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液滴击打水面时产生的像卡门涡街的涡量分布: 热度 9 zhongwei2284 2015-5-11 09:26; 先来欣赏两张卡门涡街的图片。卡门涡街是一种有趣又美妙的自然现象，但是此时和液滴击打水面又有什么关系呢？目前已知而言，液滴击打液面，可能产生出非常丰富的现象，例如 crown splashing （王冠一样的溅射）， Worthington jet （高速往上生长的射流），气泡，以及溅射出许多不规则的小液滴等。它们的产生都有不一样的机制。在实验中被观察到，大液滴在击打水面的过程中，在更加微小的尺度上可以看到会产生不同尺寸的小液滴，在高速击打时，这些小液滴的最有意思的来源是大液滴刚开始击打池子里的液面时，在大液滴与底下液面交界的地方产生一个很纤细的射流导致的小液滴的产生。此时的物理机制是在更高的雷诺数时，大液滴与液面交界的地方变得不稳定，产生了卡门涡街式的涡量分布。具体流程如下：在实验过程中，我们对两个参数感兴趣，一个是雷诺数 Re ，另一个是溅射参数 K ，其中， We 为韦博数，。 ρ 为密度， μ 为粘性系数， σ 为表面张力系数， D 为尺寸， U 为击打速度。我们只对 K 比较大的时候感兴趣，现在来对实验结果进行分类： K 很大时，雷诺数比较小的一个范围（更粘的流体），在液滴和水面之间出现的是平滑的射流（ smooth ejecta sheet ）； K 很大时，最大的雷诺数的范围，产生了许多分离的小液珠，并且产生了不规则的溅射（ irregular splashing ）；雷诺数为中间范围时，小的 K 值区域，此时击打的速度比较小，表面张力阻止了 ejecta sheet 的形成，但在交界面观察到了有凸起；雷诺数为中间范围时，较大的 K 值范围，此时 ejectasheet 得到了充分的发展；雷诺数为中间范围时，最大的 K 值区域，此时产生了有趣的现象，喷射流与液珠以及下面的液面之间具有很强的相互作用。以上结果均在 Fig.1 中所示实验结果表明，雷诺数在令上述现象转变成为不规则溅射的过程中起到了重要的作用，并且，展示了射流与液珠以及下面液面的相互作用的动力学，这些结果表明这种新的相互作用构成了不规则溅射的基础。为了进一步研究上述实验结果下面进行与数值结果的比较。如 Fig.2 所示的是参数取定某值的时候，随着时间变化实验结果与计算机模拟结果的比较。 Fig.2 进一步用数值模拟进行分析如 Fig.3 所示： Fig.3 ：此图显示的是涡结构。 (a)-(f) 红色区域为大液珠，蓝色的为底下液面，绿色的则为空气。每张图下方对应的则是涡量分布。 (a)-(c) 为固定很大的 K （）曾加雷诺数的结果； Re=1000,3552 以及 14500 ； (d)-(f) 是 K 比较小些的情况； (g) 为对应 (c) 的 earlyshedding 的情况，此时由于几何表面比较尖锐，因此表面张力具有很重要的作用。 (a)-(f) 尺寸为 0.1D ， (g) 的为 0.01D 。上图中出现了卡门涡街式的涡量分布。该数值结果也进一步表明了液珠与 ejecta 之间的相互作用对于不规则溅射的产生有重要影响。中通过实验观察到了相关的卡门涡街的现象并且对各种上面预言到的现象进行了验证。另外可变形的表面散布的涡为理论研究和进一步的分析增加了难度。 Question: 1、对该现象的理论依据是什么？ 2、 Marangoni 效应以及瑞利 - 泰勒不稳定性在这种现象中所起的作用是什么？ 3、此时出现的三维的不稳定性需要进一步的学习并且与其他圆柱绕流以及剪切层的不稳定性进行比较？内容来源文献： 1 、 M.-J. Thoraval et.al. Phys. Rev. Lett. 108 (26), 264506(2012). 2 、 A. A. Castrejón-Pita et.al.Phys. Rev. E 86, 045301(R)(2012) . 3 、 M.-J. Thoraval et.al. J. Fluid Mech.724,234(2012). 4、关于卡门涡街的图片来源于网络.; 个人分类: 生活与自然|14222 次阅读|11 个评论

