电场力作用下微液滴聚合滚动和振动过程中的混合机理研究.ppt
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微纳尺度流体在电场中的流动过程及动力学特性的研究是学科交叉的研究热点之一。
随所研究液滴尺度的减小,电场中表面张力的变化将对流体的流动过程及动力学特性产生重要影响。
电场对液滴聚并过程影响的研究也具有极大的应用潜力。
本文采用理论推导和数值计算相结合的方法,基于润滑理论和漏介电质模型,针对两极板间导电液滴的运动过程,建立了电场作用下两极板间液滴铺展和聚并的演化模型,采用PEDCOL程序模拟并研究了在不同底部电势影响下导电液滴的运动特征和聚并过程,主要包括以下内容:(1)两极板间的液滴铺展过程不仅与电势类型有关,还与因电场作用下改变的表面张力有关,表面张力比例系数对液滴运动过程的影响总趋势大体相同,但最大液膜厚度和铺展半径的变化速率明显不同。
施加均匀电势和线性电势时,并不改变液滴铺展的抛物线外形,随比例系数增大,液滴铺展加快;施加非线性电势时,液膜中心出现的凹坑时间也随之变长,减小破断可能性;通过施加指数形式电势时可控制液滴的破裂过程;液滴铺展过程中,受表面张力变化影响最大的是线性电势,最小的为指数电势。
(2)电场对两液滴的聚并过程产生抑制作用,不同电势类型对液滴聚并过程产生的影响并不相同。
线性底部电势的影响主要呈现为促使两液滴整体偏移,抑制液滴聚并,聚并形成“主液滴”受电场影响继续“拱起”;波状电势中电场力影响增大,聚并过程受抑制,甚至不发生聚并。
并发现通过改变电场参数可以控制液滴聚并过程。
关键词:液滴;电场;铺展;聚并The dynamic characteristics of the micro-and nanoscale fluid in electric field attracts much attention.With the decrease of the droplet size,the effects of the various surface tension of fluid and the coalescence of the droplet in electric field receive extensive concern.The combination of theoretical deduction and numerical simulation is adopted in this research.Evolution and coalescence model of fluid induced by electric field was established basing on leaky dielectric model.PEDCOL code was utilized to simulate the dynamics and coalescence of a conductive droplet in the presence of diverse electric fields,mainly includes the following contents:(1)The spreading of droplets between two plate electrodes is not only related to electric potential type,also related to change under the action of surface tension due to electric field.The influence of the proportion coefficient of surface tension on the droplet movement process is approximately same while the maximum thickness of liquid film and spreading radius variation rate are obviously different.Exerting uniform and linear electric potential does not alter the parabolic shape of spreading droplet.With the increase of the proportion coefficient,the droplet spreading is accelerated.Under the condition of nonlinear electric potential,the appearance time of indentation at liquid film center tends to be longer,the breakage possibility is decreased.Rupture process of a droplet can be controlled by applying exponential electric potential.The greatest impact of the variation of surface tension on the process of a droplet spreading is linear potential, and the least impact is exponential potential.