基于界面失稳的多重液体锥尖流的基础和应用

液体锥尖流(tip streaming)是微尺度射流和液滴的生成方式之一。在液体锥尖流的形成过程中，液体在外力场的驱动下先是形成三维的锥形液滴，然后锥形液滴的尖端生成二维射流，射流最终由于Plateau-Rayleigh(PR)不稳定性而破碎成一维的微尺度液滴。由液体锥尖流生成的微小射流和液滴尺寸较小且均匀可控，在农业生产、食品加工、药物制备、喷墨打印等领域有着重要应用价值。相关研究表明，液体锥尖流所生成的射流直径与供液流量存在正相关。多重液体锥尖流在不牺牲射流和液滴尺寸的前提下能够显著提高生产效率。本文基于液体锥尖流现象，通过外力场触发液体界面的Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性，进而形成了多重液体锥尖流。具体研究内容如下：

本文提出了二维流动聚焦方法。二维流动聚焦是在气体压力场的作用下的新型无针头式多重液体锥尖流，与单轴流动聚焦不同之处在于，二维流动聚焦的核心装置是由楔形刀片和狭缝构成。楔形刀片上的液膜在气体压力场的作用下发生了RT不稳定性，进而形成了多重锥射流结构。本文对锥射流结构形成的流体动力学过程进行了详细分析，求解了狭缝上方的气体压力场分布，并基于不稳定的伯努利方程推导出了色散关系。色散关系表明，二维流动聚焦生成的锥射流结构的数目与楔形刀片至狭缝之间的距离有关。

气体压力场作用于液膜可以形成二维流动聚焦，而电场作用在液膜上则可以实现电流体圆盘雾化。电流体圆盘雾化是通过薄圆盘作为供液系统，位于圆盘上的液膜在电场的作用下触发了RT不稳定性，进而形成了多重锥射流结构，射流下游由于PR不稳定性继续分裂成单分散的微小液滴。研究了电流体圆盘雾化的实验现象和相关理论分析，通过对“圆盘-环形电极”装置进行简化后，采用保形映射的方法给出了电场分布的解析式，基于波动方程的线性不稳定性分析给出了电场和多重锥射流的数目之间的关系。

在电流体圆盘雾化中，圆盘上的液膜轮廓在电场应力的作用下发生变化，而液膜轮廓的变化又反作用在电场上。根据液膜的轮廓和速度分布特征将液膜分成平流区域和对流区域。在平流区域，基于润滑理论对液膜的厚度和速度分布进行了理论分析。在对流区域，通过电场力和表面张力的平衡给出了对流区域的液膜轮廓的数值解。并针对液膜的厚度测量和液膜速度场的分布进行了一系列实验，实验与理论的结果基本相符。

电流体圆盘雾化因能生成巨量泰勒锥而具有较大的应用价值，本文最后介绍了基于电流体圆盘雾化的应用研究。通过共流式电流体圆盘雾化技术可以制备Janus颗粒，在不牺牲颗粒单分散度的情况下极大地提高了生产效率。此外，本文还将电流体圆盘雾化技术应用于静电纺丝，研究了电流体圆盘纺丝的实验设置和实验现象。

综上，本文提出了生成多重液体锥尖流的新方法。二维流动聚焦和电流体圆盘雾化都可以在不牺牲液滴单分散性的前提下提高生产效率。本文基于线性不稳定性分析分别得出了两者的色散关系，实验结果与理论结果基本相符。研究成果为多重液体锥尖流现象的研究提供了理论基础和实验数据支撑，有助于人们更好地理解多重液体锥尖流的物理机理，也为液体锥尖流技术的工业化应用奠定了基础。

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