基于微滴喷射的打印过程误差建模与补偿: heyongzju 2014-12-15 11:48; 基于微滴喷射的打印过程误差建模与补偿摘要：基于微滴喷射的3D打印（增材制造）技术是增材制造发展的重要方向之一，成型精度与效率是微滴喷射控制技术的主要目标，基于喷墨打印技术的3D打印目前在细胞打印等器官制造中有着极其广泛的应用。目前大部分的研究都集中在通过分析液滴与基材的撞击过程、产生高精度液滴等技术等来提高微滴喷射的加工精度。其实，喷头与基板的相对运动会产生微滴漂浮误差，从而导致加工过程中微滴偏离目标位置。该误差是所有微滴喷射技术中都无法避免的，当喷头与基材相对运动速度较慢时，该误差可以忽略不计，但随着加工效率要求的提高，该误差给加工质量带来的影响就无法忽视了。本研究从运动控制与路径规划的角度解决该问题，在加工过程中，通过对加工路径的预读取和误差判断，根据建立的误差模型对路径进行修改并产生修正路径和修正速度曲线，对上述误差进行补偿，提高微滴喷射的控制精度，从而获取满意的产品质量。微滴喷射技术通过在喷头内部以换能器产生体积变化在腔体内产生压力波，压力波传到喷嘴变为流体速度从而使低粘度材料溶液从喷嘴喷出，在生物支架，细胞打印等多个领域得到广发应用。典型的微滴喷射架构如图 1 所示。通过喷头与基板的相对运动，喷头腔体内的液滴与容器中的液体之间的化学反应产生颗粒从而实现的层层打印。在喷头与基板之间的相对运动过程中，液滴会产生偏离误差，该误差的示意图如图 2 所示。本研究则从运动控制及路径规划的角度补偿该误差。图 1 典型的微滴喷射装置架构示意图图 2 液滴漂浮误差示意图首先对微滴喷射过程中的液滴漂浮误差进数学行建模，计算出在一定高度与喷头速度下的误差。根据两相邻液滴之间的距离（公式 1 与图 3 ）以及期望的相邻液滴重合率得到误差值。根据加工过程中的具体情况，由于液滴的漂移会可能产生三种误差：分别是加减速过程中，拐角处以及曲线路径。加减速过程的误差如图 4 所示。拐角处的误差如公式 2 以及图 5 所示，圆弧的误差如公式 3 与图 6 所示。图 3 相邻液滴距离示意图图 4 加减速过程中的液滴漂浮误差图 5 拐角处液滴漂浮误差图 6 曲线路径液滴漂浮误差根据建立的误差模型，通过修改加工路径方法从运动控制的角度对该误差进行补偿，具体补偿算法如图 7 所示图 7 误差补偿控制流程图通过对细胞打印中的凝胶液滴漂浮误差进行补偿之后，加工案例如图 8 所示，可以看出加工质量得到了改善。图 8 补偿算法使用案例目前该成果已在 International Journal of Advanced ManufacturingTechnology 期刊发表，题目为 “ Droplet deviation modeling andcompensation scheme of inkjet printing ” 。 12 Droplet deviation modeling and compensation scheme of inkjet printing.pdf; 个人分类: 论文|3809 次阅读|0 个评论

