沿前进方向上的动力必须超过该方向上的毛细管阻力和摩擦阻力.现在有一种观点,认为在油气从烃源岩向储层的初次运移过程中,毛细管力是重要的动力,因而在水润湿的条件下,油、气相会在毛细管力作用下自动地由小孔隙和细喉道向较大、较粗的孔隙和喉道内运动.本文从毛细管现象的本质入手对这一问题进行了分析,发现烃源岩和运载层中不同种类的毛细管力的作用有很大区别:在运载层中,因为孔隙喉道较粗,第一、二类毛细管力起主要作用,第三类毛细管力的作用常常被忽略;而在烃源岩中,由于毛细管半径全面缩小,第三类毛细管力与第一、二类相比急剧增大,导致摩擦阻力剧增,从而成为烃源岩排烃的主要阻力."毛细管力是排烃动力"这一观点是忽视烃源岩中起决定作用的第三种毛细管力而得出的错误认识.通过对泥页岩孔隙结构的研究,作者提出了泥页岩中的孔隙主要是"死孔隙"的观点,而烃源岩的排烃则主要是通过微裂隙的突发涌流,微裂隙的开启或产生及涌流的发生则都与激烈的突发构造运动有关.【总页数】6页(P195-200)【作者】王志欣【作者单位】石油大学,北京,100083【正文语种】中文【中图分类】TE122.1【相关文献】1.生物气的生成演化模式和初次运移特征 [J], 李明宅;张洪年2.石油初次运移迹象的判别与生油岩排油能力的讨论 [J], 陈军红3.毛细管力的初次运移及成藏作用有效性分析 [J], 包友书;张林晔;张守春;徐大庆;王宇蓉;张蕾;吴连波4.背斜-水动力复合油(气)藏油(气)水界面产状 [J], 陈振林;许浚远5.莺-琼盆地天然气(油)初次运移模式 [J], 周总瑛;张博全;谢泰俊;杨学昌;张群英因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
毛细管静电雾化模式与力学过程分析夏磊;王贞涛;王晓英;詹水清;董庆铭【摘要】采用带有显微变焦镜头的高速摄像技术对无水乙醇在不锈钢单毛细管产生的静电雾化现象进行了可视化研究.基于毛细管末端形成的弯月面、微射流或雾滴分散形态,获得了无水乙醇的静电雾化模式及其转变过程,典型的雾化模式有滴状、微滴、纺锤、摆动射流、旋转射流、锥射流及多股射流等.通过分析不同雾化模式下微射流与雾滴的受力,探讨了微射流和雾滴的运动形态与雾化模式及受力之间的关系.试验结果表明:毛细管静电雾化模式与电压紧密相关,随着电压的增加,雾化模式逐渐从滴状、纺锤模式过渡为射流及多股射流模式,呈现较为有序的过渡;在不同的雾化模式下,微射流或雾滴受到的重力、电场力、阻力、表面张力及介质电泳力和变形力对微射流形态或雾滴运动轨迹有着不同程度的影响;在较低的电场强度下产生静电雾化过程中,电场力作用较小,重力占主导地位,雾滴在表面张力的作用下呈现球形或椭圆形;在较高的电场强度下产生的静电雾化过程,电场力占主导地位,雾化模式在不同性质电场力的作用下呈现出多样性.%Based on microscopic high-speed camera technology,the electro-spraying visualization of anhydrous ethanol was investigated in stainless steel single-capillary.Based on the outlet of capillary meniscus and the formation of micro-jet or droplet morphology,the electro-spraying modes of anhydrous alcohol and the transformation process were analyzed.The typical spraying-modes include dripping,micro-dripping,spindle,multi-spindle,oscillating-jet,precession-jet,cone-jet and multi-jet modes.The forces acting on micro-jet and droplets under different spraying-modes were analyzed,and the relationship between force and motion pattern of