【摘 要】
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电流体动力学打印具有精度高、材料适用性好、控制效率高等优点,在机械增材制造、微电子等领域有着广泛的工程应用。通过对宏观打印参数的配置,电流体动力学打印可实现多种打印模式。具有多种打印模式的特点赋予其多尺度属性。这既是机遇又带来了挑战。一方面,由于微观尺度下流体的特殊表现形式,界面接触特性的作用机制具有较高的研究价值,电场对流体的主动控制有较高的工程应用价值。另一方面,目前流体的控制主要在于实验的研
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电流体动力学打印具有精度高、材料适用性好、控制效率高等优点,在机械增材制造、微电子等领域有着广泛的工程应用。通过对宏观打印参数的配置,电流体动力学打印可实现多种打印模式。具有多种打印模式的特点赋予其多尺度属性。这既是机遇又带来了挑战。一方面,由于微观尺度下流体的特殊表现形式,界面接触特性的作用机制具有较高的研究价值,电场对流体的主动控制有较高的工程应用价值。另一方面,目前流体的控制主要在于实验的研究,在理论上对于其机理的解释并不完善。传统的计算流体力学在解释流体微观运动规律方面存在一定的局限性。采用多尺度的计算机模拟方法来研究不同尺度流体的运动规律具有现实意义。本文通过多尺度数值方法,对不同尺度流体的电润湿、电射流等电流体动力学行为展开深入研究。论文选题不仅对电流体动力学的多尺度认识具有学术价值,而且对于电流体动力学计算仿真软件的开发有现实的意义,多尺度的模拟方法对其他科学研究也有参考意义。本文首先系统地阐述了电流体动力学的基本理论,分析了电流体动力学打印中两相界面的受力,对影响电流体动力学打印的因素(打印工艺、流体属性等)进行了理论分析。在满足连续介质力学的前提下,对流体力学、电力学的基本理论进行系统分析。基于分子动力学的基本方法和理论,对微纳尺度电动射流的工作机制进行了探究。在阐述电流体动力学打印机理的基础上,研究电流体动力学打印中喷嘴与墨水润湿性对射流过程的影响。基于流体连续性、质量守恒、动量守恒方程,利用有限体积及VOF界面跟踪方法,分析锥射流的形态变化机理。并通过分析流体界面电荷密度、电场强度、流体内部速度分布等进行深层次的解释。计算结果表明:射流时间相同时,墨水与毛细管喷嘴的接触角越小,润湿性越强,两者的接触面积越大,锥射流的长度越小;形成稳定射流时,接触角越小,锥射流的长度和半径越大,达到稳定所需时间越长。在接触角大于75°时,回流现象不明显;接触角小于60°时,锥射流两端形成明显的回流区域,接触角越小,回流区域越大。在分子动力学模拟的基础上,本文系统地研究了水-基体表面相互作用和电场对纳米液滴动力学行为的影响。计算结果表明:水-基体相互作用与电场的结合显著影响液滴在表面的接触行为及其形状演化。液滴在弱电场下变形可忽略不计。水-基体相互作用的增强提高了诱发液滴形成射流的临界场强。水-基体相互作用增强,抑制了界面水分子偶极取向的偏转。在固定电场下,水分子间氢键的平均数目随着水-基体相互作用的增加而增加。此外,由于水-基体相互作用的增强,导致氢键数量减少的临界场强也增加了。它与接近三相边界的水分子比例、界面水分子的数量和界面区域的水密度有关。
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