液滴成型研究型综合实验的设计与实践.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 6 期 2023 年 6 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.6 Jun.2023 收稿日期:2023-01-29 基金项目:河北省高等教育教学改革研究与实践项目（2018GJJG044）；2019 年天津市一流本科课程建设项目（津教高函20201 号建筑环境与能源应用工程专业导论）；河北工业大学成人高等教育在线开放课程建设项目（K2021-04，K2021-03，K2020-17）；教育部产学合作协同育人项目（220506707210900）作者简介:段润泽（1984），男，山西临汾，博士，副教授，主要研究方向为液体雾化与燃烧，。通信作者:杨华（1970）女，浙江湖州，博士，教授，主要从事建筑节能研究，。引文格式:段润泽，张晓磊，杨华，等.液滴成型研究型综合实验的设计与实践J.实验技术与管理,2023,40(6):90-98.Cite this article:DUAN R Z,ZHANG X L,YANG H,et al.Design and practice of research-oriented comprehensive experiments of droplet formationJ.Experimental Technology and Management,2023,40(6):90-98.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.06.014 液滴成型研究型综合实验的设计与实践 段润泽1,2，张晓磊1，杨 华1，刘联胜1，杜 聪1（1.河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401；2.河北省热科学与能源清洁利用技术重点实验室，天津 300401）摘 要：液滴成型是流体力学中广受关注的研究课题和学科交叉方向，在能源动力、化工材料、医药制备等领域应用广泛。该文针对流体力学相关专业本科生，设计了液滴成型研究型综合实验台，通过分析主液滴和卫星液滴的形成原因和影响因素，总结消除卫星液滴的方法，培养学生提出问题、解决问题的能力。该综合实验有助于加深学生对流体力学和光学测量方法的理解，激发学习兴趣，培养综合素质、实践能力和创新性思维，同时为学生的创新实践活动提供平台。关键词：液滴成型；控制方法；综合实验 中图分类号：O35 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)06-0090-09 Design and practice of research-oriented comprehensive experiments of droplet formation DUAN Runze1,2,ZHANG Xiaolei1,YANG Hua1,LIU Liansheng1,DU Cong1(1.School of Energy and Environmental Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Hebei Key Laboratory of Thermal Science and Energy Clean Utilization,Tianjin 300401,China)Abstract:Droplet formation is a widely concerned research topic and interdisciplinary direction in fluid mechanics.It is widely used in energy power,chemical materials,pharmaceutical preparation and other fields.In this paper,a drop formation research