（流体力学专业论文）静电雾化电流体力学研究.pdf

中文摘要 电流体力学( e l e c t r o h y d r o d y n a m i c s ，e h d ) 研究的是，电场作用影响下的流 体力学问题：它同时也可以被看成是运动介质中的电动力学。电荷通过电极过程、 分子极化以及电解质电离等方式进入流体，外界电场作用于这些“电荷载体”之 上，并通过这些载体与周围流体微元的相互作用，使流体微元受力。这种作用力 ( 电场力) 与流体惯性力、粘性力、表面张力等作用相互耦合，导致了很多有趣 的流动现象，并引起了学术界和工程界的广泛注意。 电雾化技术，作为电流体力学的一个重要分支，在近年来受到了广泛的重视。 电雾化是电流体作用力克服液体表面张力，导致液体破碎成细小雾滴的过程。相 对于其他雾化技术，电雾化技术具有很多优越的特性。由于雾化后液滴带有大量 同种电荷( 高荷质比) ，库仑斥力阻止了液滴的团聚，使其更易穿透其周围的气 体介质；同时带电液滴的轨迹在理论上是由电场决定的，因而可以通过施加不同 的电场，来控制液滴的轨迹。而静电雾化最具吸引力的特点是参数调节方便，可 以产生各种不同尺度的、单分散液滴。 当前，各项技术不断向微型化、精细化方向发展。电流体力学显示了其巨大 的潜在价值，特别是纳米技术、生物医药技术的迅猛发展，促使电流体动力学研 究深入到微流体、纳米薄膜制备、微胶囊制备等多种领域，成为工业部门关注的 热点。 根据国内外在电流体动力学领域的研究现状，本文对电流体动力学，特别是 对电雾化进行了研究。本文通过实验、理论分析和数值模拟的方法研究了以下方 面的内容： 1 自行研制了一套单轴电雾化实验设备，其中包括金属毛细管平板电 极电雾化装置、毛细管微流量测量装置、微流量注射泵等。从实验结果和相应的 标定结果看，本文所采用的设计绝大部分都取得了很好的结果，达到了预期的目 的。 2 由于电介质液体的物理性质对电雾化研究十分重要性，本文利用现有的 仪器测定了流体粘性、表面张力及两种不相溶液体之间的界面张力、液体电导率； 并通过称重法测量了溶液密度。 3 在自行研制的设备上，我们研究了乙醇的单轴电雾化现象，观察到了多 种电雾化喷洒模式，并测量了其各自分布范围。 4 本文验证了用p i v ( 粒子成像速度仪) 测量电雾化速度场的可能性，并 成功地用p i v 对单轴电雾化雾滴速度场进行了测量和分析。其结果与前人测量 的结果大致相似，即液滴在下落过程中作减速运动。但是，我们也观察到了在高 工作电压时相反的运动趋势。其中的原因可以归结为，在带电液滴下落过程中， 液滴受到的电场力大于空气阻力。 5 根据雾化液滴带有大量表面电荷的特点，本文在现有单轴电雾化设备上 引入附加电场，以达到控制雾漓运动轨迹的目的。利用p i v 研究了附加电场对液 滴速度的影响，并在此基础上，分析得出了液滴的平均直径和平均带电量。 6 开展了同轴射流电雾化的研究。我们自行设计了同轴射流电雾化实验设 备，并在此设备上进行了以外管流体作为“驱动流体”的同轴电雾化实验研究。 首次发现了同轴射流电雾化的各种喷洒模式，相关物性的影响以及主导因素。结 合实验结果，本文提出以外管流体作为“驱动流体”的同轴射流电雾化的物理模 型，并给出了其稳定喷洒的初步“判据”。这部分工作还有待进步完善。 7 本文通过数值模拟方法，研究了圆形管道内的电流体动力学离子拖曳现 象。采用p i s o 计算格式，将电流体动力学数值分析拓展到了轴对称情况。同时， 通过对离子拖曳现象启动过程的分析，描述了离子拖曳现象的机理。通过比较发 现，应用数值模拟方法，可以使我们更加全面、细致的对电流体拖曳现象进行研 究和分析。 关键字：电流体力学，电雾化，同轴射流电雾化，t a y l o r 锥，微小射流，p i v ， 离子拖曳，数值模拟 a b s t r a c t e l e c t r o h y d r o d y n a m i c s ( e h d ) c o n c e r n st h e f l u i dm e c h a n i c sw i t ht h ee l e c t r i c f o r c ee f f e c t s i ti sa l s oc a nb ec o n s i d e r e d 觞t h ee l e c t r o d y n a m i c si na m o v i n g m e d i a w m l ef r e ec h a r g e sa r e “a d d e d ”i n t ot h em e d i ab ym e a n so f p o l a r i z a t i o n e l e c t r o d e p r o c e d u r eo ri o n i z a t i o n ，t h e yw i l lu n d e r g ot h ef o r c e sf r o mt h ee n v i r o n m e n te l e c t r i c f i e l d b e c a u s eo f t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n t h e “c h a r g ec a r r i