液滴撞击过程中气体捕获及微纳气泡生成的机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11802226
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0905.多相流、渗流与非牛顿流体力学
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Additive manufacturing based on inkjet printing has been widely employed in coating deposition on solid surface, precision component manufacturing and other production process. Since droplet is the basic unit of ink-jet printing, the control of its impact behavior is directly related to the level of production process in related advanced manufacturing industry. It is therefore of great theoretical significance and application value for the advanced manufacturing industry in China to improve the production process, by realizing the optimized control of drop impact behavior through the study on the gas entrapment dynamics and the mechanism of micro/nano bubble formation during drop impact. This project investigates the dynamics of drop impact onto liquid pool or solid surface by theoretical, experimental and numerical methods. A systematic study is executed to reveal the effects of liquid properties (viscosity, density and surface tension), geometric characteristics (drop size and initial shape), kinetic conditions (drop vibration and impact velocity) and surface properties (liquid pool or solid surface), on the gas entrapment and micro/nano bubble formation. We investigate the evolution of characteristic length of the entrapped gas layer, and establish the scaling law which determines the transition between different regimes of micro/nano bubble formation. We then propose qualitative and quantitative theories of the mechanism of gas entrapment and micro/nano bubble formation, which can provide theoretical guidance and method to eliminate micro/nano bubbles and improve the level of production process of the additive manufacturing based on inkjet printing.
固体表面涂层沉积、精密元器件制造等过程中广泛应用到喷墨打印增材制造方法。液滴作为喷墨打印的基本单元,对其撞击行为的调控直接关系到相关先进制造业的生产工艺水平。因此,研究液滴撞击过程中的气体捕获行为、微纳气泡演化机理,实现液滴撞击行为的优化调控,对提高我国先进制造业的生产工艺水平具有重要理论意义和应用价值。本项目结合使用理论分析、数值模拟和实验方法研究液滴对液池或固体表面的撞击过程,系统性研究液体物性(粘度、密度、表面张力等)、液滴几何特征(大小、初始形状等)、动力学特征(液滴振动、撞击速度等)和(液池或固体)表面性质等因素对撞击过程中气体捕获行为和微纳气泡演化模式的影响机制,澄清被捕获空气层尺度的变化规律,表征微纳气泡演化模式的无量纲标度律,构建气体捕获行为及微纳气泡演化模式的机理解释及其定量化理论,为消除微纳气泡、提高喷墨打印增材制造工艺水平提供理论指导和方法。

结项摘要

基于喷墨打印的增材制造方法广泛应用于特种涂层制备、精密元器件制造等先进制造领域。液滴撞击过程作为喷墨打印基本过程,调控液滴撞击行为,消除液滴撞击所致气体捕获现象及微纳气泡生成,直接关系到相关先进制造生产工艺水平。本项目通过理论分析、数值模拟和实验方法相结合,系统研究了液滴撞击过程中气体捕获现象及微纳气泡生成的机理。揭示了液体物性、初始几何和动力学条件等特征参数对空气层收缩、微纳气泡生成及其形态演化的影响规律,揭示了单一气泡、环形气泡、竖直分裂等空气层收缩机理,构建了基于Re数和We数的气泡形态演化空间,建立了基于局部Ohnesorge数的气泡形态间演化无量纲标度律。通过分析被捕获空气层特征尺度(如最大直径、质心、边缘坐标等)及涡量场分布,发现了涡脱落现象在气泡形态演化中的重要作用,揭示了涡脱落现象对空气层边缘振动及气泡竖直分裂的影响机制,提出了破坏竖直分裂的粘性机理与涡脱落机理。针对被捕获空气层收缩这一关键过程,对二维无限长空气层、轴对称空气柱等不同初始几何形状空气层收缩过程进行了数值模拟和理论分析,发现了涡脱落、平滑收缩、粘性收缩等收缩机制和轴对称空气柱收缩过程的末端断裂机制,揭示了收缩速度先增大后减小的演化规律以及收缩速度在小Ohnesorge数时遵循惯性标度律并随Oh数增大而逐步向粘性标度律转变的规律,建立了收缩速度相对于时间的无量纲标度律,阐明了涡脱落现象与空气层边缘振动现象的相互作用机理,构建了基于局部韦伯数We的空气层边缘振动临界条件。本项目研究成果为消除微纳气泡、提高喷墨打印增材制造等先进工艺水平提供了理论指导和方法。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
To Split or Not to Split: Dynamics of an Air Disk Formed under a Drop Impacting on a Pool
分裂还是不分裂:水滴撞击水池时形成的气盘的动力学
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.124.184501
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Physical Review Letters
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Zhen Jian;Murad Ali Channa;Abderrahmane Kherbeche;Hossain Chizari;Sigurdur T. Thoroddsen;Marie-Jean Thoraval
  • 通讯作者:
    Marie-Jean Thoraval
Air filament contraction
空气丝收缩
  • DOI:
    10.1063/5.0048732
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Physics of Fluids
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Peng Deng;Zhen Jian;Marie-Jean Thoraval
  • 通讯作者:
    Marie-Jean Thoraval
Air sheet contraction
空气片收缩
  • DOI:
    10.1136/bmjnph-2021-000250
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Journal of Fluid Mechanics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Louca P;Murray B;Klaser K;Graham MS;Mazidi M;Leeming ER;Thompson E;Bowyer R;Drew DA;Nguyen LH;Merino J;Gomez M;Mompeo O;Costeira R;Sudre CH;Gibson R;Steves CJ;Wolf J;Franks PW;Ourselin S;Chan AT;Berry SE;Valdes AM;Calder PC;Spector TD;Menni C
  • 通讯作者:
    Menni C

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其他文献

一种处理不规则边界的二维削网格方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
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  • 期刊:
    工程热物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    菅振;孙东亮;吴志根;李增耀;陶文铨
  • 通讯作者:
    陶文铨

其他文献

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液滴撞击过程中膜状射流复杂形态及超高速奇异射流生成机理研究
  • 批准号:
    12372249
  • 批准年份:
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  • 资助金额:
    53 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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