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《西安工程大学》 2017年
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微滴撞击织物表面沉积过程数值模拟及试验研究

申松  
【摘要】:电子信息智能纺织品是将传感、通讯、人工智能等高科技手段与传统纺织品高度集成开发出的新型纺织品,在航空航天、生物医学、娱乐和医疗保健等领域有着广阔的应用前景。然而,导电线路作为电子信息技术与纺织品柔性化集成的关键,其制造方法面临成本高、工艺复杂等问题。本文提出微滴喷射打印成形导电线路的方法,微滴与织物基板碰撞变形情况直接影响导线的成形精度及质量,因此对微滴沉积过程中形态变化进行精确控制是该方法的关键和难点。基于此,本文采用理论分析与数值模拟相结合的方法,通过建立微滴撞击织物基板沉积变形的计算模型,对微滴与织物基板碰撞及渗透过程进行研究,揭示微滴在织物表面的沉积规律,为后续成形高质量导电线路奠定基础。基于最小势能原理,得到了纱线中心线模型,通过研究纤维在纱线截面内的分布规律以及纤维体积分数的计算方法,建立了织物单胞的二维几何模型。依据流体体积法(Volume of fluid,VOF),建立了单颗微滴撞击织物表面沉积变形的模型,借助流体计算软件FLUENT,对微滴与织物基板的碰撞及渗透过程进行了模拟。通过研究微滴内部压力场和流场的变化规律,发现液体内部的压力梯度是微滴在织物表面铺展、渗透以及产生气泡的主要原因;微滴内部流场的变化是决定其形态变化的本质。采用多因素分析法,研究了表面张力、粘度、微滴半径及速度对沉积过程的影响规律,结果表明:微滴振荡幅度和频率随表面张力和液体粘度的减小而增强,随半径的增加而增强,表面张力越小,到达最大铺展直径和最大渗透高度的时间越长,微滴达到最大铺展直径所用的时间与粘度关系不大,渗透过程所需时间随黏度的增加而变长,渗透速率随微滴半径和碰撞速度的增加而变慢。在数值模拟的基础上,采用自行开发的气动式微滴按需喷射系统进行微滴沉积实验研究。利用图像采集系统对微滴在织物表面的碰撞过程与渗透过程的形态变化进行采集,并与模拟结果对比。结果表明:模拟结果整个过程与实验照片吻合较好,证明了所建模型的正确性。通过对织物表面微滴渗透扩散的研究,得到了微滴在织物内部的渗透规律。
【学位授予单位】:西安工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TS106

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