粘性液滴的形成与沉积扩散的数值模拟

摘要

液滴在许多科研生产领域中都有广泛应用，液滴的形成以及接触碰撞过程涉及到复杂的流体形态变化，因此是一个比较难以处理的理论课题，同时这一过程对实验和生产也具有重要的意义。为了深入了解液滴演化过程中的细节问题，并分析这些问题可能对实际科研生产造成的影响，本文采用数值模拟的方法研究了液滴的形成以及与各种基面发生接触碰撞的问题，研究内容包括： 1．对液滴形成过程的数值模拟。以60％的丙三醇溶液液滴形成过程为例，详细说明了液滴形成的完整过程，并从压力和速度的角度出发阐述了液滴的形成机理。 2．通过数值实验分析了影响液滴形成的各个因素。通过对不同性质的液体液滴形成过程进行模拟，分析了液体的实际物理参数、边界条件以及毛细管的口径等因素对液滴形成的影响。 3．研究了不同速度液滴与平整固体基面的接触碰撞情况。从能量、压力、速度三个方面解释了液滴的扩散机理，并模拟了低速和高速液滴与基面发生碰撞的问题。从实际应用角度出发，通过精确的数值实验发现在某些情况下液滴的扩散可能会导致空气夹带的出现，并且发现相邻液滴接触会对薄膜质量产生影响。 4．数值模拟了液滴与液体薄膜基面和不同形态固体基面的接触碰撞问题。分析了碰撞速度对薄膜质量的影响、表面粗糙度对液滴扩散的影响，最后通过薄膜晶体管的制备阐述了液滴喷射技术的应用，并从流体力学的角度出发研究了限制液滴沉积的有效方法，对限制液滴沉积中的细节问题提出了合理化的建议。 液滴的形成和接触碰撞是一个应用背景很强的问题，也是当今的一个研究热点，本文的工作在如下方面得到了一些创新性结果： 1．在液滴形成过程的研究中，全面的总结了各实际物理量对形成过程的影响，相比之下，国外文献更多的将研究重点集中在一些无量纲参数对液滴形成的影响，如雷诺数、维尔数等。 2．在液滴与平整基面碰撞的研究中，提出在低速碰撞时可能会出现空气夹带问题，高速碰撞中相邻液滴间的接触会对薄膜质量产生影响，这一结论在相关文献中未有提及。 3．从流体力学角度出发，研究全聚合物薄膜晶体管制备中的力学问题，提出液滴碰撞速度、液滴与隔断间距和隔断材料三个要素只有在合理配置时才能得到理想效果。 研究表明，本文的数值模拟方法对于模拟液滴的形成以及接触碰撞问题具有很好的适用性，而且通过数值模拟的方法分析液滴的形成及沉积过程对实际应用具有重要意义。通过对液滴形成过程进行数值模拟可以深入理解液滴的形成机理，对于改进液滴控制系统具有很强的指导意义；通过对液滴接触碰撞的模拟可以对液滴的沉积效果有预先的估计，对沉积中可能出现的各种缺陷进行预判，在此基础上协调液滴、基面等因素，消除缺陷以保证液滴的沉积效果满足要求。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：变量说明表

声明

第1章绪论

1.1概述

1.2应用

1.2.1生化制药领域内的应用

1.2.2液体性质分析中的应用

1.2.3喷墨打印

1.2.4电子封装领域中的应用

1.3研究历史与现状

1.3.1液滴形成的实验研究

1.3.2液滴形成的数值模拟方面的研究

1.3.3液滴接触碰撞的研究

1.4本文的研究内容

第2章数值模拟方法

2.1引言

2.2 VOF方法的基本原理

2.2.1自由面的传输算法

2.2.2界面重构方法

2.3有限差分

2.3.1控制方程

2.3.2控制方程的差分形式

2.4 VOF法与有限差分的结合应用

2.5 VOF方法的应用与前景

第3章液滴形成过程的数值模拟

3.1引言

3.2液滴形成过程分析

3.2.1初始阶段

3.2.2首次颈缩阶段

3.2.3断裂阶段

3.2.4二次颈缩断裂阶段(跟随液滴的形成)

3.3液滴形成条件分析

3.3.1压力边界条件分析

3.3.1流量边界条件分析

3.4本章小结

第4章影响液滴形成的因素分析

4.1引言

4.2不同浓度丙三醇溶液液滴形成的数值模拟

4.2.1初始与边界条件

4.2.2计算结果与分析

4.3液体性质以及毛细管口径对液滴形成的影响

4.3.1液体性质对液滴形成的影响

4.4本章小结

第5章液滴与平整固体基面碰撞的数值模拟

5.1引言

5.2液滴与固体基而碰撞全过程分析

5.2.1物理模型

5.2.2液滴在基面上的扩散

5.2.3液滴扩散的最大直径与最终直径

5.2.4液滴扩散过程中压力与速度的变化

5.3不同速度液滴撞击基面的数值模拟

5.3.1低速液滴碰撞基面问题的数值模拟

5.3.2高速液滴碰撞基面问题的数值模拟

5.4接触角对液滴扩散的影响

5.4.1影响接触角的因素

5.4.2接触角对液滴扩散的影响

5.4.3不可湿润基面上液滴扩散分析

5.5本章小结

第6章液滴与不同类型基面碰撞的数值模拟

6.1引言

6.2液滴与薄膜碰撞扩散的研究

6.2.1液滴与薄膜碰撞概述

6.2.2喷涂中液滴碰撞薄膜的数值模拟

6.3液滴在非平整固体基面上的扩散行为研究

6.3.1液滴在粗糙基面上的扩散

6.3.2液滴在预成型固体基面上的碰撞与扩散

6.4本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