本文選題：噴墨打印 + 數(shù)值模擬�。� 參考：《廣西師范大學》2017年碩士論文

【摘要】：噴墨打印技術(shù)在各種新型的工業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用,例如:細胞打印、3D打印、電子封裝、制作DNA材料等等。正是由于噴墨打印技術(shù)的普及應(yīng)用,現(xiàn)在越來越多的人們對該技術(shù)進行研究。噴墨打印的質(zhì)量跟液滴的噴射速度息息相關(guān)。因此在噴墨打印中,如何控制液滴的噴射速度是我們需要研究的最基本和最重要的問題。然而,對液滴噴射速度的研究又涉及到非常復(fù)雜的流體力學知識。因此,為了對液滴的演化過程進行深入的研究分析,以指導(dǎo)實際的生產(chǎn)需要。很多研究者付出了很多的時間和精力,他們運用的方法主要是科學實驗,通過實驗我們可以很好地理解流體的長尾、液滴噴射的具體行為過程,也為數(shù)值模擬的驗證提供了不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是由于實驗方法本身的局限性以及噴射行為本身的復(fù)雜性,使得實驗的重復(fù)性不易實現(xiàn),這些局限性限制了人們運用實驗方法對噴墨打印進行更深入地研究。隨著技術(shù)的發(fā)展進步,有些學者運用了數(shù)值模擬的方法模擬液滴的形成過程,但是這些方法缺乏精確度,并且這些基于傳統(tǒng)連續(xù)性理論的方法,需要求解復(fù)雜的Navier—Stokes方程,需要很大的計算量和昂貴的模擬代價,特別是,基于傳統(tǒng)方法求解Navier—Stokes方程時可能會遇到一些譬如界面斷裂和合并這類大拓撲變形的問題,此情形下的數(shù)值計算將十分困難。因此,為了深入地研究噴墨打印技術(shù),一個能避免直接求解Navier—Stokes方程和復(fù)雜界面追蹤的更簡單、更高效的方法是我們迫切需要的。目前,人們提出了基于兩相流的晶格Boltzmann模型,運用該模型模擬液滴的噴射行為。晶格Boltzmann方法的算法具有清晰的物理背景、簡單高效的計算方法、具有天然的并行性。自應(yīng)用以來,被廣泛地應(yīng)用于泊松流、方腔流、化學流等方面。本文采用具有大密度比的兩相流晶格Boltzmann模型研究液滴的形成以及其影響因素,研究內(nèi)容主要為:(1)在噴墨打印中,噴嘴內(nèi)壁的潤濕性和液滴的表面張力能夠控制液滴的飛行速度,進而決定噴墨打印的質(zhì)量。為了分析這兩個因素對噴墨打印的影響作用,我們建立了基于大密度比的兩相流晶格Boltzmann模型,通過與高速、高分辨率攝像機拍攝到的液滴的形成過程進行對照,最后的模擬結(jié)果和實驗結(jié)果相吻合,由此可以得出我們所用到的具有大密度比的兩相流晶格Boltzmann模型的有效性。由于硅油的屬性與墨水的屬性很相近,所以在本文中我們以硅油為研究對象,運用兩相流晶格Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)模擬了噴墨打印中液滴的形成過程,分析了液滴在初始階段、頸縮階段、斷裂階段、收縮階段時墨滴的形狀、速度、斷裂時間的變化規(guī)律。(2)在已有的模擬實驗中,壓電式噴墨打印中的驅(qū)動力產(chǎn)生于壓力震蕩所產(chǎn)生的壓力差。在本文的模擬實驗中,為了模擬噴嘴內(nèi)壁的壓力震蕩,我們使用一個隨時間變化的驅(qū)動力來推動液滴噴射。我們可以調(diào)整驅(qū)動力的強度以及正向力、負向力的持續(xù)時間來改變驅(qū)動力。經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn),在一個周期內(nèi),正向驅(qū)動力的持續(xù)時間為5μs,反方向驅(qū)動力的持續(xù)時間為3μs,間隙時間為8μs,可以達到我們想要的驅(qū)動效果。(3)本文主要對影響液滴形成的兩個主要物理因素進行了一系列的模擬研究,即噴嘴內(nèi)壁的潤濕性和液滴的表面張力。在進行實驗?zāi)M之前,我們首先模擬研究了接觸角θ和潤濕勢Ω對應(yīng)的數(shù)量關(guān)系,即潤濕勢Ω隨著接觸角θ的增加而逐漸減小,與此同時,固體壁面的親水性逐漸減弱。這為噴嘴內(nèi)壁潤濕性的研究提供了理論指導(dǎo)。然后模擬研究噴嘴內(nèi)壁的潤濕性和液滴的表面張力對噴墨中液滴的形成與飛行過程的影響,我們發(fā)現(xiàn):隨著接觸角的減小,液滴的斷裂時間縮短,飛行速度增加。隨著液滴表面張力系數(shù)增大,液滴的斷裂時間縮短,飛行速度增加。因此親水性的內(nèi)壁和較高表面張力是最優(yōu)化設(shè)計。從模擬研究的結(jié)果中,我們可以得出,本文的基于兩相流的晶格Boltzmann方法對于模擬液滴的形成具有很好的實用性。通過對液滴形成過程的模擬分析,可以使我們對液滴形成原理有更深刻的理解,對于改進噴墨打印的質(zhì)量具有很強的指導(dǎo)意義。
[Abstract]:In this paper , it is very urgent to study the formation process of droplet by using the method of numerical simulation . So , in order to study the influence of the two factors on ink jet printing , it is necessary to solve the problem of droplet formation . In this paper , we simulate the formation process of droplet in ink jet printing by using two - phase flow lattice Boltzmann method ( Lattice Boltzmann Method , LBM ) .
【學位授予單位】：廣西師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP334.83

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 聶德明;林建忠;;非球形顆粒布朗運動的漲落-格子Boltzmann數(shù)值研究[J];計算物理;2012年01期

2 林宗虎;;多相流體力學及其工程應(yīng)用[J];自然雜志;2006年04期

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本文編號：2001269