電場作用下表面張力對液滴運(yùn)動(dòng)特征的影響

戴宇晴, 葉學(xué)民, 李春曦

(電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北保定071003)

?

電場作用下表面張力對液滴運(yùn)動(dòng)特征的影響

戴宇晴, 葉學(xué)民, 李春曦

(電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北保定071003)

為研究電場作用下表面張力對液滴運(yùn)動(dòng)特征的影響，基于潤滑理論和漏介電質(zhì)模型，在考慮受電場影響的表面張力變化的基礎(chǔ)上，建立了電場作用下液滴鋪展的演化模型，采用PEDCOL程序模擬了在不同底部電勢影響下導(dǎo)電液滴的運(yùn)動(dòng)特征。研究表明：兩極板間的液滴鋪展過程不僅與電勢類型有關(guān)，還與因電場作用下改變的表面張力有關(guān)；表面張力比例系數(shù)對液滴運(yùn)動(dòng)過程的影響總趨勢大體相同，但最大液膜厚度和鋪展半徑的變化速率明顯不同。施加均勻電勢和線性電勢時(shí)，并不改變液滴鋪展的拋物線外形，隨比例系數(shù)增大，液滴鋪展加快；施加非線性電勢時(shí)，可控制液滴的破裂過程；液滴鋪展過程中，受表面張力變化影響最大的是線性電勢，最小的為指數(shù)電勢。

電場；表面張力；液滴

0 引言

微流控技術(shù)廣泛應(yīng)用于微電子、生物工程和納米技術(shù)領(lǐng)域[1-3]，液滴運(yùn)動(dòng)與控制[4-6]是其中極為重要的方面，而表面張力是影響、甚至是控制微納尺寸下液滴鋪展與變形運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素。在電場作用下，電介質(zhì)液體所含帶電粒子在界面處的聚集或排斥作用在宏觀上改變了液滴表面張力，進(jìn)而影響微液滴的運(yùn)動(dòng)、變形、分裂及聚并[7-9]等行為。因此，深入研究電場作用下表面張力對液滴鋪展運(yùn)動(dòng)特征的影響具有重要意義。

Schmid等[10]通過觀察漂浮于氣水交界面上的云母片，受到靜電場作用時(shí)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)距離變化研究了電場對表面張力的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電場強(qiáng)度為6.7 kV/cm時(shí)，NaCl溶液的表面張力降低；但Damm[11]對Schmid所得結(jié)果提出質(zhì)疑，認(rèn)為NaCl溶液表面張力的改變應(yīng)歸因于電極附近的雜散電場(Stray field)。Hayes[12]采用波紋方法測量了平行電極板間氣液界面處表面張力，認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，場強(qiáng)達(dá)10.4 kV/cm的電場對純水和10% NaCl溶液的表面張力并無明顯影響，但因?qū)嶒?yàn)不確定性較大，結(jié)論可信度有限；另外，Hayes基于熱力學(xué)理論，推斷液體表面和內(nèi)部的壓差致使表面張力增大，并與電場強(qiáng)度平方成比例。目前，采用實(shí)驗(yàn)直接測量表面張力研究電場對溶液表面張力的影響，限于實(shí)驗(yàn)精度和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等原因，所得結(jié)論尚不統(tǒng)一。

