岩石力学与工程学报排版格式与论文书写要求

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1、电场作用下流动聚焦的实验研究1）司廷2)，田瑞军，李广滨，尹协振（中国科学技术大学近代力学系，合肥230027）摘要：通过在流动聚焦(flowfocusing)的同轴液-气射流区域施加电场，开展了电场力和气动力共同作用下锥形以及带电射流的不稳定性特性实验研究。实验在精密设计的流动聚焦装置上完成，分析了外部电压、气体压力降和液体流量等主要控制参数对流动聚焦过程的影响，获得了锥形的振动模式和稳定模式及其之间的转换，得到了射流的滴模式、轴对称模式、共存模式和非轴对称模式及其转换并定量分析了电场对射流尺

2、寸参数的影响。结果表明，相比于单一的流动聚焦，该方法能够增强锥形的稳定性，促进液体射流雾化，减小颗粒的直径，因此在科技领域和工程实际中具有重要的应用价值。关键词：流动聚焦；电场；带电射流；锥形；流动模式中图分类号：O361.5文献标识码：ACNKI优先出版编码：lxxb2011-156-20110815引言流动聚焦(flowfocusing)和电雾化(electrospray)都是毛细流动现象[1,2]。流动聚焦利用高速流动气体的惯性力平稳地将液体界面拉伸成锥-射流结构(cone-jetconf

3、iguration)，射流因不稳定性破碎成单分散性、易控制、直径在微米甚至亚微米量级的微颗粒[3-5]。而电雾化利用电场力作用使流体界面拉伸成锥-射流结构，能够获得直径更小的微颗粒[2]。尽管提供能量的方式不同，流动聚焦和电雾化在微射流的形成、稳定性和破碎方面具有相似的物理机理。Gañán-Calvo等将流动聚焦和电雾化相结合，结果发现锥形更稳定，得到的射流直径比单独的流动聚焦或电雾化射流都要小，制备的颗粒直径大大降低[6]。随着当前各项技术不断向微型化、精细化方向发展，微纳米尺度的均质颗粒日益

4、受到重视，在药理学、医学和生物医学、能源、农业、分析化学、工业化学、材料科学等科技领域和工程实际中都有重要的应用价值。例如在药理学方面，当药物颗粒具有对抗原的特异性识别作用并且粒径小于400nm时，颗粒能无障碍地穿透毛细血管壁和病原细胞膜并进入细胞内直接发挥药效[1]。这不仅极大地提高了药物的功效，而且大大降低了药物对正常组织细胞的侵害，很大程度上减轻了药物的毒副作用。无论是流动聚焦、电雾化还是它们的结合，颗粒的形成都是锥形和射流的不稳定性引起的。电雾化的稳定性研究已经得到国内外学者的广泛关注，

5、研究成果层出不穷；但是由于流动聚焦技术新颖，目前的研究十分有限，国外Gañán-Calvo课题组的研究工作最为突出[3-8]，国内本课题组也进行了相关的实验和理论研究[9-13]。结果表明，单一的流动聚焦存在多种流动模式，在不同模式下锥形、射流以及制备的颗粒都发生了明显的变化。比如，液体流量越小，射流直径会越小，于是制备的颗粒直径也会越小[3]。但是液体流量对锥形影响很大，当液体流量很小时，锥形会由稳定变为不稳定，导致不能形成稳定的射流，也就不能获得直径更小的颗粒[9]。这也是流动聚焦制备微颗粒

6、的粒径受到制约的主要原因。当电场作用到同轴液-气射流区域后，势必会改变流动聚焦中锥形和射流的流动模态及其工作区域，增加的电场力有望增强锥形的稳定性并减小射流的直径，使应用的参数范围更广，从而降低制备产物的尺寸。在Gañán-Calvo等关于流动聚焦和电雾化结合的研究中[6]，电场施加在流动聚焦毛细管口和小孔入口之间的锥形区域，主要是利用电场力改变锥形的形态从而改变射流的不稳定性。本文另辟蹊径，将电场作用到流动聚焦的同轴液-气射流区域来改变射流的不稳定性。本文将开展电场力和气动力共同作用下流动聚焦

7、的实验研究，考察主要控制参数对锥形和射流形态的影响，以期获得电场作用下流动聚焦的流动模式及其参数区域，为实际应用提供可靠的实验数据。HvV0LiquidGasDHCoaxialjetDiDoDh(a)实验原理示意图(a)SketchoftheexperimentalprincipleGasstorageFlowfocusingatomizerSyringeIlluminationHighvoltageDCpowersupplyCCDManometerMicroscopeElectrodeComp

8、uter(b)实验系统示意图(b)Sketchoftheexperimentalsystem图1实验原理和实验系统Fig.1Theexperimentalprincipleandsystem.1实验方法图1是实验原理和实验系统示意图。流动聚焦装置形状如同一个小容器，一根金属毛细管(内、外直径分别为Di和Do)从顶端伸入到容器内，毛细管口正对容器底面(厚度D)上的一个小孔(直径Dh，毛细管口和底面的间距为H)并保持同轴。各参数尺寸（即Di、Do、D、Dh、H）均为几百微米。在小孔外放置圆形金属电极