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    【集萃網(wǎng)觀察】隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來(lái)很多科學(xué)家采用高速攝像手段，觀察了墨滴的噴出過(guò)程、形狀及其與織物的相互作用的狀況。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的J.F.Morris等采用圖1-1所示的裝置觀察了液滴的形成過(guò)程和形狀，得到如圖1—2所示的試驗(yàn)結(jié)果。

　　從圖1—2可以看出，當(dāng)液滴起初在毛細(xì)管口變大時(shí)，主要是液滴與管口接觸線的表面張力與液滴受到的重力之間建立一個(gè)平衡，如圖1-2（a）所示。如果停止液體流動(dòng)，則形成的液滴將保持懸掛在毛細(xì)管尖。一旦所形成的液滴受到的重力超過(guò)某一個(gè)臨界值，液滴就開(kāi)始往下落，如圖1-2（b）所示，并且毛細(xì)管出口到液滴之間的液柱開(kāi)始快速變細(xì)。這個(gè)液柱在徑向方向快速變細(xì)的過(guò)程稱為成頸，成頸過(guò)程繼續(xù)形成線狀一直到接近圖l-2（c）的狀態(tài)。緊接著中間的液體線發(fā)生斷裂，這樣就形成了主液滴，如圖1-2（d）所示，同時(shí)也形成了次級(jí)液滴或稱為衛(wèi)星液滴。

　　利用高速拍攝技術(shù)，采用圖1-3裝置，w.W.Carr等人拍攝了甘油和水（48：52）混合液的液滴形成過(guò)程序列，如圖1-4所示。液滴的形成主要有以下幾個(gè)階段。

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　　（1）噴射和液體拉伸

　　當(dāng)壓力波穿過(guò)噴嘴中的液體時(shí)，液體受到加速并擠出噴嘴。開(kāi)始時(shí)，噴嘴出口處的彎液面呈拋物線形。彎液面很快向外擴(kuò)張直到形成明顯的液柱，如圖1-4（1～3）所示。

　　很快，大約從圖l-4（4）開(kāi)始，噴嘴出口處的內(nèi)部壓力下降并低于液柱內(nèi)部壓力，此時(shí)噴嘴處液體的流速開(kāi)始降低，液柱端頭處與噴嘴處液體的速率差使液柱開(kāi)始拉伸。噴嘴出口處液體的速率繼續(xù)降低直到不再有液體流入液柱，甚至可能有部分液體被吸回噴嘴，之后液柱的體積保持恒定。但是由于液體慣性的作用，液柱會(huì)繼續(xù)擴(kuò)張。只是其擴(kuò)張速率會(huì)下降，因?yàn)樾略龅谋砻鏁?huì)使表面能增加。

　�。�2）液柱成頸和液線從噴嘴分離

　　在液柱拉伸的過(guò)程中，液體尾端（噴口）會(huì)成頸，即液線的半徑最小化。成頸點(diǎn)是在噴嘴出口處，并且該處的液線半徑保持降低趨勢(shì)，如圖1-4（5～9）所示。從圖1-4（5）可以看出，第二個(gè)成頸點(diǎn)在接近液柱頭部處開(kāi)始出現(xiàn)，最終形成一個(gè)球莖頭。噴嘴到球莖頭就形成了一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的過(guò)渡液柱。最后，液線的尾端從噴嘴斷開(kāi)，就一個(gè)分離的液線拉著一個(gè)球莖頭。

　　（3）液線的回縮

　　液線分離時(shí)，由于其尾端的曲率半徑很低使得液體的壓力很高，這樣尾端的液體就會(huì)向球莖頭端流動(dòng)，產(chǎn)生回縮現(xiàn)象。同時(shí)，在尾部形成圓形頭端，但其曲率半徑比頭部的小得多，如圖1-4（10～12）。因此，尾端的內(nèi)部壓力就比球莖頭端的壓力大，液體被擠向球莖頭。由于連在液線的這兩端的不對(duì)稱性，頭端與尾端的行為表現(xiàn)就不一樣。尾端發(fā)生回縮（向頭端），而頭端的速率幾乎是恒定的。

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　�。�4）液線端部的收緊或者多處破裂

　　在液線發(fā)生收縮的過(guò)程中，接近球莖頭處逐漸形成頸狀。頸的半徑不斷降低，直到液線斷裂成兩部分，形成一個(gè)大液滴和一個(gè)自由的非對(duì)稱液線，如圖1-4（13～16）所示。第二根液線的較低端向上運(yùn)動(dòng)，而其較高端的形狀逐漸變成球莖。根據(jù)其長(zhǎng)度的不同，第二液線可能縮成較小液滴或衛(wèi)星液滴，如圖1-4（16）所示，或者破裂成兩個(gè)或更多部分。衛(wèi)星液滴向球形方向的收縮使得過(guò)剩的自由能轉(zhuǎn)變成為動(dòng)能，因此衛(wèi)星液滴發(fā)生振蕩，如圖1-4（16～19）所示。

　　（5）大液滴與衛(wèi)星液滴發(fā)生結(jié)合

　　由于體積與速率的不同，周?chē)�空氣�?duì)大液滴的拖拉作用與對(duì)衛(wèi)星液滴的不同，如果大液滴與衛(wèi)星液滴分開(kāi)充分，拉力對(duì)大液滴的減速作用就會(huì)比對(duì)小液滴的小。因此，當(dāng)大液滴的速率比衛(wèi)星液滴的大時(shí)，它們就不會(huì)發(fā)生結(jié)合。但是，如果衛(wèi)星液滴與大液滴足夠近時(shí)，大液滴后的低壓就會(huì)使衛(wèi)星液滴被大液滴所吸附而發(fā)生合并，如圖1-4（17～20）所示。

　　（6）振蕩態(tài)到平衡態(tài)

　　當(dāng)衛(wèi)星液滴與大液滴合并后，過(guò)剩的表面能就會(huì)轉(zhuǎn)化成液滴內(nèi)部的動(dòng)能。由于過(guò)剩的能量在動(dòng)能與表面能之問(wèn)不斷轉(zhuǎn)換，液滴就會(huì)發(fā)生振蕩。當(dāng)振蕩發(fā)生時(shí)，能量就會(huì)發(fā)生阻尼消散至達(dá)到平衡，如圖1-4（21～28）所示。在液滴形成的過(guò)程中，儲(chǔ)液室中的壓力波的振蕩會(huì)使液體交替被擠出和吸回。在大多數(shù)情況下，壓力波的反射較弱，不足以使液體從噴嘴口離開(kāi)，因此只發(fā)生小幅振蕩直到壓力波在儲(chǔ)液室內(nèi)由于阻尼耗散作用而消失，如圖1-4（14～28）所示。

　　（7）衛(wèi)星液滴的形成

　　在上述的描述中，衛(wèi)星液滴的形成是由于兩次液體的分離而產(chǎn)生的。如果第二次液體的分離沒(méi)有在液線縮成球形之前發(fā)生，那么就不會(huì)形成衛(wèi)星液滴，這就是噴墨印花所期望的最理想結(jié)果。衛(wèi)星液滴的形成取決于三個(gè)因素：第一是分離后自由液線的長(zhǎng)度，第二是液線縮回的速率，第三是液線斷裂的時(shí)間。因此，與這三個(gè)因素相關(guān)的參數(shù)，如液滴產(chǎn)生器的幾何結(jié)構(gòu)、波形、電壓振幅、液體的黏度和表面張力都會(huì)影響到衛(wèi)星液滴的形成。

來(lái)源：集萃印花網(wǎng) 作者：薛朝華 賈順田

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