type comprehensive experimental platform is designed for undergraduates majoring in fluid mechanics.By analyzing the causes and influencing factors of the formation of main droplets and satellite droplets,the methods to eliminate satellite droplets are summarized,and students ability to raise and solve problems is cultivated.This comprehensive experiment helps to deepen students understanding of fluid mechanics and optical measurement methods,stimulate their interest in learning,cultivate their comprehensive quality,practical ability and innovative thinking,and provide a platform for students innovative practice activities.Key words:drop formation;control method;comprehensive experiment 1 实验背景 液滴形成是日常生活中的常见现象，在冶金制造、食品医药、化工合成等领域应用广泛。如在中药滴丸制备过程中，研究人员对滴丸形成的尺寸和精度进行控制，可以显著提高滴丸合格率，使整个滴丸制备过程更具经济性。但在液滴形成过程中，液滴与孔口处液体之间会形成颈缩线，在颈缩线断裂过程中常常伴有微小液滴生成，这就是卫星液滴。滴丸生产过程中，卫星液滴的存在不仅浪费资源，影响生产效率，还会因卫星液滴的堆积造成设备管道堵塞。而处理卫星液滴需消耗大量人力物力，还会造成一定的环境污染。段润泽，等：液滴成型研究型综合实验的设计与实践 91 Savart1 Rayleigh2-4和 Tate5等人研究了射流破碎过程中液滴的生成过程，发现无论液体运动特性以及物性参数如何改变，不稳定性液体射流最终都会破碎成小液滴。Lee6首先采用非线性方法模拟了卫星液滴的形成，发现液滴破碎过程中会有卫星液滴生成，液线越长，卫星液滴生成的概率和数量就会越多。Dallaston 等人7对卫星液滴形成的实验研究发现，在液线处发生多次断裂而生成多级卫星液滴的过程是离散自相似的结果，可进一步分为连续型和离散型。Shi等人8通过实验和数值模拟方法探究了卫星液滴生成的影响因素，得出：液体粘度越高，越容易形成单个液滴；随着射流速度增加，颈缩线长度随之增加，主液滴和卫星液滴的体积也随之增加；颈缩线长度和卫星液滴体积随着电场强度的增大而增大。张士州等人9利用 Maxwell 粘弹性模型分析了油墨黏度和分离速度与卫星液滴之间的关系，结果表明，卫星液滴的数量随着油墨黏度和分离速度的增加而增加。Duan 等人10利用高速摄像机记录了射流过程中甘油水溶液主液滴及卫星液滴的形成过程。如图 1 所示，液体从滴头出口流出形成颈缩线和下方球状液体。当颈缩线发生一次断裂后，由于表面张力和颈缩线处的大曲率会造成颈缩线快速收缩，颈缩线上端与倒圆锥状液体接触部分也发生断裂，该断裂称为二次断裂，二次断裂使颈缩线中的液体变为卫星液滴。图 1 射流过程中卫星液滴产生过程 以上研究主要集中于卫星液滴形成机理，还有一些研究是针对抑制卫星液滴生成的。Banitabaei等人11通过加装气动设备对卫星液滴消除进行实验研究，研究发现，该气动设备主要通过泄压阀排出贮液室内的空气从而形成负压环境，在压力差的作用下液体射流会吸回到储液室，则颈缩线断裂时不会产生卫星液滴。此外，当设备处于最佳工作压力范围时，液滴的初始速度可以忽略不计，也不会产生卫星液滴。