CN112036052B - 一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法 - Google Patents

一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112036052B
CN112036052B CN202011227029.5A CN202011227029A CN112036052B CN 112036052 B CN112036052 B CN 112036052B CN 202011227029 A CN202011227029 A CN 202011227029A CN 112036052 B CN112036052 B CN 112036052B
Authority
CN
China
Prior art keywords
jet flow
cone
cone jet
charge
space
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011227029.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112036052A (zh
Inventor
杨云天
李小康
郭大伟
车碧轩
王墨戈
程谋森
吴建军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University of Defense Technology filed Critical National University of Defense Technology
Priority to CN202011227029.5A priority Critical patent/CN112036052B/zh
Publication of CN112036052A publication Critical patent/CN112036052A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112036052B publication Critical patent/CN112036052B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明公开一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法，包括：基于锥射流数值仿真模型进行模拟，得到锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度；基于空间电荷分布模型得到空间中的电荷分布；将电荷分布作为电场方程的初始值耦合进锥射流数值仿真模型，进行锥射流行为模拟，得到优化后的锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度；判断优化前后的发射电流密度的变化率是否小于阈值，若是则输出优化后的锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度作为数值仿真结果。根据喷雾区域的分层现象引入数值模型，精确描述空间中电场，提高计算精度，同时通过空间中由带电液滴产生的电荷分布，显著减小了数值模型的计算量。

Description

一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法
技术领域
本发明涉及数值仿真技术领域，具体是一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法。
背景技术
静电喷雾是利用静电场使液体雾化以获得直径在纳米到微米范围之间的导电液滴的技术，近年来在诸多方面有着广泛的应用，如微纳尺度的3D打印、生产纳米纤维的静电纺丝、利用液滴形成薄膜进行靶向基因传递、对大型生物分子进行质谱分析、航天器姿态和轨道精确控制用的电喷雾推力器等。
在产生静电喷雾的装置中，导电液体以较小的流率通过毛细管时，在毛细管出口端形成液体弯月面，此液面在毛细管尖端和下游极板之间的电压（～kV）作用下发生变形，形成称为“泰勒锥”的结构。通过调控液体质量流率和电压，可使泰勒锥表现出多种不同的工作模式：滴落、微滴滴落、锥射流、纺锤形射流、简单射流、分叉射流等。
在多种工作模式中，锥射流（Cone-jet）模式因为其诸多优点（稳定、可控等）成为研究的热点。在锥射流模式下，液体弯月面呈稳定的圆锥结构，在顶点形成稳定射流，该射流在离开液体弯月面一定距离处会碎裂成带电的液滴。由于电荷在电场作用下移动到液体表面，然后随液体表面运动，因此在锥射流表面上会产生电流。
近年来，众多研究人员围绕锥射流的形成过程取得了许多研究成果。一方面，大量的实验研究了锥射流的内在机理和工作参数、液体物性、电极结构等因素对锥射流形成过程的影响。另一方面，自1964年Taylor建立了第一个泰勒锥的数值模型以来，在理论分析和数值模拟方面也取得了大量的研究成果。
对锥射流行为的数值模拟方法可以分为两类：一类是以流体体积法（Volume-of-Fluid, VOF）、水平集法（Level-Setmethod, LSM）和相场法（Phasefield，PF）等追踪射流界面的方法；另一类是以欧拉模型（Eulerianmodel）或者拉格朗日模型（Lagrangianmodel）追踪液滴质心的方法。后者将射流破碎产生的液滴区分为主液滴和卫星液滴（SatelliteDroplet）。