micro-jet,droplet andspraying-modes was discussed.The results indicate that the capillary electro-spraying modes are closely associated with applied voltage.With the increasing of voltage,the electro-spraying modes gradually transform from dripping,spindle modes to cone-jet and multi-jet modes with orderly transition.For different electro-spraying modes,gravity,electric field force,resistance,surface tension,dielectric electrophoretic force and deformation force play different roles on motion pattern and trajectory of micro-jet or droplet.For low electric field strength,the gravity dominates the droplet motion,and the droplet becomes spherical under the surface tension.For high electric field strength,the electric field force dominates the motion of micro-jet or droplets,and it shows various electro-spraying modes under different electric forces.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(038)006【总页数】7页(P658-664)【关键词】毛细管;静电雾化;雾化模式;受力分析;运动形态【作者】夏磊;王贞涛;王晓英;詹水清;董庆铭【作者单位】江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013;江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013;江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013;江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013;国立庆尚大学机械与航空学院,韩国庆尚南道晋州,660701【正文语种】中文【中图分类】TK018静电雾化通常是指液体以一定流量从带有高电静电的毛细通道(管)中流出,在毛细管末端出口处液体会受重力、电场力、表面张力等的作用而形成细小射流,并进一步破碎成细小单分散液滴过程[1-3].通过改变施加电压可以有效控制雾滴的粒径分布及雾滴的运动形态,且雾滴带有同种电荷产生相互排斥,在空间具有良好的弥散性,因此静电雾化过程在药剂喷洒、静电喷涂、燃料雾化燃烧、静电除尘、微纳米粒子及薄膜制备及质谱分析等方面得到了广泛的应用[4-6].近年来,国内外大量学者围绕毛细管静电雾化现象等进行了详细的理论、实验及应用研究,获得了滴状、纺锤、锥射流、多股射流等雾化典型的雾化模式以及雾化过程中雾化液滴的雾化特征[7-10].同时,不少研究者研究了液体种类、电极形式及操作参数对静电雾化模式的影响,并探讨了物性参数、电极布置形式以及电压、流量等对毛细管静电雾化过程雾化过程及模式转变的影响规律[3, 10-14].王晓英等[15]对静电雾化模式中锥射流的液锥进行了受力分析,基于应力平衡建立了液-锥力学模型,运用高速摄影技术得到了液体的雾化模式和液锥形态的演变过程,探讨了流量、荷电电压及针形喷嘴的内半径等对液锥形成过程的影响.尽管众多学者对毛细管静电雾化模式进行了详细的探讨[16],但从力学角度研究与分析静电雾化模式以及转变过程仍然是一个十分困难的问题,不同雾化模式下微射流与雾滴的受力状况、雾化模式的转变诱因等仍需要进一步深入探讨.