圆柱细丝上覆膜流动的动力学特性实验研究

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覆盖于圆柱细丝壁面的液体薄膜流动是自然界中普遍存在的物理现象。纤维细丝流体覆膜流动的动力学特性将会对涂覆工艺的质量产生巨大影响。在涂覆的过程中,纤维细丝上液体的流动特性是决定镀膜质量的重要因素,通过了解纤维细丝上覆膜的流动特性,可实现精确调控覆膜的形貌和结构。因此,开展圆柱细丝上覆膜流动的动力学特性研究,探索控制界面稳定性和动力学行为新方法,具有重要的科学意义和工程应用价值。本文针对圆柱细丝上高粘度流体的流动失稳现象,开展了一系列的覆膜流动的动力学特性实验研究。利用基于双边滤波算法和Canny算子的边缘检测方法,提取了实验图像中液膜边缘的坐标值,进而获取液膜的形貌的特征参数。根据这些特征参数,进而深入分析了具有自由表面的粘性液膜在下降流中的流动特性、破碎机理和非线性演化规律,探究了圆柱细丝上覆膜界面稳定性和动力学行为的调控。结果表明:高粘度液体在细丝上覆膜流动存在的三种典型的流动特性。随着流量的增加,不同粘度的液体流动特性呈C-B-A的转换模式,且C-B-A区之间转捩的临界流量随着粘度的增加而减少,实现对细丝上粘性液体的界面稳定性和动力学行为的精确调控。通过图像处理方法得到的时空演化图,揭示了高粘度液体在细丝上覆膜流动的动力学演化规律。本文还对流体薄膜实验装置进行了设计,开发出一套能够测量纤维细丝覆膜流动行为的实验装置。这个实验装置通过模块化设计,利用加载不同的模块,可以改变纤维细丝的直径和微量注射泵的流量。在纤维细丝覆膜的非接触式测量装置上,利用CCD相机快速采集功能获取纤维细丝覆膜流动的各种流态图像,然后利用MATLAB R2014对这些拍摄的图像进行图像处理,最后通过数字化方法提取出各种细丝流体覆膜流态图像以及覆膜边界坐标,对纤维细丝流体覆膜的流动行为进行进一步的研究分析。
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