Управляемая капля

ФИЗИКА УПРАВЛЯЕМАЯ КАПЛЯ В. С. НАГОРНЫЙ Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

CONTROLLABLE DROP V. S. NAGORNIY

Within the framework of the currently created drop theory some applications (sometimes unexpected) are discussed. Formation techniques for monodispersed stream of charged and uncharged controllable liquid drops are considered.

© Нагорный В.С., 2004

В рамках формируемой в настоящее время науки о каплях рассказано о некоторых (порой неожиданных) направлениях их использования. Рассмотрены методы формирования монодисперсного потока заряженных и незаряженных управляемых капель жидкости.

journal.issep.rssi.ru

Что может быть более знакомое, чем капли жидкости? В природе они встречаются на каждом шагу – начиная от маленьких капелек воды, образующих туман и облака, до крупных дождевых капель. Народная мудрость уже давно отметила одно из удивительных свойств капель: “капля камень долбит”, стараясь в переносном смысле подчеркнуть, что сила – в постоянстве. И сегодня говорят о концепции малых полезных ежедневных дел – успех в жизни гарантирован тем, кто их делает постоянно и планомерно. ПРОГРЕСС И КАПЛЯ: ЧТО МОЖЕТ БЫТЬ ОБЩЕГО МЕЖДУ НИМИ Параметры капель горючего определяют качество топливно-воздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания и дизельных двигателях, являющихся сердцем любой автомашины. В свою очередь, параметры машин во многом зависят от способа подготовки топливно-воздушной смеси. При внешнем смесеобразовании смесь готовится в специальном устройстве – карбюраторе, где бензин, проходя под давлением от топливного насоса, через короткий канал – жиклер малого диаметра – распыляется в виде факела капелек разного диаметра (порядка сотен микрометров) и, смешиваясь с поступающим из атмосферы воздушным потоком, далее засасывается в камеру сгорания, когда поршень двигателя создает разряжение. В конце такта сжатия поршнем такой капельной топливно-воздушной смеси она поджигается электрической искрой и, интенсивно сгорая, создает рабочее давление на поршень, которое преобразуется в механическую работу двигателя. В дизельных двигателях топливо распыляется на капли уже непосредственно в камере сгорания. Для этого оно подается через форсунку под высоким давлением порядка 150 ⋅ 105 Па (избыточное давление в одну атмосферу ∼105 Па, то есть 1 кгс/см2 ≈ 105 Па) в конце такта сжатия, когда давление над поршнем достигает 75 ⋅ 105 Па. И далее в этом такте происходят самовоспламенение и сгорание смеси. В настоящее время ведущие автомобильные фирмы мира при разработке новых моделей автомобилей отказываются от карбюраторных двигателей и управляют

Н А ГО Р Н Ы Й В . С . У П РА В Л Я Е М А Я К А П Л Я

115

ФИЗИКА топливоподачей посредством впрыска доз топлива с последующим распылением этих доз на капли разных диаметров с помощью электромагнитных форсунок и широким использованием микропроцессоров. Чем меньше диаметр капли топлива и чем однороднее состав смеси по диаметру капель, тем лучше могут быть эти показатели. Поэтому одним из направлений совершенствования двигателей является получение мельчайших капелек топлива путем его испарения. В последние годы возникла новая перспективная отрасль металлургии – так называемая порошковая металлургия. Основным элементом новой технологии является не капля топлива или окислителя, а капля расплава металла или полимера. Струя расплавленного металла или полимера высоконапорной струей газа разбивается на капли расплава диаметром десятки микрометров, которые быстро охлаждаются и превращаются в твердые гранулы (порошок). Эти гранулы приобретают новые полезные свойства по сравнению с исходным материалом, а детали, изготовленные из такого порошка по особой технологии путем спекания, отличаются уникальными характеристиками. Понимание физической картины образования капель позволило ученым предложить один из лучших способов наблюдения за движением элементарных частиц материи. Когда воздух содержит в себе много водяного пара, то говорят, что он насыщен им. Но при этом, как показали исследования [1–3], при данной температуре в одном кубическом метре воздуха может содержаться вполне определенное максимальное количество пара. Например, при температуре 19°С один кубический метр воздуха может удержать только 16 г водяного пара, 9,3 г при температуре 10°С, и 22,8 г при 25°С. И если в сводке о погоде нам говорят, что температура воздуха 25°С и относительная влажность 70%, то это значит, что масса водяного пара 1 м3 воздуха равна 70% от 22,8 г, то есть равна ∼16 г. При охлаждении 1 м3 воздуха, содержащего 16 г водяного пара, до температуры 10°С из него выделяется (16 − 9,3) = 6,7 г воды, поскольку максимальное содержание водяного пара при этой температуре равно 9,3 г. Причем выделение воды в виде более крупных капелек должно начаться при температуре 19°С, поскольку при этой температуре воздух насыщается 16 г пара. В свою очередь, исследования показали, что капли, образующие туман или облако, обладают одним общим свойством – каждая отдельно взятая капелька образуется вокруг некоторого ядра – центра конденсации, которым обычно является ион (электрически заряженная молекула) или маленькая пылинка.

