电流体喷射过程流体动力学稳定性机理研究

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电流体喷印是一种新型图案化印刷电子技术,具有分辨率高和可柔性化等优点,在显示传感和生物医疗等领域有着广泛应用前景。然而电流体喷印还面临着一系列科学技术问题,主要表现在其喷射动力学机理和工艺相图方面认知还不够全面深入,因而有必要加深理解电喷射各个过程动力学行为和构建喷射模式的工艺相图。因此需要发展合适的数值模型对电流体喷印流体动力学特征进行精确表征,同时还需要结合理论分析和实验观测对喷射行为进行预测和验证。本论文结合数值模拟、理论分析和实验观测的手段系统地研究了电流体喷射过程,主要的研究内容如下:(1)为了揭示电流体喷射机理,将电流体喷印过程按照喷射阶段划分为宏观尺度的泰勒锥区域与射流断裂区域,和介观尺度的纳米液滴变形区域。在宏观尺度的泰勒锥和射流区域,基于电流体喷印实验观测平台、水平集(LS)仿真和多体耗散粒子动力学(MDPD)模拟,揭示了点喷和雾化锥射流形成、泰勒锥脉动断裂和离子析出等机理。LS模拟显示界面切应力是锥射流产生的主因,而MDPD模拟证明了电场力、库仑力和表面张力的共同作用导致锥射流脉动断裂。(2)基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)模拟、射流稳定性理论和射流断裂实验装置,揭示了漏电介质射流奇点处动力学机理。首先比较了射流断裂初始阶段增长率与线性稳定性色散关系、断裂时刻动力学特征与自相似标度率等,发现了漏电介质射流存在端部断裂、韧部断裂和过渡断裂三种非线性断裂模式。进一步探究了各种无量纲数对断裂的影响机理,推断出电导率和介电常数相关无量纲数α和εr是影响断裂模式的关键因素。并且当CaE《α2/Oh1/2和CaE《1/Oh1/2时,漏电介质射流最小半径保持2/3和1的标度率关系。(3)基于MDPD法构建了介观尺度下的液滴断裂和带电粒子运动模型,分别研究了热扰动效应和离子效应显著时纳米液滴惯性断裂和电致断裂行为,归纳了纳米液滴惯性断裂机理和断裂过程中颈部特征的标度率规律,总结出带电液滴在强电场中呈现尖端射流、纺锤状形成、指状拉伸和哑铃状拉伸四种变形模式。(4)通过分析电流体喷印中操作参数、物性参数和几何参数相关的5个无量纲数(Oh、We、CaE、α和εr)对喷射模式的影响规律,构建了普适性性质参数和操作参数的无量纲空间相图,发现了锥射流稳定喷射时无量纲数满足0.05 ≤Oh≤ 0.3、α≥5、εr≥5、10-3 ≤We≤5 × 10-2 和 0.5 ≤CaE≤2.7。上述研究既发展了电喷射中各尺度下的两相电流体数值模型,也构建了适用于电流体喷印工艺参数的相图空间,可为实际大规模高效率电流体喷印制造奠定理论和方法基础。
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