在采用界面追踪类方法对射流行为进行模拟的研究方面，由于计算液滴破碎过程尤其是在主液滴二次破碎和卫星液滴的产生方面存在较大难度，通常只能将射流和射流破碎产生的主液滴所带电荷耦合进电场方程进行计算。实际上，由于带电液滴之间复杂的相互作用，带电液滴会在空间中形成一个喷雾锥，这个喷雾锥会产生电场进而降低泰勒锥表面电场强度，进而影响锥射流的形成和液滴的运动。
1999年Hartman等的实验结果表明，空间带电液滴会使锥射流表面电场强度减小7%，并且对带电液滴的运动轨迹和在基板上的沉积特性也有着不可忽略的影响。2013年WeiWei等假设带电液滴在空间形成一个电荷分布均匀的圆柱体，数值计算表明锥射流表面电场强度降低且射流半径增大。2020年JiangZhengwei和GanYunhua等提出一种改进模型，假设带电液滴均匀分布在一个球状楔中，数值计算显示空间电荷对泰勒锥体长度、射流表面电场强度、界面流体流速和发射电流密度等有较大影响。
实际的锥射流过程中带电液滴在空间的分布并不是均匀的。实验中观察到射流破裂产生的主液滴和卫星液滴在射流区域形成一个喷雾锥，这个喷雾锥主要由两部分组成：仅由卫星液滴组成的外部喷雾区域和由主液滴组成的内部喷雾区域。由于静电场的横向分量随着液滴发射距离的增大而增强，因此较小的次级液滴加速更快而获得更大的径向速度，致使静电场的横向分量迅速放大了液滴之间的微小位移差，在两个喷雾区域之间形成一个无液滴区域。
1993年TangK等通过实验发现庚烷锥射流液滴质量分布呈双峰形状，整个过程内部喷雾区域占质量流量的绝大部分（97%）和总电流的85%，其余的质量和电流分布在次级液滴区域。1999年Hartman也通过实验和数值模拟观察到了类似的现象，并观察到主液滴和次级液滴区域之间的低浓度液滴区域。随后Wilhelm，Higuera和JordiGrifoll等也都对这一现象进行数值和理论研究，利用欧拉法和拉格朗日方法对液滴的大小、分布、速度等参数进行了研究。
综合上述相关研究结果表明，不考虑空间电荷的影响或假设空间电荷均匀分布，其计算结果与实验结果差别较大（＞15%）。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法，基于空间电荷分布模型，能够对锥射流发展过程的达到更准确预示。
为实现上述目的，本发明提供一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法，包括如下步骤：
步骤1，基于锥射流数值仿真模型进行稳态情况下的锥射流行为模拟，得到锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度；
步骤2，基于空间电荷分布模型、锥射流表面曲线、射流区域液体总质量得到空间中的电荷分布；
步骤3，将电荷分布作为电场方程的初始值耦合进锥射流数值仿真模型，并基于耦合后的锥射流数值仿真模型进行稳态情况下的锥射流行为模拟，得到优化后的锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度；
步骤4，判断优化前后的发射电流密度的变化率是否小于阈值，若是则输出优化后的锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度作为数值仿真结果，否则重复步骤2-4进行迭代。
在其中一个实施例中，步骤2中，所述基于空间电荷分布模型、锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度得到空间中的电荷分布，具体为：
步骤2.1，基于锥射流表面曲线得到锥射流过程中产生的总电流：
步骤2.2，基于锥射流过程中产生的总电流、射流区域液体总质量得到空间中带电液滴产生的总电荷量；
步骤2.3，基于空间中带电液滴产生的总电荷量得到空间中的电荷分布。
在其中一个实施例中，步骤2.1中，所述基于锥射流表面曲线得到锥射流过程中产生的总电流，具体为：
Figure 765199DEST_PATH_IMAGE001
式中，I j 为锥射流过程中产生的总电流，
Figure 305902DEST_PATH_IMAGE002
为射流半径，
Figure 480531DEST_PATH_IMAGE003
为两相界面上切向电场强度，
Figure 612435DEST_PATH_IMAGE004
为液体
Figure 957720DEST_PATH_IMAGE005
方向速度，
Figure 567693DEST_PATH_IMAGE006
为液体中电荷密度，K为电导率。
在其中一个实施例中，步骤2.2中，所述空间中带电液滴产生的总电荷量的获取过程具体为：
Figure 331250DEST_PATH_IMAGE007
Figure 634055DEST_PATH_IMAGE008
式中，q tot 为空间中带电液滴产生的总电荷量，q d 为单个带电液滴产生的电荷量，m tot 为射流区域液体总质量，m d 为单个带电液滴的质量，ρ为带电液滴的密度，Q为锥射流供给流量，d d 为带电液滴的直径。
在其中一个实施例中，所述带电液滴的直径的获取过程为：
对于高电导率的带电液滴：
Figure 115852DEST_PATH_IMAGE009
；
对于低电导率的带电液滴：
Figure 280248DEST_PATH_IMAGE010
；
其中：
Figure 898311DEST_PATH_IMAGE011
式中，d j 为锥射流直径，μ为粘性系数、ε 0为真空介电常数、γ为表面张力系数。
在其中一个实施例中，步骤2.3中，采用平均电流密度、空间平均电荷密度和平均速度来简化空间中的电荷分布的获取过程，具体为：
Figure 372018DEST_PATH_IMAGE012