"物含妙理总堪寻": 热度 2 zhongwei2284 2013-7-5 15:54; 刚刚从物理系“小学”毕业，马上要升学了。但自己学识还很浅，反复琢磨得到结论：自己离获得物理真理的发现之路还很遥远。突然想起了“物含妙理总堪寻”这句话，可能是上午刚在由于渌院士及郝柏林院士编写的高级科普读物《边缘奇迹 --- 相变与临界现象》中看到的，自己觉得挺有道理的，便在此自勉之！应该每条道路都是艰辛的，捷径就是不懈努力！但现在自己还才刚刚准备起步，想找点乐子让自己不至于对即将开始的研究生道路失去兴趣，自己身上还缺乏很多必要的东西，需要亲身经历一段曲折的历练，应该自己才能真正成长起来。但接下来的这个暑假，有点小小的无从下手的感觉，最近一些日子在看些自己挺有兴趣的小文章，都是些关于气泡、小液滴之类的，上不了大堂，但想来之，总是有些收获，至少挺愉快的。我也挺想找个地方先呆两个月，也许没找对人也没找对时间，到现在，只能自己呆在家里，看看闲书，打发时间。没事时用我的小手机拍几张照片，娱乐娱乐 ~ 对于科研上的事，还希望能有各位前辈、高人们的建议啊！（以下照片拍的是在晒衣服的时候雨滴滴到地板上已经成了一个小水滩之后的场景，像素有限，抓拍能力有限，细节看不是很清楚，莫见怪啊！）这一瞬间，对我来说，多少也是有点动人的！实在是放大了更不清楚了？没办法！我也暂时只能做到这样了！（上图右侧中间对应处放大一些的效果）最后，展示的第三张照片更加不够清楚，哎，有点小遗憾。本来感觉挺美的一顶皇冠只能顺便把别人的也拿来用一用了，对比一下，意思意思吧！这样一比，感觉自己拍的连丑小鸭都算不上了诶！而别人的还是白天鹅啊 ~~~ 注：前一张是别人（ Edgerton Killian 1987 ）的，后一张是自己拍的，差距啊！！！ vs; 个人分类: 生活与自然|4196 次阅读|2 个评论

《胶体、液滴和细胞》成正东、何立群: ustcpress 2012-11-2 16:06; 丛书名：当代科学技术基础理论与前沿问题研究丛书——中国科学技术大学校友文库（“十一五”国家重点图书出版规划项目）出版日期：2009年6月书号ISBN：978-7-312-02234-0 出版社：中国科学技术大学出版社正文页码：132页（16开）定价：35.00元编辑邮箱： edit@ustc.edu.cn （欢迎来索要目录、样章的PDF）当当网购书链接： http://product.dangdang.com/product.aspx?product_id=20631546 【内容简介】本书介绍了有关胶体及微流体的一些前沿研究内容，展示了最新的微、纳米水平上的实验和观察方法，有助于读者学习如何分析材料微观结构对宏观物理规律影响的现代研究方法。该书在内容上分为两部分，第一部分是胶体及微流体基本规律；第二部分介绍生物胶体的保存方法。【作者简介】成正东， Texas AM 教授，本科毕业于中国科学技术大学近代物理系，在中国科学院高能物理研究所获硕士学位，后赴美求学，在 Princeton 攻读博士学位，从事胶体颗粒相互作用机理的研究；在石油公司作研究工作三年后，转到 Harvard 的 Dave 课题组做博士后，开始从事微流体方向研究。现在 Texas AM 化工学院就职，继续从事这两方面的研究工作。; 个人分类: 化学&材料|4552 次阅读|0 个评论

一滴水的科学与思考: qlms 2010-1-23 17:17; 俗话说，一粒沙里看世界，半片花上说人情。其中的道理也就是小的事物可以折射世间万象和人生百态。看最近科学网上大家对诸多话题讨论挺热烈的，在此以一滴水代替一粒沙，聊点科学，聊点与科学有关的思考，与大家共乐。上面这张图的左半部份，是一个水滴。里面黄色的物质是固态不溶性颗粒物。白色区域为水滴表面反射日光灯光线所造成的。与生活中绝大部分不规则形状的水滴相比，这个水滴的底面是标准的圆形，是通过对衬底表面进行适当的化学处理所实现的，以此简化一滴水所包含的科学问题。右边的图是液滴蒸发之后，固态物质附着在衬底上所形成的形状。这小小的水滴，能有什么科学问题呢？呵呵，这滴水包含的问题可多了。举例来说，液滴蒸发时，接近液滴底面的微水流的方向，是沿着半径从从圆心向外，还是从边缘向圆心流动呢？事实上，一直到大约10多年前，人们可真的没有系统思考过这个看似非常简单的问题。1997年，一个叫做Robert. D. Deegan 的科技工作者在Nature上发表了一篇关于这个问题的文章，表明他第一个认真思考了这个问题。这个哥们根据蒸发后所留下的固体颗粒物的印记，推测了一个液体内部的流动应该是从圆心由内至外往边缘处流的结论。