靜電霧化是電流體力學的重要基礎內容,以較低能耗(毫瓦級)可獲得大量粒徑細小、單分散性好、可控性強、沉積率高的荷電微液滴,在微／納米顆粒制備、微型燃燒、空氣凈化、空間微動力推進及生物工程等領域應用潛能巨大。靜電霧化及其應用過程中產生的復雜荷電多相流動,廣泛存在著荷電液滴的變形、破碎、聚合及分離等重要現(xiàn)象,其耦合場下的電流體動力學特性極為復雜。特別是射流模式的穩(wěn)定性問題、荷電液滴相間的動力學行為等尚不明確,涉及的科學問題新穎且極具研究價值。隨著現(xiàn)代流動測量技術的發(fā)展,采用顯微高速攝像對荷電微射流開展可視化研究并對其二次霧化模型及聚并分離機理進行解析是深入探討荷電微射流霧化行為的一個重要途徑,為發(fā)展靜電霧化技術提供了理論基礎。本文基于可視化研究手段對荷電液滴破碎演變行為及其電流體動力學特性開展了較為全面的研究,主要的研究工作及創(chuàng)新點如下：電場作用下微通道荷電液滴脫落過程中液橋的形成及衛(wèi)星液滴運動形貌的可視化研究。設計并建立了單液滴誘導荷電測試實驗臺,精確捕捉到荷電液滴液橋的斷裂形貌特征,提出采用母液滴及半月面夾角值判定液橋的斷裂順序,獲得了隨電邦德數增加滴狀模式過渡行為的演變規(guī)律。系統(tǒng)研究了荷電衛(wèi)星液滴聚合與非聚合的演變行為。分析了主導力的大小及方向對衛(wèi)星液滴運動軌跡的影響規(guī)律,從能量守恒的角度探討了電邦德數對衛(wèi)星液滴運動行為的影響因素及作用機制,設計了單液滴電荷量測量系統(tǒng)并首次提出衛(wèi)星液滴電荷量的計算方法,為荷電液滴間相互作用行為的機理研究提供了實驗基礎。荷電微射流模式的過渡轉變及其不穩(wěn)定性分析。創(chuàng)新性地利用流體動力學弛豫時間和荷電弛豫時間,揭示了不同導電性液體的射流過渡演變機制。分析了表面張力及粘度影響下的微射流霧化演變形貌特征；通過研究生物柴油的射流霧化特性,分析了射流模式轉變對子液滴尺寸及速度變化的影響,探討了微射流破碎形式對霧化特性的作用規(guī)律；對無水乙醇的射流不穩(wěn)性進行分析,通過顯微高速數碼攝像結合PIV技術探明了荷電微射流的穩(wěn)定霧化區(qū)間,獲得影響錐射流及多股射流模式的射流不穩(wěn)定性特征的作用因素,制定了調控微射流穩(wěn)定霧化行為的準則。電場作用下異性荷電液滴的相間作用行為的研究。通過構建異性荷電液滴碰撞的可視化測量系統(tǒng),借助時空分辨率較高的高速攝像技術首次發(fā)現(xiàn)了異性荷電液滴的非接觸反彈及非接觸破碎行為。從離子遷移的角度,描述了電導率影響下異性荷電液滴的接觸反彈行為；首次利用氣體電離理論并結合瑞利極限理論,揭示了非接觸反彈及非接觸破碎的作用機制。通過正交試驗分析,界定了碰撞行為區(qū)間；針對非接觸破碎行為,定義了破碎體積及拉伸速率來評估其電導率影響下的破碎強度。荷電液滴碰撞過程的負極端破碎研究。通過分析液滴界面曲率、高壓電極極性及溶液pH值對荷電液滴破碎極性選擇的影響,驗證了空氣環(huán)境下荷電液滴碰撞特有的負極性破碎行為。首次采用氦氣環(huán)境對異性荷電液滴的非接觸反彈及非接觸破碎演變行為進行精確捕捉,研究氦氣環(huán)境下非接觸破碎行為的極性選擇特征,揭示了空氣環(huán)境下荷電液滴始終發(fā)生負極端破碎行為的作用機制,獲得了氣體電離對空氣／氦氣環(huán)境下異性荷電液滴的非接觸反彈及破碎特性的影響規(guī)律。
【學位單位】：江蘇大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：O35
【部分圖文】：