Yang 等人12研究了一种具有超疏墨性、低附着力的锥形喷嘴用来消除卫星液滴。该喷嘴主要通过增强液丝在断点处的Rayleigh 不稳定性，使液滴加速从喷嘴流出，再通过切割喷嘴开口处的喷射墨丝来去除卫星液滴。Wang 等人13发现，低粘度溶液的颈缩线只有当液丝足够长时才发生断裂，而粘度较高时液丝收缩时间变短，不足以断裂生成卫星液滴，也就是说溶液粘度的增大可以稳定液线从而抑制卫星液滴的生成。Du等14采用不同分子量和浓度的混合溶剂（氯苯和高粘度环己基苯）来调节油墨的粘度、表面张力和粘弹性，进而抑制卫星液滴并获得稳定的单液滴。Kovalchuk 等人15研究了添加表面活性剂对卫星液滴生成机理的影响，研究结果表明：当颈缩线发生断裂时，局部位置表面活性剂含量会增加，由于马兰戈尼应力的存在延缓了液体从液桥流出的时间，改变了断裂速度，因此表面活性剂能够减少卫星液滴的生成；在低粘度下，卫星液滴尺寸随表面活性剂浓度的增大而增大；在高粘度下，卫星液滴尺寸随表面活性剂浓度的增大而减小。Gerard 等人16对不同表面活性剂对液滴形成和断裂过程的影响规律进行了实验研究，发现流体界面的粘弹性可以影响断裂形态和动力学特性，如粘弹性可以通过改变液体射流颈缩线的形状来消除卫星液滴。Sen 等人17在水性油墨中通过加入少量长链聚合物（聚环氧乙烷）来提高溶液的粘弹性，进而探究其对卫星液滴的影响，发现提高粘弹性可以抑制卫星液滴的产生，还发现当聚合物浓度在一定范围内时卫星液滴也会受到抑制。以上研究主要通过改变溶液物理性质来抑制卫星液滴的生成，但在一些生产工艺中，如在中药生产和增材制造中，不允许改变溶液的物性参数，因此有必要研究抑制卫星液滴产生的其他方法。Duan 等人10通过在实验中施加纵向扰动，研究了扰动频率对主液滴和卫星液滴的影响规律，发现存在一个最佳扰动频率可以消除射流过程中的卫星液滴，同时外加纵向扰动会减小主液滴的直径和生成周期。Wang 等人18研究了脉冲电磁力对卫星液滴生成的影响，发现利用外部电场可以成功抑制卫星液滴的生成，卫星液滴数量和主液滴尺寸随电场强度的增大而减小。Mcllroy19和 Fraters20等人研究了驱动波形对卫星液滴的影响，发现在喷墨打印过程中对驱动信号添加二次谐波，可以增加卫星液滴与主液滴合并的可能性。由于通过外加扰动和电场来减少卫星液滴生成的主动控制法，对于多滴头的生产系统存在控制困难等问题，本研究主要采用被动控制即改变滴头结构、在内部增加引流装置方法来抑制卫星液滴的产生。本文通过搭建液滴成型综合实验台，利用高速摄像机记录高黏液滴滴落过程，来探究液滴成型机理和卫星液滴抑制方法。实验涉及流体力学和光学等多学科专业知识的交叉融合，还能与其他实验台进行关联并拓展实验内容。92 实 验 技 术 与 管 理 2 实验装置 2.1 实验平台总体结构 本实验所搭建的实验装置主要由物性参数测量系统、光源系统、液滴生成系统、数据采集与分析系统组成。物性参数测量系统主要包括电子天平、粘度仪和表面张力仪，用来测量溶液的质量、粘度以及表面张力。光源系统包括聚光灯和均光板，用来提供稳定均匀的发光面。液滴生成系统包括储液池、导管、底盘、补液装置、滴头、接液池、实验台架等，用于主液滴和卫星液滴的形成。数据采集和分析系统包括高速摄像机和计算机，用来对液滴滴落过程进行拍摄记录，并将拍摄图像传输到计算机进行处理分析。本实验设备示意图如图 2 所示。实验前首先需要用表面张力仪和粘度仪对甘油水溶液的表面张力和粘度进行测量，用电子天平对调配好的甘油水溶液进行质量测量。为了使甘油充分溶于水中，需要用搅拌器进行搅拌，以完成准备工作。之后将甘油水溶液加入到储液池中，并密封储液池以防止甘油挥发。甘油水溶液通过储液池下方导管流入滴盘，导管上的补液装置会对流入滴盘的溶液进行定量监测，使溶液在滴盘中形成所需要的液面高度，并控制液面高度保持不变。甘油水溶液在滴盘下方滴头处会形成液滴并落入下方的废液池中，在液滴滴落过程中，利用高速摄像机对液滴滴落过程进行拍照记录，同时另一侧的聚光灯形成的光束会透过均光板进行均光处理以使拍摄区域清晰明亮。最后将拍摄图像传输到计算机进行处理分析。注：表面张力仪；粘度计；储液池；导管；滴盘；补液装置；滴头；接液池；聚光灯；均光板；高速摄像机；电脑。