周 健， 裴澤光

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

圖1 設(shè)有同軸氣流噴射槽的壓電式微滴噴頭結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖Fig.1 Schematic diagram and photo of airflow-assisted piezoelectric printhead

近年來，隨著材料學(xué)的飛速發(fā)展，基于微滴噴射原理的噴墨印刷技術(shù)因成本低、靈活性高、節(jié)省原料、不損傷基材等優(yōu)點(diǎn)而越來越多地應(yīng)用于各種功能材料和器件的加工與制備，如太陽能電池、無線電射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽、化學(xué)與生物傳感器、印刷電路板、光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)及智能紡織品等[1-2].

噴墨印刷按照微滴形成的方式主要分為連續(xù)式和按需式，后者由于只在印刷需要時(shí)才借助壓力波的作用噴射出單顆微滴而更具優(yōu)勢(shì)，目前壓電驅(qū)動(dòng)式在按需式噴墨印刷中應(yīng)用最為廣泛[3].隨著對(duì)噴墨印刷分辨率和精度要求的逐步提高，微滴尺寸逐漸減??；當(dāng)基底厚度較大或帶有毛羽時(shí)(如織物)，需采用較大的印刷隔距，使微滴的飛行時(shí)間增加.這兩個(gè)因素使微滴在運(yùn)動(dòng)過程中更易受到空氣阻力的干擾[1,4].此外，隨著噴墨印刷不斷向高速化方向發(fā)展，基底平移(速度可達(dá)20 m/s)產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流(庫埃特流)作用在微滴上的阻力會(huì)使其運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)[5-7].可見，在噴墨印刷過程中，外界環(huán)境中擾動(dòng)氣流的存在使微滴難以按照理想路徑垂直下落到達(dá)基底上的指定位置，從而產(chǎn)生沉積偏差.因此，如何消除擾動(dòng)氣流對(duì)微滴定位準(zhǔn)確度的影響已成為進(jìn)一步提高噴墨印刷精度和可靠性所亟待解決的關(guān)鍵問題之一.

針對(duì)上述問題，本文提出了在壓電驅(qū)動(dòng)式噴墨印刷過程中利用同軸氣流對(duì)微滴的飛行過程進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可提高其沉積速度，減小甚至消除擾動(dòng)氣流導(dǎo)致的微滴沉積偏差；同時(shí)，同軸氣流也對(duì)微滴的形成過程產(chǎn)生影響，因此對(duì)同軸氣流作用下的微滴噴射行為進(jìn)行研究，有助于利用同軸氣流提高微滴定位精度有效性.國內(nèi)外對(duì)于液滴或液體射流在同軸氣流作用下的形成過程和流動(dòng)特性已有諸多報(bào)道，包括液-氣流動(dòng)聚焦[8-9]、同軸氣流霧化[10-11]、熔噴[12]等，但這些研究多是針對(duì)連續(xù)流動(dòng)，在射流形成方式、流動(dòng)尺度及應(yīng)用領(lǐng)域等方面與噴墨印刷有所不同.目前，對(duì)于壓力波與同軸氣流共同作用下微滴噴射行為的研究還比較少見.

為此，本文基于自行設(shè)計(jì)與加工的同軸氣流輔助式壓電微滴噴頭，構(gòu)建了微滴噴射與觀測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)同軸氣流作用下壓電驅(qū)動(dòng)式微滴噴射過程進(jìn)行分析，研究同軸氣流在微滴延伸、斷裂與飛行過程中的作用，明確同軸氣流強(qiáng)度對(duì)微滴噴射行為的影響，為同軸氣流輔助式壓電微滴噴頭的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，為提升噴墨印刷技術(shù)提供新思路.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 同軸氣流輔助式壓電微滴噴頭

本文設(shè)計(jì)并加工了一款設(shè)有同軸氣流噴射槽的壓電式微滴噴頭，結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖1所示.噴頭由上蓋、噴腔體、底座和支撐體四部分(均由黃銅制成)從上到下依次疊加構(gòu)成，相鄰各部件之間均有密封圈，以防液體與氣體泄漏.