116

Именно эти свойства капель использовал лауреат Нобелевской премии 1927 г. английский физик Ч. Вильсон, когда в 1912 г. изобрел прибор (камеру Вильсона), который сыграл важнейшую роль в истории ядерной физики. В сосуде с поршнем находится влажный, очищенный от пыли воздух. Быстрым перемещением поршня увеличивают объем камеры, и воздух резко охлаждается, поскольку тратит энергию на работу расширения. Пары влаги становятся переохлажденными, готовыми образовать мельчайшие капельки тумана, но пока не образуют, поскольку нет центров конденсации, вокруг которых капельки могут образовываться: пылинок нет – воздух в камере очищен, ионов также пока нет. Камера Вильсона готова к работе. Элементарные частицы (α-частицы, β-частицы, электроны и т.д.), влетая в камеру Вильсона и сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их, превращая в центры конденсации капелек. В результате получается четкий след в виде траектории из капелек мгновенно выпавшей влаги по ходу движения элементарной частицы. Таким образом, капли, как волшебницы, позволили сделать видимым невидимое. Камера Вильсона на протяжении нескольких десятилетий была единственным средством для регистрации ядерных излучений. Помещенная в магнитное поле, она позволила в 1932 г. американскому физику К.Д. Андерсону открыть в космических лучах античастицу электрона – положительно заряженную элементарную частицу, которую он назвал позитроном. Открытие (с помощью капелек) позитрона имело фундаментальное значение для науки, поскольку позитрон не входил в состав обычного вещества на Земле в отличие от известных к тому времени электрона, протона и нейтрона. Именно благодаря этому открытию возникли понятия античастицы и антивещества. УПРАВЛЯЕМЫЕ КАПЛИ Зададимся вопросом: управляемы ли капли в приведенных и аналогичных примерах? И да и нет. Мы в этих случаях имеем возможность управлять факелом капелек различных диаметров, но не каждой из них в отдельности. Однако в последние годы разработано перспективное научно-техническое направление, в основу которого положено формирование (как правило, с использованием микропроцессоров) потока движущихся одна за другой капель с идентичными параметрами (одинаковыми диаметрами, расстояниями между каплями, скоростями и т.д.) и управление каждой отдельно взятой каплей. Такой поток капель называют монодисперсным потоком капель, и в этом его принципиальное

