非匀强电场对微纳液滴静电聚并过程的影响研究

摘要

如何高效利用静电场来驱动液滴聚并，成为诸如工业生产、电子通讯、航天航空等前沿领域共同关注的问题。实际上，液滴的静电聚并过程是利用匀强电场来实现的。由于静电的吸引，水滴被极化并相互靠近。虽然匀强电场可以促进微纳液滴的聚并，但仍然存在一定的局限性：（1）聚并范围小；（2）能源消耗大。因此本文借助分子动力学方法，从微观角度分析微纳液滴在非匀强电场下静电聚并过程中电、动力学行为规律及其形成的微观机理。本文主要研究内容如下： 首先，针对非匀强电场下单一组分微纳液滴（即纯水液滴）的静电聚并过程展开研究。对比了匀强、非匀强电场对微纳液滴聚并过程的影响，并分析了非匀强电场的作用机理，结果表明，非匀强电场作用下液滴的聚并效率是匀强电场下的二倍，而平均电场强度仅仅是匀强电场强度的1/2；非匀强电场中，由于液滴两端的电场强度不同，从而产生一个非零合力（介电泳力）作用于液滴，促进了液滴的迁移。在强电场作用下，能够清晰的观察到介电泳力促进了液滴的聚并。此外，增大电场梯度，发现介电泳力将加速液滴的聚并。但当电场梯度增加到一定程度，作用在液滴上的介电泳力会迅速的呈非线性地增加，并由于强烈的拉伸作用促使液滴形成链状结构，甚至形成液滴二次分裂。 其次，本文研究了非匀强电场作用下溶有盐离子微纳液滴的静电聚并过程。对于溶有盐离子的多组分液滴，离子的存在会改变液滴的静电聚并过程。通过分子动力学模拟可以发现，液滴内离子会形成类似于双电子层结构的非对称性分布，高电场强度侧为吸附层，低电场强度侧为扩散层，吸附层内的离子会在强电泳力下带动扩散层离子迁移，进而，离子强化了静电聚并。同时，分析了不同强度、不同梯度的非匀强电场作用于溶有盐离子液滴的静电聚并过程。结果发现，与匀强电场类似，增大电场强度和梯度能够促进液滴的聚并效率，是由于产生了更大的库伦力使离子更易摆脱离子团簇的束缚，进而形成双电层结构。但增大电场梯度仅仅加速了类似双电层结构的形成，并不能影响液滴内离子的分布。并且发现由于非匀强电场的作用，在临界电场强度下，液滴会发生二次聚并现象。因此，利用非匀强电场作用于液滴的静电聚并可以有效避免液滴的部分聚并和反弹等现象出现。 最后，本文分析了非匀强电场作用下液滴内溶有不同浓度的盐离子对液滴静电聚并的影响。结果表明：对于低浓度的液滴（c＜1.32mol/L），由于离子数量少，需要克服粒子间的相互作用力也小，所以从扩散层迁移到吸附层的离子数量较多。因此，离子浓度的增加增大了离子的不对称性，有利于双电层进一步的形成；对于高浓度的液滴（c＞1.32mol/L），粒子之间的相互作用力增强，反而限制了双电层结构的形成。随着离子浓度的增加离子逐渐形成了对称分布，这也大大的降低了介电泳力的大小。

目录

主要符号表

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外的研究现状

1.2.1 非匀强电场下液滴聚并的研究现状

1.2.2 不同物性液滴静电聚并的研究现状

1.2.3 微纳液滴静电聚并的研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 分子动力学方法

2.1 分子动力学原理

2.2 运动方程的积分

2.3 初始条件和边界条件

2.3.1 初始条件

2.3.2 边界条件

2.4 系综理论

2.4.1 系综分类

2.4.2 系综的调节

2.5 势能函数

2.5.1 范德华相互作用

2.5.2 分子内相互作用

2.5.3 静电相互作用

2.6 本章小结

第3章 非匀强电场下单一组分微纳液滴静电聚并过程

3.1 引言

3.2 几何模型与数值计算方法

3.2.1 几何模型与电场形式的选择

3.2.2 分子间的作用势能函数

3.3 模拟过程

3.4 结果讨论与分析

3.4.1 模拟结果的验证

3.4.2 非匀强电场的影响

3.4.3 电场梯度的影响

3.5 本章小结

第4章 离子浓度对微纳液滴静电聚并的影响

4.1 引言

4.2 几何模型与数值计算方法

4.3 模拟过程

4.4 结果讨论与分析

4.4.1 离子浓度对介电泳力影响

4.4.2 液滴内部的离子分布

4.4.3 电场参数对离子分布的影响

4.5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果及发表的论文

声明

致谢