噴腔體中心部分儲(chǔ)液腔呈錐形，腔上方用于驅(qū)動(dòng)液體噴射的壓電片由PZT型壓電陶瓷片與薄黃銅片黏結(jié)構(gòu)成.噴腔體側(cè)壁上設(shè)有貫穿其中并與儲(chǔ)液腔相連通的進(jìn)液通道.噴嘴采用玻璃微噴嘴，主體為圓柱形，出口端為錐形.套在噴嘴入口段外部的硅膠管采用過盈配合方式嵌入噴腔體和底座中心孔中，使噴嘴與儲(chǔ)液腔相連接，并對(duì)玻璃微噴嘴起保護(hù)作用.

底座側(cè)壁上沿噴頭徑向設(shè)有3個(gè)進(jìn)氣通道，內(nèi)徑為3 mm，沿噴頭周向均勻分布(相鄰?qiáng)A角為120°)，以保證所形成同軸氣流的均勻性.支撐體中心處設(shè)有呈錐形且錐角為120° 的氣流噴射孔，使之與底座間形成氣室，其上游和下游分別與進(jìn)氣通道和氣流噴射孔相連接.玻璃微噴嘴位于氣流噴射孔中心并從中伸出，可在外圍形成環(huán)形的氣流噴射槽.氣流經(jīng)由進(jìn)氣通道進(jìn)入氣室內(nèi)，隨后經(jīng)氣流噴射槽噴出，從而在噴嘴外圍形成同軸氣流.壓電式噴頭的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

表1 壓電式噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)(mm)Tab.1 Structural parameters of piezoelectric printhead (mm)

1.2 微滴噴射與觀測(cè)系統(tǒng)

基于上文噴頭，設(shè)計(jì)并搭建了微滴噴射與觀測(cè)系統(tǒng)，如圖2所示.利用逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片在受到脈沖電壓(U)的激勵(lì)后產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，儲(chǔ)液腔內(nèi)部體積發(fā)生變化從而驅(qū)動(dòng)微滴從噴嘴噴出.實(shí)驗(yàn)中由波形信號(hào)發(fā)生器(Tektronix AFG 3022C)產(chǎn)生波形信號(hào)，經(jīng)由電壓放大器(Agitek ATA-2032)放大后驅(qū)動(dòng)壓電片，利用示波器(Tektronix MSO 2024B)將放大后的波形信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示.波形信號(hào)選用雙極性梯形波.

基于微滴噴射過程中同一時(shí)刻不同微滴間良好的可重復(fù)性，微滴觀測(cè)系統(tǒng)采用電荷耦合器件(CCD)相機(jī)(Imaging Source DFK 23G274)，并在實(shí)驗(yàn)中通過精確調(diào)整相機(jī)曝光相對(duì)微滴噴射的滯后時(shí)間來獲取不同時(shí)刻的微滴圖像.CCD相機(jī)上裝有放大鏡頭(Moritex MML2-HR65D)，照明采用LED陣列光源(Thorlabs LIU525B)，光源與CCD相機(jī)位于噴頭的兩側(cè)并相對(duì)布置，采用背光法[13-14]拍攝.實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，噴射液體選用純凈水.

實(shí)驗(yàn)中采用的波形與主要設(shè)備參數(shù)如表2所示，梯形波中tr為上升時(shí)間，td為停留時(shí)間，tf為下降時(shí)間，tw為脈沖寬度.

圖2 微滴噴射與觀測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of micro-droplet ejection and observation system

表2 波形與主要設(shè)備參數(shù)Tab.2 Waveform and main device parameters

1.3 微滴噴射行為觀測(cè)

圖3顯示了由微滴觀測(cè)系統(tǒng)拍攝到的同軸氣流壓強(qiáng)p分別為0(即未噴射同軸氣流)和100 kPa時(shí)的微滴噴射過程.由圖可見，兩種情況下微滴的噴射過程均可劃分為以下階段：

圖3 同軸氣流壓強(qiáng)不同時(shí)的微滴噴射過程Fig.3 Micro-droplet ejection processes with different coaxial airflow pressures

