电流体喷印射流喷射及内部涡流流动行为模拟研究

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电流体按需喷印(Electrohydrodynamic Drop-on-demand Printing)是近年来快速发展出来的微纳液滴喷射成型技术,被视为微纳3D打印的重要发展方向。由于微纳结构制造工艺对液滴的精度与生成频率均提出了极高要求,如何高频稳定喷射高分辨率液滴一直是按需喷印技术的研究热点。但是,实验研究受到电喷印的整个过程时间短(毫秒级别)、微纳尺度、液面捕捉困难等问题的影响,各参数对喷印过程中射流喷射、断裂和微液面振荡行为的机理仍不明确。因此,本文基于实验结果对电喷印过程进行了数值模拟仿真研究,主要工作是:(1)使用开源程序OpenFOAM,对电喷印过程进行数值建模。利用有限体积法对N-S控制方程进行离散;使用VOF法对微液面形态进行捕捉;采用CSF法计算表面张力;使用漏电介质模型计算电场力。将整个喷印过程简化成一个二维轴对称问题,减少了计算量。(2)研究在直流电压作用下的电喷印过程。研究了在改变电压大小、溶液粘度和电导率时,对于电喷印过程中各个阶段以及泰勒锥形态的影响。得到了变形时间tf、喷射时间tj、回弹时间tr、泰勒锥锥角和长度与电压大小、溶液粘度、电导率之间的关系。变形时间tf与电压大小和电导率成反比,与粘度成正比;喷射时间tj主要受到粘度的影响;回弹时间tr与粘度成正比,与电导率和电压大小成反比。泰勒锥锥角与粘度成反比,与电导率和电压大小成正比;泰勒锥长度的变化规律与角度相反。(3)研究在脉冲电压作用下的电喷印过程,得到了在脉冲电压频率分别为1000Hz、800Hz和625Hz,占空比为50%时,变形时间tf、喷射时间tj、回弹时间tr、泰勒锥的锥角与长度和电压大小、粘度之间的关系。在脉冲电压作用下,电喷印过程受频率的影响较为明显,且变形时间tf和喷射时间tj与电压大小成反比,回弹时间tr与电压大小成正比,泰勒锥形态变化与直流电压下的变化规律一致。(4)研究在直流电压和脉冲电压作用下,微液面内部涡流的位置和尺寸变化。确定了电喷印各个阶段,微液面形态变化时,涡流的位置和强度的变化。发现在液线产生和液线断裂时,涡流的位置坐标和尺寸会产生极值。通过数值模拟获得并分析了直流电压和脉冲电压作用下各溶液属性及电压参数对电喷印射流形成及喷射时泰勒锥形态及各阶段特征时间的影响,为电场作用下带电溶液的喷射与振荡行为机理的分析与揭示提供了有效途径。深入探究了喷印过程中射流形成及喷射时内部涡流位置和尺寸变化过程,明确了各参数对溶液内部流场的作用规律,对进一步提高电流体按需喷印的稳定性具有重要意义。
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