流动聚焦中带电同轴射流的不稳定性研究

本申请采用流动聚焦、电雾化、电纺丝三种技术相结合的方法，在流动聚焦的同轴射流区域施加电场作用，通过实验和数值分析研究在电场力和惯性力耦合下带电同轴射流的不稳定性行为。一方面采用显微镜结合CCD、立体摄影等技术采集高速运动射流的清晰图像和定量数据；另一方面利用数值方法研究同轴射流的时间不稳定性以及时空和空间演化特性。通过本项目研究，获取不同实验条件和物性参数下牛顿流体和非牛顿流体带电同轴射流的直径、速度、扰动发展和失稳模态，获得流动模式及其工作区域，并得到滴模态和射流模态、轴对称模态和非轴对称模态之间相互转变的主要影响因素，为实际应用提供理论指导。与单一的流动聚焦、电雾化或电纺丝相比，该方法在制备微纳米尺度的液滴、颗粒和纤维方面更有优势，有望使雾化更稳定，可应用的参数范围更广，制备的产物直径更小，因而具有重大的应用前景。

本项目开展了在电场作用下的流动聚焦中同轴射流不稳定性的实验和理论研究。首先，设计加工了多种电场作用下的流动聚焦装置，达到了易于操作、易于控制、易于观察的实验目的。一方面加工了吹气式的核心装置，利用高压气体进行驱动，并将电场施加在针头和接收电极之间；另一方面加工了吸气式的核心装置，利用负压抽吸气体进行驱动，将电场施加在针头和小孔所在金属平板之间。同时，我们不仅加工了单轴流动聚焦针头，还利用激光焊接方法解决了同轴及多轴针头的加工难题，成功得到了多层锥-射流结构的形成方法。其次，搭建了流场显示和测试的实验平台，并配置了流体物理属性参数的测试设备，获得了多种试剂的物性参数数据库，成功实现了锥形和射流运动图像的清晰拍摄，获取了射流直径、速度、扰动发展、优势模态转换等定量数据。再次，系统开展了电场作用下流动聚焦的实验研究，考虑了牛顿流体和非牛顿流体两种材料，并分析了主要控制条件和物性参数的影响规律。在实验中，流动聚焦装置的几何参数对锥形的稳定性有重要影响，液体流量、气体压力差、电压等过程参数对带电射流的不稳定性起决定作用。而流体的表面张力系数、粘性以及非牛顿流体的粘弹性等对带电射流的形态也有重要影响。本项目获得了牛顿流体和非牛顿流体带电射流的流动模态及其工作区域，并分析了模态之间转换的主要影响因素。最后，通过理论分析方法推导了电场作用下流动聚焦的基本电场分布，建立了近似的基本速度型，并开展了有粘和无粘带电射流的不稳定性分析，取得了和实验一致的结果。在无粘稳定性分析中，采用均匀速度型和电场，获得了解析的色散关系；在有粘稳定性分析中，采用与实验近似吻合的速度型和电场分布，采用数值方法求解广义特征值问题。当考虑非牛顿流体时，采用近似的本构关系和物理模型进行分析。总之，该项目按计划完成了预定内容，研究成果将有助于凝聚研究方向，形成较好的人才队伍。通过本项目研究，揭示了电场作用下带电同轴射流运动和破碎的物理规律及内在机理，为流动聚焦、电雾化、电纺丝及其结合技术的实际应用提供了重要的指导。