2 同軸氣流對(duì)微滴噴射行為的影響

2.1 微滴延伸過程

圖4 微滴噴射過程及不同壓強(qiáng)氣流作用下微滴形態(tài)Fig.4 Micro-droplet ejection process and droplet morphology under different air pressures

圖5 氣流壓強(qiáng)對(duì)微滴長(zhǎng)度隨時(shí)間變化的影響Fig.5 Effects of air pressure on variation of droplet length over time

2.2 微滴斷裂時(shí)刻

同軸氣流強(qiáng)度不同時(shí)，t1相同，但t2則不同，同軸氣流的強(qiáng)度越大，t2的值越大，即頭部與尾部的斷裂時(shí)刻就越滯后.在B處發(fā)生斷裂主要是由于噴嘴出口附近液體的回吸和下方液柱的拉伸作用，“安全區(qū)”使噴嘴出口附近的下方液柱未受氣流作用，所以這部分液柱向下的拉伸作用與未施加同軸氣流時(shí)無明顯差別，不同氣流強(qiáng)度下微滴在噴嘴出口處發(fā)生斷裂的時(shí)刻保持一致.如前所述，微滴頭部與尾部的斷裂發(fā)生在A處，當(dāng)此處液體減少以致曲率半徑為0時(shí)，斷裂發(fā)生.

本文還研究了同軸氣流壓強(qiáng)對(duì)A處微滴直徑D的影響，如圖6所示.由于“安全區(qū)”下邊界大致位于A的上游，在氣流軸向分力作用下，位于A上游表面液體沿液柱向A加速流動(dòng)，而氣流的徑向分力對(duì)微滴頭部液體產(chǎn)生擠壓，使其內(nèi)部液體也向A流動(dòng).兩方面作用使A處液體增多，D值增大，進(jìn)而使頭部與尾部的斷裂時(shí)刻延后.同軸氣流的強(qiáng)度越大，A處液體增加越多，因而頭部與尾部的斷裂時(shí)刻越滯后.

圖6 微滴直徑隨時(shí)間變化Fig.6 Variation of droplet diameter over time

2.3 微滴體積

為研究同軸氣流對(duì)噴射出的微滴體積的影響，假設(shè)微滴在噴射及飛行過程中為軸對(duì)稱形狀，利用圖像處理方法對(duì)所獲二維圖像中的微滴邊緣進(jìn)行提取，隨后用切片法對(duì)微滴的體積進(jìn)行計(jì)算.

圖7顯示了噴射微滴體積V隨時(shí)間的變化規(guī)律.當(dāng)壓電片受到驅(qū)動(dòng)電壓激勵(lì)后產(chǎn)生正向(與微滴運(yùn)動(dòng)方向一致)壓力波并驅(qū)使液體在t=0～600 μs時(shí)從噴嘴內(nèi)擠出.在t=600 μs時(shí)，壓電片變形產(chǎn)生的正向壓力波已經(jīng)衰減至不能驅(qū)動(dòng)液體克服自身表面張力而擠出噴嘴，此時(shí)噴射出的液體體積達(dá)到最大值.由前可知，所設(shè)置的梯形波脈沖寬度為 1 300 μs，但由于液體黏性以及噴嘴出口距壓電片有一定距離，壓力波的部分能量被消耗，其作用于微滴的有效時(shí)間只有600 μs.因此，由圖可見，噴射微滴體積在t=0開始逐漸增大，并于t=600 μs時(shí)達(dá)到最大.在該時(shí)間段內(nèi)，微滴體積隨時(shí)間近似呈線性變化，且同軸氣流及其強(qiáng)度變化對(duì)微滴體積沒有影響.這是由于在該階段，從噴嘴內(nèi)噴射出的液體量主要由壓電片的變形規(guī)律所決定，在噴嘴出口附近的“安全區(qū)”內(nèi)沒有同軸氣流的作用，既不會(huì)對(duì)壓電片振動(dòng)和壓力波在儲(chǔ)液腔中的傳播產(chǎn)生影響，也不會(huì)對(duì)出口附近的液體產(chǎn)生向正向的驅(qū)動(dòng)力.