图 2 实验系统示意图 2.2 实验设备 本实验所用滴盘和滴头如图 3 所示。滴盘高度为50 mm，内径为 100 mm，其下部共有 10 个接口用来连接滴头，本实验中只保留一个滴头接口，其他接口均进行密封处理。滴头具体参数见表 1。实验使用的甘油（纯度 99.98%）与蒸馏水通过不 图 3 滴盘与滴头实物图 表 1 滴头参数表 外径/mm 壁厚/mm 内径/mm 总长/mm 3.43 0.315 2.8 37 3.06 0.21 2.6 37 2.75 0.175 2.4 37 2.41 0.21 2.2 37 同配比可得到不同质量分数的甘油水溶液。利用精度为万分之一的电子天平，来配制所需质量分数的甘油水溶液。不同质量分数的甘油水溶液粘度系数和表面张力系数分别进行 3 次测量并取平均值。本实验测量得到的不同质量分数的甘油水溶液的粘度系数和表面张力系数见表 2。表 2 不同质量分数甘油水溶液的密度、动力粘度 和表面张力系数（24.5）液体类型 密度/(kgm3)动力粘度/(mPas)表面张力系数/(mNm1)10%水 90%甘油溶液1.240103 208.2 64.61 8%水 92%甘油溶液1.244103 284.4 64.54 6%水 94%甘油溶液1.248103 380.4 64.48 4%水 96%甘油溶液1.252103 545.4 64.25 2%水 98%甘油溶液1.256103 783.4 64.05 通过实验测得的动力粘度和表面张力系数折线图如图 4 所示。可以看到，随着甘油水溶液质量分数的增大，动力粘度逐渐增大，而表面张力系数则逐渐减小。实验使用了加装引流装置的滴头来抑制卫星液滴的生成。引流装置如图 5 所示，材料为 316L 不锈钢，直径为 0.5 mm，尖端处针尖长度为 1 mm。本实验分别采用了 4 种不同规格尺寸的引流装置，具体尺寸数据见表 3。段润泽，等：液滴成型研究型综合实验的设计与实践 93 图 4 动力粘度和表面张力系数折线图 图 5 引流装置结构图 表 3 引流装置尺寸 单位：mm 引流装置直径 引流装置总长度 引流装置超出滴头出口长度0.5 19 2 0.5 20 3 0.5 21 4 0.5 22 5 由于添加了引流装置，所以必须对滴头进行结构改造。滴头材料同样采用 316L 不锈钢，滴头上部有两个对称分布且倾斜度为 30的圆孔，圆孔直径为 2.6 mm，滴头顶部两圆孔相交，与底部直径为 2.8 mm 的圆孔相交，滴头顶部还开有一直径为 0.7 mm 的圆孔并与下方相交，用来装配引流装置。滴头结构及引流装置装配实物图如图 6 和图 7 所示。2.3 实验步骤 使用甘油（纯度 99.98%）和蒸馏水的混合溶液作为实验液体，主要通过改变溶液质量分数来改变液体的黏度、表面张力、密度等参数。根据实验测量原理和实验平台安全操作要求，具体实验步骤如下。（1）配置溶液。用甘油（纯度 99.98%）与蒸馏水 图 6 滴头结构图 图 7 滴头与引流装置装配实物图 进行配比，配置出不同质量分数的甘油水溶液。调配时首先要在天平上放置空烧杯，记录天平读数 m1，之后加入定量的甘油，记录此时天平读数为 m2，再加入一定量的蒸馏水，此时天平读数为 m3。可以得到甘油的质量为：g21mmm（1）蒸馏水的质量 mw为：32wmmm（2）设所需配置的甘油水溶液浓度为，则：2131mmmm（3）按照选定好的浓度为 的甘油水溶液进行配置，需要加入蒸馏水至天平读数为：2131mmmm（4）（2）控制液面高度。在储液池中加入配置好的甘油水溶液，打开补液装置进行流量调节，以使滴盘中的液面高度保持不变。（3）影像设备调试。首先调整高速摄像机、聚光灯的高度及其与实验台的相对位置，打开电脑，开启聚光灯，接通高速摄像机，设置分辨率和镜头焦距以保证所拍摄的图像在电脑上清晰准确。（4）实验设置。将配置好的甘油水溶液倒入储液池，甘油水溶液从储液池经由导管流入滴盘，滴盘上方导管配置补液装置，对甘油水溶液进行定量控制，94 实 验 技 术 与 管 理 使甘油水溶液在滴盘中保持固定的液面高度。