相對采用實(shí)驗(yàn)直接測量電場對表面張力的影響[10-12]，間接測量方法中取得許多積極成果，并涌現(xiàn)出多種新的測量方法?；谝旱沃亓糠?，Watanabe等[13]測量了水油界面張力，發(fā)現(xiàn)增大電場強(qiáng)度可降低表面張力，而改變電場極性并不影響表面張力。類似地，Morimoto和Saheki[14]測量了真空中油滴的表面張力，指出油滴質(zhì)量隨電場強(qiáng)度增大而減小，并給出表面張力與電荷間的關(guān)系；他們認(rèn)為電場力和表面電荷是促使表面張力降低的原因。Sato等[15]采用振蕩射流法，向平行電極板中噴射液滴進(jìn)而測量了表面張力變化，通過對多種液體的比較發(fā)現(xiàn)，除液體自身物理性質(zhì)外，外加電場對其表面張力也有影響，當(dāng)電導(dǎo)率>10-2S/m時(shí)，表面張力與電壓平方成反比[16]，并推測液體表面存在的表面電荷是表面張力降低的原因。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明氣液界面上的表面張力隨電場強(qiáng)度增大而減小。然而，采用軸對稱液滴形狀分析法的Bateni等[17]則得到與Sato等[15]相反的結(jié)果，認(rèn)為電場促使液滴表面張力增大。而對于外加電場對表面張力影響的理論研究報(bào)道較少。Liggieri等[18]通過理論分析，認(rèn)為靜電場中表面無自由電荷時(shí)液體表面張力的變化與受磁場作用時(shí)相似，場強(qiáng)較小時(shí)的影響極小，只有電場場強(qiáng)極大時(shí)才能在實(shí)驗(yàn)中檢測到表面張力變化。

上述研究表明，電場強(qiáng)度對表面張力的影響大致分為表面張力隨電場強(qiáng)度提高而減小、增大和不變等三種情形。而目前對于受電場作用時(shí)的液滴運(yùn)動(dòng)的理論研究中，均假設(shè)表面張力不受電場影響，即表面張力不變，進(jìn)而模擬其運(yùn)動(dòng)特征[19]；這顯然與上述多數(shù)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論明顯不符，也不能準(zhǔn)確反映電場對液滴運(yùn)動(dòng)的影響。為此，本文基于實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，建立表面張力與電場強(qiáng)度間的關(guān)系式，推導(dǎo)電場作用下描述液滴運(yùn)動(dòng)過程的演化方程，采用數(shù)值模擬獲得不同電場情形下的液滴運(yùn)動(dòng)行為，進(jìn)而分析因電場作用帶來的表面張力變化對液滴運(yùn)動(dòng)特征的影響。

圖1 平整基底上液滴的鋪展示意圖

1 理論模型

如圖1，液滴置于兩極板間，在下極板上預(yù)置一層厚度為Hb*的液膜。鋪展前沿xf和鋪展半徑xd是描述液滴鋪展過程的重要參數(shù)。假設(shè)液滴為常物性的不可壓縮牛頓流體，壁面為無滑移無滲透界面。液滴初始高度H*與流動(dòng)方向尺度L*相比非常小(上標(biāo)“*”代表有量綱量)，即∈=H*L*<<1，潤滑理論[19，20]適用。

控制方程組為

(1)

(2)

式中：u*=(u*，w*)為速度矢量；p*為壓強(qiáng)。

界面電荷密度q*方程[22]為

(3)

在固體壁面處，滿足無滑移、無滲透條件

(4)

氣液界面上，滿足法向和切向應(yīng)力平衡方程

(5)

(6)

式中：n*和t*為單位法向和切向矢量；λ*為界面平均曲率；γ*為表面張力；T*為總應(yīng)力張量，其表達(dá)式為

(7)

式中：I*為單位張量。

為考慮電場強(qiáng)度對表面張力的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12-17]，表面張力可近似表示為

式中：d*、e*為與電場強(qiáng)度有關(guān)的系數(shù)。

依據(jù)潤滑理論[19，20]、保留數(shù)量級為≥O(∈)的項(xiàng)，可得無量綱化控制方程組

(8)

(9)

(10)

無量綱邊界條件如下:

(1)固體壁面處滿足無滑移、無滲透邊界條件

z=0，u2=w2=0

(11)

z=b，u1=w1=0

(12)

z=h，uz=0

(13)

(2)氣液界面處切向和法向應(yīng)力平衡條件為

(3)氣液界面處運(yùn)動(dòng)邊界條件為

z=h，ht+ushx=ws

(16)