文中针对无水乙醇的毛细管静电雾化现象,通过高速相机获得滴状、纺锤、锥射流、旋转射流与振荡射流以及多股射流等典型的静电雾化模式,描述雾化模式的雾化形态.分析不同雾化模式下弯月面、微射流或液滴的受力状况,获得微射流或液滴的运动形态,并力图通过受力状况分析微射流或雾滴产生不同运动形态的原因.1.1 体积力液滴在滴落的过程中所受到的重力为Fg=mg.分别带有电荷Q1和Q2的两个液滴1与2之间的相互作用力称为库仑力,其大小与1,2液滴所带有电荷的乘积成正比,和两液滴之间的距离R1,2的平方成反比,作用力的方向沿着它们的连线,同号电荷相斥,异号电荷相吸引.库仑力为液滴在滴落过程中会受到由毛细管与接收板之间所产生的外部电场所施加的力,即电场力Fu,并且滴落的液滴同样也会受到之前滴落液滴所产生内部电场的作用,即电场力Fe.电场力的计算公式:1.2 表面力球体在黏性流体中作较慢运动时会受到阻力为斯托克斯阻力.斯托克斯阻力为式中: R为液滴生成时的半径;U为毛细管与接收板之间的电压;ηg为空气黏度;W为液滴电压;Cc为坎宁安的校正因子.液体在滴落的过程中,其表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力,即表面张力Fσ.1.3 其他力电泳力是作用于液体中的自由电荷的力,当=-=,并且εE=D=ρq(ρq为电荷密度,E 为外部电场强度),则力密度f为介质电泳力作用于液体中的偶极子上,能够使液体发生运动.当液体中有气泡或电介质球时,作用其上的平均介质电泳力为式中: Vb为球的体积;ε1,ε2为液体与介质球的介电常数;E为电场场强.当液体中无自由电荷时,由于静电场的作用,会产生电形变力为式中ε,ρl为液体的介电常数与密度.文中所采用的试验装置如图1所示.试验使用的液体(无水乙醇)在注射推射器的作用下进入到金属毛细管(内径0.30mm,外径0.55 mm,长度13.00 mm)中,并在高压直流电压的作用下形成雾化液滴,通过LED冷光源对雾滴进行照射,通过MotionProTMX4puls高速数码摄像机进行采集记录,采集速率为7 500 f·s-1,快门为×2,然后在计算机中进行图像处理[17].试验中注射泵配置20 mL注射器,工作流量为0.05～1.00 mL·min-1之间.高压静发生器直接连接在金属毛细管上,试验过程中施加的高压直流电压控制在0～15.0 kV,采用的接地电极为边长100mm×100 mm的正方形铜片,金属毛细管与接地电极之间的距离为50.0 mm.试验中无水乙醇的物理参数:液体类型为ethanol;密度为791.0 kg·m-3;表面张力为0.022 N·m-1;介电常数为24;电导率为0.50×10-4 S·m-1;黏度为1.64×10-6 Pa·s.液体从带电毛细管口流出时,在重力场和静电场的作用下形成的弯月面、微射流或雾滴及雾滴群将受到重力、电场力、电泳力、介质电泳力以及变形力的共同作用,在不同的操作参数(流量、电压或者雾化介质)下,弯月面、微射流或雾滴及雾滴群的运动形态呈现出多样性,静电雾化呈现出不同的雾化模式.根据弯月面、射流形态的不同,毛细管静电雾化通常遵循4种经典的雾化模式,即随着电压的增加依次出现滴状、脉动、锥射流和多股射流模式.在本研究中,采用表面张力较低的乙醇进行静电雾化时出现了较为复杂的雾化模式,如图2所示,主要包括:滴状模式、微滴模式、纺锤模式、多纺锤模式、摆动射流模式、旋转模式、锥射流模式、多股射流雾化模式等[8].静电雾化的实质是液体表面的稳定性问题,而弯月面、微射流与液滴的运动状态是其受力状态的表现.影响静电雾化模式的因素包括了外加电压、液体流量以及雾化介质的物理性质(表面张力、介电常数、电导率、黏性)等,本次试验主要是通过改变电压与流量实现雾化模式的转换,在电压逐渐升高的过程中,雾化模式依次出现滴状、纺锤、射流及多股射流等几种模式,在不同的流量范围内,静电雾化还会出现摆动射流、锥射流以及旋转射流等更为复杂的模式.1) 滴状模式.较低电压时,在静电力作用下液体逐渐从毛细管中流出,由于集肤效应的影响液体沿着毛细管外壁向上包住毛细管.随着电压的稍微升高,在毛细管末端的液滴逐渐增大,形成半球形的弯月面,液面呈现光滑曲面.