（农产品加工及贮藏工程专业论文）脉动气流雾化模型和实验.pdf

中国农业太学硕士学位论文摘要 摘要 随着科学技术的不断发展进步，液体雾化技术被? 。泛的应用于程实际及科学研究领域，并 成为许多领域中至关重要的环节。传统的雾化技术都是t j 雾化喷嘴进行雾化，但是喷嘴易磨损易 堵塞，是雾化技术中最薄弱的环节。而脉动燃烧尾气流雾化是酉接利用脉动燃烧器燃烧产生的高 频高速振荡尾气流作为雾化气动力，对液体渤料进行雾化的，注不需要翔任何的喷嘴，有可能 解决这一传统技术难题。虽然实验表明破动气流能够雾化液体物料，而且雾化出来的微粒的粒度 很小，微粒的直径分布范围也很窄，但是目前对于脉动雾化过程的作用机理却很不了解。因此， 本文的重点就是结合渡滴在稳定气流稆紊流中的破裂机理、声渡激励原理以及脉动燃烧器尾气流 波动原理，建立脉动气流雾化模型，并且通道实验对影响脉动气流雾化效果的三个主要因素进行 研究分析，达到对脉动气流雾化机理有所了解。论文主要内容妇r ： 1 脉动气流雾化模型研究首先通过对亥自i 姆霍茨型脉动燃烧器尾气流波动状况的分析和研 究，得出了脉动气流的脉动频率和速度模型，然后结台h i n z e 的液滴破裂机理以及m u r r a y 和 h e i s t e r 的声波激励原理中声频、波动类型与液滴尺寸与形状间的关系，建立了脉动气流雾化模型。 2 脉动气流雾化实验及分析从雾化模型中可以看出脉动气流频率、料液流量和粘度对雾化效 果密切相关。为了验证各个因素对雾化效果的影响，分别进行了实验和分析。实验结果表明，脉 动气流频率越大，对料涟雾化的效果越好，萁颗粒细 小，颗粒分布均匀指数n 使也越大，颗粒 分布相对均匀，分布范围比较窄；当频率一定时，流量减小，颗粒耪度会随着减小，奠布也比较 均驾，但是随着频率的减小，流量减小会导致颗粒分布不均匀，颗粒粒度增大，一般来说，不论 频率多大，当流量在3 0 - - 4 0 l h 时，雾化效果是最好的：料液粘度对雾化效果的影响也很大，当 料液粘度比较小，在0 0 0 6 - 4 ) 0 4 】p a s 之问的时候，有利于雾化的进行，并且随着粘度的增大雾 化细度先增大后减小；而当料液粘度达到比较大的值的时候，摇粘度大于0 0 4 i p as 时，则对雾 化起到阻碍的作用。本文还通过s p s s 数据统睁分析软件，进行了各个嗣素对雾化效果的影响的 回归分析，得出了各个影响因素与雾化粒度之间的关系式，劳且逶过主成分分析，确定了这三个 影响因素对雾化效果的影响没有很显著区别舱结论。 3 确定了最佳脉动尾气流雾化条件( 朗脉动气流频率为1 0 0 5 l h z ，料液流量为3 5 0 l h ，料液 粘度为o ，0 0 6 - - 4 ) 0 4 1p a s ) ，对奶粉溶液进行了雾化实验，检测结果显示，所得的颗粒平均直径在 6 5 8 5l a m 之间，颗粒分布范围比较窄，雾化效果很好。 关键词：脉动气流，雾化，雾化细度，雾化颞粒均匀性 中国农业人学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e cw c i t g yt h el i q u i da t ( , m i s i n gt e c h n o l o g yh a sf a r - r a n g i n g u s e di np r a c t i c ep r o j e a ta n ds c i e n c er e s e a r c a r dt u r n i n gi n t oam o s ti m p o r t a n ts t e p t h et r a d i t i o n a l a t o m i s i n gt e c h n o l o g yh a st ou s en o z z l e s t h ef ：o ，j ei st h ex 、e a k e s ts p o ti nt h ea t o m i s n gt e c h n o l o g y i ti s e a s yt ob ea b r a d e da n db l o c k a d e d t h ep l d s ec o m b u s t i , - ：a r f l o va t ? m i s i n gt 一。，、i o ；) 7c a p a t o m i s e t h el i q u i dm a t e r i a lb yu s i n gt h eh i g hf r e q u e n c yo s c i l l m i n gp u l s eo f g a i r f l o wp r o d a c e db yt h ep u l s e c o m b u s t i o na st h ea t o m i s i n ga i rf o r c eb e c a u s em et e c h n o l o g ，h a s h n e e df o ra n yn o z z l e s j tm a yb e s e t t l et h et r a d i t i o nq u e s t i o no ft h en o z z l e a k h o u g ht h ee x p e r i m e n t sh a v ei n d i c a t e dt h a tt h ep u l s e a i r f l o wc a r la t o m i z et h el i q u i dm a t e r i a l ，a n dt h ea t o m i z i n ge f f e c ti sp e r f i ! c t ，b u tt h e ! n e c h a n i s l nf o rp u l s e a t o m i s a t i o ni sn o tv e r yc l e a r s ot h ek e yp o i n t 。