e r s ”a n dm e d i ap a r t i c l e s t h e e l e c t r i cf o r c e sm e na r e t r a n s f e f r e d ”t ot h em e d i at h i si sc a l l e de l e c t r i ca c t i o n s a c t i o n ，c o u p l e d w i t hv i s c o u si n f l u e n c e s ，i n e r t i ae f f e c ta n d c a p i l l a r ye t c ，l e a d st om a n y i n t e r e s t i n gp h e n o m e n a ，w h i c ha r en o w b ef o c u s e do n b y s c i e n t i s t sa n di n d u s t r y e l e c t r o s p r a yi so n eo f t h ei m p o r t a n tb r a n c h e so f e l e c t r o h y d r o d y n a m i c s w h i c hi s w i d e l ys t u d i e d i ti s a p r o c e d u r et h a tb r e a k u pt h el i q u i di n t of m ed r o p l e t sw i t l lt h e a c t i o no fe l e c t r i cf o r c e so v e r c o m i n gt h es u r f a c et e n s i o no ft h el i q u i d c o m p a r e dw i t h o t h e ra t o m i z a t i o n t e c h n i q u e s ，e l e c t r o s p r a yh a ss o m eu n i q u ea d v a n t a g e s ，s u c ha s ，h i g h c h a r g et o m a s sr a t i o ，w h i c hc a np r e v e n tt h ec o n g l o m e r a t i o no f d r o p l e t sa n dm a k e t h e m p e n e t r a t ei n t ot h ea m b i e n ta t m o s p h e r ee a s i l y t h el l i g he h a r g et om a s s r a t i oa l s o m a k e st h ed r o p l e tt r a j e c t o r yb ec o n t r o l l e de a s i l yw i t h p r o p e re l e c t r i cf i e l d o t h e r w i s e ， t h em o r e i m p o r t a n ta d v a n t a g e i st h a tc a n p r o d u c ef i n ed r o p l e t s w i t hs i z e so f m o n o d i s p e r s i t y , a n dj u s tf e wp a r a m e t e r sn e e d t ob ec o n t r o l l e d i nt h e s ey e a r s t h er e q u i r e m e n t so f i n t e g r a t i o na n dm i n i m i z a f i o na r ep u tf o r w a r d i nf r o n to f m a n yt e c h n i q u e s e l e c t r o h y d r o d y n a m i c a lt e c h n i q u e sa r cp o t e n t i a lc h o i c e s t ot h e s ef i e l d s e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p i n go f n a n o t e c h n i q u e sa n db i o a n dm e d i c a l t e c h n i q u e sm a k e sm o r ea p p l i c a t i o n s o fe h d w h i c hi n c l u d em i c r o t u b ef l u i df l o w , l l a n o m a t e r i a la n df i l mp r e p a r a t i o n ，m i c r oe n c a p s u l a t i o n p r e p a r a t i o