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 1 , 2 0 0 4

ФИЗИКА отличие от рассмотренных выше факельных потоков. При этом имеется возможность сообщать (или не сообщать) отдельно взятой из такой монодисперсной последовательности капле электрический заряд (а таких капель в секунду может быть сформировано до 100 тыс.) и управлять заряженными каплями подобно тому, как управляют электроном в электронно-лучевой трубке. В результате совсем недавно, в 1970–1990-х годах, разработаны эффективные принципиально новые, так называемые [4] электрокаплеструйные технологии для различных областей науки и отраслей промышленности. Их характерной особенностью является то, что управляемая капля (органической или неорганической жидкости или раствора, расплава металла или полимера, капля эмульсии или суспензии биологических продуктов, фармацевтических препаратов, химических реактивов) является исполнительным элементом, причем ею управляют с использованием микропроцессоров или микро-ЭВМ, целенаправленно изменяя ее параметры и обеспечивая то, что называется гибкостью управления. Кроме того, управляемые капли являются основным рабочим инструментом в выводных регистрирующих устройствах персональных компьютеров (так неточно называемые струйные принтеры – это на самом деле электрокаплеструйные принтеры), гибких автоматизированных производств, систем коллективного пользования, систем автоматизированного проектирования. Основным классификационным признаком электрокаплеструйных устройств является способ создания управляющего воздействия под действием входного электрического сигнала для получения линейной последовательности монодисперсных капель или отдельно взятой капли. Наибольшее распространение получили три способа формирования управляемой капли или линейной последовательности управляемых монодисперсных капель [4].

а 1

2 3 2 б

1

Рис. 1. Получение управляемой капли импульсным давлением: а – созданием в рабочей жидкости газового пузырька ее нагреванием; б – с использованием пьезоэлектрического преобразователя

длительностью порядка нескольких миллисекунд и в результате интенсивного испарения жидкости (растворителя) образуется газовый пузырек 3. При этом давление в трубке резко возрастает (создается импульс давления) и из сопла вылетает одна капля. Терморезисторы наносятся на нейтральное основание средствами тонкопленочной технологии. При снятии электрического импульса с терморезистора он остывает, рассеивая теплоту в области основания. Пар в пузырьке остывает и конденсируется. Пузырек захлопывается и мениск жидкости втягивается внутрь сопла. Силы поверхностного натяжения стараются выпрямить мениск, который, подобно мембране, засасывает очередную порцию жидкости.

ФОРМИРОВАНИЕ НЕЗАРЯЖЕННОЙ УПРАВЛЯЕМОЙ КАПЛИ СОЗДАНИЕМ В РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ ИМПУЛЬСНОГО ДАВЛЕНИЯ

Максимальная частота каплеобразования в этом случае невелика (до 4000 капель в секунду). На таком принципе построены, например, электрокаплеструйные принтеры (в том числе и цветные) фирмы Hewlett– Packard.

По этому способу на каждый электрический импульс с помощью короткого отверстия (сопла) диаметром 30–100 мкм формируется одна-единственная капля рабочей жидкости. В качестве источника импульсного давления используется нагреваемый электрическим сигналом элемент (терморезистор) или чаще пьезоэлемент (рис. 1). В первом случае (рис. 1, а) рабочая жидкость 1 в трубке с терморезистором 2 быстро нагревается при поступлении электрического импульса

По данным фирмы Epson, предельную частоту каплеобразования можно повысить до 20 000 капель в секунду с использованием совершенно другого физического эффекта, применив в качестве источника импульсного давления в рабочей жидкости 1 пьезоэлектрический элемент 2 (рис. 1, б ). При приложении к нему электрического напряжения изменяются геометрические параметры пьезоэлемента 2. Следовательно, имеем пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП), в котором

Н А ГО Р Н Ы Й В . С . У П РА В Л Я Е М А Я К А П Л Я

117

ФИЗИКА

ФОРМИРОВАНИЕ (ЭМИССИЯ) ЛИНЕЙНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ЗАРЯЖЕННЫХ МОНОДИСПЕРСНЫХ КАПЕЛЬ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ПОЛЕМ По этому способу (рис. 2) к рабочей жидкости прикладывается относительно небольшое избыточное давление pг (порядка сотен паскаль), чтобы на выходе капиллярного металлического сопла 1 диаметром dc = = 60–300 мкм образовался только мениск рабочей жидкости (радиусом Rм), но при этом рабочая жидкость не вытекала из сопла. Между соплом 1 и электродом 3