ft h ep a p e ri st oc o m b i n et h em e c h a n i s mo fd r o p l e t b r o k e ni ns t e a d ya n dt u r b u l e n ta i r f l o w t h em e c i 二a n i s mo ft h ed r o p ；e ：sr e s p o n s et oa c o u s t i ce x c i l a t i o n a n dt h eo s c i l l a t i n gp r i n c i p l eo f t h ep u l s ec o m b u s t i o n so f f - a i r f l o wt oe s t a b l i s ha na t o m i s i n gm o d e l ，a n d t h e na n a l y s et h r e ef a c t o r st h a th a v et h em o s te f f e c tt oa t o m i s a t i o nb ye x p e r i m e n t ，i no r d e rt ow ec a n u n d e r s t a n ds o m ea t o m i s i n gm e c h a n i s mt h ep a p e r sp r i m a r yc o v e r a g ea sf o l l o w s ： 1 t h ep u l s ea i r f l o wa t o m i s a t i o nm o d e lm s e a r c h w ec a na c h i e v et h ep u l s ef r e q u e n c ym o d e ! a n dt h e v e l o c i t ym o d e lt h r o u g ht h ea v a l y s eo ft h eo f f - a i r f l o wo a c i l l ；, f i n gm o d e a n dt h e nh s e st h e i n z e s b r o k e nm e c h a n i s ma n dt h er e l a t i o n s h i pa m o n gf h es o u n d t r e q t ! ei c y , t h e 、a v em o d e t h ed ! o p l e t s d i ：m e t e ra n df o r mw h e nt h ed r o p l e t sr ep o n s ei na c o u s t i ce x c i t ；i o nt ob u i l d i n gt h em o d e lo ft h e p u l s ea i r f l o wa t o m i s a t i o n 2 t h ep u l s ea i r f l o wa t o m i s m i o ne x p e r i m e n ta n da n n ! y s i s f r o mt h em o d e lw ec a l lf i n dt h ec l o s e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r e q u e n c yo ft h ep u l s ea i r f i o 、a , t h ef l o wa n dt h ev i s c o s i t yo ft h el i q u i d m a t e r i a lt ot h ea t o m i z i n ge f f e c t ，t h ee x p e r i m e n t sa n da a a d s e sc a n n d i c a t et h a tt h ef a s t e ro ft h e f r e q u e n c yo ft h ep u l s ea i r f l o w , t h eb e t t e ro ft h ea t o m i z i n ge f f e c t ，w ec a no b t a i n t h es m a l l e r a t o m i z i n gp a r t i c l ef i n e n e s s ，t h eb i g g e ra t o m i z i n gp a r t i c l ee v e n n e s si n d e xn 。a n dt h e n a r r o w e r d i s t r i b u t i n gr a n g e w h e nt h ef r e q u e n c yc h a n g e l e s s ，w i t ht h ef l o wd e c r e a s e t h edr o p l e t sd i a m e t e r w i l ld e c r e a s ea n dt h ed i s t r i b u t i o ns t i ! lv e r ye q u a l i t yb u ra i o n gw i t ht h ed e c r e a s eo ft h ef r e q u e n c y , t h ef l o w sd e c r e a s ew i l lr e s u l ti nt h ei n e a l i t yo ft h ec i i s t r i b u t i a n 。