交流电场下微通道液滴动力学：基于FLUENT的UDF开发

【摘要】

电场已被证明是微流体装置中精确操纵微滴的有效主动技术。在本文中，我们通过数值模拟研究了交流电场下微通道中油水两相液滴的形成。结合流体体积法（VOF）和泄漏介质模型建立了三维数值模型，揭示了电场作用下液滴的形成机理。由于电场引起的麦克斯韦应力，正弦波形电场在液体界面处引起振荡，从而刺激分散相的破裂，以调整液滴尺寸。图一展示了带有非接触电极的微通道示意图，整个模型涉及以下物理场模型：

【关键词】电流体动力学；VOF；微流体；二次开发；两相流

VOF两相流模型：

静电场方程：

图一  带有非接触电极的微通道示意图

通过引入正弦函数，实现了交流电频率和电压对微通道液滴动力学的研究。此外，还研究了壁面接触角，微通道入口流速等参数对两相流的影响。一些结果云图如下：

图二  交流电场分布

图三  液滴分布

图三  液滴与场强分布

通过FLUENT二次开发，建立了三维电流体动力学模型，该模型实现了VOF方法和泄漏介质模型的耦合，可以得到与相应实验完全一致的结果。研究表明，随着电压的增加，液滴尺寸变小，导致电场对液滴形成的影响越来越大。

分散相和连续相之间的压力差说明了电应力影响的细节。当V达到750V时，压差的演变由周期性变化的电场控制，压力的变化加速了分散相的破裂。电频率的增加导致分散相内电势的大幅提升，在分散相颈部的中间部分处引起强烈的电体积力。该力具有从分散相内部到外部的方向分量，它能够防止分散相颈部破裂，从而形成液滴的喷射。本文详细的研究揭示了通过增加施加的交流电场的频率，液滴形成从滴落到喷射的转变背后的机制。

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