118

1 dо

электрический сигнал (импульс электрического напряжения) преобразуется в микронные перемещения его поверхности (например, она прогибается – см. рис. 1, б ). В рабочей жидкости создается импульс давления и формируется одна капля. Формируемые капли вылетают из сопла под действием импульса давления со скоростью до 5 м/с и летят по инерции к требуемой точке поверхности того или иного объекта. При микропроцессорном управлении буквенная, знаковая или графическая информация кодируется в компьютере в виде комбинации чисел 0 или 1, которым соответствует тот или иной уровень напряжения. Это делается потому, что компьютер очень быстро (до миллиардных долей секунды) может распознавать 0 и 1. Таким образом получают числовые коды. Далее эти коды посылаются принтеру, который с помощью знакового генератора формирует соответствующую последовательность импульсов напряжения, подаваемых на вход, например, пьезоэлемента, управляющего формированием капель в электрокаплеструйной головке. И затем из капелек создаются знак, цифра, буква, график и т.д., что мы и видим на листе бумаги, выходящем из принтера. Если же надо изобразить цветной рисунок, то для получения всевозможных цветов и оттенков используют метод наложения капелек краски друг на друга трех основных цветов (в той или иной последовательности): желтого (Y), пурпурно-красного (M) и сине-зеленого (голубого) – C. Эти краски тем или иным способом (импульсного давления или рассмотренными ниже) генерируются в виде капель из соответствующих сопл и попадают в заданную точку запечатываемой поверхности носителя информации. Используют также отдельный капельный генератор с черной краской (К). Необходимо отметить, что изучаемые на уроках физики силы поверхностного натяжения в жидкости оказывают определяющее влияние на параметры каплеобразования и самих капель, а следовательно, на качественные показатели электрокаплеструйных технологий [4].

Rм dc

dк

2

V

pг h

3

qк

Uг Рис. 2. Получение управляемых капель в электростатическом поле

с отверстием (диаметр которого dо больше возможного диаметра dк образовавшихся капель) создается электростатическое поле приложением к ним высокого постоянного напряжения Uг того или иного знака относительно земли. В результате на мениск жидкости действует дополнительная электростатическая сила и образуется линейный поток заряженных знаком потенциала электрода 1 (сопла) монодисперсных капель 2. В процессах каплеобразования и сообщения зарядов каплям решающее влияние оказывают физико-химические параметры рабочей жидкости, и прежде всего коэффициент удельной проводимости γ. Если используют диэлектрические жидкости с удельной проводимостью γ = 6 ⋅ 10− 8–1 ⋅ 10− 7 См/м, то образование монодисперсных капель происходит только в относительно узком диапазоне изменений электрического напряжения Uг на электродах 1, 3 при выбранном расстоянии h между ними. При этом устойчивость конца мениска нарушается в электрическом поле, из мениска выбрасывается тонкая струйка рабочей жидкости, которая в дальнейшем дробится на монодисперсные капли относительно небольшого диаметра. Частота каплеобразования в этом случае достигает 35–40 тыс. капель в секунду. Если же используют жидкости с относительно большой удельной проводимостью, например рабочие жидкости на водной основе, то при приложении электростатического поля нарушается устойчивость мениска ближе к срезу сопла (рис. 3) и исключается выброс тонкой струйки жидкости с его конца. Капли отрываются от сопла, причем имеют больший диаметр dк , чем у рабочих жидкостей на диэлектрической основе. Чтобы сделать процесс каплеобразования видимым глазу, применяют импульсное освещение с частотой, близкой к частоте каплеобразования, – так называемое стробоскопическое устройство. В результате можно как угодно долго смотреть на все фазы образования

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 1 , 2 0 0 4

ФИЗИКА а

0

б

0

200

500

720

900

tз, мкс

0 100 200 300 мкм

200

600

740

800

860

0

tз, мкс

300 мкм

Рис. 3. Стадии образования капель в электростатическом поле без сателлитов (а) и с сателлитами (б )

отдельно взятой капли из последовательности до 40 тыс. капель в секунду, поскольку имеет место неподвижная картина. Максимальная частота каплеобразования опреде3

ляется выражением f max = k 2 α ⁄ ( ρd c ) , где dс – периметр смачивания рабочей жидкостью, α – коэффициент поверхностного натяжения жидкости плотностью ρ; k2 – коэффициент, зависящий от типа рабочей жидкости. Например, для воды при каплеобразовании в воздухе k2 = 1,5. В качестве примера на рис. 3 представлены характерные стадии образования монодисперсных капель в электростатическом поле для жидкостей на водной основе. В исходном состоянии (Uг = 0) на торце сопла образуется мениск, который из-за равенства гидростатического pг и лапласовского pЛ давлений (последнее полностью определяется при данной геометрии сопла