a n dt h ed r o p l e l 7 sd i a m e t e rw i l i n c r e a s e g e n e r a l l yw h e nt h ef l o , i sa b o u t3 0 - , - 4 0 l h ，t h ea t o m i z a t i o nw i l la c h i e v eag o o dr e s u l t t h em a t e r i a lv i s c o s i t yh a sag r e a ti n f e c t i o n ：ot h ea t o m i z i n ge f f e c t w h e nf i l el i q u i dm a t e r i a l v i s c o s i t yl i e di no 0 0 6 p a s 一00 4 i p a s i ti se a s yt oa t o m i z e a n da ! t h ev i s c o s i t yi n c r e a s et h ep a r t i c l e d i a m e t e ri n c r e a s ea tf i r s t a n dt h e nr e d u c e ，b a tw h e nt h ev i s c o s k ? a r r i v e sa t0 0 4l 孙s i tb e g i n st o i m p e d et h ea t o m i z a t i o n a tl a s tt h ep a p e rr e g r e s s i o na n a l y z e st h et h r e ei n f l u e n c i n gf a c t o r sb yu s i n g s p s ss t a t i s t i ca n a l y s i ss o f t w a r e ，a n do b t a i n ss o m er e g r e s s i o ne q u a t i o n s f r o mt h ep r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i sw ed i s c o v e rt h a t h et h r e ei n f l u e n c i n gf a c t o r sh a v en o tr e m a r k a b ! ed i s t i n g u i s h t ot h ea t o m i z a t i o ne f 兜c t 3 c o n f i r m i n gt h eb e s tt e r m st ot h ea i r f l o ua ：o m i z a t i o n ( t h ep u l s ea i r f l o wf r e q u e n c yi sa b o u t 1 0 0 5 1 h z ，t h el i q u i df l o wi sa b o u t3 5 o l h ，a n ot h em a t e r i a lv i s c o s i 妙i sa b o u t0 0 0 6 0 0 4 1p as ) 中国农业大学硕士学位论文 摘要 u n d e rt h e s et e r m s w eh a v ea ne x p e r i m e n tt oa t o m i z el h em i l ks o l u t i o n ，t h er e s u l ti se x c e l l e n t a n d t h ep a r t i c l e sm e a nd i a m e t e rl i e di n6 5 8 5 # ma n dt h ed r o p l e , * _ sd i s t r i b u t i n gr a n g ei sc o m p a r a b l y k e yw o r d s ：p u l s ea i r f l o w , a t o m i s e ，a t o m i z i n gp a r t i c l ef i n e n e s s ，m o m i z l n gp a r t i c l ee v e n n e s s 独截性声明 6 5 9 3 0 3 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获缛中重农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作靛露志列奉研究所傲的任阿贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权懿说明 本人完全了解中匿农业大学有关保留、使用学位论文的规定，郎：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许沦文被查阕和借澜，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。露意中謇农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守监协议) 研究生签名 导师签名： 时间：年月日 时间：年胃 嗣 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 第一耄绪论 1 1 课题的提出及意义 随着科学技术的不断发展进步，液体雾亿技术被一泛的应硒于j ：程实际及科学研究领域，并 成为许多领域中至关重要的环节。