結(jié)合式(11)～(16)，通過積分運(yùn)算可得液膜厚度和界面電荷密度的演化方程組

(17)

(18)

采用PEDCOL程序求解演化方程式(17)和式(18)。選取-15

初始條件為：

(19)

(20)

式中：F*為海氏階躍函數(shù)；其中，若無特殊說明，預(yù)置液膜厚度Hb=0.1。

程序中的邊界條件為

(21)

(22)

2 數(shù)值模擬

2.1 線性電勢

對液滴施加Φ=1+Sx的底部電勢，S=0表示均勻電場的影響，S=1和-1時(shí)則表示沿x方向?yàn)榫€性增加或減小的線性電場影響。

圖2為α=0.5，S=0，即底部電勢Φ=1時(shí)在t=0.1、1、10和50時(shí)的液滴鋪展特征。該圖表明，隨鋪展過程發(fā)展，最大液膜厚度逐漸減小，但液滴中心位置在x=0處保持不變，液滴向兩側(cè)呈對稱鋪展；這是因?yàn)榈撞侩妱蓐P(guān)于坐標(biāo)軸左右對稱，液滴所受電場力大小相等且左右對稱所致。

圖2 S=0時(shí)液滴厚度演化歷程

圖3給出了t=20時(shí)，不同α下的液滴外形。該圖表明，與α=1時(shí)對比可知，當(dāng)α<1、并進(jìn)一步減小α?xí)r，液滴呈現(xiàn)回縮特征，與文獻(xiàn)[15]所反映的結(jié)果一致；當(dāng)α>1，并進(jìn)一步提高α?xí)r，呈鋪展特征，這與文獻(xiàn)[17]所反映的現(xiàn)象一致?？傮w上，隨系數(shù)α增大，液滴速度加快，所覆蓋的面積進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖3 S=0時(shí)比例系數(shù)對液膜厚度影響

圖4為比例系數(shù)α對液滴運(yùn)動(dòng)主要特征參數(shù)的影響。圖4(a)表明，鋪展前期，液滴中心處的最大液膜厚度hmax減小速度較快，而在后期減小速度趨于平緩；隨α增大，其減小速率進(jìn)一步加大，即當(dāng)α=0.5增至1.5時(shí)，hmax的減小速率由t-0.1155增至t-0.1269；在同一時(shí)刻下，隨α增大hmax減小，滿足hmax～α-0.1417，如圖4(b)。比例系數(shù)α增大，鋪展半徑xd也隨α增大而增長，當(dāng)α=0.5增至1.5時(shí)，xd的增長率由t0.1401提高至t0.1617，如圖4(c)；鋪展半徑xd與比例系數(shù)α的關(guān)系為xd～α0.1913，如圖4(d)。

圖4 S=0時(shí)比例系數(shù)的影響

線性電勢Φ=1+x與Φ=1-x相比，液滴鋪展僅方向相反，為此只討論Φ=1+x情形。圖5表明，隨時(shí)間t增加，液滴雖保持拋物線形狀鋪展，但向左側(cè)平移；且最大液膜厚度hmax先減小后增大，其原因是隨時(shí)間增長，電荷密度增大較多，較大的電場力將兩側(cè)流體引向液滴中心區(qū)域。

圖5 S=1時(shí)的液滴鋪展演化歷程

因液滴兩側(cè)電場力不平衡，使液滴中心隨時(shí)間逐漸向左側(cè)偏移；隨時(shí)間增大，液膜最大厚度所在位置xmax偏移速率逐漸減小；而當(dāng)α增大時(shí)，xmax略有提高，即α對xmax的影響非常有限，總體表現(xiàn)為xmax～t0.5010，如圖6所示。