此后，反向驅(qū)動(dòng)電壓使壓電片產(chǎn)生反方向變形，使儲(chǔ)液腔內(nèi)部體積增大而產(chǎn)生負(fù)壓，噴嘴出口處錐形區(qū)部分液體被回吸入噴嘴，直至t=1 000 μs時(shí)，微滴在噴嘴出口處發(fā)生斷裂為止.此階段微滴體積逐漸減小，與此同時(shí)，由圖7可見，同軸氣流會(huì)使噴射出的微滴最終總體積略有減小.這是因?yàn)橥S氣流徑向分力對(duì)微滴頭部的擠壓使其中部分液體負(fù)向(與微滴運(yùn)動(dòng)方向相反)流動(dòng)，并越過“安全區(qū)”下邊界到達(dá)噴嘴出口附近，使微滴尾部液體量增加，繼而由于負(fù)壓作用，回吸入噴嘴的液體體積有所增大，導(dǎo)致噴嘴外部液體體積減小.但是由于起關(guān)鍵作用的波形信號(hào)和電壓幅值未發(fā)生變化，同時(shí)回流至接近噴嘴出口位置的液體較少，回吸的持續(xù)時(shí)間也較短，同軸氣流對(duì)噴射微滴最終總體積減小的效果不明顯.此后，由于微滴已在噴嘴出口處斷裂而進(jìn)入飛行階段，故其體積保持不變.

圖7 微滴體積隨時(shí)間變化Fig.7 Variation of droplet volume over time

3 同軸氣流對(duì)主液滴和衛(wèi)星液滴的影響

3.1 主液滴與衛(wèi)星液滴位移

圖8 主液滴與衛(wèi)星液滴位移示意圖Fig.8 Schematic diagram of primary and satellite droplet displacements

微滴在噴嘴出口處發(fā)生斷裂后，向下方飛行一段距離會(huì)進(jìn)一步斷裂成主液滴和衛(wèi)星液滴.以主液滴和衛(wèi)星液滴前端和末端的某些點(diǎn)為研究對(duì)象，分析這些點(diǎn)在不同壓強(qiáng)氣流作用下其位移隨時(shí)間變化的規(guī)律，位移以噴嘴出口平面為基準(zhǔn)，如圖8所示，主液滴前端點(diǎn)1、末端點(diǎn)2，衛(wèi)星液滴前端點(diǎn)3、末端點(diǎn)4，對(duì)應(yīng)位移為Xi(i=1,2,3,4).由于p=190 kPa時(shí)，微滴很快運(yùn)動(dòng)到相機(jī)視野以外，故不討論該類情況.

如圖9所示，主液滴與衛(wèi)星液滴的位移隨時(shí)間而變化.隨著氣流壓強(qiáng)增大，主液滴和衛(wèi)星液滴在同一時(shí)刻的位移均增大，表明同軸氣流對(duì)微滴沉積速度具有顯著增升作用，但由于“安全區(qū)”的存在，X4在小于500 μm時(shí)幾乎不受氣流壓強(qiáng)影響.同軸氣流對(duì)衛(wèi)星液滴的加速效果不明顯，在主液滴和衛(wèi)星液滴飛行過程中，始終有X3

圖9 主液滴與衛(wèi)星液滴位移隨時(shí)間變化Fig.9 Variation of primary and satellite droplet displacements over time

3.2 主液滴與衛(wèi)星液滴速度

微滴速度決定了微滴飛行時(shí)間的長(zhǎng)短以及主液滴和衛(wèi)星液滴的相對(duì)位置變化，是微滴噴射過程的重要運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù).微滴速度可表達(dá)為

(1)

