陳曉杰 蘇 宇

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212003)

靜電霧化是指在液體噴嘴和對(duì)應(yīng)的接地電極之間施加數(shù)千伏電壓時(shí)，噴嘴尖端的液體受到電場(chǎng)力作用，并克服表面張力破碎成細(xì)小帶電霧滴的現(xiàn)象[9]。由于破碎霧滴帶有大量同性電荷，霧滴間存在庫(kù)侖斥力，阻止液滴凝聚，因此有較好的分散性；同時(shí)帶電液滴在電場(chǎng)下受到電場(chǎng)力作用沿著電場(chǎng)線方向移動(dòng)，可以較好地控制霧滴軌跡。宮樂(lè)[10]研究了油基納米流體的靜電霧化切削效果，發(fā)現(xiàn)其相對(duì)于微量潤(rùn)滑而言，不僅能有效抑制刀具磨損，而且明顯降低切削環(huán)境油霧濃度，因此靜電霧化切削有望成為新一代綠色切削技術(shù)。

在靜電霧化切削加工時(shí)，微量潤(rùn)滑液以霧滴的形式抵達(dá)前刀面-切屑和后刀面-已加工表面間的鍥形區(qū)，然后通過(guò)大量的毛細(xì)管滲透進(jìn)入變形區(qū)，起到潤(rùn)滑作用。潤(rùn)滑液潤(rùn)滑作用受潤(rùn)滑液的滲透性能影響，而潤(rùn)濕性是液體在固體表面鋪展的傾向性，可以通過(guò)潤(rùn)濕角進(jìn)行描述，為評(píng)價(jià)潤(rùn)滑液滲透性能的一個(gè)重要指標(biāo)[11]，因此研究潤(rùn)滑液電潤(rùn)濕性具有重要意義。

本文作者搭建了電潤(rùn)濕潤(rùn)濕角測(cè)量裝置，在不同電壓下對(duì)不同潤(rùn)滑液(去離子水、蓖麻油、葵花油及其對(duì)應(yīng)納米流體)的潤(rùn)濕角進(jìn)行測(cè)量，并結(jié)合電潤(rùn)濕仿真，研究了電潤(rùn)濕機(jī)制，為合理地選擇靜電霧化用潤(rùn)滑液提供了參考。

1 電潤(rùn)濕理論

兩流體界面與固體表面的潤(rùn)濕角由接觸點(diǎn)處力的平衡決定[12]。圖1為固-液間潤(rùn)濕角結(jié)構(gòu)示意圖。平衡潤(rùn)濕角θ0由楊氏方程給出：

圖1 固-液間潤(rùn)濕角的結(jié)構(gòu)示意

γsl+γlvcosθ0=γsv

(1)

式中：γsl為液滴與固體表面之間單位面積的表面能(N/m)；γsv為氣體與固體表面之間單位面積的表面能(N/m)；γlv為液滴與氣體表面之間單位面積的表面能(N/m)；θ0為初始潤(rùn)濕角(°)。

電潤(rùn)濕(Electrowetting on Dielectric,EWOD)通常由電極-介質(zhì)層-液滴-空氣系統(tǒng)組成，如圖2所示。如果液滴與介質(zhì)外導(dǎo)體之間存在電壓差，則楊氏方程修正如下：

圖2 介質(zhì)上電潤(rùn)濕原理示意

(2)

式中：ε為介質(zhì)層相對(duì)介電常數(shù)(無(wú)單位)；U為液滴與介質(zhì)外導(dǎo)體之間電壓差(V);df為介質(zhì)層厚度(m);θew為加電壓之后的接觸角(°)。

結(jié)合公式(1)、(2)可得：

(3)