圖6 xhmax隨時(shí)間變化曲線

如圖7(a)所示，比例系數(shù)α對最大液膜厚度hmax的影響，總體上與均勻電勢情形類似，但不同的是鋪展后期，線性電勢下的hmax呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢；隨比例系數(shù)α由0.5增至1.5時(shí)，hmax的減小速率由t-0.0361增至t-0.0459；t=10時(shí)，hmax隨α增大而減小，hmax～α-0.1525，如圖7(b)；在線性電勢作用下，液滴運(yùn)動(dòng)初期xd增長率較大，而在中后期其增長率則減緩，當(dāng)α=0.5增至1.5時(shí)，xd的增長率由t0.0942提高至t0.1068，如圖7(c)；鋪展半徑xd隨α的變化為xd～α0.1848，如圖7(d)。

2.2 非線性電勢

當(dāng)兩極板間施加余弦電勢Φ=Acos(kx)時(shí)，其中幅值A(chǔ)=1，波數(shù)k=1，液滴鋪展過程如圖8。隨時(shí)間延長，液滴仍向兩側(cè)對稱鋪展，鋪展初期hmax減小較快，當(dāng)t>20時(shí)，鋪展中心出現(xiàn)凹陷，鋪展前沿呈現(xiàn)與底部電勢變化趨勢一致的波狀形態(tài)。當(dāng)α較小時(shí)，中心凹陷出現(xiàn)時(shí)間較遲，電場對表面張力的降低，降低了液滴鋪展的速度。

如圖9(a)顯示，hmax仍呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢，且鋪展初期降低速率較大，α的變化并不改變hmax的總體變化趨勢，當(dāng)α=0.5增至1.5時(shí)，hmax的減小速率由t-0.1454減小至t-1401；圖9(b)為t=10時(shí)hmax隨α的變化關(guān)系，hmax～α-0.0929；當(dāng)α=0.5增至1.5時(shí)，xd的增長率由t0.1553提高至t0.1568，如圖9(c)；鋪展半徑xd隨α的變化為xd～α0.1607，如圖9(d)。

圖7 S=1時(shí)不同比例系數(shù)的影響

圖8 余弦形式電勢時(shí)液滴的演化歷程

圖9 余弦形式電勢時(shí)不同比例系數(shù)的影響

圖10 指數(shù)形式電勢時(shí)的液滴演化歷程

施加指數(shù)形式Φ=1+e-x2/2電勢，α=0.5時(shí)的鋪展過程如圖10所示。在該情形下，液滴始終保持對稱、向兩側(cè)鋪展，隨t增加，hmax迅速減小，液滴由最初拋物線外形，逐漸破裂為左右兩對稱的子液滴、并向兩側(cè)分離。即通過施加合適的指數(shù)形式電勢時(shí)，可控制液滴的破裂過程。

圖11 指數(shù)形式電勢時(shí)不同比例系數(shù)的影響

圖11(a)表明，施加指數(shù)形式電勢時(shí)，hmax在鋪展后期基本不變，尤其是當(dāng)α較小時(shí)，此時(shí)液滴中心出現(xiàn)凹陷、后逐漸分成兩個(gè)液滴，液滴受電場的影響向兩側(cè)移動(dòng)，此時(shí)hmax為兩子液滴的中心高度；α=0.5增至1.5時(shí)，hmax的減小速率由t-0.1701增至t-0.1745；hmax與α的關(guān)系為hmax～α-0.0602，如圖11(b)；當(dāng)α=0.5增至1.5時(shí)，xd的增長率由t0.1995降至t0.1961，如圖11(c)；鋪展半徑xd隨α的變化為xd～α0.1482，如圖11(d)，表明提高α可加快液滴的破裂過程。