圖10為微滴上各點(diǎn)速度隨時(shí)間變化的曲線，可見：t=0～250 μs時(shí)，微滴受到正向壓力波作用，從噴嘴中加速擠出，t=250 μs時(shí)點(diǎn)1速度達(dá)到最大；隨后，由于液體黏性力作用以及壓力波衰減，點(diǎn)1速度逐漸降低，于t=900 μs達(dá)到最小值.在此前時(shí)間段內(nèi)，由于噴嘴內(nèi)液體對(duì)微滴尾部存在的黏性力作用且微滴處于“安全區(qū)”內(nèi)，同軸氣流壓強(qiáng)對(duì)點(diǎn)1速度的影響并不顯著.此后，微滴末端逐漸收窄，作用于微滴球狀頭部的黏性力逐漸減小，使點(diǎn)1速度逐漸增加，直至微滴于噴嘴出口處B發(fā)生斷裂，于t=1 000 μs時(shí)速度達(dá)到最大值；隨后，飛行的微滴頭部因其尾部速度較低而受到拖拽，速度在t=1 050 μs時(shí)迅速降低；再后，微滴頭部和尾部斷裂，拖拽作用消失，且由于存在同軸氣流，點(diǎn)1速度迅速增大，最終主液滴以較為穩(wěn)定的前端速度向下方飛行.由圖10可以看出，微滴在噴嘴出口處發(fā)生斷裂后，前端點(diǎn)1隨著同軸氣流壓強(qiáng)的增大而增大.在飛行過程中主液滴末端點(diǎn)2速度隨時(shí)間發(fā)生了明顯波動(dòng)，而點(diǎn)1速度基本呈增加趨勢(shì)，這表明主液滴在飛行過程中其形狀將隨時(shí)間發(fā)生振蕩.當(dāng)未施加同軸氣流時(shí)，點(diǎn)2速度最小值可達(dá)到 -0.5 m/s左右，且振蕩頻率較高；隨著同軸氣流壓強(qiáng)增大，點(diǎn)2速度增大且波動(dòng)幅度及頻率均有所下降.

圖10 微滴各點(diǎn)的速度-時(shí)間曲線Fig.10 Velocities of points on droplets over time

如小節(jié)3.1所述，微滴尾部與頭部發(fā)生斷裂后，尾部會(huì)先經(jīng)歷一段時(shí)間的收縮過程，在該過程中，尾部前端液體不斷向末端流動(dòng)，速度曲線上表現(xiàn)為點(diǎn)3速度在該時(shí)間段內(nèi)為負(fù)值，但絕對(duì)值逐漸減小，如圖10(c)所示.v3開始為0，然后變?yōu)檎?，并不斷增大，表明前端點(diǎn)3開始向下方運(yùn)動(dòng).隨后衛(wèi)星液滴點(diǎn)3速度值有波動(dòng)，但基本為正值.由于同軸氣流導(dǎo)致微滴頭尾部的斷裂時(shí)刻發(fā)生了變化，隨著p的增加，v3曲線整體右移，且v3的極大值呈增大趨勢(shì).由圖10(d)可見，微滴尾部末端點(diǎn)4速度隨時(shí)間變化，并較多地受到微滴自身振蕩的影響.當(dāng)p=0時(shí)，在t=1 050～1 200 μs時(shí)，點(diǎn)4速度由于空氣阻力的影響略有降低.在t=1 200～1 250 μs時(shí)，點(diǎn)4速度明顯增加，衛(wèi)星液滴完成收縮過程并開始振蕩.在t=1 250～1 400 μs時(shí)，振蕩使衛(wèi)星液滴形狀逐漸收窄，導(dǎo)致液體反向流動(dòng)，并與原先的正向流動(dòng)相抵消，使t=1 300 和 1 350 μs時(shí)點(diǎn)4速度接近于零，近乎 “靜止”狀態(tài).隨后，由于振蕩不斷衰減，衛(wèi)星液滴末端向下方運(yùn)動(dòng)的速度將不斷增加，并于t=1 450 μs時(shí)達(dá)到極大值.t=1 450～1 600 μs時(shí)，v4逐漸減小，衛(wèi)星液滴進(jìn)入下一個(gè)振蕩周期.當(dāng)存在同軸氣流作用時(shí)，微滴在噴嘴出口處發(fā)生斷裂后，末端仍處“安全區(qū)”內(nèi)，并未受到同軸氣流的直接驅(qū)動(dòng)作用，但氣流徑向力會(huì)擠壓點(diǎn)A下方液體向末端方向流動(dòng)，v4隨著p增大而減小.隨著衛(wèi)星液滴向下運(yùn)動(dòng)，末端點(diǎn)4逐漸脫離“安全區(qū)”而受到氣流軸向分力的驅(qū)動(dòng)作用，v4逐漸增大，且在t=1 050～1 100 μs時(shí)，末端距離氣流噴射槽最近，受到氣流作用力最強(qiáng)，速度增大最為明顯.同時(shí)，p增大能夠減小當(dāng)t=1 200～1 600 μs時(shí)因振蕩引起點(diǎn)4的速度波動(dòng).在t=1 550 μs之后，v4隨著p增大而顯著增大.