2 電潤(rùn)濕試驗(yàn)與仿真

2.1 電潤(rùn)濕試驗(yàn)2.1.1 電潤(rùn)濕潤(rùn)濕角測(cè)量裝置

圖3為電潤(rùn)濕潤(rùn)濕角測(cè)量裝置實(shí)物圖。該裝置包括產(chǎn)生負(fù)高壓的高壓靜電發(fā)生器、精密注射泵、顯微成像系統(tǒng)、噴嘴及支架、電極針、鈦合金薄板、絕緣層。顯微成像系統(tǒng)包括臥式視頻顯微鏡、數(shù)據(jù)采集分析的計(jì)算機(jī)。其中鋪有絕緣層的鈦合金薄板置于臥式視頻顯微鏡載物臺(tái)上，電極針在絕緣層上方3 mm位置且與絕緣層平行，噴嘴垂直于絕緣層且在其上方20 mm位置。

圖3 電潤(rùn)濕潤(rùn)濕角測(cè)量裝置

電極針通過(guò)導(dǎo)線連接至高壓靜電發(fā)生器負(fù)極，噴嘴固定在萬(wàn)向調(diào)節(jié)支架末端的絕緣材料上，通過(guò)硅橡膠管連接至注射泵，潤(rùn)滑液液滴滴落在顯微成像系統(tǒng)的工作臺(tái)上的絕緣層上表面，臥式視頻顯微鏡通過(guò)USB連接線與計(jì)算機(jī)連接。

2.1.2 納米流體制備與物性測(cè)量

試驗(yàn)所用潤(rùn)滑液分別為水、葵花油、蓖麻油及以其為基液的體積分?jǐn)?shù)為0.1%的多壁碳納米管納米流體。采用直徑10～20 nm的多壁碳納米管，通過(guò)兩步法制備上述納米流體。首先納米流體體積分?jǐn)?shù)需轉(zhuǎn)化為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，換算公式如下：

(4)

式中：ρo為基液的密度(kg/m3);ρs為納米顆粒的密度(kg/m3);ω為納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù);φ為納米顆粒體積分?jǐn)?shù)。

所選用的多壁碳納米管、去離子水、蓖麻油、葵花油的密度見(jiàn)表1。

表1 納米顆粒和基液密度

納米流體懸浮穩(wěn)定性的測(cè)試方法主要包括靜置沉淀法和Zeta電位法。靜置沉淀法操作簡(jiǎn)單，只需將配好的納米流體靜置，觀察分層。顏色保持的時(shí)間越久，穩(wěn)定性越好。Zeta電位法則根據(jù)懸浮液中帶電納米流體顆粒間的斥力來(lái)說(shuō)明分散穩(wěn)定性好壞。顆粒間的靜電斥力越大，不易團(tuán)聚，說(shuō)明分散性能越好。而靜電斥力的表征需通過(guò)測(cè)量顆粒致密層和擴(kuò)展層交界面處的電勢(shì)(Zeta電位)。當(dāng)Zeta絕對(duì)值高于30 mV，則該分散體系比較穩(wěn)定[13-14]。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，體積分?jǐn)?shù)為0.1%的多壁碳納米管水基納米流體加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%分散劑阿拉伯膠后，Zeta電位達(dá)到-34.1 mV，分散穩(wěn)定性較好，因此文中水基納米流體選擇該方法配制。葵花油和蓖麻油作為基液的多壁碳納米管納米流體并不需要添加阿拉伯膠分散劑。隨后，用電子分析天平(型號(hào)：FA2004B，量程：0～200 g，精度：0.1 mg)稱(chēng)量一定量的多壁碳納米管和基液，混合后放入超聲振動(dòng)儀(型號(hào)KQ-100DE，頻率45 kHz，功率：100 W)進(jìn)行超聲振動(dòng)強(qiáng)化分散，振動(dòng)時(shí)間2 h。

采用上海方瑞儀器有限公司制造的NDJ-9S黏度計(jì)和BZY-1型全自動(dòng)表面張力儀測(cè)量潤(rùn)滑液黏度與表面張力，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 潤(rùn)滑液的物理參數(shù)

2.1.3 潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角測(cè)量

通過(guò)精密注射泵使液滴由噴嘴處緩慢滴落，液滴滴落后關(guān)閉注射泵，待液滴在絕緣層上穩(wěn)定后，經(jīng)高壓靜電發(fā)生器對(duì)電極針施加數(shù)千伏的負(fù)電壓，通過(guò)計(jì)算機(jī)觀察并記錄液滴潤(rùn)濕角的變化情況，通過(guò)PotPlayer軟件中將視頻按“每幀提取”方式分解圖片，最后通過(guò)VXM軟件測(cè)量分解后圖片上液滴的潤(rùn)濕角。