相关的推论与结果，共发表了三篇文章，除了一篇Nature，2000年还发表了两篇PRE. 这三篇文章，后来成为这一问题的开山之作，大家一提到蒸发所引起的液滴内部的流动，就会引用其中的文章，说从内到外等等。这三篇文章的引用次数到现在为止，应该超过了3000次。非常遗憾的是，Robert. D. Deegan老兄发了这三篇文章之后，就再也找不到了。因为从此再无他的学术文章可以被查到，估计是离开科研界了。 Robert. D. Deegan 的文章发表之前，日本的一个研究组，就研究了液滴蒸发过程中其内部微流对固态颗粒物排布的影响，相关的文章，也发表在了Nature上面。 Robert. D. Deegan的模型和结论被广泛传播，大家感觉可以用这个微毛细流来进行各种自组装的调控等等，大量相关的paper也发表了出来。结果似乎可以说，这个液体所包含的问题，真的不是小问题了。 Robert. D. Deegan 的模型虽然和我们生活中大部分的常识相吻合，即coffee-ring问题，但是这个模型本身是相当粗糙的，因为它所考虑的影响蒸发的因素实在太少。非常遗憾的是，在相当长的时间里，甚至连怀疑这个模型是否准确的人也很少，大家可能都感觉比较麻烦，遇到这种情况，就拿Robert. D. D.eegan老兄的模型来解释了。不过终究有相信实验数据的人，2007年，一个哈佛的研究小组在PRL上面发表了一篇关于这个液滴内部水流方向的问题，指出这个流向，并不仅仅是沿着从圆心向外的方向，和衬底的热导率是相关的。事实上，这个问题，到目前为止，仍然没有很好的通用模型，如果谁对这个问题有兴趣，可以和我交流，我会给您提供相关实验数据来共同研究。另外，不仅几毫米大小的液滴包含了很多未解的科学问题，比这个液滴更大和更小的液滴，所包含的问题也不少。对于更小的液滴，比如水的晶化过程，现在仍然有很多从事基础研究的人来做。借助大型计算机人们可以对水的晶化过程进行模拟，寻找最可能的冰花和最稳定的状态。（图片来自百度百科，无任何商业用途）更大的液滴，也许不应该称液滴了，准确的说是液滴所形成的水体，需要解决的问题也很多。比如饮用水中的固态悬浮物的处理，化学物质，特别是有害物质的去除等。如果液滴汇成细流，细流汇成溪流，溪流融入太湖，可能还会遇到蓝藻爆发的问题。科学研究，从超级小的液滴到超级大的水体，应该都是必须的，但这些研究在现实中，还是区别很大的。研究纳米冰晶的文章，大多能大多能发表在PRL. PRB, PRE这种期刊上。对于毫米级别的液滴，文章一般也能发表在Langmuir，JPCB这种期刊上面，如果系统的建个关于蒸发过程中液滴内部流动问题的通用模型，那么PRL是肯定的了。从事这两个方面工作的博士，我想大部分毕业是没有问题的，因为毕竟有文章啊。对于从事水处理方面的博士生来说，虽然他的工作，可能解决了很多地方的饮用水问题，但是文章却挺难发表，所以毕业都挺困难的。至于太湖蓝藻爆发，为了不让湖中的鱼儿因为缺氧而憋死，最好的办法还是找渔民直接打捞蓝藻。那些劳动的人们，肯定不会去想，也肯定不会拿到博士学位。到底什么样的研究，算研究呢？这个问题可能真的不好回答。我想不同的国情，需要不同的研究。对于海地的灾民来说，现在可能都想喝上纯净的水，方便快捷的水处理器，可能是最需要的。而对于发达国家来说，研究点冰晶或者液滴里面的微流，也是可以的，毕竟这些知识，对以后的冷凝器设计，空调设计，还是有用的。对于我们这种发展中国家来说，真正需要的可能是能够改变群众生活质量的研究，比如污水处理方面等。但是现实中，做应用技术方面的科研人员的生存环境比做纯基础研究的要恶劣很多，长期以往，都去做基础研究自娱自乐去了，国家所需要的技术还需要购买外国的，结果自然是得不偿失。到底做出什么成果的博士，算合格的博士呢？大家接着谈，呵呵。; 个人分类: 物理与生活|7807 次阅读|17 个评论

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