DOD式压电喷墨打印系统液滴形成过程的数值模拟.docx

第35卷第15期2014年08月113DOD式压电喷墨打印系统液滴形成过程的数值模拟蔡昊，董春法，张祥林（华中科技大学，武汉430074）摘要：目的研究DOD式压电喷墨打印系统液滴形成过程。方法 简化压电式喷墨打印头的几何模型，建立基于流体体积法的流体仿真模拟系统，模拟给定压力条件下液滴生成的全过程，并以此进行数值实验来评估油墨的表面张力和黏度对喷墨中液滴形成形态的影响。结果给出不同瞬间液滴的形态，得出适合于给定条件的最优参数组合。引入流体力学中的无量纲常数Z，评价表面张力和油墨黏度在耦合作用下液滴的成形状态。确定表面张力约为40mN/m、黏度约为10Pa·s、无量纲常数Z为 4.56的油墨能够得到理想的单液滴喷射形态。结论 将仿真的结果应用到实验中，对比分析可知吻合 较好，证明了数值模拟的可靠性。关键词：压电式喷墨打印；数值模拟；液滴形成中图分类号：TS801.8；TS802.3；TS853+.5文献标识码：A文章编号：1001-3563（2014）15-0113-05NumericalSimulationoftheDropletFormationProcessinaDODPiezoelectric Inkjet PrintingSystemCAI Hao，DONG Chun-fa，ZHANGXiang-lin（Huazhong University of Science and Technology，Wuhan430074，China）ABSTRACT：ObjectiveToinvestigatetheformationprocessesofdropletinapiezoelectricsystem.MethodsThesystem simulated the droplet formation and ejection of a piezoelectric inkjet printing device based on VOF method underthe condition of a given pressure. The effects of ink physical properties (including surface tension and viscosity) on theejection behavior of droplet were presented. Results The typical moment of the formation process was given. The proper parameterstogetidealmonodispersedropletweredetermined.Thepropersurfacetensionwas40mN/mandtheviscosity was10Pa·s,whichmeantthatZwas4.86.ConclusionTheconditionstogettheidealdropletformwerevalidatedbythe experimental observation, which proved that the simulation wasreliable.KEY WORDS：piezoelectric inkjet printing；numerical simulation；droplet formation喷墨打印技术作为一种无接触、高柔性、节能环保的材料分配方式，极大地满足了现代工业生产微型化和自动化的要求[1]。相比其他的喷墨打印技术，按需式（简称DOD）压电喷墨打印系统因为其具有对油墨的控制能力更强、喷头的寿命更长等优点，获得越来越多的应用，所以对其液滴形成机理的研究具有重要意义[2]。目前计算流体动力学的数值模拟方法已经逐渐应用于喷墨打印的分析中。早期T.W.Shield等[3]研究 了DOD压电式喷头液滴形成的整个过程，其模拟过程是通过自己编写的Fortran程序完成的，其中还涉及到 复杂的微分方程求解，难度较大。ChangsungSeanKim等[4]为一种工业喷头建立起了完整的数值模型，并以此对喷头的设计进行了优化，但是整个模拟运算耗时 极长。WijshoffH[5]阐述了压电式喷墨过程中涉及到的流体动力学方程，理论性极强，但对工业生产指导意收稿日期：2014-05-06作者简介：蔡昊（1990—），男，湖北黄冈人，华中科技大学硕士生，主攻微滴喷射自由成形及 CAE仿真模拟。114包 装 工程2014年08月义不足。魏大中等[6]简化了压电式喷墨头的数学模型，用一组简单的微分方程描述了喷头内部流体运动过程，但是其工作仍然集中在解析方程上。王振宁和 唐正宁[7—8]采用水为模拟对象，研究了液滴的