大约经过2.0～3.0 s后,在毛细管的末端逐渐形成一个液滴落下,如图3所示.此过程是液滴重力、静电力与表面张力进行抗衡的结果,在液滴下落的过程中,液滴产生间歇的上下收缩和伸张现象,这是由于毛细管与液滴之间的电场力不断变化引起的形状振动,液滴在毛细管下端的受力状态如图3a所示.当施加电压略有增大时,液滴从毛细管末端分离后,毛细管末端的弯月面将会在电场力的作用下会被拉长,除产生图3b中的主液滴外,将会产生另外一个子液滴.与主液滴相比子液滴粒径细小,毛细管电场和主液滴上的电荷产生电场排斥力,使得新产生的液滴垂直地从毛细管轴向射出,如图3b所示.在不同的电压与流量下子液滴有时候会弹回弯月面,有时在毛细管电场和液滴电场力以及阻力的作用下最终将会偏离毛细管射流轴线,与毛细管呈倾斜角度射出.2) 微滴模式.随着外加电压的进一步增加,液滴粒径显著减小,液滴产生的频率逐渐增大,而弯月面保持半球形或者椭圆形,且当液滴分离时,弯月面不再收缩,液滴也未产生进一步破碎,此时静电雾化模式表现为微滴模式.在微滴模式下,重力和电场力将会克服表面张力的作用,使得毛细管口处的弯液面保持半球形或者椭圆形,在液滴的下落过程中,重力、电场力与表面张力依旧起主导作用,毛细管末端的弯月面,在图4所示各种力的综合作用下被拉长,最终形成液滴下落.3) 纺锤模式.随着外加电压地进一步增大,液滴在重力与电场力的共同作用下被拉长,在毛细管轴向上产生数目不多的液滴,液滴表现为下边粗上边细小的状态,即为纺锤模式,如图5所示.在纺锤模式中,液滴被拉长所用的时间比喷射形成过程所用的时间更短,相比滴状模式,纺锤模式产生液滴时需要的电压要更高,纺锤形液滴上游部分在电场力与黏滞力的作用下破碎产生几个粒径不等的子液滴.当纺锤形液滴从毛细管末端处分离后,在毛细管电场的作用下,在纺锤液滴的末端将积聚大量的电荷,纺锤形液滴下游尖端不断发射出亚微米级或纳米级的喷射羽流,这是一个典型的库仑分离过程[17-18].这是由于在液滴逐渐拉长的过程中,其末端的曲率不断减小,导致此处电荷密度急剧增大,根据Rayleigh极限理论,这部分液体必将发生不稳定破碎以释放部分电荷来保证液体表面的稳定性.在纺锤液滴未与毛细管末端弯月面分离之前,由于上游电荷的补给速度,此库仑分离过程在液滴拉长过程中间歇地持续产生.若纺锤液滴上游液桥与弯月面发生破裂后,喷射的羽流带走大部分表面电荷,拉长的液滴在自身重力下逐渐收缩为球形液滴.纺锤形液滴在电场的受力状况如图5所示,液滴在电场力作用下逐渐被拉长,由于未受到其他力的作用,液滴沿毛细管轴线方向运动.4) 多纺锤模式.随着外加电压进一步增大,在毛细管末端弯月面或射流上的毛细管电场力Fu以及空间电场力Fe开始占主导作用,Fu与Fe的合力方向指向毛细管外侧,导致在毛细管口处的弯月面或射流在喷射与分离的过程中开始偏离毛细管轴线方向,向外偏离,如图6所示.多纺锤模式下射流或液滴喷射过程与纺锤模式相似,所不同的是纺锤液滴的方向.纺锤模式下液滴仅仅是在毛细管末端产生周期的喷射,通常以简短的轴向滴落形式.而在多纺锤模式下射流或液滴产生的过程会受到毛细管与接地极板之间的场强和空间电荷电场的共同影响,射流或液滴运动的轨迹不再单纯沿着毛细管轴线方向.当毛细管边缘液滴速度大于射流喷射速度时,滴液从毛细管边缘处被加速拉长,最后液滴破碎,液滴将会与毛细管轴线偏离一定的距离.此时,弯月面呈现出扁平的多股锥面的形式,分离后的液滴在电场力与库仑力的共同作用下破碎为更加细小的液滴,随着电压的增加喷射出液滴的数量也将逐渐增多.5) 摆动射流模式.随着外加电压继续增大,静电微射流的喷射将成为连续射流.在微射流的中间部分,在喷射时产生的空间电荷以及空气离子的共同作用,库仑力开始指向毛细管轴中心的方向.此时,微射流开始转向毛细管轴线方向,拉长的微射流绕着毛细管轴线旋转.而在微射流的末端在离心力与电场力等的作用下射流破碎成扭曲运动的大量液滴,此为摆动射流模式,如图7所示.在摆动射流模式中,液滴在毛细管的顶端的弯液面上喷射出,喷射出更加细小的细线,在喷射的过程中通常不是平稳的.由于液滴在喷射时存在的扭曲不稳定性,喷射的液滴被分解为更小的液滴,并且因为空间电荷的存在使得微射流与液滴从毛细管一侧偏向另一侧运动,并反复交替.从试验中可以明显观察到多数分散的液滴并没有到达收集平板的表面上,而是向雾化区外侧偏离.