ne t c t h i sp a p e rs t u d i e dt h ee h d ，e s p e c i a l l ye l e c t r o s p r a y , w i d e l y , a c c o r d i n gt ot h e c u r r e n tr e s e a r c hs t a g e so fc h i n aa n dt h ew o r l d t h em a i n a s p e c t sc a nb ed i v i d e di n t o e x p e r i m e n t a l ，t h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a lr e s e a r c h e s ，w h i c hc a nb es u m m a r i z e da s ： 1 w ed e v e l o p e das e to fe l e c t r o s p r a y a p p a r a t u s w h i c hi n c l u d en e e d l e p l a n e e l e c t r o d es y s t e m ，s p r i n gp u m pa n ds m a l lf l o wr a t em e a s u r e m e n t e q u i f m e n t s e t c t h er e s u l t so f p r a c t i c a le x p e r i m e n t sa n dc a l i b r a t i o n ss h o wt h a to u rd e s i g n i ss u c c e s s f u l 。 2 b e c a u s et h e p r o p e r t i e s o f l i q u i d a r e i m p o r t a n t i nt h er e s e a r c h e s o f e l e c t r o s p r a ya n de l e c t r o h y d r o d y n a m i c s w em e a s u r e dt h ev i s c o s i t y , s u r f a c e t e n s i o na n di n t e r f a c et e n s i o n ，t h ec o n d u c t i v i t yo ft h e l i q u i db yc o m m e r c i a l p r o d u c t so rs e l f - m a d ee q u i p m e n t s a n dt h el i q u i dd e n s i t yi sm e a s u r e dw i t h g r a v i t ym e t h o d 3 - o nt h e a p p a r a t u sm e n t i o n e da b o v e ，w ec a r r i e do u t m a n ye x p e r i m e n t s o b s e r v i n gt h es p r a ym o d eo fe t h a n o le l e e t r o s p r a y n ed i s t r i b u t i o n so ft h e m o d e sa l em e a s u r e di n 也e p l a n e o ff l o w r a t e - a p p l i e dv o l t a g e 4 w em e a s t l r et h e v e l o c i t yd i s t r i b u t i o no ft h ee l e c l r o s p r a yd r o p l e t sb vp i v , b e f o r ew h i c ht h eu s a b i l i t yo fp i v s y s t e m t ot h ee l e c t r o s p r a yi sv a l i d a t e d t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ed r o p l e td e c e l e r a t e dd u r i n gt h e i rf h l l i n gd o w n 。