將帶電液滴射入氣流而非真空環(huán)境。當荷電微液滴在電場中經過＂熱氣流＂時，??它們被蒸發(fā)，液滴半徑不斷減小，最終表面電荷密度達到達到Ｒａｙｌｅｉｇｈ極限狀態(tài)，??發(fā)生所謂的＂庫侖破碎＂行為，產生氣化離子（圖１．１）。對此ＤｏｌｅｌｉＵ?（１９６８）和??ｌｒｉｂａｍｅ［ｉ２］（?１９７５）分別提出了?ＣＲＭ（Ｃｈａｒｇｅ?Ｒｅｓｉｄｕｅ?Ｍｏｄｅｌ）和?ＩＥＭ（Ｉｏｎ?Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ??Ｍｏｄｅｌ）模紙進行解釋。ＣＲＭ模型認為：＂庫侖破巧＂是一個不斷重復的過巧，當??液滴中的溶劑揮發(fā)完后，即得到了所需的氣相離子；舊Ｍ模型認為：蒸發(fā)和庫侖??破碎使得液滴的直徑不斷減小，Ｗ致于液滴最終依靠自身的電場將溶質離子釋放??到氣相空間中。不管最終那種理論更好地揭示了破碎機理，電霧化技術的成功應??用，降低了質譜測量對溶液揮發(fā)性的要求；同時能夠使分子攜帶大量的電荷，提??高了離子的荷質比，從而提高了儀器靈敏度與測量的精度。這對于檢測生物領域??易分解的有機大分子有著極其重要的意義。耶魯大學教授Ｄｒ．?Ｊｏｈｎ?Ｆｅｎ在１９８８年??提出的這種電噴射離子化質譜儀精確測量蛋白子分子質量的構想與實驗證據使其??獲得２００２年諾貝爾化學獎，這也充分體現(xiàn)了靜電霧化在生物工程領域的研究價值。??近年來

成為目前技術領域研究的熱點。由于通過靜電霧化方法的有效控制可Ｗ得到尺度??范圍較寬？Ｉｃ耐的荷電微液滴，具有極好的單分散性［…７］，且電霧化設備較??為簡單，在常溫常壓下工作，此項技術被成功應用于納米材料的制備（圖１．２）。??特別是霧化形成的荷電微液滴群能夠很好的吸附在基底上，這使得微通道靜電霧??化更多地用于制備各種納、微米薄膜。??ｆＷＷ＼Ｊ?發(fā)熱元件??Ｘ?、■？基底??高壓靜電發(fā)生Ｈ?＼霧化射流??Ａ?ｍ??０００?化也ｗ?Ｈ因??＝噴嘴！畫＂＼冢送溶液??ＡＩ?（蠕動冢）??￥??圖１．２納米薄膜制備裝置??Ｆｉｇ?１．２?Ｎａｎｏ?化ｉｎ?巧Ｉｍ?ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ?ｄｅｖｉｃｅ??Ｇｏｕｒａｒｉ等（２０００）采用靜電霧化方法制備了?Ｓｎ〇２－Ｍ化〇３多層薄胺材料（＜１０??／／Ｗ），研制了用于監(jiān)測易燃、有毒氣體的傳感器納件。鑒于ＴＫ）２薄膜具有廣泛的??工程應用背景，Ｃｈｅｎ等（１９９９）用靜電霧化方法制備了?Ｔｉ化薄膜。對薄膜樣品??的分析結果表明：Ｗ靜電霧化方法制備的Ｔｉ化薄膜具有任意密度，薄膜均勻等顯??著優(yōu)點。Ｓｕ等（２０００）利用靜電霧化結合蒸發(fā)沉降技術，制備了?ＣｄＳ薄膜（＜１０??這一技術解決了?Ｗ往化學浴沉降法的污染問題和拋灑熱解法的低效能問題。??ＫｉｍＰｉｌ?（２０００）在普通靜電霧化裝置上安裝了特殊的＂導向加熱源＂，并１＾＾此制備??了?ＭｇＯ薄膜；實驗過程中通過改變導向加熱器和基面的溫度，他們得到了?３４－８７＾??／分鐘的薄膜生長速度。ＭｉａｏＰＳｌ?（２０００）基于靜電霧化方法對Ｚｒ〇２和ＳｉＣ陶瓷顆??粒（＜１０＾ｍ）的懸浮液進行了霧化特性研究。分析表明

指出液體靜電霧化時，噴嘴尖端會在一定條件下形成一錐形液柱（稱為??Ｔａｙｌｏｒ?Ｃｏｎｅ，泰勒錐），并發(fā)現(xiàn)毛細管出口處圓錐液面的理論半錐角為４９．３°，隨??后通過分析彎月形錐形液柱中的力平衡問題得到泰勒錐的產生原理（圖１．４?），??Ｔａｙｌｏｒ的送些開拓性的研究工作為靜電霧化的數值模擬研究奠定了基礎。??７??
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