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压力传播在气泡动力与热转移特性中是什么

类型:产品知识库 发表时间:2014-06-10 点击:
  热喷墨装置的墨水喷射动力来自加热脉冲,作用时间在微秒级。为了研究热喷墨印刷的压力传播规律,需要作出某些基本假定……
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  如同其他喷墨技术那样,了解压力传播规律是设计能有效工作的热喷墨印刷系统的重要前提。然而,热喷墨过程 中的压力传播十分复杂,涉及热和压力之间的相互转换,气泡成核、气泡生长和气泡破灭等过程中的压力一直在 变化中。热喷墨印刷的高速动力过程不仅使理论研究十分困难,开展实验研究的难度也相当大。

  显然,热喷墨装置的墨水喷射动力来自加热脉冲,作用时间在微秒级。为了研究热喷墨印刷的压力传播规律,需要作出某些基本假定。根据热喷墨印刷大量使用水基墨水的现状,为了确保墨水稳定而可靠地喷射,可以认为这种墨水的喷射运动具有圆管内液体层流运动的基本特点,且认为墨水简化为不可压缩流体是对于热喷墨印刷用墨 水流体特征足够准确的表示。根据上述两大基本假定,可归纳成图1所示的物理模型。

  下面以实际例子说明图1给出简化物理模型的含义:输入平面Ae表示热喷墨印刷系统加热元件的面积,来自某 热喷墨装置(下同)的实际测量值为3600微米平方。输出平面Aa在渐变直径墨水柱与等直径墨水柱的交界处,其 面积等于2827平方微米。以理论分析结合实验测量数据,呵通过雷诺数以及1微秒时间条件下的声音反射判断热 喷墨印刷系统墨水的层流运动和不可压缩流体的假定是否成立。

  图1确定压力传播的物理模型

  对于图1所示的物理模型、几何关系和流体条件,可算得雷诺数等于450,大大低于热喷墨印刷层流喷射的临 界雷诺数1160。通常,若热喷墨印刷系统的雷诺数大于1 160,则墨水运动有可能改为紊流。根据实验测量得到 的数据,当l Vs时间内的声音反射系数等于20时,墨水的不可压缩性条件成立事实上,墨水为不可压缩流体的假 设对几乎所有喷墨印刷用墨水都成立,即使有少量偏差也可忽略不计。此外,如果流体的摩擦力和表面张力效应 忽略不计,那么由墨水表面张力引起的最大压力可以用拉普拉斯第一定律估计,数值近似于0. 03巴;而摩擦力 导致的最大压力可利用哈根一泊肃液( Hagen-Poiseuille)定律估算,近似于0. 04巴。

  为了通过气泡膨胀得到最大压力,可以采用计算机仿真的方法模拟加热脉冲导致的热扩散效应。计算结果表明, 气泡成核时液体最低层的温度等于285.8℃。根据该温度可利周安托万( Antoine)方程确定气泡成核时的压力, 这里的Antoine方程又称为蒸汽压力方程,描述蒸汽压力与单组分流体温度间的关系,从Clausius-Claperyron方 程推导而得。安托万方程是经验公式,冈与实验数据吻合良好而在工程中广泛使用:

  由于A、B和C是与流体有关的特征常数,因而按墨水成分确定这三个数成为计算热喷墨印刷装置内蒸气作用于墨 水压力的主要任务。

  利用安托万方程算得假设条件下的初始压力p=69.55巴。因此,由表面张力和摩擦力产生的最大压力比气泡膨胀 导致的最大压力低两个数量级。在上述分析结果下,可利用伯努利( Bemoulli)方程描述墨水流体的层流运动规 律(黏性流体一元流动的伯努利方程),求解结果与数值模拟基本一致。

  此外,根据气泡膨胀符合绝热膨胀条件的计算结果表明,热喷墨印刷设备加热器发出的热脉冲理论作用时间与实 际作用时间误差较大,但墨滴速度计算按理想气体绝热膨胀假设计算的误差很小,这意味着热喷墨印刷用水性墨 水的膨胀和喷射基本上符合理想气体绝热膨胀假设。图2说明压力传播过程的计算结果,压力脉冲宽度等于 150ns,压力波在气泡成核后的1.1微秒时刻达到临畀绝热膨胀压力。

  图2气泡内的绝热膨胀压力传播

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