w h i c h w e r ea l s o r e p o r t e db yf o r m e rr e s e a r c h e r s b u t a n o t h e rp h e n o m e n o nw a s o b s e r v e da sw e l l ；t h ed r o p l e t sw e r ea c c e l e r a t e db yt h ee l e c t r i cf o r c e sw i t ha h i g ha p p l i e dv o l t a g e 5 t h eh i g hc h a r g e - m a s sr a t i om a k e st h ed r o p l e t sb ea c c e l e r a t e de a s i l y , s ow e p r o d u c eac o a x i a la d d i t i o n a le l e c t r i cf i e l dt oc o n t r o lt h em o v e m e n to ft h e d r o p l e t s i nt h e s p a c e b ya n a l y z i n g t h ep i vm e a s u r e m e n tr e s u l t s ，w e c o n c l u d e dt h ea v e r a g ed r o p l e t ss i z ea n dt h eb u l k c h a r g e ，w h i c ha r ea g r e ew i t h t h eo b s e r v a t i o nr e s u l t s 6 w ec a r r i e do u tt h er e s e a r c h e so nt h ec o a x i a lj e te l e c t r o s p r a yo ne q u i p m e n t s d e s i g n e db yo u r s e l v e s w h i c hf o c u s e do nt h ec a s eo ft h e d r i v e nl i q u i d f l o w i n gf r o mo u t e rc a p i l l a r y i nt h i sp a r to fr e s e a r c h e s ，w es t u d i e dt h es p r a y m o d e so fc o a x i a li e te l e c t r o s p r a ya n dt h ei n f l u e u t i a lp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt o t h er e s u l t s w ep r o m o t e das p r a ym o d e la n dac r i t e r i o nt oi t t h e s er e s e a r c h e s c a nb ei m p r o v e df u r t h e ri nt h ef u t u r e 7 a tl a s tw es t u d i e dt h ei o n d r a gp h e n o m e n ab yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n p i s o s c h e m ei sa p p l i e d ac o a x i a lm o d e li su s e di no u rs t u d i e d t h em e c h a n i s mo f i o n - d r a gf l o wi ss h o w nc l e a r l yb yo b s e r v i n g t h es t a r t i n gp r o c e d u r eo fi t t h e s t e a d yf l o ws h o w s t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ea p p l i e dv o l t a g ea n df l o wv e l o c i t y , p r e s s u r e ，c h a r g e s d i s t r i b u t i o n se t c i ti s c l e a r l y t h a tt h e r ea r es o m e i m p r o v e m e n t sb yu s i n g n u m e r i c a lm e t h o d st ot h ef o r m e rt l l e o r e t i c a lm o d e l k e y w o r d s ：e l e c t r o h y d r o d y n a m i c s ，e l e c t r o s p r a y , c o a x i a lj e te l e c t r o s p r a y , t a y l o rc o n e m i c r o j e t s ，p i v ，i o nd r a g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 口，口，口1 扰动波传播速度 a c c , a m w 矗 磁场感应强度矢量 c 电雾化喷洒判据 c 0 c d h c 0 无量纲电极电荷密度 双电层电容 光速 d电位移矢量 d ，d d扩散系数 d ad a m k o l e r 数 e电场强度矢量 西，磊。