3.3 主液滴和衛(wèi)星液滴形狀

微滴頭部與微滴尾部斷裂后，均會(huì)經(jīng)歷一定時(shí)間的收縮、振蕩并最終分別形成主液滴和衛(wèi)星液滴，二者以近似橢球體的形狀向下方飛行.定義參數(shù)以表征橢球形微滴的形狀，其表達(dá)式為

(2)

式中：Dv為微滴的垂直高度；Dh為微滴的水平寬度.如圖11(a)所示，θ值越大，微滴的形狀呈現(xiàn)為“窄高型”，而θ值越小，微滴的形狀則呈現(xiàn)為“扁平型”.如圖11(b)所示，當(dāng)微滴受到不同強(qiáng)度的同軸氣流作用后，在同一時(shí)刻，主液滴和衛(wèi)星液滴均會(huì)受到大小不同的氣流力的作用，從而各自形狀也會(huì)發(fā)生變化.

為描述主液滴與衛(wèi)星液滴在飛行階段的形狀變化，假設(shè)它們?cè)谑湛s和振蕩過程中的任意時(shí)刻均呈橢球形.圖12(a)和12(b)分別顯示了不同同軸氣流壓強(qiáng)下主液滴和衛(wèi)星液滴在飛行階段中θ隨時(shí)間變化的規(guī)律.由圖12(a)可知，當(dāng)p=0，t=1 050～1 250 μs時(shí)，主液滴θ由最大值1.256逐漸減小至最小值0.870，隨后從t=1 250 μs開始，θ逐漸增大，表明在這一過程中主液滴先由“窄高型”逐漸變?yōu)椤氨馄叫汀保儆伞氨馄叫汀被謴?fù)為“窄高型”.主液滴上表面受到同軸氣流的壓力而下表面受到空氣阻力的作用，上下表面的液體受到擠壓后向兩側(cè)流動(dòng)，上下表面曲率半徑均增大，微滴水平寬度增加，垂直高度減小，微滴形狀變扁平.因此，同軸氣流強(qiáng)度的增大會(huì)減小主液滴振蕩過程中θ的最大值與最小值.

圖11 微滴形狀變化示意圖和實(shí)際觀測(cè)圖(t=1 450 μs)Fig.11 Schematic diagram and actual observation example of droplet shape (t=1 450 μs)

圖12 主液滴與衛(wèi)星液滴θ隨時(shí)間變化Fig.12 Variation of θ for primary and satellite droplets over time

由圖12(b)可知，當(dāng)p=0，t=1 050～1 250 μs時(shí)，衛(wèi)星液滴θ由極大值θ1迅速下降，直至在t=1 250 μs時(shí)達(dá)到極小值θ2.在該時(shí)間段內(nèi)，微滴尾部不斷收縮成球狀的衛(wèi)星液滴.隨后，衛(wèi)星液滴不停地振蕩，其θ值在t=1 250～1 400 μs時(shí)增大，并在t=1 400 μs時(shí)達(dá)到極大值θ3，而在t=1 400～1 500 μs時(shí)減小，并在t=1 500 μs時(shí)達(dá)到極小值θ4，又于t=1 500～1 600 μs時(shí)增大.θ在t=1 050～1 600 μs的變化過程中，任意相鄰極大值與極小值的差的絕對(duì)值Ti不斷減小，

