电晕放电引导电介质液体运动实验研究

电晕放电引导电介质液体运动实验研究

【摘要】： 电流体动力学是电动力学与流体力学相结合的交叉学科,电晕放电是电流体动力学中一种常见现象,具有广泛的应用价值。针板电极结构是研究电晕放电及其相关现象的经典电极结构,在针板电极结构中电晕放电对液体产生驱动作用早已为人所知,然而部分现象仍缺乏系统性实验分析和理论解释。本文对针板电极结构中电晕放电驱动液体进行实验及理论研究并发展出一种新的液滴控制技术,主要内容包括以下几个方面:(1)通过实验证明了电晕作用于电介质液体层表面出现的类孤波运动并非表面波现象。首先确定了电晕作用下液体层产生类孤波的条件,经过速度分析提出其不满足波动的会聚与色散。通过检验其对传播介质的依赖性、干涉与反射,发现其不满足波动现象中一些必要的特征,并提出了其传播的影响因素。(2)确定了电晕作用电介质液体层形成不同自组织图案的演化过程和临界条件。定量给出各自组织图案对应的电压-液层厚度分布,得到各自组织图案特征尺寸与各参量的函数关系。通过分析各自组织图案形成、维持与转化的力平衡条件,建立了其中一种图案的力学模型,解释了锥形液面形成原因及维持条件,推导了锥形液面几何尺度与容纳电荷量的关系。(3)发现了电晕放电驱动液滴产生单次非可持续运动这一现象,确立了两种导致液滴发生运动的条件。通过对比电润湿、介电电泳等由于表面张力导致的液滴变形以及接触角变化特点,证明了电晕致液滴运动的独特性,并给出了运动参数与各条件的关系。提出通过交替切换两种电极状态以实现液滴由单次运动转换为持续间歇性直线运动。(4)提出了电晕致液滴运动时运动方向的可控性。通过导电孔这一附加电极结构实现了液滴运动时具有两个可能的方向。提出了导电孔影响液滴运动方向的物理机制,并量化运动方向与各参数条件的关系。采用有限元计算软件COMSOL Multiphysics对加入附加电荷的聚合物膜表面电场进行计算,验证了这种物理机制的正确性。确定了聚合物膜表面电场水平分量分布是液滴运动方向的决定性因素。(5)首次提出基于电晕的液滴控制技术。发展出电晕作用下液滴实现自由可控运动的完整方法,成功实现液滴长程复杂路径移动。通过将导电孔变为浮动导电环实现了液滴平面多方向运动,并量化了其实现条件。得到液滴运动速度范围并确定了其极限速度的影响因素及其物理机制。通过比较基于电晕的液滴控制技术和已存在的其它技术,得出这种新技术具有不用预制流道或电极阵列,运动路径灵活可调,控制方法简单通用等优点。此技术为涉及到液滴控制的多种应用领域提供了新的潜在选项。

【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2020

网址：电晕放电引导电介质液体运动实验研究 http://c.mxgxt.com/news/view/489597

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