2.2 電潤(rùn)濕仿真2.2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)試驗(yàn)中未加電壓的液滴實(shí)際尺寸，建立仿真幾何模型，如圖4所示。仿真中對(duì)潤(rùn)滑液液滴邊界施加電壓。

圖4 仿真模型

圖5所示為網(wǎng)格劃分結(jié)果。仿真中采用自由三角形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，設(shè)置最小單元大小0.003 mm，最大單元增長(zhǎng)率為1.13，曲率因子為0.3，狹窄區(qū)域分辨率為1，對(duì)邊界條件進(jìn)行縮放，單元大小比例為0.5。

圖5 網(wǎng)格劃分

2.2.2 控制方程

采用層流、水平集及潤(rùn)濕壁3個(gè)方程并行完成電潤(rùn)濕仿真。

以不可壓縮Navier-Stokes方程計(jì)算液滴的速度和壓力：

(5)

式中：ρ為密度(kg/m3)；μ為動(dòng)力黏度(Pa·s)；u為流體速度(m/s)；p為壓力(Pa)；Fst為表面張力(N/m)。

以水平集方程追蹤液滴界面，計(jì)算2個(gè)流體之間的界面和表面張力：

(6)

式中：ε為界面厚度控制參數(shù)(m)；ε=hc/2，hc為典型網(wǎng)格尺寸(m)；u為流體速度(m/s)；γ為重新初始化參數(shù)(取值1)，φ為相場(chǎng)變量(0～1)。

(7)

T=σ(I-(nnT)δ)

(8)

(9)

密度、黏度的水平集函數(shù)：

ρ=ρ1+(ρ2-ρ1)φ

(10)

μ=μ1+(μ2-μ1)φ

(11)

式中：ρ為密度(kg/m3)；ρ1為空氣密度(kg/m3)；ρ2為潤(rùn)滑液液滴密度(kg/m3)；φ為相場(chǎng)變量(0～1)；μ為動(dòng)力黏度(Pa·s)；μ1為空氣動(dòng)力黏度(Pa·s)；μ2為潤(rùn)滑液液滴動(dòng)力黏度(Pa·s)。

以潤(rùn)濕壁方程調(diào)控潤(rùn)濕角：

n·u=0

(12)

(13)

(14)

式中：n為邊界法線；u為流體速度(m/s);Fwall為壁力(N/m2);σ為表面張力系數(shù)(N/m);θ為液滴潤(rùn)濕角;δ為流體界面處非零的狄拉克函數(shù);nint為助變量(1);β為滑移長(zhǎng)度(m);μ為動(dòng)力黏度(Pa·s)；ε為界面厚度控制參數(shù)(m)；φ為相場(chǎng)變量(0～1)。

3 結(jié)果及分析

3.1 潤(rùn)濕角測(cè)量結(jié)果

圖6所示為不同電壓下蓖麻油基納米流體液滴的潤(rùn)濕角。

圖6 不同電壓下蓖麻油基納米流體的潤(rùn)濕角

從圖6可以看出，施加電壓后，蓖麻油基納米流體的潤(rùn)濕角減小，且電壓越大，液滴潤(rùn)濕角越小。

圖7示出了不同潤(rùn)滑液的潤(rùn)濕角隨電壓的變化情況。可以看出，各種潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角隨電壓的增大而減小；當(dāng)電壓為-3 kV時(shí)，6種潤(rùn)滑液的潤(rùn)濕角較未施加電壓時(shí)變化不大；當(dāng)電壓增加到-7 kV時(shí)，6種潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角較未加電壓時(shí)明顯變小，去離子水潤(rùn)濕角減小幅度最小(27%)，葵花油潤(rùn)濕角減小幅度最大(58%)；同等電壓下，加入納米顆粒的潤(rùn)滑液比其對(duì)應(yīng)基液的潤(rùn)濕角要小，這可說(shuō)明納米顆粒的加入可提高潤(rùn)滑液的電潤(rùn)濕性能；在相同電壓下，潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角由大到小排列依次為去離子水、去離子水基納米流體、蓖麻油、蓖麻油基納米流體、葵花油、葵花油基納米流體，葵花油基納米流體的電潤(rùn)濕性能最好。與未加電壓相比，不同電壓下各種潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角減少百分比見(jiàn)表3。