Ti=|θi-θi+1|，i=1,2,3

此時(shí)衛(wèi)星液滴形狀不斷趨于穩(wěn)定.當(dāng)p=0，100，130和160 kPa時(shí)，Ti不斷減小，表明同軸氣流有助于提高衛(wèi)星液滴形狀的穩(wěn)定性.在上述4種氣流壓強(qiáng)情況中，微滴尾部由“窄高型”到“扁平型”所需的時(shí)間分別為200，200，250和350 μs，表明所需時(shí)間隨著氣流壓強(qiáng)的提高而不斷增加.這不僅與同軸氣流使A處下移而致微滴尾部長(zhǎng)度增大有關(guān)，而且與微滴尾部的實(shí)際受力有關(guān).當(dāng)微滴尾部與頭部斷裂時(shí)，呈明顯“窄高型”形狀，當(dāng)p=0時(shí)，微滴尾部末端向下運(yùn)動(dòng)，而其前端在表面張力及空氣阻力的共同作用下向末端回縮.在這一過程中，液體從微滴尾部前端不斷向末端流動(dòng)，使末端液體不斷增多，末端直徑不斷增大，當(dāng)前端液體全部流動(dòng)到末端時(shí)，微滴尾部收縮過程完成，由細(xì)長(zhǎng)的圓柱形變?yōu)椤罢咝汀?，再變?yōu)榍蛐危詈笞優(yōu)椤氨馄叫汀?當(dāng)微滴尾部受到同軸氣流作用后，氣流徑向分力不僅會(huì)擠壓微滴尾部末端兩側(cè)的液體，阻止了末端直徑的快速增大，同時(shí)氣流軸向分力還會(huì)抑制液體由前端向末端的流動(dòng)，減緩了收縮過程，延長(zhǎng)了收縮時(shí)間.這一現(xiàn)象在p較小時(shí)表現(xiàn)并不明顯，但是隨著p增大，這一現(xiàn)象將變得顯著.

同時(shí)可以觀察到，當(dāng)微滴尾部收縮成為衛(wèi)星液滴后，同軸氣流會(huì)使衛(wèi)星液滴更加趨于“扁平”.在每個(gè)振蕩周期內(nèi)，氣流壓強(qiáng)的增加會(huì)顯著降低θ的極大值，即抑制衛(wèi)星液滴由“扁平型”向“窄高型”的變化.這是由于當(dāng)微滴尾部收縮至“扁平型”后，微滴下表面受到的空氣阻力增大，擠壓液體向兩側(cè)移動(dòng)，使微滴呈扁平狀.

圖13 D0隨氣流壓強(qiáng)的變化Fig.13 Variations of D0 with different air pressures

3.4 主液滴和衛(wèi)星液滴直徑

4 結(jié)語

本文自行設(shè)計(jì)并加工了設(shè)有同軸氣流噴射槽的壓電式微滴噴頭，構(gòu)建了微滴噴射與觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)同軸氣流作用下壓電驅(qū)動(dòng)式微滴噴射行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了同軸氣流對(duì)微滴噴射行為的影響.研究發(fā)現(xiàn)，隨著同軸氣流強(qiáng)度的提高，會(huì)出現(xiàn)如下規(guī)律：

(1) 微滴在形成階段中的延伸長(zhǎng)度增加，微滴頭部體積減小.

(2) 微滴在噴嘴出口處的斷裂時(shí)刻不受同軸氣流影響，但微滴在飛行過程中頭部與尾部發(fā)生斷裂的時(shí)刻延后.

(3) 噴射出的微滴最終總體積略有減小，主液滴體積減小，衛(wèi)星液滴體積增大.

(4) 主液滴與衛(wèi)星液滴在同一時(shí)刻的位移均增加，兩者頭、末端的速度均有增大的趨勢(shì)，末端速度的波動(dòng)幅度和頻率均有所下降.

(5) 主液滴與衛(wèi)星液滴的形態(tài)更加趨于扁平，主液滴當(dāng)量直徑減小，衛(wèi)星液滴當(dāng)量直徑增大.

致謝本實(shí)驗(yàn)所用玻璃微噴嘴在加工過程中得到了南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院微系統(tǒng)研究室朱麗老師的大力幫助，在此表示感謝.