[发明专利]一种控制射流断裂与液滴生成的方法及装置

说明书

本发明提供一种控制射流断裂与液滴生成的方法及装置，利用射流失稳主导机制，通过特定的控制信号编制，产生与控制信号具有相同时域特征的物理量扰动作用于射流，控制射流断裂过程以及主液滴与卫星液滴的合并过程，实现对连续液滴序列中每一个液滴的可控制备。本发明的装置包括：扰动信号发生器和扰动部件，扰动信号发生器用于设定或输入具有波动能量不均匀分布特征的动态扰动信号，扰动部件连接扰动信号发生器，产生具有同步时域特征的波动，并以非接触的方式作用于连续段流体射流，使连续段流体射流断裂破碎产生的单个液滴的大小和距离可控，实现对连续液滴序列中的单个液滴的可控制备。

技术领域

本发明涉及一种液滴生成方法，更具体地说，本发明涉及一种控制射流断裂与液滴生成的方法及装置。

背景技术

利用射流断裂生产液滴是目前液滴制备的一项主要技术途径，近些年来已被用于许多实际应用中，如印刷、颗粒分选、球团制备、液体分散、合成纤维纺丝、生化分析、燃料喷射、水力采矿和加工等。对于目前的工作来说，其中最重要的是印刷和颗粒分选，其高保真度的生产过程需要相同大小和形状的同步液滴序列。

连续射流失稳断裂是一种典型的流动失稳过程，包含了扰动发生、扰动传播、扰动增长、界面失稳、射流断裂等典型物理过程。根据流动条件的不同，其主导失稳机制也有所区别，主要有表面张力主导的普拉托——瑞利(Plateau–Rayleigh)不稳定、密度梯度主导的瑞利——泰勒不稳定(Rayleigh–Taylor)不稳定、切向速度梯度主导的卡尔文——亥尔姆霍兹(Kelvin–Helmholtz)不稳定。

以液体圆柱射流Plateau-Rayleigh不稳定机制为例，射流一旦由于环境扰动在表面产生了微弱扰动波，波峰处由于半径增大，在表面张力作用下内压减小，而波谷处则内压增大，这种压力的不均匀反过来又会促进波峰进一步膨胀，波谷进一步收缩，因此这是一种正反馈机制，最终扰动会不断放大，促使射流破碎成液滴。Plateau-Rayleigh不稳定具有对流特性：对于从喷嘴喷射出的圆柱射流，上游的微弱扰动会随着主流往下游传播，并在传播的过程中不断放大，即射流可以看作一个扰动放大器。因此在上游施加微小控制力就能对下游的破碎过程进行有效的控制；例如，可以通过在上游施加正弦扰动来促使射流稳定地破碎成指定大小的液滴(正弦扰动的频率越高，对应于射流表面的扰动波长越短)。一般来说，扰动波的一个波长对应于破碎后的一个液滴。不过，如果扰动波的波长比较长，则会导致相邻两个液滴之间还形成一个较小的“卫星液滴”，对液滴的均匀性造成负面影响。已有的理论研究和实验工作显示，在射流失稳断裂过程中中，大的主液滴之间都会散布着较小的卫星液滴，这些卫星液滴的存在会对液滴的制备质量与应用带来严重的负面影响。目前已有的射流破碎控制技术是在射流的上游(通常是喷嘴处)施加特定的机械扰动，以使得射流破碎后形成尺寸均匀的液滴。机械扰动的发生器一般采用压电材料，将电信号扰动转化为机械扰动。具体地，此类方法又分成两类。第一类是通过在扰动信号中叠加一定的谐波，以使得卫星液滴和主液滴可靠地合并，从而避免了卫星液滴对液滴均匀性的负面影响。这类方法的缺点是对液滴尺寸的控制范围不够宽广，通常液滴的尺寸和射流直径比较接近。另一类是通过另一个频率较低的信号来调制原有的扰动信号(调频或调幅)，或者将两个频率接近的扰动信号叠加在一起。这一类方法的本质是在原有扰动信号的基础上引入一个频率较低的信号，这使得射流破碎产生的液滴具有一定的分组效应(例如，在原有扰动信号的基础上引入一个频率为原来1/3的信号，那么相邻3个液滴就形成一组)，这些液滴在空气中飞行一定距离之后，由于同一组内的液滴具有相互靠近的相对速度，最终每一组合并形成一个大液滴。这类方法对液滴尺寸的控制范围比前一类方法宽广得多，但是仍然有一定的缺点，例如液滴需要飞行很长的距离才能合并，这导致了装置体积庞大。另外，无论是第一类方法还是第二类方法，其效果都是只能产生尺寸均匀的液滴，如果需要产生不同尺寸的液滴，往往需要更换射流喷嘴。

因此，为液滴制备与应用技术领域提供一种工艺简单、可控性强并且可以对液滴序列进行高效主动控制的方法与装置成为了需要迫切解决的技术难题。

发明内容