式中，
Figure 341111DEST_PATH_IMAGE013
为锥射流外部区域的平均电荷密度，V int 为锥射流内部区域的电荷体积，α为喷雾角
在其中一个实施例中，所述阈值为0.1。
相较于现有技术，本发明提供的一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法具有如下有益效果：
（1）根据喷雾区域的分层现象引入数值模型，进一步精确描述空间中电场，提高计算精度。
（2）通过空间中由带电液滴产生的电荷分布，显著减小了数值模型的计算量。
（3）通过不断迭代计算的方式，逐步逼近真实结果，提高收敛速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中空间电荷分布模型的示意图；。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1-2所示为本实施例公开的一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法，包括如下步骤：
步骤1，基于锥射流数值仿真模型进行稳态情况下的锥射流行为模拟，得到锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度。其中，锥射流数值仿真模型的输入值包括锥射流的几何尺寸、入口流量、电极施加的电压、外部气体压强；建立锥射流数值仿真模型以及具体仿真过程为常规技术手段，因此本实施例中不再赘述。
步骤2，基于空间电荷分布模型、锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度得到空间中的电荷分布；
步骤3，将电荷分布作为电场方程的初始值耦合进锥射流数值仿真模型，并基于耦合后的锥射流数值仿真模型进行稳态情况下的锥射流行为模拟，得到优化后的锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度。本实施例通过增加了工作在稳态情况下下游区域电荷分布对射流状态的影响的计算部分，作为一个减小计算误差的改进方式，进而得到优化后的锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度。本实施例通过增加了工作在稳态情况下下游区域电荷分布对射流状态的影响的计算部分。
步骤4，判断优化前后的发射电流密度的变化率是否小于阈值，若是则输出优化后的锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度作为数值仿真结果，否则重复步骤2-4进行迭代；其中，本实施例中的阈值为0.1。
步骤1中，在不考虑空间电荷影响的情况下对锥射流数值仿真模型进行计算，获得稳定射流的计算结果后，即能求解射流出现的位置和接收极之间的区域中液体的总质量，即射流区域液体总质量
Figure 27307DEST_PATH_IMAGE014
。其中，锥射流出现的位置（也称为锥顶点）定义为
Figure 280303DEST_PATH_IMAGE015
的最大值，
Figure 659332DEST_PATH_IMAGE016
为射流半径，是轴向位置
Figure 850142DEST_PATH_IMAGE017
的函数，通过提取数值仿真结果中两相界面位置即能获得锥射流表面曲线，即水平集方法；通过锥射流表面曲线计算
Figure 605608DEST_PATH_IMAGE018
这个二阶导数，获得锥顶点位置从而求解液体总质量为：
Figure 932684DEST_PATH_IMAGE019
式中，ρ表示液滴的密度，V为液滴的体积。
步骤2中，所述基于空间电荷分布模型、锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度得到空间中的电荷分布，具体为：
步骤2.1，基于锥射流表面曲线得到锥射流过程中产生的总电流。其中，锥射流过程中电荷转移主要以传导和对流两种方式进行。在弯月面上，电荷转移主要是通过传导方式进行；在射流区域，电荷主要通过对流方式进行。因此，锥射流过程中产生的总电流可以表示为:
Figure 498926DEST_PATH_IMAGE020
式中，I j 为锥射流过程中产生的总电流，
Figure 177032DEST_PATH_IMAGE021
为射流半径，
Figure 470610DEST_PATH_IMAGE022
为两相界面上切向电场强度，
Figure 183351DEST_PATH_IMAGE023
为液体
Figure 904182DEST_PATH_IMAGE024
方向速度，
Figure 584431DEST_PATH_IMAGE025
为液体中电荷密度，K为电导率。
步骤2.2，基于锥射流过程中产生的总电流、射流区域液体总质量得到空间中带电液滴产生的总电荷量。根据质量守恒和电荷守恒方程，每个液滴上所带电荷量可以写为：
Figure 947279DEST_PATH_IMAGE026
其中，低电导率
Figure 514527DEST_PATH_IMAGE027
液体的液滴直径和射流直径之间遵循传统的Rayleigh不稳定性理论约束，可以得到射流直径
Figure 406260DEST_PATH_IMAGE028
和液滴直径
Figure 58958DEST_PATH_IMAGE029
的关系
Figure 445071DEST_PATH_IMAGE030
；如果是高电导率（
Figure 866825DEST_PATH_IMAGE031
）液体，则比例关系变为
Figure 929459DEST_PATH_IMAGE032
