温度梯度下液桥紧缩过程的模拟研究

带有温度梯度的液桥紧缩是自然界和工业生产中的常见现象，液桥的断裂行为对于印刷、喷墨过程起着关键的影响。本文通过数值模拟分析了表面张力梯度和粘性力梯度对液桥在微重力环境下紧缩过程的作用。通过分析四个时刻的自由面轮廓、轴向速度和压强以及断裂时刻液桥速度和压强云图，阐明了液桥的断裂点位于表面张力较大或粘性力较小一侧的形成机理。同时随着表面张力梯度的增大液桥的轴向速度和压强的梯度也增大。最后分析了在表面张力梯度和粘性力梯度同时作用下，表面张力和粘性力的抗衡作用直接影响液桥的轮廓，最后断裂时刻液桥形态结合了仅表面张力梯度作用下的长锥型和仅粘性力梯度作用下的细丝状。该研究为实际工业应用中液桥在温度梯度下的断裂问题提供了模拟基础。

近年来，随着太空科技的迅速发展，对微重力或零重力条件下各种热物理现象的研究愈来愈受到人们重视。其中对由表面张力梯度驱动的热毛细对流及其控制的研究逐渐成为一个受到特别关注的课题。

其在工业生产中也有着广泛的应用前景，如材料加工、热毛细迁移[1]、农药喷洒、晶体生长、DNA 阵列[2]、液封液桥[3]、数字微流体封装[4]等。

在微重力环境下，驱动对流的主要影响因素由重力场转换为表面张力。在实际工况中外场温度梯度普遍存在，使得界面温度不均匀形成界面的表面张力梯度，进而驱动热毛细对流的发生。对于热毛细对流过程，已有诸多学者进行了研究。张朔婷、胡良等人通过密度匹配方法，研究发现了非均匀温度场中液滴热毛细迁移速度随液滴直径增大而增大[5]。对于三维可变形液滴的热毛细迁移过程，Brady 分析了液池壁面形状对于液滴迁移过程的影响[6]。除了液滴，液桥的演化与断裂行为同样也受到外场温度梯度的影响。吴勇强、段俐等人通过地面实验研究了大普朗特数液桥的浮力–热毛细对流，分析得出在液桥高度相同的情况下，体积比越小，受重力影响，表面变形越大[7]。

目前对存在温度梯度下液桥的研究普遍集中于固定界面条件下的液桥内部热毛细对流行为。然而液桥的断裂过程在印刷[8]、喷墨[9]等领域有着关键作用，如在印刷工艺中，印板间拉伸液桥的断裂过程是液体转移的关键[10]。

液桥的断裂是惯性力、表面张力以及粘性力三者相抗衡的结果。

在温度梯度作用下， 由于表面张力和粘性力的不均匀分布，对液桥的轮廓演化以及断裂行为产生了明显的影响，但关于此方面的研究尚且不足。因此，本文以液桥为研究对象，对微重力条件下由温度梯度引起的热毛细对流进行数值模拟。通过分析自由面轮廓、轴向速度和压强分布阐述了液桥的紧缩过程，并分析了断裂位置的形成机理。