主动激励气驱流动聚焦射流失稳实验研究

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微液滴具有高比表面积,并且能作为制备其他微颗粒的模板,在生物医学、环境科学、材料化学等领域中有着广泛的应用。在制备微液滴的方法中,与传统的微通道方法相比,由于流动聚焦中方法中不存在高流阻这一制约,其可实现高通量的液滴制备,并且方法本身也有很强的可操作性,因此还能适用于多种生产工况。当射流因不稳定性产生的扰动破碎时,射流表面的扰动可分为轴对称型和非轴对称型,其中非轴对称扰动导致液滴的多分散性,使得流动聚焦方法在实际使用上还存在一定的限制。为了快速且均匀地制备液滴,本文考虑利用外部的能量调控被聚焦相,通过施加振动扰动去影响射流,观察到射流会在一定条件下表现出规律的破碎现象,使液滴的生成具有了可控性。主要工作如下:(1)搭建了主动激励气驱流动聚焦实验系统。在传统的流动聚焦装置上,本文添加了以压电陶瓷为主体的激励振子模块,并设计加工了装配式的腔体模块。该实验系统可避免装置结构带来的误差,稳定产生射流的同时,还能将扰动很好地传到射流上,从而便于分析激励扰动对射流失稳的影响。(2)研究了主要参数对射流失稳的调控作用。通过改变射流生成的条件,本文进行了相关参数的系统实验研究。在轴对称模式下,实验通过改变流量以及压差的方式,去影响射流的直径以及速度,结果显示射流可被调控的区间很大,并且生成的液滴尺寸也能被精确预测。对于粘性液体,机械扰动也能在一定范围内使射流均匀破碎,甚至抑制非轴对称扰动的发展,从而推迟其进入螺旋射流模态。(3)研究了振子振动引发的扰动对锥形以及射流的影响。本文通过捕捉锥形的形态改变,分析了扰动对锥形边界的作用。并且,通过线性不稳定性理论,我们给出了扰动在射流表面的传播公式,进一步探究了两种不同机制扰动的竞争关系。这为我们更深层次理解同步区间的变化规律提供了理论支撑,也能指导后续复杂工况下均匀液滴的制备过程。
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