甘油水溶液从滴盘下方滴头处流出形成液滴，液滴落入下方接液池。（5）影像采集与分析。在甘油水溶液滴落过程中，通过聚光灯进行补光，并通过均光板进行均光处理，利用高速摄像机记录液滴离开滴头、颈缩线断裂、形成液滴下落等过程，并将拍摄的图像及数据传输至与之相连接的电脑，进行后续处理分析。实验结束后，将剩余溶液进行废液处理，并清洗烧杯、滴盘、储液池、接液池、导管等实验用品，避免由于不洁净产生的误差影响下次实验的精度和准确性。3 实验结果与分析 根据上述实验步骤完成测试，得到实验数据和图像，通过分析软件处理图像，确定主液滴大小和卫星液滴数量等参数。探究甘油水溶液质量分数、液面高度和滴头内径等参数对卫星液滴生成的影响规律，以及加装引流装置抑制卫星液滴生成的效果。3.1 未加装引流装置情况 实验研究了液面高度、滴头内径和甘油水溶液质量分数等参数对卫星液滴生成数量的影响规律。3.1.1 质量分数对卫星液滴的影响 图8所示为滴头直径为2.8 mm、液面高度为10 mm情况下，分别选取质量分数为 90%、92%、94%、96%、98%的甘油水溶液，利用高速摄像机拍摄的不同质量分数甘油水溶液卫星液滴生成情况。从图 9 中可以看出，随着甘油水溶液质量分数的增大，卫星液滴的数量逐渐增多。这主要是由于甘油水溶液质量分数的增大使得溶液粘度逐渐增大，颈缩线变长使得液线不容易断裂，断裂长度增大，使得液线断裂为多段的缘故。3.1.2 液面高度对卫星液滴的影响 图 10 所示为滴头内径为 2.8 mm、甘油水溶液质 图 8 不同质量分数的甘油水溶液形成的卫星液滴 量分数为 98%条件下，不同液面高度对卫星液滴数量的影响。从图中可以看出，随着液面高度的增大，卫星液滴的数量逐渐增多。这主要是因为液面高度的增大导致液线变长，断裂长度增大，从而使断裂后形成的卫星液滴数量增多。图 9 甘油水溶液的质量分数对卫星液滴数量的影响 图 10 不同液面高度对卫星液滴数量的影响 3.1.3 滴头内径对卫星液滴的影响 图 11 所示为液面高度为 10 mm、甘油水溶液质量分数为 98%，不同滴头内径对卫星液滴数量的影响。从图中可以看出，随着滴头内径的增大，卫星液滴的生成数量逐渐增多。这主要是因为滴头内径的增大使得滴头出口处流量增大，同时由于液线不易断裂，导致断裂长度增大，从而使液线断裂后形成的卫星液滴数量增多。图 11 滴头内径对卫星液滴数量的影响 段润泽，等：液滴成型研究型综合实验的设计与实践 95 3.2 加装引流装置情况 实验研究了加装引流装置后，液面高度、滴头内径、甘油水溶液质量分数和引流装置长度等参数对于断裂长度、主液滴直径、生成周期和卫星液滴生成数量的影响规律。本节实验滴头内径为 2.8 mm，甘油水溶液质量分数为 98%，加装的引流装置直径为 0.5 mm、长度为 20 mm。3.2.1 引流装置的有效性验证 图 12 所示为有无引流装置时卫星液滴的生成情况。其中(a1)(a2)为无引流装置时的液线断裂图，(b1)(b2)为有引流装置时的液线断裂图。由图 12(a2)与图 12(b2)的比较可以看出，无引流装置时，液线断裂后形成 6个卫星液滴且形状大小不尽相同，而加装引流装置后卫星液滴数量变为 3 个，大小较为均匀。图 12 有无引流装置条件下液滴生成过程 图 13 所示为有无引流装置卫星液滴生成数量随液面高度的变化情况。从图中可以看出，两种情况下卫星液滴生成数量都随着液面高度的增加而增多，但加装引流装置的卫星液滴生成数量明显少于未加装引流装置的。所以加装引流装置能够有效减少卫星液滴数量，抑制卫星液滴生成。图 13 有无引流装置条件下卫星液滴数量随液面高度的变化 3.2.2 液面高度对液滴生成过程的影响 图 14 所示为有无引流装置时，液面高度对液滴形成过程中断裂长度的影响规律。从图中可以看出，随着液面高度的增加，两种情况的断裂长度都逐渐增加。而加装引流装置时的断裂长度明显小于未加装引流装置时的断裂长度。这主要是因为增加引流装置改变了射流的表面扰动，使颈缩线提前发生断裂，从而使断裂长度小于加装引流装置情况。图 14 有无引流装置条件下液面高度对断裂长度的影响 图 15 所示为有无引流装置时，液面高度对液滴形成过程中主液滴直径的影响规律。