液滴形成过程及稳定性分析

液滴形成过程及稳定性分析

【摘要】： 液滴喷射技术由于其高分辨率和广泛的适用性成为一种不可或缺的基础技术,对于3D打印、电子科技、生物医药等领域的发展有着重要的意义。尽管学者们对于液滴喷射技术,包括喷射机理、模型发展、材料拓展以及喷射控制上进行了大量的研究,目前在液滴产生的内在机理以及喷射过程的优化调控方面仍存在许多不足之处。针对以上问题,本文采用理论分析、实验观测结合数值模拟的方法对液滴形成过程的产生机理及行为控制展开了研究,对揭示液滴喷射原理及优化打印性能有重要意义。本研究首先讨论影响液滴形成过程及稳定性的关键参数,包括喷嘴驱动参数、流体物性参数、喷嘴结构设计和外部热场温度。喷嘴驱动参数中,脉冲幅值和脉冲宽度对液滴速度、液带长度、断裂时间以及过程稳定性有明显影响。流体物性参数中,选择低的流体密度、流体粘度和高的流体表面张力有利于提高液滴稳定性。喷嘴结构设计中,大的喷嘴直径显著增加断裂时间、降低液滴速度和液带长度,并且增加过程的稳定性;曲面三角形喷嘴可有效减小31%的液滴体积;拉瓦尔喷嘴能够提升液滴速度至原来的240%。外部热场温度的提高使得液滴速度大幅提高,稳定性下降,但液滴体积受流动和传热的同时影响呈现无规则的变化。进一步地,采用三种方式对液滴喷射过程的稳定性及整体效率进行调控和优化。通过调整驱动参数,液滴稳定喷射的范围拓展至传统稳定喷射范围的十几倍,一个新的稳定性判据Pj的提出为液滴喷射过程提供更加全面的稳定性判断。通过跟踪液滴下落时的振荡过程,发现液滴振荡的最大形变程度随着驱动力的增加呈现先上升后下降的趋势,利用曲线顶峰点和转折点的位置与表面张力的关系可以为打印过程的精度控制提供参考。最后,采用正交试验方法给出的最优参数组合结合一个将液滴速度、液滴体积和过程稳定性相结合的参数Sc可以为液滴喷射过程的综合效率进行整体性的评估。

【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2020

网址：液滴形成过程及稳定性分析 http://c.mxgxt.com/news/view/489598

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