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液滴在固体表面的铺展现象广泛存在于生产生活中,不同的应用场景对于液滴铺展的动态特性有着不同的需要,从力学角度对于液滴铺展的动态特性进行定量分析和实验研究具有重要的意义。本文结合国内外现有的液滴铺展动态特性研究方法的优势和不足,提出了一种基于毫米级悬臂梁的力学测量方法和电学测量方法相结合的液滴铺展动态特性测量方案,并对液滴铺展过程中的动态特性进行了实验研究,探究了液滴铺展过程中的受力与液滴的体积、黏度之间的关系。
本论文的主要研究工作如下:
1.对国内外现有的液滴铺展动态特性的实验研究方法进行了研究和分析,结合现有研究方法的不足,提出了以毫米级悬臂梁为力值敏感元件的光杠杆力值测量方法和电学测量方法相结合的液滴铺展动态特性测量方案。
2.对液滴铺展过程中的动态特性进行了理论分析,主要研究了液滴铺展过程中其接触半径和径向受力随时间的变化,以及液滴铺展过程中的三个阶段:黏性-惯性交叉作用阶段、惯性力主导阶段和黏性力主导阶段,并对影响液滴铺展动态特性的因素(液滴的半径和物理特性)进行了分析。采用XFlow软件对液滴铺展过程进行了仿真分析,并对液滴的接触半径和黏度之间的关系进行了仿真分析。
3.设计了一种基于毫米级悬臂梁和RC电路的液滴铺展动态特性测量系统,将光杠杆力值测量原理和电学部分原理相结合,设计了液滴铺展动态特性的测量方案;基于微纳力值的电学复现原理,设计了以静电力为标准载荷的光杠杆力灵敏度SOL的标定方案。基于以上原理搭建了液滴铺展动态特性测量装置和光杠杆力灵敏度SOL标定装置,并进行标定实验,测得SOL的标定结果为8.847μN/V。
4.基于搭建好的测量装置对液滴铺展过程中的动态特性进行实验研究,测量其铺展过程中竖直方向受力随时间的变化;进行不同体积、不同黏度的液滴铺展动态特性测量实验,研究液滴的体积和黏度对于液滴铺展动态特性的影响。进行重复性实验,测得实验结果的最大相对标准差为0.835%;并对测量结果进行了不确定度分析,得到动态力值测量的相对合成标准不确定度为1.684%。
本论文的主要研究工作如下:
1.对国内外现有的液滴铺展动态特性的实验研究方法进行了研究和分析,结合现有研究方法的不足,提出了以毫米级悬臂梁为力值敏感元件的光杠杆力值测量方法和电学测量方法相结合的液滴铺展动态特性测量方案。
2.对液滴铺展过程中的动态特性进行了理论分析,主要研究了液滴铺展过程中其接触半径和径向受力随时间的变化,以及液滴铺展过程中的三个阶段:黏性-惯性交叉作用阶段、惯性力主导阶段和黏性力主导阶段,并对影响液滴铺展动态特性的因素(液滴的半径和物理特性)进行了分析。采用XFlow软件对液滴铺展过程进行了仿真分析,并对液滴的接触半径和黏度之间的关系进行了仿真分析。
3.设计了一种基于毫米级悬臂梁和RC电路的液滴铺展动态特性测量系统,将光杠杆力值测量原理和电学部分原理相结合,设计了液滴铺展动态特性的测量方案;基于微纳力值的电学复现原理,设计了以静电力为标准载荷的光杠杆力灵敏度SOL的标定方案。基于以上原理搭建了液滴铺展动态特性测量装置和光杠杆力灵敏度SOL标定装置,并进行标定实验,测得SOL的标定结果为8.847μN/V。
4.基于搭建好的测量装置对液滴铺展过程中的动态特性进行实验研究,测量其铺展过程中竖直方向受力随时间的变化;进行不同体积、不同黏度的液滴铺展动态特性测量实验,研究液滴的体积和黏度对于液滴铺展动态特性的影响。进行重复性实验,测得实验结果的最大相对标准差为0.835%;并对测量结果进行了不确定度分析,得到动态力值测量的相对合成标准不确定度为1.684%。