从图中可以看出，随着液面高度的增加，两种情况下主液滴直径均逐渐增加。而加装引流装置后，主液滴直径明显小于未加装引流装置情况。这是因为引流装置的存在使滴头出口处截面积减小，从而使单位时间内流出的甘油水溶液质量减少，最终使得主液滴直径小于未加装引流系统情况。图 15 有无引流装置条件下液面高度对主液滴直径的影响 图 16 所示为有无引流装置时，液面高度对液滴形成过程中生成周期的影响规律。从图中可以看出，随着液面高度的增加，两种情况下液滴的生成周期均逐渐缩短，且加装引流装置后，液滴生成周期明显小于同等条件下未加装引流装置的情况。这是因为加装引流装置后，改变了射流表面波的扰动频率，从而使颈缩线断裂时间提前，液滴形成时间即生成时间相应缩短。96 实 验 技 术 与 管 理 图 16 有无引流装置条件下液面高度对生成周期的影响 图 17 所示为加装引流装置时，液面高度对液滴形成过程中卫星液滴数量的影响规律。从图中可以看出，卫星液滴数量随着液面高度的增大而增多，这主要是因为液面高度的增大导致颈缩线变长，断裂长度增大，液线断裂后形成的卫星液滴数量随之增多。图 17 加装引流装置条件下液面高度 对卫星液滴数量的影响 3.2.3 溶液质量分数对液滴生成过程的影响 图 18 所示为有无引流装置时，溶液质量分数对液滴形成过程中断裂长度的影响规律。从图中可以看出，随着溶液质量分数的增大，两种情况下液滴形成过程中的断裂长度均逐渐增大，而加装引流装置后液滴形成过程中的断裂长度明显小于未加装引流装置情况。这是因为溶液质量分数的增大使得溶液粘度随之增大，这就使射流所形成的的液线变长且不易断裂，最 图 18 有无引流装置条件下质量分数对断裂长度的影响 终导致断裂长度增大。而引流装置的存在改变了表面波的扰动以及射流内部的压力分布，使得液线提前断裂，断裂长度相对较短。图 19 所示为有无引流装置时，溶液质量分数对液滴形成过程中主液滴直径的影响规律。从图中可以看出，随着溶液质量分数的增大，两种情况下液滴形成过程中主液滴直径均逐渐减小，而在加装引流装置后，液滴形成过程中主液滴直径明显小于未加装引流装置情况。这是因为溶液质量分数增大使溶液粘度随之增大，而表面张力相对减小，在粘度与表面张力的共同作用下，主液滴直径逐渐减小。引流装置的存在使射流形成的液线提前断裂，从而使主液滴直径比未加装引流装置时要小。图 19 有无引流装置条件下质量分数对主液滴直径的影响 图 20 所示为有无引流装置时，溶液质量分数对液滴形成过程中生成周期的影响规律。从图中可以看出，随着溶液质量分数的增大，两种情况下液滴形成过程中的生成周期均逐渐延长，而加装引流装置后，液滴生成周期明显小于未加装引流装置情况。这是因为加装引流装置后，改变了射流表面波的扰动频率，从而使颈缩线断裂时间提前，液滴形成时间即生成周期也就随之缩短。图 20 有无引流装置条件下质量分数对生成周期的影响 图 21 所示为加装引流装置时，溶液质量分数对液滴形成过程中卫星液滴数量的影响规律。从图中可以 段润泽，等：液滴成型研究型综合实验的设计与实践 97 看出，卫星液滴数量随着溶液质量分数的增大而增多。这是因为溶液质量分数的增大导致粘度增大，颈缩线变长，断裂长度增大，液线断裂后形成的卫星液滴数量随之增多。图 21 质量分数对卫星液滴数量的影响 3.2.4 引流装置长度对液滴生成过程的影响 图 22 所示为引流装置长度对于液滴形成过程中断裂长度的影响规律。从图中可以看出，随着引流装置长度的增加，液滴生成过程中的断裂长度增加。这是因为引流装置长度的增加，减弱了射流过程中表面波的扰动，从而使液线不易断裂，断裂长度增加。图 22 引流装置长度对断裂长度的影响 图 23 所示为引流装置长度对于液滴形成过程中主液滴直径的影响规律。从图中可以看出，主液滴直径随着引流装置长度的增加而增大。这是因为随着引流装置长度的增加，在粘度与表面张力共同作用下，附着在引流装置上的甘油水溶液更多，从而使单位时间内用于形成主液滴的溶液减少，最终使主液滴的直径和体积都减小。图 24 所示为引流装置长度对液滴形成过程中生成周期的影响规律。