(2)The coalescence process of two droplets produce is inhibited by electric field. The influence of different potential on the droplet coalescence process is not the same.The influence of the linear electric potential is mainly appear as the promotion of the overall migration of the two droplets and inhibition of the coalescence of the droplets. The droplets in electric field gather and form a main droplet,which is similar in shape of a arch.The electric field force in undulating electric potential influence increases then the coalescence process is inhibited even the droplets do not coalesce into one main drop.It embody that by changing the parameters of the electric field can control the droplet coalescence process.Keywords:droplet;electric field;spreading;coalescence摘要 (I)Abstract (I)主要符号表 (I)第1章绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2研究现状 (2)1.2.1表面张力 (2)1.2.2液滴聚并 (3)1.3研究内容 (4)第2章表面张力对电场作用下液滴运动特性影响 (6)2.1引言 (6)2.2理论模型 (6)2.3演化方程组推导 (7)2.4数值模拟初始和边界条件 (9)2.5液滴动力学特性研究 (10)2.5.1线性电势 (10)2.5.2非线性电势 (16)2.5.3不同电势下比例系数对特征参数的影响 (20)2.6本章小结 (20)第3章不同电场对液滴聚并动力特性影响研究 (22)3.1引言 (22)3.2理论模型 (22)3.3控制方程 (23)3.4不受电场作用时两液滴聚并过程 (24)3.5不同类型电场作用时两液滴聚并过程 (25)3.5.1线性底部电势 (25)3.5.2余弦电势 (31)3.5.3指数电势 (34)3.6本章小结 (37)第4章结论与展望 (38)4.1结论 (38)攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果 (43)致谢 (44)C:电毛细力数;E:电场强度;H*:液滴特征厚度;*bH:预置液膜厚度;h:液膜/液滴厚度;I:单位张量;*k:基底波数;L*:流动方向尺度;n*:界面处的单位法线矢量;p*:压强;q*:量纲为1的界面电荷密度;q:液滴界面电荷密度;T*:液体的应力张量;t*:界面处的单位切线矢量;t:时间;u*:有量纲速度矢量;u:x方向速度分量;u s:气液界面处x方向速度分量;w:z方向速度分量;w s:气液界面处z方向速度分量;x*:沿水平流动方向坐标;y*:沿展向方向坐标;z*:垂直流动方向坐标;β:量纲为1电极板间距*∇:哈密尔顿算子;*2∇:拉普拉斯算子;Λ*:分离压;ε0:自由空间介电常数ε1:气体介电常数ε2:液体介电常数∈:一阶小量,即∈=H*/L*<<1;Φ:底部电势;γ:溶液表面张力;λ:界面平均曲率;μ*:溶液动力粘度;ρ*:溶液密度;如无特殊说明,同一物理量,具有上标“*”时表示有量纲量,否则为无量纲量。
静电力场中微液滴的运动机理研究静电力场是一种常见的物理现象,它是由于物体带有静电荷而引发的电场作用。
当微小液滴处于静电力场中时,它们将受到静电吸引力的作用,并产生运动。
本文将会深入探究静电力场中微液滴的运动机理。
一、液滴受电极吸引的作用机理当一个微小液滴置于一个带正电或负电的电极附近时,电极会产生一个强电场,液滴就会受到电场力的作用。
这个电场力的方向是垂直于电场线的方向,也就是说,它会指向电极。
在液滴足够小的情况下,电场力足以克服液滴自身的表面张力,使得液滴朝着电极移动。
液滴受到电场力的大小与电场线的密度成正比,与液滴的带电量成正比,与液滴到电极的距离的平方成反比。
当液滴非常远离电极时,电场力会变得非常小,液滴的运动将会减缓。
二、液滴在静电力场中的轨迹液滴在静电力场中的轨迹非常复杂。
在液滴足够小的情况下,液滴会受到电场力的直接作用,所以它的轨迹是一个抛物线。
但是,当液滴的大小增大到一定程度时,液滴周围的电场会发生变化,导致液滴的轨迹变得不确定,甚至是混沌的。
液滴在静电力场中的运动轨迹不仅与液滴的大小有关,还与液滴的电性质和电场的性质有关。
当液滴带有正电时,它会被负电电极吸引,当液滴带有负电时,它会被正电电极吸引。
当电极在运动时,例如电极来回振动或旋转,液滴的运动轨迹将会更加复杂。
三、电场力会对液滴的形状造成影响当微小液滴处于静电力场中时,电场力会对液滴的形状造成影响。
如果电场力足够大,液滴就会变形成为椭球形,最终分裂成两个或多个小液滴。
液滴在静电力场中的变形过程与电场力的大小和液滴的表面张力有关。
在某些情况下,当电场力和表面张力达到平衡点时,液滴将形成一个稳定的形状,也就是说,液滴的形状不再发生变化。
四、液滴在静电力场中的应用微液滴在静电力场中的运动机理已经被广泛研究,并在一些应用中得到了应用。
静电力场可以用来控制微液滴的位置和形状。
这一技术可以用于微流体控制、药品发现、细胞分析和纳米加工等领域。