2.3 不同電勢下比例系數(shù)對特征參數(shù)的影響

圖12比較了t=10時(shí)最大液膜厚度hmax和鋪展半徑xd與比例系數(shù)α在不同電勢下的變化。對于均勻電勢為Φ=1時(shí)，hmax～α-0.1417、xd～α0.1913；當(dāng)液滴處于線性電勢Φ=1+Sx作用時(shí)，hmax～α-0.1525、xd～α0.1848；在指數(shù)電勢Φ=1+e-x2/2作用下，hmax～α-0.0602、xd～α0.1482和，當(dāng)處于非線性的余弦電勢Φ=Acos(kx)時(shí)，則有hmax～α-0.0929、xd～α0.1607。在本文討論的4種類型電勢中，受表面張力變化影響最大的是線性電勢為Φ=1+x時(shí)，受影響最小的為指數(shù)電勢Φ=1+e-x2/2。

圖12 不同電勢下比例系數(shù)對hmax和xd的影響

3 結(jié)論

(1)兩極板間的液滴鋪展過程與不同類型電勢的作用密切相關(guān)，因電場作用改變的表面張力對液滴運(yùn)動(dòng)過程的影響總趨勢大體相同，但最大液膜厚度hmax和鋪展半徑xd的變化速率明顯不同。施加均勻電勢和線性電勢時(shí)，均不改變液滴鋪展的拋物線外形，但當(dāng)表面張力受到電場影響而變化時(shí)，隨比例系數(shù)α增大，施加均勻電勢時(shí)，最大液膜厚度hmax減小，鋪展半徑xd增大，液滴鋪展進(jìn)程加快；施加線性電勢時(shí)最大液膜厚度hmax先減小后略有增大，鋪展半徑xd增大。上述情況產(chǎn)生原因可歸結(jié)于，表面張力的變化改變了液滴表面電荷分布，對液滴鋪展造成的影響。

(2)施加非線性電勢Φ=Acos(kx)和Φ=1+e-x2/2時(shí)，隨比例系數(shù)α增大，最大液膜厚度hmax減小，鋪展半徑xd增大外，液膜中心出現(xiàn)的凹坑時(shí)間也隨之變長，延緩鋪展進(jìn)程，減小破斷的可能性；而且通過施加合適的指數(shù)形式電勢時(shí)，可控制液滴的破裂過程。對于文中討論的4種類型電勢，提高電場強(qiáng)度，液滴鋪展過程中hmax與xd相對于表面張力不受電場影響時(shí)所產(chǎn)生的變化量增大。液滴運(yùn)動(dòng)過程，受表面張力變化影響最大的是線性電勢，最小的為指數(shù)電勢。

[1]MARK D, HAEBERLE S, ROTH G, et al.Microfluidic lab-on-a-chip platforms: requirements, characteristics and applications.[J].Chemical Society Reviews, 2010, 39(3):1153-1182.

[2]鄭金杯, 張乾良, 呂偉桃,等.電力系統(tǒng)絕緣子防污閃納米硅鋼涂層應(yīng)用研究[J].電力科學(xué)與工程, 2013, 29(5):40-45.

[3]MARUYAMA S.Scale effect in heat and fluid flow and nano- and micro-machines[J].Journal of Thermal Science & Technology, 2009, 4(1):109-121.

[4]楊保才, 葉學(xué)民, 李春曦.分離壓對不同基底上含活性劑液滴鋪展特征的影響[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 42(3):71-77.

[5]KANG K H.How electrostatic fields change contact angle in electrowetting[J].Langmuir, 2002, 18(26):10318-10322.

[6]MUGELE F, BARET J C.Electrowetting: from basics to applications[J].Journal of Physics Condensed Matter, 2005, 17(17):705-774.

[7]POLLACK M G, SHENDEROV A D, FAIR R B.Electrowetting-based actuation of droplets for integrated microfluidics[J].Lab on A Chip, 2002, 2(2):96-101.

[8]CHO S K, MOON H, KIM C J.Creating, transporting, cutting, and merging liquid droplets by electrowetting-based actuation for digital microfluidic circuits[J].Journal of Microelectromechanical Systems, 2003, 12(1):70-80.

