用多相流晶格Boltzmann方法研究喷墨打印技术

摘要

喷墨打印技术在各种新型的工业中都有广泛的应用，例如:细胞打印、3D打印、电子封装、制作DNA材料等等。正是由于喷墨打印技术的普及应用，现在越来越多的人们对该技术进行研究。喷墨打印的质量跟液滴的喷射速度息息相关。因此在喷墨打印中，如何控制液滴的喷射速度是我们需要研究的最基本和最重要的问题。然而，对液滴喷射速度的研究又涉及到非常复杂的流体力学知识。因此，为了对液滴的演化过程进行深入的研究分析，以指导实际的生产需要。很多研究者付出了很多的时间和精力，他们运用的方法主要是科学实验，通过实验我们可以很好地理解流体的长尾、液滴喷射的具体行为过程，也为数值模拟的验证提供了不可或缺的基础数据。但是由于实验方法本身的局限性以及喷射行为本身的复杂性，使得实验的重复性不易实现，这些局限性限制了人们运用实验方法对喷墨打印进行更深入地研究。随着技术的发展进步，有些学者运用了数值模拟的方法模拟液滴的形成过程，但是这些方法缺乏精确度，并且这些基于传统连续性理论的方法，需要求解复杂的Navier—Stokes方程，需要很大的计算量和昂贵的模拟代价，特别是，基于传统方法求解Navier— Stokes方程时可能会遇到一些譬如界面断裂和合并这类大拓扑变形的问题，此情形下的数值计算将十分困难。因此，为了深入地研究喷墨打印技术，一个能避免直接求解Navier— Stokes方程和复杂界面追踪的更简单、更高效的方法是我们迫切需要的。
　　目前，人们提出了基于两相流的晶格Boltzmann模型，运用该模型模拟液滴的喷射行为。晶格Boltzmann方法的算法具有清晰的物理背景、简单高效的计算方法、具有天然的并行性。自应用以来，被广泛地应用于泊松流、方腔流、化学流等方面。本文采用具有大密度比的两相流晶格Boltzmann模型研究液滴的形成以及其影响因素，研究内容主要为:
　　(1)在喷墨打印中，喷嘴内壁的润湿性和液滴的表面张力能够控制液滴的飞行速度，进而决定喷墨打印的质量。为了分析这两个因素对喷墨打印的影响作用，我们建立了基于大密度比的两相流晶格Boltzmann模型，通过与高速、高分辨率摄像机拍摄到的液滴的形成过程进行对照，最后的模拟结果和实验结果相吻合，由此可以得出我们所用到的具有大密度比的两相流晶格Boltzmann模型的有效性。由于硅油的属性与墨水的属性很相近，所以在本文中我们以硅油为研究对象，运用两相流晶格Boltzmann方法(Lattice BoltzmannMethod, LBM)模拟了喷墨打印中液滴的形成过程，分析了液滴在初始阶段、颈缩阶段、断裂阶段、收缩阶段时墨滴的形状、速度、断裂时间的变化规律。
　　(2)在已有的模拟实验中，压电式喷墨打印中的驱动力产生于压力震荡所产生的压力差。在本文的模拟实验中，为了模拟喷嘴内壁的压力震荡，我们使用一个随时间变化的驱动力来推动液滴喷射。我们可以调整驱动力的强度以及正向力、负向力的持续时间来改变驱动力。经过多次实验发现，在一个周期内，正向驱动力的持续时间为5μs，反方向驱动力的持续时间为3μs，间隙时间为8μs，可以达到我们想要的驱动效果。
　　(3)本文主要对影响液滴形成的两个主要物理因素进行了一系列的模拟研究，即喷嘴内壁的润湿性和液滴的表面张力。在进行实验模拟之前，我们首先模拟研究了接触角θ和润湿势Ω对应的数量关系，即润湿势Ω随着接触角θ的增加而逐渐减小，与此同时，固体壁面的亲水性逐渐减弱。这为喷嘴内壁润湿性的研究提供了理论指导。然后模拟研究喷嘴内壁的润湿性和液滴的表面张力对喷墨中液滴的形成与飞行过程的影响，我们发现:随着接触角的减小，液滴的断裂时间缩短，飞行速度增加。随着液滴表面张力系数增大，液滴的断裂时间缩短，飞行速度增加。因此亲水性的内壁和较高表面张力是最优化设计。
　　从模拟研究的结果中，我们可以得出，本文的基于两相流的晶格Boltzmann方法对于模拟液滴的形成具有很好的实用性。通过对液滴形成过程的模拟分析，可以使我们对液滴形成原理有更深刻的理解，对于改进喷墨打印的质量具有很强的指导意义。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外的研究现状

1．3 本文的主要研究内容和组织结构

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 本文的创新

1．3．3 本论文的组织结构

第2章 晶格Boltzmann基本理论

2．1 单松驰品格Boltzmann(LBGK)模型

2．2 边界处理

2．2．1 半程反弹边界条件

2．2．2 周期边界和对称边界条件

2．2．3 部分润湿性边界条件

2．3 多相和多组分的晶格Boltzmann模型

2．3．1 晶格Boltzmann两组分非理想流体模型

2．3．2 界面捕获的晶格Boltzmann方程

2．3．3 连续性方程和动量方程的求解

2．3．4 热力学宏观量计算

2．4 本章小结

第3章 喷墨打印技术

3．1 喷墨打印技术的分类

3．2 压电式喷墨打印技术

3．3 本章小结

第4章 基于晶格Boltz衄nn两流体的喷墨打印模型

4．1 喷墨打印模型中的两流体晶格Boltzmann演化方程

4．2 喷墨打印模型中边界条件

4．3 喷墨打印模型中的驱动力

4．4 本章小结

第5章 喷墨打印模型的验证与液滴形成过程的模拟分析

5．1 喷墨打印模型的参照实验

5．2 喷墨打印模型的验证

5．2．1 参照参数及单位转换

5．2．2 模拟结果

5．3 墨滴速度变化分析

5．4 本章小结

第6章 影响液滴形成的因素分析

6．1 墨水的表面张力对墨滴形成的影响

6．2 喷嘴内壁的润湿性对液滴形成的影响

6．2．1 实验验证部分润湿边界条件

6．2．2 喷嘴内壁的润湿性影响

6．3 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士期间的科研情况

致谢

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