电液动力学射流相关理论研究及数值计算

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本文的工作是与电喷雾和电纺丝密切相关的基础理论研究和数值实验,主要是基于电液动力学理论和数值计算方法,针对电致射流的形成机理、毛细管稳态射流的速度相似律,以及Taylor锥向锥射流模式转变的条件等内容进行了研究。   首先概述电喷雾和电纺丝技术,总结了电液动力学射流的发展历史和研究现状,提出本文的主要研究内容。   给出所需电液动力学相关控制方程和边界跳跃条件。以毛细管尖端带电液滴射流为例,通过几个关键的无量纲量分析了惯性力、重力、粘性力、表面张力在射流过程的相对作用大小,为进一步理论分析提供基础。   将问题简化为轴对称模型,通过数值计算获得了液体膜在电场力作用下形成射流过程中的液体速度、电荷密度分布图。从Maxwell应力对液体自由液面的作用角度出发,分析了液体膜射流的形成机理。研究了射流的截面半径随z坐标的变化规律,得到半径随z坐标成指数函数衰减的结论。   利用数值计算和唯象经验公式相结合的方法,首次研究了毛细管电致稳态射流截面速度的相似律,给出了相似律的经验公式。联系质量守恒方程及半径沿z坐标指数衰减的规律,确定了射流截面速度沿射流轴向呈exp(z2)规律演化。   本文首次从能量平衡的观点出发,在等温绝热的前提下,应用动能定理推导出毛细管尖端带电液滴从Taylor锥模式向锥射流模式转变的充分条件。所使用的方法具有一定广泛性,也适用于孤立带电液滴的Coulomb喷发。如果适当改变界面处的平衡方程,也适用于同轴射流的情形。  
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