。其中，
Figure 69453DEST_PATH_IMAGE033
，dj为锥射流直径，μ为粘性系数、ε0为真空介电常数、γ为表面张力系数；
因此得到空间中带电液滴产生的总电荷量为：
Figure 508525DEST_PATH_IMAGE034
式中，q tot 为空间中带电液滴产生的总电荷量，q d 为单个带电液滴产生的电荷量，m tot 为射流区域液体总质量，m d 为单个带电液滴的质量，ρ为带电液滴的密度，Q为锥射流供给流量，d d 为带电液滴的直径。
步骤2.3，基于空间中带电液滴产生的总电荷量得到空间中的电荷分布：
对于极板接收总电流密度，可以表示为：
Figure 784785DEST_PATH_IMAGE035
式中，J为极板接收总电流密度，ρ es 为带电液滴中的电荷密度，v为带电液滴的速度。
而对单个带电液滴，其到达提取极时运动速度可用下式简化计算：
Figure 533167DEST_PATH_IMAGE036
式中，
Figure 894879DEST_PATH_IMAGE037
为发射极和提取极之间电势差，
Figure 137641DEST_PATH_IMAGE038
为单个带电液滴所携带电荷量，
Figure 268408DEST_PATH_IMAGE039
为带电液滴质量，
Figure 938424DEST_PATH_IMAGE040
为液滴的速度。
根据现有文献中相关研究结果，卫星液滴荷质比约为主液滴荷质比的6倍，在计算中认为：
Figure 538164DEST_PATH_IMAGE041
其中，内部喷雾区域主要为主液滴，卫星液滴主要存在于外部喷雾区域，本实施例中认为内部喷雾区域只有主液滴，外部喷雾区域只有卫星液滴。
将稳定喷雾区域假设为连续介质进行分析。考虑质量守恒和空间电势分布，实际情况下，喷雾区域的电流密度并不是均匀分布的，为了简化模型使用平均电流密度、空间平均电荷密度和平均速度来简化分析。以内部喷雾区域为例：
Figure 319038DEST_PATH_IMAGE042
Figure 569891DEST_PATH_IMAGE043
Figure 410808DEST_PATH_IMAGE044
Figure 12690DEST_PATH_IMAGE045
式中，
Figure 580944DEST_PATH_IMAGE046
为锥射流内部区域的总电流密度，
Figure 951882DEST_PATH_IMAGE047
为锥射流内部区域的平均电荷密度，
Figure 698121DEST_PATH_IMAGE048
为锥射流内部区域带电液滴的平均速度，
Figure 521721DEST_PATH_IMAGE049
为锥射流内部区域的单个带电液滴所携带电荷量，
Figure 644398DEST_PATH_IMAGE050
为锥射流内部区域的带电液滴质量。
同理，外部喷雾区域空间平均电荷密度为：
Figure 604263DEST_PATH_IMAGE051
式中，
Figure 537716DEST_PATH_IMAGE052
为锥射流外部区域的总电流密度，
Figure 848611DEST_PATH_IMAGE053
为锥射流外部区域的平均电荷密度，
Figure 774979DEST_PATH_IMAGE054
为锥射流外部区域的单个带电液滴所携带电荷量，
Figure 854930DEST_PATH_IMAGE055
为锥射流外部区域的带电液滴质量。
将从经典文献中得到的锥射流实验数据（庚烷）、质量分布比例和推导得出的喷雾区域体积关系带入式中，总电流可以得到内外部喷雾区域空间平均电荷密度比例，为：
Figure 208551DEST_PATH_IMAGE056
Figure 256011DEST_PATH_IMAGE057
Figure 720490DEST_PATH_IMAGE058
Figure 654948DEST_PATH_IMAGE059
式中，α为喷雾角，可以根据锥顶点和泰勒锥底确定，结合极板位置可以获得喷雾区域几何尺寸，收集极板距尖端距离L取决于实际情况。本实施例中的喷雾角为α=60°。
根据前期初步数值模拟得到的总电荷量
Figure 179470DEST_PATH_IMAGE060
和空间平均电荷密度的比例可以计算得到内外部喷雾区域电荷密度，表示为
Figure 464958DEST_PATH_IMAGE061
式中，Vint为锥射流内部区域的电荷体积，Vext为锥射流外部区域的电荷体积。
最终可以得到电荷分布的获取过程，具体为：
Figure 218282DEST_PATH_IMAGE062
Figure 7246DEST_PATH_IMAGE063
步骤3中，将电荷分布作为电场方程的初始值耦合进锥射流数值仿真模型的具体过程为：
在电流体动力学问题中，材料无磁性的前提下，磁效应可以忽略不计，电磁场控制方程本质是无旋的，可以写为：
Figure 968249DEST_PATH_IMAGE064
Figure 209874DEST_PATH_IMAGE065
式中，
Figure 281735DEST_PATH_IMAGE066
介电常数，
Figure 190786DEST_PATH_IMAGE067
为电荷密度。
电场
Figure 306378DEST_PATH_IMAGE068
由两部分组成：静态结构（电极）和泰勒锥产生的电场
Figure 300879DEST_PATH_IMAGE069
和空间带电液滴产生的空间电荷场
Figure 645272DEST_PATH_IMAGE070
。
Figure 674408DEST_PATH_IMAGE071
其中，
