第1章　绪论

1.1　电场作用下液滴动力学特性的研究意义

液滴在电场中会呈现出定向运动、变形、振荡、聚结、破碎、分散等行为特性，研究液滴的这些行为特性对于人们深入了解电场力对液滴运动的影响规律、静电场和流场的耦合规律等有重要的学术意义。同时，利用液滴在电场中的这些特性，可在不同的工程场合应用以达到不同的工业需求，因此，研究液滴在电场中的力学行为及动力学特性也具有重要的应用背景。以下简单介绍一下所涉及的几个工业应用场合。

1.1.1　静电雾化

在电场作用下，液体射流破碎成细小液滴的过程称为静电雾化（electrospray）。静电雾化的实质是库仑力克服液体表面张力使液体分散成细小液滴的一个电分散过程。与其他雾化方式相比，静电雾化具有一些独特的优点，如形成的液滴尺寸更小且直径分布均匀，通过调节电参数可对液滴运动轨迹、速度及沉积特性进行调控^[1]。因此，在雾化燃烧、药物喷洒、工业喷涂、分散体系制备、微小胶囊制备、纳米薄膜材料制备、小卫星推进等许多工程场合得到广泛应用^[1～3]。在静电雾化的应用中，荷电液滴的运动特性与雾化效果及液滴沉积特性有直接的关系。如在汽车喷漆中或其他工业喷涂中，小液滴比大液滴更容易随气流流过目标表面，液滴的传输效率取决于不同大小的液滴运动速度及轨迹，因此，了解不同滴径液滴的速度及运行轨迹对提高液滴输运效率及喷涂质量极为关键。在薄膜材料的静电喷雾沉积制备中，如何通过静电场来控制液滴轨迹，对液滴沉积效果及所制备的材料性能有更为实际的意义。在静电雾化燃烧中，喷射角与贯穿距则直接关系到燃烧效果，而归根到底都取决于液滴的运动特性。因此，无论静电雾化应用于任何工业场合，都会涉及一些普遍存在的机理性问题，如荷电液滴的速度及轨迹是怎样的？荷电液滴的相互作用（同性电荷的排斥力）如何影响速度和轨迹？滴径与滴速的关系是怎样的？雾化随着时间是如何演化的？搞清这些问题不仅直接关系到雾化质量的提高，而且可以获得静电雾化场更多的信息，更进一步揭示荷电雾化流场的内在规律。

1.1.2　电破乳及电分散

电破乳（electric demulsification）技术是通过对原油乳状液施加电场、促使原油乳状液中的小液滴聚结成为大液滴后沉降，实现油水分离的方法。由于其结构简单，能耗低，效率高，适用范围广，目前已在石油化工、化学工程等领域得到广泛应用^[4]。在直流电场中，液滴的电聚结主要表现为电泳聚结和偶极聚结。电泳聚结是在电场力作用下，离散水滴向同自身所带电荷电性相反的电极运动，由于离散水滴大小、带电量、运动阻力各不相同，水滴会发生碰撞、合并而增大，从油中沉降。多数未聚结的液滴将运动到电极附近，使电极附近液滴浓度激增，从而在电极附近进一步聚结，并在重力作用下沉降。此外，在高压电场作用下，乳化液离散液滴受电场的极化和静电感应，使液滴两端带上不同极性的电荷，即形成诱导偶极。液滴在两端不同极性的电荷作用下沿外电场方向被拉长变形，这使得液滴界面膜强度变弱，相临近液滴相互碰撞而聚结为大液滴，即偶极聚结。显然，研究液滴在电场中的定向运动、液滴的变形及聚结动力学特性，对于静电破乳器的设计及提高破乳效率极其重要。当外加电场较高时，液滴还会出现电分散特性，即较高的场强使得液滴破碎成更小的液滴，这对于电破乳显然不利，但液滴在高场强下的电分散特性可用于化工、食品等领域液液两相分散体系的制备，因此，研究液滴在高场强下的电分散特性也具有重要的应用价值。

1.1.3　微流控技术

微流控技术（microfluidics）广泛应用于微电子、微机械、生物工程和纳米技术领域。在微流控技术中，会涉及液滴在电场中的变形、分裂、合并等特性^[5]。如在微机械系统中会涉及电润湿（electrowetting），即通过施加在固体电极与导电液体间的电场来调节固-液间界面张力，进而改变液滴在基板上的润湿性，即改变接触角，从而实现固体表面上的液滴驱动或操纵。因此，研究电场作用下液滴在基板上的变形、铺展特性对于微机械中的液滴操纵及驱动尤为重要。

此外，还有其他一些场合也会涉及电场中的液滴动力学问题。如研究表明，电场有助于改善液滴的传质^[6]，因此，利用液滴的电分散特性可用于提高液液萃取中的传质效率。在生物检测、有机合成的微反应器中，利用外加电场来控制液滴的分裂，可实现样品和反应产物的高效分离^[7]。利用液滴电分散特性还可用于制备乳化液，尤其是微乳液等^[8]。这些场合同样会涉及电场作用下的液滴动力学问题。