，岛1法向电场强度 碌，e切向电场强度 e 质子带电量 瓦，t无量纲电场强度 f ( u ，v ) ，g v ) 频谱函数 乃 f r o u d e 数 贝矾玎) ，g ( m , r 1 ) 灰度函数 f 法拉第常数，流量 娲特征流量 力电场力 符号表 无量纲半径 重力加速度 磁强度矢量 渡体传递的总热流量 液体通过热传导作用传 递的热流量 电流 电流密度矢量 反应平衡常数 b o l t z m a n n 常数 反应速率常数 离子迁移率 界面电流密度 扰动波波数 t a y l o r 锥尺度 粘性起明显作用的特征 长度 上 特征长度 肘 妻詈蔷移率与电迁移 露 单位方向矢量 m a v o g a d r o 常数 疗， t o ，一，1 2 溶液钧质浓度 厂 g 口 一h 凰 ， ， k b “ 足 胁 膏 厶 厶 m o h p e p p a p e p p 纵 q r ，臼 r j ，d j ，氏 ，l ，r 2 r r e s f t e ，t m r l ，巧 n u s s e l t 数，反映液体通 过对流作用传递热量的 效果 o h n o s o r g e 数 波动压强 无量纲压力 大气压力 p e c l e t 数 压力或蒸汽压 饱和蒸汽压 r a y l e i g h 极限 电荷密度 求坐标坐标分量 射流特征半径和特征直 径 反应速度 气体常数 流动雷诺数 射流徽元表面积 p 。pn l 。 p f e 。f w ，f s r 6 x ，曲 无量纲长度 数值模拟过程中，不同时 间步上的离散压力值 变量在网格边界上的通 量 计算网格尺度 西e ，庐_ ，钆，相邻节点上的变量值 驴 鼠 离散方程中的源项 切向电场力下标m ， 耋示相邻和当前计算节 时间 沪孑：黜豁删 应力张量 必，恐，尬 舟格边界上的质量通量 朋” 皇垩竺皇! ! ! 茗孕性应 4 ，b离散方程系数 力之比。振动周期 一 电流体稳定临界值下标e ，w ，s ，n 表示相邻节点 戡度 坐 一 一 橼一一蝴 一 | | i 蛳 一 电离度，同轴射流内外径 比，t a y l o r 锥半锥角 无量纲电场强度 介质相对介电常数 真空介电常数 溶液活性系数或液体的 表面张力 溶液的摩尔电导 极稀溶液的摩尔电导 d e b y e 长度 扰动波波长 边界层厚度 h e l m h o l z 面与电极之间 的距离，或射流细长比 不相溶液体之间的界面 张力 流动耗散特征时间 磁耗散时间 真空磁导率 o e 矿 砂， o ，庐。 吆 t r o 粘性系数或介质磁导率 表面电荷密度 电导率 电势( 西或者表示流函 数，在计算中表示可替代 变量) 相关函数 切向电场力 电荷松弛时间 。射流半径，扰动波中质点 偏离平衡位置的距离 0 绝对温度 v + ，v 一化学计量数 叩 p 无量纲电流 圆频率 流体密度 ， 彳 儿 如 。 4 。 m m 肋 中国科学技术大学博士学位论文 第一章综述 第一章绪论 电流体力学( e l e c t r o h y d r o d y n a m i c s ，e h d ) 研究的是，电场作用影响下的流 体力学问题：它同时也可以被看成是运动介质中的电动力学。电场力和普通流体 作用力( 惯性力、粘性力等) 在介质中相互影响、相互制约，促使流体的行为、 运动表现出许多非常有趣的现象；它引起了广大学者、工程人员的兴趣。在当前 各项技术不断向微型化、精细化方向发展的过程中，电流体力学显示了其巨大的 潜在价值。特别是纳米技术、生物医药技术的迅猛发展，促使这项研究被应用到 了微流体、纳米薄膜制备、微胶囊制备等多种领域，成为工业部门关注的热点。 由于电流体力学涉及到相当多的学科，如流体力学、电动力学、物理化学等， 而且其中很多过程的描述都涉及到非线性问题，此项研究同时也是一门极富挑战 性的学科。 通常- 隋况下，电荷通过电极过程、分子极化作用以及电解质电离“进入”流 体，电场力通过电荷载子被“传递”给流体介质。从宏观上讲，当这些电荷分布 在流体介质内部时，电场力以体积力的形式存在，而当电荷仅仅集中在液体界面 上时，电场力则以表面力存在( 由于极化作用的存在，介质边界上通常总有电场 力存在，而由于研究兴趣的不同，表面电场力有时被忽略) 。这个差别主要是由 流体的电学性质所决定的，但同时也与研究对象的特征时间、空间尺度有关。 电荷载子作为流体的一部分，不但要受到电场力的作用，同时也受到周围流 体微元的影响。流体微元的各种运动，可以促进或者抑制电荷的运动。一个简单 的例子就是本文研究的主题：电雾化，对其中t a y l o r 锥部和微小射流部分，需 要采取不同的简化模型进行分析。而从电学的角度讲，电荷迁移的“强度”是通 过电流的大小来表征的。因而，工作电流是电流体力学研究中的一个重要参量。 经过长期的研究，人们对电流体动力学已经有了比较深刻的认识，特别是近 几十年来，不断有综述性文献报道。m e l c h e r 和t a y l o r ( 1 9 6 8 ) 研究了处于直流 或交流电场中的，液体薄层或液滴的流动现象，总结了“漏电介质模型”( 1 e a 如 d i e l e c t r i c ) 及其在科学研究中的应用。