Figure 446055DEST_PATH_IMAGE072
和
Figure 927852DEST_PATH_IMAGE073
可以分别计算获得。
在计算
Figure 92248DEST_PATH_IMAGE074
时，忽略空间中的喷雾区域（将空间中全部视为气体），因此
Figure 710312DEST_PATH_IMAGE075
可以视为电势
Figure 184018DEST_PATH_IMAGE076
的梯度：
Figure 887532DEST_PATH_IMAGE077
在气体区域，电荷密度为0，因此电势可以使用拉普拉斯方程表示：
Figure 573728DEST_PATH_IMAGE078
在泰勒锥区域，电势可以使用泊松方程表示：
Figure 311877DEST_PATH_IMAGE079
导电液体中电荷守恒方程可以写为：
Figure 940174DEST_PATH_IMAGE080
式中，
Figure 130983DEST_PATH_IMAGE081
为电流密度，通过欧姆定律可以表示为：
Figure 620871DEST_PATH_IMAGE082
式中，
Figure 213526DEST_PATH_IMAGE083
为电导率，
Figure 29035DEST_PATH_IMAGE084
为速度矢量。上式右侧第一项为传导电流，第二项为对流电流。
在电喷雾过程中，工质为高电导率的离子液体时，流体流动的特征时间>>电弛豫时间。因此泰勒锥中体积电荷密度可以假定为0，所有的电荷全部集中在液体表面上。此时电荷守恒方程可以简化为：
Figure 707141DEST_PATH_IMAGE085
泰勒锥区域的电势可以简化为：
Figure 751452DEST_PATH_IMAGE086
结合数值仿真中给定的电场边界条件和上述公式就可以计算出
Figure 198614DEST_PATH_IMAGE087
。
计算空间带电液滴产生的空间电荷场
Figure 919445DEST_PATH_IMAGE088
是根据前文中的方法计算出空间区域的电荷密度，通过泊松方程计算：
Figure 350426DEST_PATH_IMAGE089
Figure 182116DEST_PATH_IMAGE090
从而获得总电场分布：
Figure 998631DEST_PATH_IMAGE091
即完成了将电荷分布作为电场方程的初始值耦合进锥射流数值仿真模型的过程。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在不考虑空间电荷影响的情况下基于锥射流数值仿真模型进行稳态情况下的锥射流行为模拟，得到锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度；
步骤2，基于空间电荷分布模型、锥射流表面曲线、射流区域液体总质量得到空间中的电荷分布，其中，将锥射流的分布空间划分为仅有主液滴的内部区域与仅有卫星液滴的外部区域，并分别采用平均电流密度、空间平均电荷密度和平均速度来简化内部区域与外部区域的电荷分布计算过程；
步骤3，将电荷分布作为电场方程的初始值耦合进锥射流数值仿真模型，并基于耦合后的锥射流数值仿真模型进行稳态情况下的锥射流行为模拟，得到优化后的锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度；
步骤4，判断优化前后的发射电流密度的变化率是否小于阈值，若是则输出优化后的锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度作为数值仿真结果，否则重复步骤2-4进行迭代。
2.根据权利要求1所述针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法，其特征在于，步骤2中，所述基于空间电荷分布模型、锥射流表面曲线、射流区域液体总质量、发射电流密度得到空间中的电荷分布，具体为：
步骤2.1，基于锥射流表面曲线得到锥射流过程中产生的总电流：
步骤2.2，基于锥射流过程中产生的总电流、射流区域液体总质量得到空间中带电液滴产生的总电荷量；
步骤2.3，基于空间中带电液滴产生的总电荷量得到空间中的电荷分布。
3.根据权利要求2所述针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法，其特征在于，步骤2.1中，所述基于锥射流表面曲线得到锥射流过程中产生的总电流，具体为：
Figure 2610DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 97605DEST_PATH_IMAGE002
为锥射流过程中产生的总电流，
Figure 156828DEST_PATH_IMAGE003
为射流半径，
Figure 526629DEST_PATH_IMAGE004
为两相界面上切向电场强度，
Figure 151646DEST_PATH_IMAGE005
为液体
Figure 745438DEST_PATH_IMAGE006
方向速度，
Figure 88695DEST_PATH_IMAGE007
为液体中电荷密度，K为电导率。
4.根据权利要求3所述针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法，其特征在于，步骤2.2中，所述空间中带电液滴产生的总电荷量的获取过程具体为：
Figure 934291DEST_PATH_IMAGE008
Figure 679393DEST_PATH_IMAGE009
式中，