鉴于在静电微射流中受力状况极为复杂,在其运动形态必然是其受力情况的必然反映,但内在的关系仍需进一步探讨.6) 旋转模式.在一定电压与流量范围下,毛细管静电雾化射流呈现出一种特征较为明显的静电雾化模式,雾化射流上所施加的力如图8所示.在此种雾化模式下,微射流从毛细管末端以倾斜的圆锥形式脱离,然后转变成平稳的细长微射流.微射流上的库仑力、电场力和表面张力的作用方向水平指向毛细管轴,促使喷射的液滴拉长绕着毛细管轴线旋转,喷射液滴绕着毛细管轴周期旋转;在液滴旋转边缘处受到重力、毛细管施加的电场力的共同作用下,微射流转变为绕着母线螺旋旋转的运动形态,如图8所示.此种雾化模式下,微射流与液滴在电场作用下受到来自毛细管电场的电场力、微射流、液滴产生电场的电场力以及表面张力、粘性阻力以及液体之间粘性力的复杂作用,加之液滴带电量难以测量与控制,因此其运动规律难以用其受力状况进行定量过程的分析.微射流在毛细管末端射出后,在离毛细管口大约有5～10 mm远处呈现螺旋形分裂,细小的液滴也将产生螺旋形的运动形态.随着电压的少许增大,微射流被拉长以及旋转过程所用的时间会逐渐减少,并且产生更加细小的雾滴,进一步增大荷电电压时,旋转射流模式将消失.7) 锥射流模式.在锥射流模式中,库仑力、表面张力、电场力及重力处于平衡状态,力的方向与毛细管轴向方向一致,合力基本保持稳定.在毛细管末端形成细小锥形喷射,沿着毛细轴的方向被拉长,形成不稳定性的波动,这种波动从喷射的表面上产生,波动在交接点处合并,逐渐向毛细轴靠拢,形成锥射流.在电场力与惯性力的作用下锥射流被拉长,在锥射流底部形成细小的液滴.此时弯月面表现为锥面,圆形锥顶的角度一般为50°～60°,如图9所示.细长液滴的两侧存在微弱电场力的作用,使得锥射形成的细长液滴能够稳定地保持几个毫米的长度.由于液滴比较细小并且滴落过程保持在平稳状态,在喷射后期形成的空间电荷降低了电场力的作用,因此在锥射流模式中,空间电荷要比其他模式下稳定.8) 多股射流雾化模式.随着外加电压的进一步增大,锥射流模式逐渐转变为多股射流模式.这是由于在毛细管末端处弯月面(此时已经接近于平面状态)所受到的电场力占主导作用,此时液体由于较高的电压从而获得较高的表面电荷,液体(弯月面)在毛细管口处由于Rayleigh极限而产生破碎,形成多个细小的喷射锥.当雾化模式发生转变的初始时刻,通常泰勒锥呈现倾斜状态,导致在弯月面边缘出现单一的喷射.随着外加电压的进一步增大,在毛细管轴线另一侧的弯月面边缘上出现另一股相对的喷射锥,从而形成两股射流.此时的弯月面会比较平稳,并且在喷射点处存在一个非常小的锥面.当电压进一步增大时,喷射锥数目会有所增加,一般为4～6股,如图10所示.每股射流均从毛细管末端弯月面上喷射出来,在流体与电剪切力的作用下,每一个喷射锥会变得又快又细,基本处于稳定状态.显然锥射流模式转变为多股射流模式是又一典型的Rayleigh破碎过程,在电压较低时在毛细管末端处的弯月面为锥形,锥形面上积聚的电荷只能维持一股射流的库伦破碎;随着荷电电压的进一步增加,在锥面积聚的电荷增多,为了满足Rayleigh理论液体表面稳定性,因此必须不断释放带电液滴,因此喷射射流数目不断增多,最终锥射流转变为多股射流模式.1) 通过改变毛细管上施加的电压及流量,获得了单毛细管静电雾化模式,雾化模式主要包括:滴状、微滴、纺锤、摆动射流、旋转射流、锥射流及多股射流等.详细描述了雾化模式中射流与雾滴的运动特点,并对比了主要雾化模式之间的差异,获得了雾化模式演变的过程.2) 分析了单毛细管在雾化过程中微射流与雾滴的受力状况,在重力、电场力、库仑力、斯托克斯阻力、表面张力、介质电泳力以及变形力的共同作用下,微射流或雾滴在喷射过程中的运动轨迹是不同的.随着电压与流量的变化,重力、电场力、库仑力在微射流与雾滴喷射过程中的地位交替转变,并在不同的雾化模式下成为影响微射流运动的主要因素.王贞涛(1978—),男，山东齐河人,教授(通信作者,********************.cn),主要从事多相流理论及应用研究.【相关文献】[ 1 ] 陈效鹏, 程久生, 伊协振. 电流体动力学研究进展及其应用[J]. 科学通报, 2003, 48(7): 637-646. 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