c a s t e l l a n o s ( 1 9 9 1 ) ，对二维情况下，单极 性电荷发射( u n i p o l a ri n j e c t i o n ) 时，电流体动力学稳定性、湍流以及混沌问题 作了总结。基于漏电介质模型，s a v i l l e ( 1 9 9 7 ) 结合电介质中电荷产生及分布机 中国科学技术大学博士学位论文第一章综述 理，对球形和圆柱体两种拓扑结构中的电流体力学的研究做了回顾。1 9 9 8 年， c a s t e l l a n o s ( 1 9 9 8 ) 从理论的角度，编写了专著，对电流体动力学做了详细总结。 这些报道不但总结了现有的研究成果，而且提出了目前电流体动力学领域所面临 的问题，为进一步的研究工作指明了方向。 1 1 电流体动力学发展及应用 1 1 1 稳定性研究进展 考察一个有趣的实验，在一个底部为平板电极的容器中，注入一薄层硅油， 并将容器底部接地，在硅油上方几厘米处安放一个金属针，作为另一电极。液体 初始处于静止，当电极间( 金属针与地电极间) 电压升高到一定大小后，液体表 面会出现类似于b d n a r d 对流的“包格”结构( 图1 - 1 是本实验室拍摄到的硅油 包格图象) 。这是一个典型的电流体力学稳定性问题。电流体稳定性的研究，是 电流体力学研究的基础，它涉及到各种条件下，流体在电场作用下开始流动的条 件以及流动的形式。可以说，电流体力学稳定性研究，是伴随着电流体力学共同 发展起来的，它是电流体动力学应用于各领域的基础。 图1 - 1 硅油薄层电流体不穗定现象其中金属针起列电离空气，向液面发射离子和向液体 薄层旌加电场的作用 考虑上文硅油薄层，在高电压下，金属针头附近电场很强。导致空气电离。 这些气体离子在电场作用下沉积并积聚到液面上，液体中的电荷密度自液层表面 向下减小。假设液面上一带电微团，在小扰动作用下向下产生微小位移，并保持 带电荷量不变：此微团就受到比周围流体更大的库仑力，使液体有产生对流的趋 2 中国科学技术大学博士学位论文 第二_ 章综述 势：但是流体的粘性会起阻碍液体对流的作用。在电场足够强的情况下，液体层 失稳。因此是否发生失稳现象，取决于电场力和粘性力的大小。使液体内出现对 流的最小电压值，称为电流体稳定的转捩点，它由无量纲数t ( t = 韶。, h o - , u ，印， 分别为真空的介电常数和介质的相对介电常数，多为加在液体薄层上的电压， 盯为液体的电导率，为液体的粘性) 决定，r 表征了电场力对液体的作用与流 体自身粘性应力的比。实验和理论分析表明，在“空间电荷极限发射”情况下( 此 概念将在2 2 节中介绍) ，液体薄层发生不稳定的临界值是丁= 瓦= 9 9 ，当r 大于 此临界值时，薄层内液体将不再保持静止( w a t s o n ，1 9 7 0 a ，b ) 。随着实验条件 不同，如液体种类、电极几何尺寸、初始状态与边界条件、电极发射电荷状况等， 瓦会有不同的值。 由于电荷在介质中的迁移，不仅取决于电场力的作用，同时也取决于流体的 运动：因而，电流体动力学的稳定性，除了有一个线性临界值外，还有个非线 性i 晒界值n 乃 疋。如果液体开始就处于对流状态，且电场足够大，此时逐渐 降低电压，只有当丁 矸时，流体才能恢复静止状态。 c a s t e l l a n o s ( 1 9 9 1 ) 在二维流场的前提下，对平板电极、电极弱发射条件下， 电流体动力学稳定性及其对流形式作了理论分析。在此基础上，他进一步对电流 体问题中的电荷耗散、紊流、湍流等问题作了阐述。 a r e n ( 1 9 9 5 ) 用平板作为电极，得出电流体对流强弱、电流与电压参数之间 的关系： w7 一曲2 ，l o = 曲”r e 1 0 ( 1 - 2 0 ) 其中，w 表征了对流速度大小，为电流，r e 为流体对流雷诺数，p 为流体密度， e 为电场强度。轴对称套筒中的电流体稳定性问题( 电压加在内外套筒之间) ， 也在其工作中有所论述。 目前，人们正结合各种应用，将电流体稳定性问题的研究，扩展到更为特殊 的领域。k u m a r a n ( 2 0 0 1 ) 研究了以弹性膜作为电极对的电流体的稳定性。g r e e n 等人( 2 0 0 0 a ，b ) 深入地研究了纳米尺度下，由非均匀交变电场所引起的电流体 运动。同时，向列液晶( n e m a t i c ，f g u i d c r y s t a l ) 中，电流体稳定性和流动问题也 引起了入们的重视( h u h2 0 0 0 ，z h a o2 0 0 0 ) 。电流体动力学稳定性研究，因其重 生里型堂垫查查堂苎圭兰垒丝壅 一墅兰生! 量生 要的理论和应用价值，成为人们广泛研究的课题。 1 1 2 电流体动力学的应用 目前，对于电流体动力学的研究，除了集中于其机理之外：人们将其拓展到 了与当前科技发展前沿有关的多个领域。 电流体强化传热 在能源问题曰益突出的今天，利用电流体对流效应，增加流体的传热效率， 无疑给技术部门提供了一个新的思路( m c c l u s k e y1 9 9 1 ，p a s c h k e w i t z2 0 0 0 ， s m o r l d i n2 0 0 0 ，w a w z y n i a k2 0 0 1 ，b r y a n2 0 0 1 ，李瑞阳2 0 0 0 ) 。