第1章緒論



1.1電場作用下液滴動力學特性的研究意義／1



1.1.1靜電霧化／1



1.1.2電破乳及電分散／2



1.1.3微流控技術／3



1.2電場作用下液滴動力學特性的研究進展／3



1.2.1靜電霧化中荷電液滴的動力學特性／3



1.2.2電場作用下液?液繫統中離散液滴的動力學特性的基礎研究／6



1.2.3與液滴動力學特性有關的電破乳應用研究／7



1.3本書的主要內容／8



1.3.1電場中單液滴的動力學特性研究／8



1.3.2靜電霧化過程中荷電液滴群的運動特性／8



1.3.3雙毛細管靜電霧化中液滴運動特性／9



1.3.4電場中液滴的聚結特性／9



1.4靜電的性質／9



1.4.1電荷、點電荷與庫侖定律／9



1.4.2靜電場與電場強度／10



1.4.3電位和電位差／11



1.4.4高斯定理／11



1.4.5電偶極子／12



1.4.6電荷分布與電荷密度／14



1.4.7導體和電介質／14



1.4.8靜電容量／15



1.4.9靜電場的能量／16



1.4.10物體帶電方式／16



參考文獻／17







第2章電場作用下單個液滴動力學特性



2.1電場中單液滴運動特性／21



2.1.1單液滴受力分析／21



2.1.2液滴所受靜電力與其他力的比較／26



2.1.3電場中單液滴運動／26



2.2電場中球形電介質液滴的場強分布及極化電荷分布／28



2.3液滴在電場中的變形特性／32



2.3.1液滴變形理論分析／32



2.3.2電場作用下油中水滴變形的實驗研究／35



2.3.3均勻電場中液滴變形的耗散粒子動力學模擬／39



參考文獻／48







第3章靜電霧化過程中液滴動力學特性及應用



3.1靜電霧化原理／51



3.2人工神經網絡在液滴平均滴徑預測中的應用／53



3.2.1實驗配置／54



3.2.2液滴直徑預測方法／54



3.2.3預測結果及分析／57



3.2.4結論／57



3.3靜電霧化中不同霧化空間液滴帶電量的實驗測試／58



3.3.1實驗配置及測試方法／58



3.3.2實驗結果及分析／60



3.3.3結論／62



3.4靜電霧化過程中液滴的尺寸及電荷密度聯合分布模擬／62



3.4.1模型建立／63



3.4.2數值計算方法／66



3.4.3預測結果分析／67



3.4.4結論／70



3.5靜電霧化中荷電液滴的運動模擬／71



3.5.1理論模型／71



3.5.2計算過程說明／76



3.5.3模擬結果分析／79



3.6液液靜電霧化過程中液滴運動特性／87



3.6.1理論模型／88



3.6.2實驗測試／90



3.6.3模擬過程／93



3.6.4模擬結果分析／95



3.6.5結論／99



3.7采用高壓靜電霧化法制備油水乳化液的實驗研究／100



3.7.1實驗配置／100



3.7.2實驗結果及分析／101



3.7.3結論／108



參考文獻／109







第4章雙毛細管靜電霧化中液滴動力學特性



4.1雙毛細管及多毛細管靜電霧化簡介／113



4.2相位多普勒測試技術簡介／115



4.2.1SCD-23二維激光相位多普勒粒徑測速儀主要技術指標／115



4.2.2測試原理及繫統組成／116



4.3雙毛細管靜電霧化的實驗研究／120



4.3.1雙毛細管霧化模式／120



4.3.2雙毛細管霧化中液滴速度及尺寸的實驗研究／123



4.3.3液滴沉積特性的實驗測試／126



4.4雙毛細管靜電霧化過程中液滴運動模擬／128



4.4.1理論模型／129



4.4.2計算過程說明／132



4.4.3計算結果分析／134



4.5結論／141



參考文獻／142







第5章電場作用下油中水滴的聚結特性及應用



5.1液滴電聚結原理／145



5.2油水繫統中兩個臨近液滴的聚結特性／147



5.2.1兩個相鄰液滴聚結過程的實驗研究／147



5.2.2兩相鄰液滴聚結過程理論模擬／151



5.2.3結論／157



5.3油水繫統中荷電離散液滴運動特性／158



5.3.1不考慮液滴運動中因聚結而引起的液滴尺寸的變化／158



5.3.2考慮液滴運動中因聚結而引起的液滴尺寸的變化／168



5.3.3結論／177



參考文獻／179

液滴在電場中會呈現出定向運動、變形、振蕩、聚結、破碎、分散等行為特性，研究液滴的這些行為特性，對於人們深入了解電場力對液滴運動的影響規律、靜電場和流場的耦合規律等有重要的學術意義。同時，利用液滴在電場中的這些特性，可在不同的工程場合應用以達到不同的工業需求。如靜電霧化技術可用於工業噴塗、材料制備、燃油霧化燃燒、藥物噴灑等；液滴的電分散特性可用於微顆粒的制備；液滴的電聚結特性可用於乳化液的破乳及油水分離等。此外，在生物檢測、有機合成的微反應器中，利用外加電場來控制液滴的分裂，可實現樣品和反應產物的高效分離。因此，研究液滴在電場中的動力學特性也具有較為廣闊的應用前景。液滴在電場中的行為特性屬於電流體力學的研究範疇，電流體力學是隨著流體力學及電動力學發展而出現的新興交叉學科，是研究電場作用下流體介質的流體動力學問題的學科。近幾十年來，隨著其他學科的發展，電流體力學也得到飛速發展，近年來能看到大量有關電流體力學的基礎研究及在各方面應用的研究文獻，電流體力學已在化工、醫藥、航天、微機電等許多工程領域得到了廣泛應用。但是，目前涉及電流體力學的基本理論、研究成果的研究著作或書籍並不多見。2010年，江蘇大學羅惕乾教授等的著作《荷電多相流理論及應用》一書出版，作者也有幸參與了其中一章的撰寫。該書屬於國內較早涉及電流體力學方面的著作，對於促進電流體力學的應用及發展具有非常積極的意義。但該書主要內容側重於靜電霧化或靜電噴粉中荷電兩相流理論及應用，而對於液滴在電場中的動力學特性較少涉及。基於此，作者將本人及所指導研究生在近10年來的有關液滴在電場中的動力學特性領域的研究成果進行了較為繫統的整理，並少部分融入了其他學者的一些研究成果，撰寫了本書，希望能夠對促進電流體力學的進一步發展起到拋磚引玉的作用。



本書主要內容包括電場作用下單個液滴動力學特性、靜電霧化過程中的液滴動力學特性及應用、雙毛細管靜電霧化中液滴動力學特性及電場作用下油中水滴的聚結特性及應用等。本書可供化學工程、農業工程、能源工程、微機電領域的工程技術人員及從事電霧化、電破乳、微機電繫統設計的工程技術人員和管理人員參考，也可作為化學工程、食品工程、能源工程、機電工程等相關專業的研究生及高年級本科生的專業課程及選修課程教材。



本書的一些研究成果得到了福建省科技計劃項目（2017H0024）、福建省自然科學基金（D0810021，2009J01261）、福建省教育廳科研項目（JK2012027）及*留學回國人員科研啟動基金（教外司留［2008］890 號）等項目的資助。作者對各級政府部門的科研資助表示衷心的感謝！作者也要感謝作者所指導的碩士研究生黃冠星、龔翔等，一些研究成果是和他們協作獲得的。



由於作者水平有限，加之電場中液滴動力學特性的復雜性，書中觀點和結論可能有不妥之處，敬請廣大讀者批評指正。



著者



2018年7月於集美大學