Figure 444087DEST_PATH_IMAGE010
为空间中带电液滴产生的总电荷量，
Figure 540219DEST_PATH_IMAGE011
为单个带电液滴产生的电荷量，
Figure 986243DEST_PATH_IMAGE012
为射流区域液体总质量，
Figure 756491DEST_PATH_IMAGE013
为单个带电液滴的质量，
Figure 895348DEST_PATH_IMAGE014
为带电液滴的密度，Q为锥射流供给流量，
Figure 275514DEST_PATH_IMAGE015
为带电液滴的直径。
5.根据权利要求4所述针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法，其特征在于，所述带电液滴的直径的获取过程为：
对于高电导率的带电液滴：
Figure 259651DEST_PATH_IMAGE016
；
对于低电导率的带电液滴：
Figure 917028DEST_PATH_IMAGE017
；
其中：
Figure 961208DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 828669DEST_PATH_IMAGE019
为锥射流直径，
Figure 882076DEST_PATH_IMAGE020
为粘性系数、
Figure 456277DEST_PATH_IMAGE021
为真空介电常数、
Figure 609041DEST_PATH_IMAGE022
为表面张力系数。
6.根据权利要求4所述针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法，其特征在于，步骤2.3中，采用平均电流密度、空间平均电荷密度和平均速度来简化空间中的电荷分布的获取过程，具体为：
Figure 635902DEST_PATH_IMAGE023
Figure 493000DEST_PATH_IMAGE024
式中，
Figure 984024DEST_PATH_IMAGE025
为锥射流内部区域的平均电荷密度，
Figure 370006DEST_PATH_IMAGE026
为锥射流外部区域的平均电荷密度，
Figure 87426DEST_PATH_IMAGE027
为锥射流内部区域的电荷体积，
Figure 217057DEST_PATH_IMAGE028
为喷雾角。
7.根据权利要求1至6任一项所述针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法，其特征在于，所述阈值为0.1。
CN202011227029.5A 2020-11-06 2020-11-06 一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法 Active CN112036052B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011227029.5A CN112036052B (zh) 2020-11-06 2020-11-06 一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011227029.5A CN112036052B (zh) 2020-11-06 2020-11-06 一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112036052A CN112036052A (zh) 2020-12-04
CN112036052B true CN112036052B (zh) 2021-01-15

Family

ID=73572775

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011227029.5A Active CN112036052B (zh) 2020-11-06 2020-11-06 一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112036052B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112883616B (zh) * 2021-02-26 2022-04-22 山东大学 一种面向纤维增强结构的3d打印喷头路径优化方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8562700B2 (en) * 2010-08-30 2013-10-22 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Multi-functional compact fuel converter and a process for converting liquid fuel
US20130287962A1 (en) * 2012-04-25 2013-10-31 University Of Central Florida Research Foundation Inc. Electrospray atomization electrode, nozzle, apparatus, methods and applications
US9304106B1 (en) * 2015-02-05 2016-04-05 Bruker Daltonik Gmbh High duty cycle trapping ion mobility spectrometer