该学科，被命名 为电一热流体动力学( e l e c t r o t h e r m o h y d r o d y n a m i c s ，e t h d ) 。 m c c i u s k e v ( 1 9 9 1 ) 研究了两平板间电介质流体e h d 强化传热现象。根据传 热学定义，流动液体的传热效果，可以用无量纲参数n u s s e l t 数来表示： 厅 nu=鲁(i-21) i 】o 其中，瓦表示没有对流时通过流体的热流量，口表示在电场作用下液体处于对 流状态下所传递的热流量。其实验结果显示了，在不同的条件下，电场作用可以 使n u 有不同程度的提高，且提高的程度随电压的升高而提升。 近年来。p a s c h k e w i t z ( 2 0 0 0 ) 发现，在低电导率、低粘性工作介质的情况下， 电流体强化传热具有更明显的效果。s m o r o d i n ( 2 0 0 0 ) 在不稳定电场中，研究了 欧姆流体层的电热对流稳定性( e l e c t r o t h e r m o c o n v e c t i v es t a b i l i t y ) 问题。 电流体泵 通过电场对流体介质中电荷的作用力，驱动液体流动的装置，称为电流体泵。 这种泵的最大优点是没有运动部件( 如阀、活塞等) 。它制造方便，结构简单， 便于通过微加工手段进行集成。电流体泵在微机电系统、药物输送，以及微冷却 系统研究中得到重视( f u h r1 9 9 2 ，f u h r1 9 9 4 ，k o j e v a i k o v2 0 0 1 ，p i e k a r d1 9 6 3 a ， 1 9 6 3 b ) 。另外，细胞分子的运动、生物测试技术都与流体中的电场作用有密切的 关系( 严宗毅2 0 0 2 ) 。 4 中国科学技术大学博士学位论文第一章综述 电流体泵的驱动机理分为两种：一种是利用高压直流电场作用于流体介质中 的自由电荷之上，进而驱动流体，这种泵被称为离子拖曳泵( i o n - d r a gp u m p ) ( k o j e v n i k o v2 0 0 1 ，p i c k a r d1 9 6 3 a ，1 9 6 3 b ，s t u e t z e r1 9 5 9 ，1 9 6 0 ，w a s h a b a u g h1 9 8 8 ) 。 另一种是以高压行波( h i g hv o l t a g et r a v e l i n gw a v e ) 驱动流体，称为电流体行波 泵( f u h r1 9 9 2 ，1 9 9 4 ，c h o i1 9 9 5 ) 。在这两种泵中，流体介质中的电荷基本上有 两种来源：高压电极向电介质中发射的单极性离子，或电介质中的微量电解质分 子电离产生的电荷。此外还有一种“电动泵”( e l e c t r o k i n e t i c p u m p ) ，其电荷主要 是由电渗作用产生，也属于电流体泵( c h e n2 0 0 0 ) ，这种泵在本文中将不做深入 介绍。 离子拖曳泵离子拖曳现象，在1 0 0 年前就已被发现。后来，s t u e t z e r ( 1 9 5 9 ， 1 9 6 0 ) 从理论和实验两方面研究了均匀电荷分布情况下的离子拖曳现象。p i c k a r d ( 1 9 6 3 a ，b ) 在前者研究的基础上，分别研究了离子拖曳泵的动态和静态两种特 性。进入2 0 世纪8 0 年代以来，离子拖曳泵的特殊优点，促使这项研究又蓬勃发 展起来。由于离子拖曳泵的效率较低( 通常不超过7 ) ，其研究重点集中于电极 的设计( s h a r b a u g h1 9 8 3 ，b r y a n1 9 9 2 ，b o l o g a 2 0 0 0 ，k 0 j e v n i k o v2 0 0 1 ) ，以提高 其性能。 在某些实验条件下，电流体拖曳现象也会出现在电雾化实验中，本文第五章 通过数值模拟的方法，研究了圆形管道中电流体拖曳现象。 电流体行波泵行波泵是通过布置在壁面上的一系列电极，生成一个行波电 压，在电场力的作用下，壁面以内的流体，沿着行波的方向，或者沿逆行波方向 进行流动( 图1 - 2 ) 。其机制可以通过以下论述阐明。 图1 - 3 显示了在两相液体界面上取的任意微元。图中，电极在界面下方，介 质l 表示电荷松弛时间( f 。：生，见2 2 节) 短的介质，介质2 表示松弛时间 仃 长的介质。箭头粗细表示离子流的大小。介质1 中，离子流速度快，通过微元边 界的离子就多；介质2 中，通过边界的离子就少。当控制体内没有电荷源时，控 制体上下边界上离子通量的不平衡使控制体内部有电荷积蓄( 如下文所述，事实 上，此处的“交界面”通常为同一种介质中的虚拟面，不存在2 3 节中所述的双 中国科学技术大学博士学位论文 第一章综述 电层效应) ，其极性如m e l c h e r ( z a h n ，1 9 8 4 ) 指出的那样： 图1 - 2 电流体行波泵示意图 “在电场作用下，两种层迭的欧姆流体( 电导率较大的液体，其电流密度与 电场强度成正比) 界面上有电荷产生。