圖7 不同電壓下各種潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角對(duì)比

表3 不同電壓下各種潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角減小百分比

3.2 潤(rùn)濕角仿真結(jié)果

圖8所示為外加電壓為-5 kV時(shí)不同潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比?？梢钥闯?，試驗(yàn)測(cè)得的潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角比仿真得到的潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角要稍大；與試驗(yàn)結(jié)果相比，潤(rùn)濕角仿真結(jié)果的誤差在13%～24%。這是因?yàn)殡姖?rùn)濕試驗(yàn)中通過(guò)電極針電離空氣后使?jié)櫥阂旱螏щ姡抡嬷惺侵苯訉?duì)液滴施加電壓，這使得試驗(yàn)中液滴帶電低于仿真，進(jìn)而導(dǎo)致潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角試驗(yàn)值高于仿真值，存在一定的誤差。

圖8 -5 kV條件下不同類(lèi)型潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖9所示為不同潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角隨仿真時(shí)間的變化曲線。可以看出，在0～60 ms內(nèi)，潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角迅速減小，6種潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角減小百分比在20%左右；60～120 ms內(nèi)，潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角減小速度較之前明顯降低，與60 ms時(shí)相比，減小了大約6%；120 ms后潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角幾乎不再發(fā)生變化，即潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 -5 kV仿真條件下不同類(lèi)型潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角隨時(shí)間的變化曲線

圖10所示為-5 kV電壓下60 ms時(shí)葵花油基納米流體液滴表面速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。可以看出，當(dāng)施加電壓時(shí)，液滴中心頂端位置壓力與速度較大且速度方向指向液滴內(nèi)部，而液滴邊緣速度較小，方向指向液滴邊緣，因此液滴逐漸趴平，潤(rùn)濕角變小。

圖10 -5 kV仿真條件下葵花油基納米流體液滴的速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)

圖11所示為仿真時(shí)間100 ms時(shí)不同電壓下去離子水潤(rùn)滑液的壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)?？梢钥闯?，電壓越高，潤(rùn)滑液液滴表面的速度變化越劇烈，液滴趴平速度越快。

圖11 仿真時(shí)間100 ms時(shí)不同電壓下去離子水潤(rùn)滑液的壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)

圖12所示為在電壓為-5 kV下仿真100 ms時(shí)不同潤(rùn)滑液的壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)?？梢钥闯觯ㄓ汀⒖ㄓ突{米流體液滴內(nèi)部的壓力梯度較大，因此其趴平程度大，潤(rùn)濕角小。

圖12 在電壓為-5 kV下仿真100 ms時(shí)不同潤(rùn)滑液的壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)

4 結(jié)論

(1)潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角受外加電場(chǎng)的影響，在一定范圍內(nèi)，電壓越大，潤(rùn)滑液潤(rùn)濕角越小。

(2)在潤(rùn)滑液中加入納米顆粒后，電潤(rùn)滑性能提高。

(3)在外加電壓相同時(shí)，與去離子水、去離子水基納米流體、蓖麻油、蓖麻油基納米流體、葵花油相比，葵花油基納米流體的潤(rùn)濕角最小，潤(rùn)濕性最好。

(4)對(duì)潤(rùn)滑液液滴施加電壓后，液滴各位置壓力場(chǎng)場(chǎng)與速度場(chǎng)發(fā)生變化，其頂部壓力場(chǎng)較大，速度指向液滴內(nèi)部，邊緣壓力場(chǎng)較小，速度指向液滴外部，進(jìn)而導(dǎo)致潤(rùn)濕角減少。