коэффициентом поверхностного натяжения α) находится в покое. Если к мениску приложить высокое постоянное напряжение, то под действием электростатической индукции на мениске наведется поверхностный заряд с максимальной плотностью у вершины, возникнет пондеромоторная сила и мениск будет вытягиваться в конус. При этом возрастает кривизна мениска, уменьшается межэлектродное расстояние h, что вызывает увеличение напряженности E электрического поля и в момент выполнения условия E = Eк возникает коронный разряд (см. рис. 3, tз = 0) – коронный электрический разряд возникает в резко неоднородном поле между электродами типа игла–плоскость и характеризуется тем, что на большей части межэлектродного промежутка наблюдается поток униполярных ионов знака потенциала коронирующего острия, вызывающих коронный ток (в качестве “острия” выступает мениск рабочей проводящей жидкости). Здесь Eк – начальная напряженность возникновения коронного

Н А ГО Р Н Ы Й В . С . У П РА В Л Я Е М А Я К А П Л Я

119

ФИЗИКА разряда с конца мениска, которой соответствует в первом приближении напряжение Uк1 . При Uг > Uк1 в результате взаимодействия поверхностных зарядов радиус вершины мениска увеличивается. Это вызывает уменьшение лапласовского давления, и в момент выполнения условия fкс > fЛ − fг ( fг , fЛ – соответственно поверхностная плотность сил гидростатического и лапласовского давлений; fкс – поверхностная плотность кулоновской силы притяжения к ускоряющему электроду 3 (см. рис. 2)) из мениска начинает вытягиваться капля (см. рис. 3, tз = 200 мкс), а оставшаяся часть мениска стремится к положению равновесия. В момент отрыва капли корона гаснет (см. рис. 3, а, tз = 720 мкс; рис. 3, б, tз = 740 мкс), так как уменьшается кривизна мениска и не выполняется условие коронирования. Далее процесс эмиссии капель периодически повторяется. При дальнейшем увеличении напряжения до определенной величины Uк2 выполняется условие коронирования со значительной части неподвижного сфероидального мениска, колебания которого прекращаются, периодическая корона переходит в стационарную и эмиссии капель не происходит. Каплеобразование существенно зависит от величины гидростатического давления pг . Исследованиями установлен диапазон pг min
pг < pг max устойчивого каплеобразования, причем он зависит от диаметра dс сопла и изменяется от сотен до тысяч паскалей. Например, для сопла диаметром 275 мкм pг min составляет 200 Па, а pг max = 400 Па. При достижении давления pг max амплитуда колебаний мениска настолько увеличивается, что при формировании капли и возвращении мениска к положению равновесия между ними образуется перешеек, из которого формируется дополнительная мелкая капля (сателлит) (см. рис. 3, б, tз = 740 мкс). При дальнейшем увеличении pг эмиссия капель продолжается, но она сопровождается обильным брызгообразованием, так как из перешейка образуется семейство разноразмерных сателлитов. Таким образом, необходимым и достаточным условием эмиссии монодисперсных заряженных капель является выбор рабочего режима из диапазонов

