二维扰动控制下微小带电射流的失稳研究

带电射流失稳在众多高新技术领域中扮演着关键的基础性角色,如获得2002年诺贝尔化学奖的电喷雾质谱法就是利用带电射流破碎产生大分子离子,高精度打印中常需要带电射流在曲张失稳下破裂从而使液滴沿直线运动,而静电纺丝中则需要鞭动失稳产生拉伸应力从而产生纳米纤维。目前,尚缺乏对相关带电射流失稳现象有效控制的方法,从而限制了相关技术的进一步发展。本文通过施加外加二维正交微小扰动影响带电射流不稳定性发展,从而最终改变带电射流失稳现象。为了产生横向正交的微小扰动,本文采用了两个相同规格的扬声器,并通过3D打印的连接件与喷头连结,且两个连接件保持垂直。二维正交扰动的频率、幅值以及相位差,可以通过改变输入电压的相关参数来调节。实验发现,相位差为90°时,扰动频率从数百赫兹变化到数千赫兹时,带电射流失稳会从鞭动过渡到曲张模态。尤其值得注意的是,此状态下鞭动失稳结构呈现稳定的螺旋状结构,且这种结构可以方便地通过调节输入电压的频率和幅值来改变,这在已知研究中尚属首次。此外,进一步调节两正交扰动的频率比和相位差,发现鞭动失稳在基底形成的图案符合相应的李萨如图形,这为实现更多形式的失稳结构提供了可能。为了进一步研究相关鞭动失稳结构的特点及相关控制参数的影响,本文采用基于Succi等人提出的优化模型,数值模拟了鞭动失稳结构,并与实验结果对比,分析了鞭动结构中表面电荷、电场强度、溶液参数以及扰动参数的影响,且与实验结果比较吻合。综上,本文通过引入外加正交扰动的方法,实现了对带电射流失稳模态的控制,尤其是可以获得稳定的鞭动失稳结构,这对已被广泛应用的电纺丝具有重要的指导意义。