【集萃网观察】随着科学技术的迅速发展，近年来很多科学家采用高速摄像手段，观察了墨滴的喷出过程、形状及其与织物的相互作用的状况。美国佐治亚理工学院的J.F.Morris等采用图1-1所示的装置观察了液滴的形成过程和形状，得到如图1—2所示的试验结果。

　　从图1—2可以看出，当液滴起初在毛细管口变大时，主要是液滴与管口接触线的表面张力与液滴受到的重力之间建立一个平衡，如图1-2（a）所示。如果停止液体流动，则形成的液滴将保持悬挂在毛细管尖。一旦所形成的液滴受到的重力超过某一个临界值，液滴就开始往下落，如图1-2（b）所示，并且毛细管出口到液滴之间的液柱开始快速变细。这个液柱在径向方向快速变细的过程称为成颈，成颈过程继续形成线状一直到接近图l-2（c）的状态。紧接着中间的液体线发生断裂，这样就形成了主液滴，如图1-2（d）所示，同时也形成了次级液滴或称为卫星液滴。

　　利用高速拍摄技术，采用图1-3装置，w.W.Carr等人拍摄了甘油和水（48：52）混合液的液滴形成过程序列，如图1-4所示。液滴的形成主要有以下几个阶段。

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　　（1）喷射和液体拉伸

　　当压力波穿过喷嘴中的液体时，液体受到加速并挤出喷嘴。开始时，喷嘴出口处的弯液面呈抛物线形。弯液面很快向外扩张直到形成明显的液柱，如图1-4（1～3）所示。

　　很快，大约从图l-4（4）开始，喷嘴出口处的内部压力下降并低于液柱内部压力，此时喷嘴处液体的流速开始降低，液柱端头处与喷嘴处液体的速率差使液柱开始拉伸。喷嘴出口处液体的速率继续降低直到不再有液体流入液柱，甚至可能有部分液体被吸回喷嘴，之后液柱的体积保持恒定。但是由于液体惯性的作用，液柱会继续扩张。只是其扩张速率会下降，因为新增的表面会使表面能增加。

　　（2）液柱成颈和液线从喷嘴分离

　　在液柱拉伸的过程中，液体尾端（喷口）会成颈，即液线的半径最小化。成颈点是在喷嘴出口处，并且该处的液线半径保持降低趋势，如图1-4（5～9）所示。从图1-4（5）可以看出，第二个成颈点在接近液柱头部处开始出现，最终形成一个球茎头。喷嘴到球茎头就形成了一个长长的过渡液柱。最后，液线的尾端从喷嘴断开，就一个分离的液线拉着一个球茎头。

　　（3）液线的回缩

　　液线分离时，由于其尾端的曲率半径很低使得液体的压力很高，这样尾端的液体就会向球茎头端流动，产生回缩现象。同时，在尾部形成圆形头端，但其曲率半径比头部的小得多，如图1-4（10～12）。因此，尾端的内部压力就比球茎头端的压力大，液体被挤向球茎头。由于连在液线的这两端的不对称性，头端与尾端的行为表现就不一样。尾端发生回缩（向头端），而头端的速率几乎是恒定的。

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　　（4）液线端部的收紧或者多处破裂

　　在液线发生收缩的过程中，接近球茎头处逐渐形成颈状。颈的半径不断降低，直到液线断裂成两部分，形成一个大液滴和一个自由的非对称液线，如图1-4（13～16）所示。第二根液线的较低端向上运动，而其较高端的形状逐渐变成球茎。根据其长度的不同，第二液线可能缩成较小液滴或卫星液滴，如图1-4（16）所示，或者破裂成两个或更多部分。卫星液滴向球形方向的收缩使得过剩的自由能转变成为动能，因此卫星液滴发生振荡，如图1-4（16～19）所示。

　　（5）大液滴与卫星液滴发生结合

　　由于体积与速率的不同，周围空气对大液滴的拖拉作用与对卫星液滴的不同，如果大液滴与卫星液滴分开充分，拉力对大液滴的减速作用就会比对小液滴的小。因此，当大液滴的速率比卫星液滴的大时，它们就不会发生结合。但是，如果卫星液滴与大液滴足够近时，大液滴后的低压就会使卫星液滴被大液滴所吸附而发生合并，如图1-4（17～20）所示。

　　（6）振荡态到平衡态

　　当卫星液滴与大液滴合并后，过剩的表面能就会转化成液滴内部的动能。由于过剩的能量在动能与表面能之问不断转换，液滴就会发生振荡。当振荡发生时，能量就会发生阻尼消散至达到平衡，如图1-4（21～28）所示。在液滴形成的过程中，储液室中的压力波的振荡会使液体交替被挤出和吸回。在大多数情况下，压力波的反射较弱，不足以使液体从喷嘴口离开，因此只发生小幅振荡直到压力波在储液室内由于阻尼耗散作用而消失，如图1-4（14～28）所示。

　　（7）卫星液滴的形成

　　在上述的描述中，卫星液滴的形成是由于两次液体的分离而产生的。如果第二次液体的分离没有在液线缩成球形之前发生，那么就不会形成卫星液滴，这就是喷墨印花所期望的最理想结果。卫星液滴的形成取决于三个因素：第一是分离后自由液线的长度，第二是液线缩回的速率，第三是液线断裂的时间。因此，与这三个因素相关的参数，如液滴产生器的几何结构、波形、电压振幅、液体的黏度和表面张力都会影响到卫星液滴的形成。

来源：集萃印花网 作者：薛朝华 贾顺田

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