[9]ZENG J, KORSMEYER T.Principles of droplet electrohydrodynamics for lab-on-a-chip[J].Lab on A Chip, 2004, 4(4):265-277.

[10]SCHMID G M, HURD R M, SNAVELY E S.Effects of electrostatic fields on the surface tension of salt solutions[J].Journal of the Electrochemical Society, 1962, 109(9):852-858.

[11]DAMM E P.Discussion of “Effects of Electrostatic Fields on the Surface Tension of Salt Solutions”[J].Journal of the Electrochemical Society, 1963, 110(6):590-591．

[12]HAYES C F.Water-air interface in the presence of an applied electric field[J].Journal of Physical Chemistry, 2002, 79(16).

[13]WATANABE A, MATSUMOTO M, GOTOH R, et al.Electrocapillary phenomena at oil-water interfaces[J].Kolloid-Zeitschrift und Zeitschrift für Polymere, 1967, 220(2):152-159.

[14]MORIMOTO Y, SAHEKI K.Electrification of a vacuum oil drop in an electric field[J].Japanese Journal of Applied Physics, 1979, 18(7):1239-1242.

[15]SATO M, KUDO N, SAITO N.Surface tension reduction of liquid by applied electric field using vibrating jet method[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, 34(2):294-300.

[16]SATO M, KITO M, SAKAI T.Surface tension reduction under high potential by vibrating jet method[J].Kagaku Kogaku Ronbunshu, 2009(3):504-507.

[17]BATENI A, LAUGHTON S, TAVANA H, et al.Effect of electric fields on contact angle and surface tension of drops[J].Journal of Colloid & Interface Science, 2005, 283(1):215-222.

[18]LIGGIERI L, SANFELD A, STEINCHEN A.Effects of magnetic and electric fields on surface tension of liquids[J].Physica A Statistical Mechanics & Its Applications, 1994, 206(3-4):299-331.

[19]YEO L Y, CRASTER R V, MATAR O K.Drop manipulation and surgery using electric fields[J].Journal of Colloid & Interface Science, 2007, 306(2):368-378.

[20]趙亞溥.表面與界面物理力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社, 2012.

[21]葉學(xué)民, 李春曦, 曹罕,等.表面活性劑溶液鋪展過程中的分離壓特性[J].電力科學(xué)與工程, 2012, 28(5):21-27.

[22]YEO L Y, CRASTER R V, MATAR O K.Drop manipulation and surgery using electric fields[J].Journal of Colloid & Interface Science, 2007, 306(2):368-378.

Effect of Surface Tension on Droplet Dynamics in the Presence of Electric Field

DAI Yuqing, YE Xuemin, LI Chunxi

(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, Baoding 071003, China)

To analyze the effect of surface tension on droplet dynamics in the presence of electric field, an evolution model considering the surface tension variation induced by electric field was established based on leaky dielectric model and the lubrication theory.The PEDCOL code was utilized to simulate the dynamic characteristics of a conductive droplet in the presence of diverse electric fields.Results show that the droplet movement between two electrode plates is not only related to the potential type, but also influenced by the variation of the surface tension induced by electric field.The influence of the proportion coefficient of surface tension on the droplet movement process is approximately same while the maximum thickness of liquid film and spreading radius variation rates are obviously different.Exerting uniform and linear electric potential does not alter the parabolic shape of spreading droplet.With the increase of the proportion coefficient, the droplet spreading is accelerated.Rupture process of a droplet can be controlled by applying nonlinear electric potential.The greatest impact of the variation of surface tension on the process of a droplet spreading is linear potential, and the least impact is exponential potential.

electric field; surface tension; droplet

2016-07-14。

國家自然科學(xué)基金(11202079)；河北省自然科學(xué)基金(A2015502058)。

戴宇晴(1990-)，女，碩士研究生，主要從事流體力學(xué)理論及應(yīng)用等方面的研究工作，E-mail： paozou@163.com。

O361；TQ021

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.012