从图中可以看出，随着引流装置长度的增加，液滴生成周期逐渐缩短。这是因为随着引流装置长度的增加，引流装置对于甘油水溶液的引流速度随之增大，同时附着在引流装置上的甘油水溶液逐渐增多，最终使得液滴的生成周期缩短。图 23 引流装置长度对主液滴直径的影响 图 24 引流装置长度对生成周期的影响 图 25 所示为引流装置长度对液滴形成过程中卫星液滴生成数量的影响规律。从图中可以看出，随着引流装置长度的增加，卫星液滴生成数量呈增多趋势。这是因为引流系统长度的增加，使得断裂长度增加，最终使得液线断裂形成的卫星液滴数量增多。图 25 引流装置长度对卫星液滴数量的影响 4 实验拓展与延伸 在能源动力、生物医学、中药制药、化学工程与工艺等专业的教学实验中，可以依托液滴成型综合实验平台进行以下实验内容拓展，延伸相关基础课程学习。（1）主动控制法抑制卫星液滴实验。主动控制法即施加纵向扰动，在液滴成型实验平台基础上搭建外加扰动消除卫星液滴的实验平台，研究扰动频率、流体物性、滴头直径等参数对消除卫星液滴的影响，并98 实 验 技 术 与 管 理 对比主动控制法与被动控制法对卫星液滴的消除效果，辅助“工程流体力学”等课程中流体运动学和流体动力学基础等相关内容的教学工作。（2）射流过程中液滴的滴-射流模式转换实验。由于液体通过滴头下落的过程中存在两个不同阶段，液滴周期性滴落的滴阶段（dripping）和连续喷射的射流阶段（jetting）。利用液滴成型综合实验平台，可以探究液面高度、流体物性、滴头直径、引流装置规格等参数对射流过程中滴-射流模式转变的影响，明晰射流过程中的液体动力学性能，辅助“工程流体力学”等课程开展流体动力学原理知识的教学工作。5 结语 本文通过搭建液滴成型综合实验台，探讨了甘油质量分数、页面高度和滴头内径对液滴的影响，分析了加装引流装置对流体流动特性的影响，可以很好地支撑相关课程的实验教学，强化了学生对流体力学和光学聚焦等基础理论知识的理解，得到了以下科研结论。（1）与未加装引流装置相比，加装引流装置能够有效减少卫星液滴的生成数量。（2）断裂长度、主液滴直径和液滴生成周期随液面高度和溶液质量分数等参数的变化而产生相同的变化趋势，即随着液面高度和溶液质量分数的增加，断裂长度增加、主液滴直径减小、生成周期延长。（3）加装引流装置后液面高度和溶液质量分数变化所产生的断裂长度、主液滴直径和液滴生成周期与未加装引流装置时相比，呈现减小趋势。（4）随着引流装置长度的增加，主液滴直径和生成周期随之减小，而断裂长度则随之增加，并且卫星液滴的生成数量也随之增多。参考文献(References)1 SAVART F.Suite du mmoire sur le choc dune veine liquide lance sur un plan circulaireJ.Annl de Chimie et de Physique,1833(54):113145.2 RAYLEIGH L.On the instability of jetsJ.Proceedings of the London Mathematical Society,1878(10):413.3 RAYLEIGH F R S.Further observations upon liquid jets,in continuation of those recorded in the Royal Societys Proceedings for March and May,1879J.Proceedings of the Royal Society of London,1882(34):130145.4 RAYLEIGH L.Investigations in capillarityJ.Philosophical Magazine,1899(48):321337.5 TATE T.On the magnitude of a drop of liquid formed under different circumstancesJ.The 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