ФОРМИРОВАНИЕ КАК ЗАРЯЖЕННОГО, ТАК И НЕЗАРЯЖЕННОГО ПОТОКА МОНОДИСПЕРСНЫХ КАПЕЛЬ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ По этому способу (рис. 4) рабочая жидкость подается от насоса под давлением p = 0,1–1,0 МПа в камеру 2 с соплом 3 и на выходе сопла формируется тонкая ламинарная струя 4, диаметр которой d определяется диаметром сопла и может быть от 30 до 300 мкм. Ламинарным называют режим течения, когда жидкость движется параллельными слоями не перемешиваясь. Для стабилизации частоты каплеобразования, диаметра капель и расстояния между каплями используют пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) 1, на который от звукового генератора ЗГ подают синусоидальное напряжение с амплитудой U и частотой f в диапазоне до 100 кГц. Под действием напряжения U ПЭП, меняя свои размеры, вызывает возмущение поля давлений в камере 2, возникают возмущения поля скоростей в струе 4 жидкости на выходе из сопла, и на расстоянии L от среза сопла с частотой f отрываются капли. В этом месте располагается зарядный электрод, с помощью которого по сигналу от микропроцессора сообщается отрывающейся выбранной капле заряд того или иного знака, величина которого пропорциональна электрическому напряжению на зарядном электроде. Далее, отклоняя в электрическом поле заряженные капли, реализуют необходимые операции в электрокаплеструйных технологиях. Если давление p поддерживается постоянным, то образующиеся капли 5 разделены между собой одними и теми же интервалами λ (см. рис. 4), где λ – длина волны внешнего (от ПЭП) возмущения, причем эти интервалы также управляемы, поскольку λ = υ/f. При этом λ/d  π. Здесь d и υ – диаметр и средняя скорость струи. При отрыве капли от струи возникают тонкие жидкостные перешейки, которые, разрываясь, могут образовывать одну или несколько капелек-сателлитов. Размеры данных сателлитов неодинаковы и зависят от λ, d и диаметра основной капли. Если отрыв перешейка 1

2

3

5 L

Uг min = Uк1 < Uг < Uг max = Uк2 , pг min
pг < pг max .

U, f 2 к

Для заряда капли имеем q к = kπε 0 E к d , где k – коэффициент, зависящий от типа рабочей жидкости и конфигурации электродов; ε0 – электрическая постоянная. При этом капля приобретает униполярный электрический заряд порядка 10−12 Кл.

120

λ

d 4

От ЗГ p Подача рабочей жидкости от насоса Рис. 4. Получение управляемых капель высоким давлением с синхронизацией дробления струи

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 1 , 2 0 0 4

ФИЗИКА происходит сначала от струи, а потом от основной капли, то образуется так называемый быстрый сателлит [5], поверхностное натяжение направляет его вперед и сателлит может слиться с основной каплей. Если сателлит устремляется назад, то возникает медленный сателлит. При одновременном отрыве перешейка с двух сторон образуется переходный сателлит, скорость которого равна скорости основной капли. Целесообразно выбирать такие режимы, при которых имеют место монодисперсные капли без сателлитов или с устойчивыми сателлитами со стабильными параметрами. В заключение отметим, что области деятельности управляемой капли (полученной тем или иным способом) настолько разнообразны, что даже кратко их рассмотреть в ограниченной по объему статье практически невозможно. Однако даже приведенное выше перечисление некоторых из них указывает на обширный круг задач для потенциальных исследователей, основным объектом которых является капля рабочей жидкости. ЛИТЕРАТУРА 1. Гегузин Я.Е. Капля. М.: Наука, 1977. 176 с. 2. Волынский М.С. Необыкновенная жизнь обыкновенной капли. М.: Знание, 1986. 144 с.

3. Дарлинг Ч.Р. Капли, их образование и движение. (Три популярные лекции). М.; Л.: АН СССР, 1937. 104 с. 4. Нагорный В.С. Электрокаплеструйные регистрирующие устройства. Л.: Машиностроение, 1988. 269 с. 5. Keur R.I., Stone J.J. Some effects of fluid jet dynamics on ink jet printing // IEEE Trans. Ind. Appl. 1976. Jan.-Febr. P. 86–90.

Рецензент статьи Б.А. Струков *** Владимир Степанович Нагорный, доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, заслуженный деятель науки Российской Федерации. Область научных интересов – теория управления в физически неоднородных системах, электрогидро- и электрогазодинамика. Автор более 250 научных работ, в том числе 12 монографий и учебных пособий, и более 110 патентов РФ, США, Японии, ФРГ, Великобритании, Франции, Швеции и авторских свидетельств СССР по новым электрогидро- и электрогазодинамическим технологиям и устройствам.

Н А ГО Р Н Ы Й В . С . У П РА В Л Я Е М А Я К А П Л Я

121