电场与外流场耦合作用下液滴动力学行为的数值研究

摘要

乳液体系因其独特的封闭液-液相界面结构，而成为微储存器、微反应器、微壳核材料等微功能器件构建的有效模板。然而，乳液液滴往往在外流场的操控下形成所需的尺寸、单分散度、界面形状等主要结构特征，并通过聚合、交联、溶剂挥发、固化、组装等物理化学过程完成微功能器件的构建。因此，乳液液滴在外流场作用下所出现的形变、破碎等动力学行为将对微功能器件的结构及性能产生重要影响。因此，准确地掌握乳液液滴在外流场作用下的动力学行为机理及其界面演化规律，探寻液滴在外流场中动力学行为的主动控制方法，将对乳液液滴法构建微功能器件工艺过程的精密调控具有重要的现实意义。
　　近年来，随着电流体力学的发展，外加电场主动控制已成为一条精确调控外流场中液滴动力学行为的有效途径。然而，当前人们对于电场与流场耦合作用下液滴动力学行为特征与规律仍缺乏完整认识，并且流场力与电场力对液滴动力学行为的耦合调控机制仍有待进一步揭示，这些都导致工程实际中外加电场主动调控外流场中液滴动力学行为过程仍缺乏系统的理论指导依据。为此，本文基于相场方法捕捉多相流体界面，并利用电流模型表征液滴荷电过程及电场力作用，通过电场与多相流体流场控制方程的双向耦合，建立了不可压缩单乳液、双重乳液液滴动力学模型并开展数值模拟，研究了在拉伸流场、外加电场及其耦合作用下乳液液滴的形变动力学行为特征与机理，分析了粘性曳力、表面张力与电场力在液滴形变行为中的耦合作用机制。概括起来，论文的主要研究内容和研究结论如下:
　　(1)建立不可压缩单乳液液滴动力学模型，研究了在拉伸流场、外加电场及其耦合作用下单乳液液滴的形变动力学行为特征与机理，给出了不同物理场以及不同毛细数、电毛细数、介电常数比、电导率比等对单乳液液滴形变的影响。研究结果表明:单液滴处于单一伸流场中流场产生的粘性曳力将促使液滴发生形变，当毛细数较小时（Ca＜0.06）液滴形变率随着毛细数的增大呈线性增加;施加电场后，在液滴与连续相相对电导率R和相对介电常数S的共同影响下，液滴界面处将产生两种不同的感应电荷分布;当施加与拉伸流场来流方向相平行的电场并且当液滴和连续相的电物性参数满足RS＞1时，电场所产生的电场力可以抑制液滴的形变。
　　(2)建立不可压缩双重乳液液滴动力学模型，研究了在拉伸流场、外加电场及其耦合作用下双重乳液液滴的形变动力学行为特征与机理，给出了不同物理场以及不同毛细数、电毛细数、介电常数比、电导率比等对双重乳液液滴形变的影响。研究结果表明:双重乳液液滴处于单一拉伸流场中外液滴主要受外加拉伸流场粘性曳力的作用而产生宽扁型形变，内液滴主要受外液滴内部流体所产生粘性曳力的作用而产生瘦长型形变;施加电场后，在内外液滴与连续相相对电导率R和相对介电常数S的共同影响下，液滴界面处将产生四种不同的感应电荷分布并随之产生四种不同的形变类型;当施加与拉伸流场来流方向相平行的电场时，由介电常数比S和电导率比R的不同，双重乳液可以产生O-P型、O-O型、O-S型、P-P型、P-O型、P-S型、S-O型、S-S型、S-P型形变，(O-宽扁型，P-瘦长型，S-球型)特别是，通过调节连续相、外液滴以及内液滴的相对介电常数S和相对电导率R可以主动抑制双重乳液在流场中的被动形变而保持液滴具有很好的球形度。
　　(3)在对单乳液液滴的形变动力学行为研究的基础上，进一步开展了单乳液液滴分裂动力学行为研究。研究结果表明:无论是在单一拉伸流场还是单一电场中，当毛细数（电毛细数）大于临界值时液滴将发生分裂现象，且在单一电场作用下，液滴分裂形式随着电导率比R和介电常数比S的不同而变化;当施加与拉伸流场来流方向相平行的电场并且当液滴和连续相的电物性参数满足RS＜1时，电场所产生的电场力可以促进液滴的分裂。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 单一流场作用下乳液动力学行为研究现状

1．2．1 单一流场下单乳液液滴动力学行为的研究现状

1．2．2 单一流场双重乳液液滴动力学行为的研究现状

1．3 电场调控乳液动力学行为的研究现状

1．3．1 单场调控单乳液液滴动力学行为的研究现状

1．3．2 电场调控双重乳液液滴动力学行为的研究现状

1．4 本文研究内容

1．5 本章小结

第二章 拉伸流场与电场耦合作用下单乳液的形变行为

2．1 数学建模

2．1．1 物理模型

2．2．2 控制方程

2．2．3 数值求解方法

2．2．4 模拟参数定义

2．2．5 网格划分与网格独立性检查

2．3 模型验证

2．4 数值模拟结果与分析

2．4．1 单一拉伸流场作用下单乳液液滴动力学学行为

2．4．2 拉伸流场与电场耦合

2．5 本章小结

第三章 拉伸流场与电场耦合作用下双重乳液的形变特性

3．1 数学建模

3．1．1 物理模型

3．1．2 数学模型

3．2 模型验证

3．3 数值模拟结果与分析

3．3．1 单一拉伸流场液滴形变特征

3．3．2 单一电场作用下液滴形变特征

3．3．3 拉伸流场与电场耦合

3．4 本章小结

第四章 电场与流场耦合作用下液滴的破碎行为

4．1 模型简介

4．1．1 物理模型

4．1．2 模拟参数定义

4．1．3 模拟参数选定

4．2 数值模拟结果与分析

4．2．1 单一拉伸流场下液滴分裂

4．2．2 单一电场下液滴分裂

4．2．3 电场流场耦合作用下液滴分裂

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的主要学术成果