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    【集萃網(wǎng)觀察】隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來很多科學(xué)家采用高速攝像手段，觀察了墨滴的噴出過程、形狀及其與織物的相互作用的狀況。美國佐治亞理工學(xué)院的J.F.Morris等采用圖1-1所示的裝置觀察了液滴的形成過程和形狀，得到如圖1—2所示的試驗結(jié)果。

　　從圖1—2可以看出，當(dāng)液滴起初在毛細管口變大時，主要是液滴與管口接觸線的表面張力與液滴受到的重力之間建立一個平衡，如圖1-2（a）所示。如果停止液體流動，則形成的液滴將保持懸掛在毛細管尖。一旦所形成的液滴受到的重力超過某一個臨界值，液滴就開始往下落，如圖1-2（b）所示，并且毛細管出口到液滴之間的液柱開始快速變細。這個液柱在徑向方向快速變細的過程稱為成頸，成頸過程繼續(xù)形成線狀一直到接近圖l-2（c）的狀態(tài)。緊接著中間的液體線發(fā)生斷裂，這樣就形成了主液滴，如圖1-2（d）所示，同時也形成了次級液滴或稱為衛(wèi)星液滴。

　　利用高速拍攝技術(shù)，采用圖1-3裝置，w.W.Carr等人拍攝了甘油和水（48：52）混合液的液滴形成過程序列，如圖1-4所示。液滴的形成主要有以下幾個階段。

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　　（1）噴射和液體拉伸

　　當(dāng)壓力波穿過噴嘴中的液體時，液體受到加速并擠出噴嘴。開始時，噴嘴出口處的彎液面呈拋物線形。彎液面很快向外擴張直到形成明顯的液柱，如圖1-4（1～3）所示。

　　很快，大約從圖l-4（4）開始，噴嘴出口處的內(nèi)部壓力下降并低于液柱內(nèi)部壓力，此時噴嘴處液體的流速開始降低，液柱端頭處與噴嘴處液體的速率差使液柱開始拉伸。噴嘴出口處液體的速率繼續(xù)降低直到不再有液體流入液柱，甚至可能有部分液體被吸回噴嘴，之后液柱的體積保持恒定。但是由于液體慣性的作用，液柱會繼續(xù)擴張。只是其擴張速率會下降，因為新增的表面會使表面能增加。

　�。�2）液柱成頸和液線從噴嘴分離

　　在液柱拉伸的過程中，液體尾端（噴口）會成頸，即液線的半徑最小化。成頸點是在噴嘴出口處，并且該處的液線半徑保持降低趨勢，如圖1-4（5～9）所示。從圖1-4（5）可以看出，第二個成頸點在接近液柱頭部處開始出現(xiàn)，最終形成一個球莖頭。噴嘴到球莖頭就形成了一個長長的過渡液柱。最后，液線的尾端從噴嘴斷開，就一個分離的液線拉著一個球莖頭。

　　（3）液線的回縮

　　液線分離時，由于其尾端的曲率半徑很低使得液體的壓力很高，這樣尾端的液體就會向球莖頭端流動，產(chǎn)生回縮現(xiàn)象。同時，在尾部形成圓形頭端，但其曲率半徑比頭部的小得多，如圖1-4（10～12）。因此，尾端的內(nèi)部壓力就比球莖頭端的壓力大，液體被擠向球莖頭。由于連在液線的這兩端的不對稱性，頭端與尾端的行為表現(xiàn)就不一樣。尾端發(fā)生回縮（向頭端），而頭端的速率幾乎是恒定的。

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　�。�4）液線端部的收緊或者多處破裂

　　在液線發(fā)生收縮的過程中，接近球莖頭處逐漸形成頸狀。頸的半徑不斷降低，直到液線斷裂成兩部分，形成一個大液滴和一個自由的非對稱液線，如圖1-4（13～16）所示。第二根液線的較低端向上運動，而其較高端的形狀逐漸變成球莖。根據(jù)其長度的不同，第二液線可能縮成較小液滴或衛(wèi)星液滴，如圖1-4（16）所示，或者破裂成兩個或更多部分。衛(wèi)星液滴向球形方向的收縮使得過剩的自由能轉(zhuǎn)變成為動能，因此衛(wèi)星液滴發(fā)生振蕩，如圖1-4（16～19）所示。

　　（5）大液滴與衛(wèi)星液滴發(fā)生結(jié)合

　　由于體積與速率的不同，周圍空氣對大液滴的拖拉作用與對衛(wèi)星液滴的不同，如果大液滴與衛(wèi)星液滴分開充分，拉力對大液滴的減速作用就會比對小液滴的小。因此，當(dāng)大液滴的速率比衛(wèi)星液滴的大時，它們就不會發(fā)生結(jié)合。但是，如果衛(wèi)星液滴與大液滴足夠近時，大液滴后的低壓就會使衛(wèi)星液滴被大液滴所吸附而發(fā)生合并，如圖1-4（17～20）所示。

　　（6）振蕩態(tài)到平衡態(tài)

　　當(dāng)衛(wèi)星液滴與大液滴合并后，過剩的表面能就會轉(zhuǎn)化成液滴內(nèi)部的動能。由于過剩的能量在動能與表面能之問不斷轉(zhuǎn)換，液滴就會發(fā)生振蕩。當(dāng)振蕩發(fā)生時，能量就會發(fā)生阻尼消散至達到平衡，如圖1-4（21～28）所示。在液滴形成的過程中，儲液室中的壓力波的振蕩會使液體交替被擠出和吸回。在大多數(shù)情況下，壓力波的反射較弱，不足以使液體從噴嘴口離開，因此只發(fā)生小幅振蕩直到壓力波在儲液室內(nèi)由于阻尼耗散作用而消失，如圖1-4（14～28）所示。

　　（7）衛(wèi)星液滴的形成

　　在上述的描述中，衛(wèi)星液滴的形成是由于兩次液體的分離而產(chǎn)生的。如果第二次液體的分離沒有在液線縮成球形之前發(fā)生，那么就不會形成衛(wèi)星液滴，這就是噴墨印花所期望的最理想結(jié)果。衛(wèi)星液滴的形成取決于三個因素：第一是分離后自由液線的長度，第二是液線縮回的速率，第三是液線斷裂的時間。因此，與這三個因素相關(guān)的參數(shù)，如液滴產(chǎn)生器的幾何結(jié)構(gòu)、波形、電壓振幅、液體的黏度和表面張力都會影響到衛(wèi)星液滴的形成。

來源：集萃印花網(wǎng) 作者：薛朝華 賈順田

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