AU2017319400A1 (en) * 2016-08-31 2019-03-21 Avectas Limited Adaptive electrospray device

Also Published As

Publication number Publication date
CN112036052A (zh) 2020-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dastourani et al. A physical insight into electrospray process in cone-jet mode: Role of operating parameters
Samareh et al. Assessment of CFD modeling via flow visualization in cold spray process
Jabbari et al. A numerical study of suspension injection in plasma-spraying process
CN112036052B (zh) 一种针对电喷雾锥射流模式的改进型数值仿真方法
Zhang et al. Investigations on the droplet impact onto a spherical surface with a high density ratio multi-relaxation time lattice-Boltzmann model
CN108526468A (zh) 模拟微重力环境中金属液滴3d打印的物理系统及打印方法
Suo et al. Numerical study on the effect of nozzle dimension on particle distribution in cold spraying
CN114662417B (zh) 霍尔推力器推力密度分布计算方法
CN108829960A (zh) 激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法
CN105750550B (zh) 数字喷射雾化沉积装置
Zheng et al. Ion concentration effect on nanoscale electrospray modes
CN108021783B (zh) 双电极直流电熔镁炉操作电阻计算方法
Tian et al. How does the electric field make a droplet exhibit the ejection and rebound behaviour on a superhydrophobic surface?
Suryaprakash et al. Secondary breakup of drops
Karimi et al. Shock-wave-induced spraying: modeling and physics of a new spray process
Yun Controlling the rebound on a solid surface by varying impact angles of ellipsoidal drops
Guan et al. The internal flow behaviors during Taylor cone formation of pulsating electrohydrodynamic jet printing
Protas et al. Computer simulation of aerosol nanoparticles focusing and deposition process for functional microstructure fabrication
Borner et al. Influence of electrical boundary conditions on molecular dynamics simulations of ionic liquid electrosprays
CN110176173B (zh) 磁控等离子体动态分布规律研究方法
Luo et al. Study on stable delivery of charged uniform droplets for freeform fabrication of metal parts
Vahedi Tafreshi et al. Simulation on the effect of Brownian motion on nanoparticle trajectories in a pulsed microplasma cluster source
Mazumder EHD-induced flow and heat transfer enhancement in a square channel with two-stage electrodes
Djebali Optimization study of the operating conditions to improve the quality of surfaces coating obtained by plasma spraying process
CN116992794B (zh) 一种雾化非晶粉末收得率计算方法及应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant