电流体动力学（Electrohydro Dynamics，简称EHD），它是流体力学和电动力学之间的边缘学科，研究单极性荷电流体或极化流体同电场的相互作用。静电雾化室电流体力学的重要基础内容，以较低能耗可获得大量精细小、单分散性好、可控性强、沉积率高的荷电微液滴，在微/纳电子器件制造，微型燃烧、空气净化、空间微动力推进及生物工程等领域潜能巨大。


静电雾化及其应用过程汇总产生的复杂荷电多相流动，广泛存在着荷电液滴的变形，破碎、融合及分离等重要现象，其耦合场下的电流体动力学特性极为复杂，特别是射流模式的稳定性问题、荷电液滴相间的动力学行为研究具有极大应用潜力和价值。目前，带电液滴不融合的研究和应用是电流体动力学的热门话题，在该研究领域存在的突出难题是，无法在秒级尺度观察带电液滴不融合的现象，制约该领域技术的发展。


需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


发明内容


本发明提供一种带电液滴不融合的调控系统，旨在破解无法在秒级尺度观察带电液滴不融合的难题，为带电液滴不融合的潜在应用提供了新视角和新的应用场景。


为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于开放环境下带电液滴不融合调控系统。


一种基于开放环境下带电液滴不融合调控系统，包括直流高电压源，注射泵，毛细管探针，介电子性质纳米超微电极；

所述直流高电压源用于产生高电压，对含有介电子性质纳米超微电极的液体产生电场力，当电场力与流体鞘应力达到平衡态时，使其在毛细管探针尖端形成泰勒锥；


所述注射泵用于将含有介电子性质纳米超微电极的液体，按一定的流速泵入毛细管探针中；


所述毛细管探针尖端设置有微米级的孔结构，使流体层流转变为湍流；


所述介电子性质纳米超微电极用于在特定距离间、不同极性作用下的泰勒锥形成半月板桥；


所述直流高电压源分为直流高电压源一和直流高电压源二、所述毛细管探针分为毛细管探针一和毛细管探针二，所述直流高电压源一施加电压于所述毛细管探针一，所述直流高电压源二施加电压于毛细管探针二，所述毛细管探针一和毛细管探针二的尖端之间留有缝隙。


进一步的，所述毛细管探针为两个，两个毛细管探针毛细管探针尖端距离为15-70μm，毛细管探针间夹角为70-180°。


进一步的，所述毛细管探针内径尺寸为100-350μm。


本发明还提供一种基于开放环境下带电液滴不融合调控系统的控制方法，包括以下步骤：


S1，将水和介电子性质纳米超微电极混合，得到含有介电子性质纳米超微电极的水溶液；


S2，将S1中的水溶液通过输送泵输入毛细管探针，并在毛细管探针尖端施加直流高电压源；


S3，调节直流高电压源极性和电压值，设置输送泵流速，调节探针尖端距离及尖端夹角；


S4，使含有介电子性质纳米超微电极的水溶液在毛细管探针尖端形成泰勒锥，两个泰勒堆之间形成半月板桥，使半月板桥持续数秒至数分钟时间。


进一步的，S3中直流高电压源的电压为0.5-10 kV。


进一步的，S3中毛细管探针内径尺寸为100-350μm，毛细管探针尖端距离为15-70μm，毛细管探针间夹角为70-180°。


进一步的，S3中含有介电子纳米超微电极溶液流速10-200μL/min；介电子性质纳米超微电极的材料颗粒尺寸20-80 nm，颗粒数平均分布为50-1000之间。


进一步的，S3中两支毛细管探针分别施加不同极性的直流高电压，借助电流体动力学原理，形成带电液滴。


进一步的，两支毛细管探针施加的不同极性直流高电压的差值为0.5-3.0kV，半月板桥的形成介于稳定泰勒锥与电喷雾形成带电微液滴的临界状态，正负极性条件下的泰勒锥在特定控制距离下，形成吸引力以形成稳态泰勒锥；相互吸引的不同极性泰勒锥在尖端会形成融合的半月板桥。


进一步的，所述半月板桥中溶液中的介电子性质纳米超微电极在电势差的作用下形成电泳现象，定向排列，联通半月板桥。


本发明的原理是：利用带有不同极性的高电压，结合在电流体动力学调控的基础上，形成开放环境下不同极性带电流体的不融合系统和控制方法，所述高电压用于借助流体动力学性质，在探针尖端对液体当电场力与流体鞘应力达到平衡态时，形成泰勒锥。


含有介电子性质纳米超微电极的液体，通过调控一定的流速泵入毛细管探针中，并在特定流速驱动下，对液体进行传输并在液体层流区赋予电场的特性。


借助探针尖端微米级的孔结构，在流体层流转变为湍流过程中形成具有涡流扰动效应的鞘应力对抗电场应力的特殊的流体传输模式。


介电子性质纳米超微电极用于在特定距离间、不同极性作用下的泰勒锥形成半月板桥。


支持半月板桥液体具有特殊的导电性，所述液体中含有有介电子性质超微纳米材料，该超微纳米材料作为微电极具有高效的电子传输能力。


半月板桥的形成介于稳定泰勒锥与电喷雾形成带电微液滴的临界状态，所述正负极性条件下的泰勒锥在特定控制距离下，形成吸引力以形成稳态泰勒锥；相互吸引的不同极性泰勒锥在尖端会形成融合的半月板桥。


溶液中的介电子性质纳米超微电极材料在电势差的作用下形成电泳现象，形成联通半月板桥的微电极。


联通的半月板桥同时具有能量场效应和物质变化效应，其中能量场效应来源于直流高电压的联通效应，物质变化效应来源于在电势场作用下物质的定向迁移。


能量场效应和物质变化效应并非主要受控于液体重力场的影响，决定因素取决于液体的介电性能，探针尖端距离，以及直流高电压变化的周期率。


半月板桥的持续时间是能量转移和物质快速迁移的本质先决条件。


与现有技术相比，本发明的有益效果是：在开放环境下而非密闭两相液体环境中，不仅实现了不同极性带电液滴秒级不融合，而且通过介电子纳米超微电极的引入，推动了荷电的有效传输以及物质的高效转运，从而进一步拓展了带电液滴不融合的进一步应用潜力。具体如下：


本发明通过在开放环境下水平设置具有喷雾功能的毛细管探针，可有效排除重力因素介导的带电液滴不融合现象，在不融合因素分析中仅关注电场力以及液体涡流引起的鞘应力，简化了理论建构分析因素。


本发明首次通过高速相机在秒到分钟时间尺度记录了带电液滴不融合的发展及发生过程。


本发明通过溶液中加入具有介电子纳米超微电极的荷电转移特性，在能量传递和物质传送方面具有潜在应用。


本发明可通过调控不同的空间距离、电压值和极性，实现泰勒锥-半月板桥-精细静电雾化快速切换。