如果在激发电极附近介质的电荷松弛时间， 大于远离电极处介质的电荷松弛时间，界面上的电荷与激发电极的极性相反，界 面上的剪切力与行波方向相同，则向前驱动；如果激发电极附近的电荷松弛时间， 小于较远介质的电荷松弛时间，那么界面上的电荷与激发电极的极性相同，剪切 力的方向与行波方向相反，形成向后驱动。” 图l - 3 界面电荷扩散原理示意图 通常情况下，e h d 泵的工作液为均匀电介质，其介电常数受外界影响较小， 电荷松弛时间主要由电导率决定。对于低电压或高频率情况，电极发射的电荷主 要聚集在电极附近。从量级上看，当电介质带电时，其电导率要比其不带电时大。 电导率梯度导致了松弛时间自电极向外递增，对应于1 3 右图中的微元，即可以 认为其中存在无限多个“界面”，这些“界面”将微元中的介质分为很多层，各 层介质的电导率自下往上减小，各界面上因而积聚了与激发电极相同极性的电 荷，从宏观上看，该微元中存在与电极极性相同的体电荷，泵向后驱动。当在高 中国科学技术大学博士学位论文 第一章综述 电压或低频率时，在电极极性反向之前，电极发射的电荷积聚于管道中心，从而 形成与前面相反的电导率分布。从而正向驱动工作液。 由于行波泵所要求的工作电压相对较小，因而其具有更广泛的应用价值。 电流体在微重力领域的应用 自从r a y t e i g h ( 1 8 8 2 ) 对电场力作用下导电液体球的破碎做了研究，提出了 著名的r a y l e i 曲极限以来；研究电场作用下两种不相溶流体界面的稳定性问题， 一直是科学和技术界的热点( b a r b e t1 9 9 7 ，c e b e r s2 0 0 0 ，e l - s a y e d1 9 9 7 ，e l - s a y e d 2 0 0 1 ，g a l a l2 0 0 1 ，k o u l o v a - n e n o v a1 9 9 7 ) 。在微重力下，电场力对于液面作用 ( b u r c h a m2 0 0 0 ) ，更是把此项研究拓展到一个崭新的领域。b u r c h a m 等利用航 天飞机搭载，在微重力的条件下，对硅油中的蓖麻油丁子香酚( e u g e n 0 1 ) 等多 种液桥，进行了稳定性实验。其结果表明，在各种情况下，施加轴向电场均能够 显著的提高液桥的稳定性，延缓液桥的破碎。 正如前文所述，液面在电场力作用下，其稳定性问题是相关研究者关注的焦 点，很多基础工作，如界面上表面波的传播、液柱、液滴的稳定性等，还需要有 更深入的研究。 1 2 电雾化发展 电雾化技术，作为电流体力学的一个重要分支，在近年来受到了广泛的重视。 电雾化是电流体作用力克服液体表面张力，导致液体破碎成细小雾滴的一个过 程。相对于其他雾化技术，电雾化技术具有很多优越的特性：由于雾化后液滴带 有大量同种电荷( 高荷质比) ，库仑斥力阻止了液滴的团聚，使其更易穿透其周 围的气体介质；同时带电液滴的轨迹在理论上是由电场决定的，因而可以通过施 加不同的电场，来控制液滴的轨迹。而静电雾化最具吸引力的特点是参数调节方 便，可以产生各种不同尺度( 1 l s m t c m ) 的、单分散( m o n o d i s p e r s i t y ) 的液滴。 具备了这些性质，电雾化技术在质谱仪( f e n n1 9 8 9 ，i r i b a m e1 9 7 5 ，t r a e g e r 2 0 0 0 ) 、 纳米材料制备( c h e n1 9 9 9 ，l u2 0 0 1 ，s a t o1 9 9 9 。s u2 0 0 0 ) 、农业( l a w2 0 0 1 ) 、 航天飞行器的推进( h u b e r m a n1 9 6 8 ) 、喷墨打印、燃油喷射、药物输送( t a n g1 9 9 4 ) 等领域被广泛应用。 7 中国科学技术大学博士学位论文 第一章综述 进行电雾化研究最简单的实验设备，是将具有一定导电率的液体通入一根金 属毛细管，毛细管和一金属平板间加直流高电压。此平板与毛细管垂赢，且与毛 细管出口保持一定距离。此时，流体受到重力、表面张力和电场力的作用。当电 压升高到一定量时，毛细管出口处的液体，将形成一个稳定的弧形圆锥，锥顶部 射出一股稳定细小射流，射流在末段破碎形成带电雾滴( 见图4 - l c ) 。 电雾化过程所采用的物质，是具有充分大电导率的电介质液体。电场力主要 作用于液体表面，它有切向和法向两个分量，分别在电雾化过程中，起到加速内 部流体和平衡液体和大气压力差的作用。在切向电场力的作用下，液体以很高的 速度流向下游，形成细小射流，并在射流末端破碎成细小液滴。当射流中液体向 下游流动的速度，大大超过其破碎产生的扰动沿射流向上游传播的速度时，扰动 被“屏蔽”在射流的下端，上游液体就能保持稳定的几何外形、及其流动形式； 从而形成稳定的喷洒，此雾化模式通常被称为“锥射流”模式，其更具体的 论述将在下文的论述中提及。 对电雾化的定量研究始于z e l e n y 。t a y l o r ( 1 9 6 8 ) 给出了毛细管出口处，圆 锥液面的理论半锥角为4 9 3 。，该锥也被命名为t a y l o r 锥。c l o u p e a u 和 p r u n e t f o r c h ( 1 9 8 9 ) 对锥一射流模式中，单位时间内产生的液滴数目、液滴的 直径以及工作电压