[论文解读] Highly Viscous Microjet Generator

Hajime Onuki, Yuto Oi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2017

3D Printing in Biomedical Research参考文献 29被引用 15

一句话总结

本文提出了一种低成本、结构简单的装置，通过在液体容器上施加瞬时冲击力、使用具有凹液面的浸入式毛细管以及流动聚焦技术，生成高粘度微射流（最高达500 mm²/s）。射流速度比初始液体速度提高30倍以上，且粘度在聚焦阶段会降低射流速度，该现象通过雷诺数（Re）定量描述。

ABSTRACT

This paper describes a simple yet novel system for generating a highly viscous microjet. The jet is produced inside a wettable thin tube partially submerged in a liquid. The gas-liquid interface inside the tube, which is initially concave, is kept much deeper than that outside the tube. An impulsive force applied at the bottom of a liquid container leads to significant acceleration of the liquid inside the tube followed by flow-focusing due to the concave interface. The jet generation process can be divided into two parts that occur in different time scales, i.e. the Impact time (impact duration $\le O(10^{-4})$ s) and Focusing time (focusing duration $\gg O(10^{-4})$ s). In Impact time, the liquid accelerates suddenly due to the impact. In Focusing time, the microjet emerges due to flow-focusing. In order to explain the sudden acceleration inside the tube in Impact time, we develop a physical model based on a pressure impulse approach. Numerical simulations confirm the proposed model, indicating that the basic mechanism of the acceleration of the liquid due to the impulsive force is elucidated. Remarkably, the viscous effect is negligible in Impact time. In contrast, in Focusing time, the viscosity plays an important role in the microjet generation. We experimentally and numerically investigate the velocity of microjets with various viscosities. We find that higher viscosities lead to reduction of the jet velocity, which can be described by using Reynolds number (the ratio between the inertia force and the viscous force). This novel device may be a starting point for next-generation technologies, such as high-viscosity inkjet printers including bioprinters and needle-free injection devices for minimally invasive medical treatments.

研究动机与目标

• 开发一种简单、低成本的装置，用于从高粘度液体（最高达500 mm²/s）中生成微射流，此类液体通常难以通过传统喷墨系统喷射。
• 克服现有喷墨打印机仅限于低粘度流体（≤20 mm²/s）的局限性，避免出现模糊和颜色褪色问题。
• 实现下一代应用，如生物打印、无针药物输送以及使用高粘度功能液体的导电打印。
• 理解微射流在两个不同时间阶段（冲击驱动加速与流动聚焦射流形成）中的物理机制。
• 通过雷诺数量化粘度在聚焦阶段对射流速度降低的影响。

提出的方法

• 在装有液体的容器底部施加瞬时冲击力，引起液体在冲击时间尺度（≤10⁻⁴ s）内的快速加速。
• 将一根细小、可润湿的毛细管部分浸入液体中，使管内液面保持高于管外，形成凹形气液界面。
• 凹形界面实现流动聚焦，使液体在聚焦时间（≫10⁻⁴ s）内被加速成微射流。
• 冲击时间内的物理机制通过压力脉冲方法建模，该方法基于对纳维-斯托克斯方程在冲击持续时间内的积分推导得出。
• 采用不可压缩纳维-斯托克斯方程结合体积分数（VOF）方法进行数值模拟，以追踪自由表面并捕捉射流形成过程。
• 分析射流速度与粘度的关系，利用雷诺数（Re = U'r/ν）关联粘度对射流速度降低的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过一种简单、低成本的装置，从通常与标准喷墨系统不兼容的高粘度液体（最高达500 mm²/s）中生成微射流？
• RQ2 在冲击时间尺度（≤10⁻⁴ s）内，何种物理机制可实现液体的加速？尽管粘度较高，该机制如何建模？
• RQ3 在聚焦时间阶段，粘度如何影响最终射流速度？该影响能否通过无量纲数进行定量描述？
• RQ4 在聚焦时间阶段，粘性边界层的发展在多大程度上干扰流动聚焦并降低射流速度？
• RQ5 该装置是否能够实现多方向喷射，从而实现对不规则表面的打印？

主要发现

• 该装置成功实现了从粘度高达500 mm²/s的液体中生成微射流，远超传统喷墨打印机20 mm²/s的限制。
• 在冲击时间阶段，液体因压力脉冲而迅速加速，粘度对这一加速阶段的影响可忽略不计。
• 由于凹形界面处有效的流动聚焦，射流速度比毛细管内初始液体速度提高30倍以上。
• 在聚焦时间阶段，粘度越高，射流速度越低，且该降低效应可通过雷诺数（Re）定量描述，即射流速度随Re减小而降低。
• 无量纲化的边界层厚度δ* = √(2/Re)与射流速度增强因子β的降低相关，表明当Re ≲ 200时，粘性效应变得显著。
• 模型与模拟结果在不同粘度和毛细管半径下均与实验数据高度吻合，验证了物理机制的正确性以及雷诺数在粘度相关射流速度中的关键作用。