【摘要】：液滴成形在自然界是很正常的現(xiàn)象,且其廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域,例如液體萃取、生物醫(yī)學(xué)、噴墨打印、內(nèi)燃機(jī)等,因此其研究具有十分重要的實(shí)際意義。由于液滴形成和下落過程有著復(fù)雜且細(xì)微的形態(tài)變化,致使其研究過程存在一定的困難。為了深入了解液滴成形過程的細(xì)微變化和研究粘度、流速等因素對其成形的影響,本文以丙三醇溶液為研究對象,通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究其過程。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),結(jié)合高速攝影系統(tǒng)對不同流速和不同粘度的液滴形成過程的形態(tài)演化進(jìn)行拍攝,得到液滴形成和下落的時(shí)間序列圖片,研究了流速和粘度對液滴形成的影響。通過采用VOF方法和幾何重構(gòu)方法(geometric reconstruction)捕捉液滴成形的界面,分析液滴內(nèi)部速度矢量和壓力的分布及下落振蕩的情況,得到如下結(jié)果:(1)通過數(shù)值模擬方法分析低流量毛細(xì)管末端液滴成形過程,并與實(shí)驗(yàn)對比,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性,并將液滴成形過程分為成形、頸縮、斷裂三個(gè)階段。(2)進(jìn)行了不同流速下液滴成形的實(shí)驗(yàn),分析了斷裂階段流速與壓力和軸向速度的關(guān)系,軸向速度顯示了渦環(huán)的位置。分析了不同流速下液滴成形所受合力的情況,并推導(dǎo)出流速與斷裂體積的關(guān)系式,經(jīng)分析知流速不改變液滴振蕩的周期。(3)進(jìn)行了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液液滴的形成實(shí)驗(yàn),研究了液滴頸縮線長度與粘度的關(guān)系,粘度越大,形成的頸縮線的長度越長。實(shí)驗(yàn)研究了液滴下落過程粘度與振幅的關(guān)系,隨著液體粘度的增大,振蕩幅值相應(yīng)減小,振蕩周期不隨粘度變化,粘性對液滴下落過程的振蕩有吸收作用。(4)研究不同粘度下液滴內(nèi)部壓力和軸向速度的變化情況,且最大壓力出現(xiàn)在頸部的位置,軸向速度波峰波谷的產(chǎn)生表明渦環(huán)的產(chǎn)生。分析了液滴成形過程中所受的合力,解釋了液滴斷裂的原因。
【圖文】：

粘度、表面張力系數(shù)等物理特性一直是影響初始液滴和衛(wèi)星液滴體積、頸縮線變化的重要因素，因此對這些因素的研究必不可少。1936 年 Hauser 等[6]使用高速攝影機(jī)拍攝液滴成長的過程，并獲得了其成形的一系列圖片，分析了初始液滴的形成，表明了液滴成形在流體動(dòng)力學(xué)中是個(gè)短暫而復(fù)雜的過程。Edgerton 等[7]發(fā)現(xiàn)液體的物理性質(zhì)對液滴形成的機(jī)理有很大的影響，并對確定表面張力的動(dòng)態(tài)方法和靜態(tài)方法分別進(jìn)行了論述，得出結(jié)論動(dòng)態(tài)方法：應(yīng)謹(jǐn)慎使用動(dòng)態(tài)方法測試表面張力，靜態(tài)方法是更適合用于確定表面張力。Sh等[8]和 Zhang 等[9]都對影響初始液滴和衛(wèi)星液滴的參數(shù)進(jìn)行了研究，如流體粘度、流速、電場等，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)流體粘度高時(shí)，單個(gè)液滴更容易形成。頸縮線的長度隨著粘度和流速增加而相應(yīng)地增加，生成的初始液滴和衛(wèi)星液滴的體積相應(yīng)增加，隨著電場強(qiáng)度的增加，初級液滴的體積減小，而頸縮線的長度和直徑以及衛(wèi)星液滴的體積相應(yīng)增加。圖 1.1顯示了水滴成形的序列圖，顯示了初始液滴和衛(wèi)星液滴的產(chǎn)生，Zhang 總結(jié)了毛細(xì)管的不同半徑和流量對衛(wèi)星液滴產(chǎn)生的影響。

方法滴成形實(shí)驗(yàn)的主要目的是為了獲得液滴成長過程形態(tài)隨時(shí)間演變的定量信息段液滴斷裂形成的初始液滴和產(chǎn)生的衛(wèi)星液滴的體積的信息。本研究通過改和粘度來研究液滴成形的特性。本文的實(shí)驗(yàn)對象為丙三醇（glycerol），，國家，相對密度 1.26170 g/ml（25℃），具有吸濕性。驗(yàn)設(shè)備驗(yàn)以毛細(xì)管末端的液滴為研究對象，分析了不同流速和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下液滴實(shí)驗(yàn)裝置包括毛細(xì)管、蠕動(dòng)泵和一些附加裝置組成，如圖 2.1 實(shí)驗(yàn)示意圖所一定的流量經(jīng)過毛細(xì)管輸送液體，并在毛細(xì)管的末端形成液滴。附加裝置包滴形成過程的圖像的高速攝像機(jī)以及用于記錄、存儲(chǔ)和分析液滴形狀和壓力件。整個(gè)裝置中除了毛細(xì)管是插在外圍流體中，其余設(shè)備都放在隔震臺(tái)上以
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O35;O241

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2629382