妊在医篓、冶金群套妊挝工等娓喷雾干燥搡俘过桴中，液体雾 化后液滴的形状、大小、均匀性等参数都直接影响着干燥后的粉体质量；在农业上最常用的是 农药喷雾器，各种喷雾器的喷雾质量，严重影响着农业生产过程：在燃烧领域里，为了提高燃烧 过程中的燃油利用率，减少废气的排放，保护环境，通常要求燃瀹雾化后的液滴直径要小，以增 加其表面积与体积之比，达到充分燃烧韵日的。由于雾化过程在科学技术以及一业应用领域中的 普遍性和重要性，引得国内外大量的科学工作者不断的对其进行研究和探讨1 1 f 4 i 。传统的雾化 过程主要是通过机械式或压力式喷嘴将液态物辩雾化成小液滴，因此喷嘴在传统盼雾化过程中对 雾化效果的好坏起着决定性的作用，但是喷嘴也是各种喷雾器中最薄弱的环节，它不仅易于堵塞， 而且易予磨损，生产过程中经常需要停视更敦喷嘴，这样既延谡了生产时问，义增加了成本，严 重影响了生产过程的连续性操作。在干燥领域里，雾生操作主耍运用在喷雾干燥过程中。喷雾干 燥过程主要包括液态物料雾化过程和液滴干燥过程，雾化过程在其中起着重要的作用，效果好的 雾化应该是液滴颗粒分布均匀，颗粒粒度小这样经过于燥后的粉体质量就相对较高而液滴颗 粒过大、分布不均匀的雾化会对后续操作造成极不良的影响，降低产鼎的质麓。另一方面，干燥 过程也是工业操作过程中能耗最大盼操作之一，在我国，每年用于干燥作业的能琵约占 ：业总能 耗的1 0 1 5 ，而干燥作业平均能源利用率却只有3 0 。因此，寻求和发展高敬、节能、低污染 排放的干燥技术，已经日益成为工业生产的迫切需要。9 0 年代初，j 【矸究工作者把脉动燃烧器作为 新型的、更有效的热能发生器与传统的嚷雾干燥过程相结台，开发出了新型的干燥装置一脉动燃 烧喷雾干燥器。脉动燃烧喷雾干燥技术作为一种高效、节能、低污染排放的新型干燥技术，与传 统的喷雾干燥技术相比，很显然具有如下优点刚m ： 1 脉动燃烧器体积小、设备结构简单；哙了单蠢翊弦，几乎没有运动部传，晟有f t 吸、自燃 及正压排气的特点。 2 热效率高，传热系数大。脉动燃烧充分、所需过量空气少，且具有自行排气功能，故可大 大降低排气热损失，一般能使总热效率提高到9 5 左右，有的甚至可达到9 8 。 3 ，适用物料范围广，能够干燥热敏性锈料。如在实验过程中，于燥机排气温度为9 3 1 0 5 ， 而产品井温仅为3 8 4 9 。 4 燃烧强度大。脉动燃烧器中特有的强烈妁气流稼动，极大地改善了反应物间的扩散掺混、 传热传质过程，从而大幅度提高燃烧强瘦，据投道，燃烧强度可达32 5 1 0 4 k w m 1 而常规燃烧 器的最大燃烧强度只能达到8 4 0k w h v ，。 5 燃烧完全、排放污染小。由于脉动燃烧器内强烈的气流脉动，改善了燃烧室内的混合过程 使得燃烧充分，排出尾气中的c o 、n o 。和潮尘等污染物质减少，其中n o 、排放量可降低到5 7 p p m 。 在把脉动燃烧器应用于干燥领域的砑究过程中作者发现用脉动燃烧过程产生的高频振荡尾 气流可以直接将液体物料雾化成小液渣，不需要用任何的雾化喷嘴设备，并且颗幸立粒度比传统雾 化器雾化成的颗粒要小。如果把脉动燃烧器燃烧生成均脉动尾气流作为雾化气动力，运用到喷雾 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 干燥过程的雾化操作中，这与传统喷雾干燥技术相比，义增加了如下优点： 1 没有喷嘴和高压泵，直接禺脉动气流把渡体物料雾化成小液滴，可以免除传统雾化器t p 喷 嘴拆卸维修的时间及费用，也无需犀气体泵送装置设各结构简单p “； 2 脉动燃烧器在运行过程中产生豫谨的声波共振现象，脉动频率为2 0 15 0h z ，振荡运动的 速度达士1 0 0 m s ，而向前运动的平均速度为2 0 1 n , l s 左右，振荡尾气流的这种高频特性。使其能够 雾化猫度较高的液体物料：这丽j j 麓祭j ：传缝雾化嚷壤雾亿粘发较高物料时，容易堵塞和磨损等 缺点【2 6 l 。 3 燃烧产生的脉动尾气流温度火于8 0 0 * 0 ，经过冷却永冷却后，温度火概为9 3 i 0 5 。c ，但是 液体料液在气流中停留的时间很短，雾化后物辩温度低于5 0 ，困业可以用于热墩性物料的雾化 操作过程； 4 在雾化过程中对液滴有预热作用，蒋有科于f 一步妁干燥操作。例如，热负荷为8 0 k w ， 高压计量泵2 2 k w ，压力喷嘴直径为o 7 5 r a m 的并流式压力喷雾干燥机在干燥塔内的单位体积蒸 发强度为1 2 1 k g h 2 0 m h ，单位蒸发热能消耗为5 5 0 1k j k g t 2 0 ；而脉动燃烧喷雾干燥机在干燥塔 内的体积蒸发强度为2 1 7 3 k g h 2 0 h n h ，单位蒸发热能消耗为3 3 0 0 k j k g h 2 0 。后者的体积蒸发强 度比前者提高近1 5 倍，单位蒸发热能消耗比前者降低了4 0 1 4 i 。 由于脉动燃烧干燥技术是一种新型的干燥技术，目前，国际上只有波兰，美国等少数国家对 脉动燃烧喷雾干燥器进行了有b 的研究。波兰的研究集中在干燥器制造和传热传质特性磺究方 面；美国已有商业的脉动燃烧喷雾干爆器，他们的研究集中在脉动燃烧喷雾干燥器适用的物料方 面。国内，中国农业大学干燥实验室象脉动燃烧喷雾干燥的研究工作也已经开展了较长一段时间： 9 9 届的博士研究生李保国对脉动燃烧喷雾干燥器的结构进行了分析和研究，研制出了实验台，并 且从平面波的传递理论出发，分析了脉动燃烧的枧理，进行了脒动燃烧器运行特性的试验研究 【4 1 i ”1 【”1 1 ”1 ；o l 属硕士研究生郎芝花对脉动燃浇喷雾干燥朐传热传质性能进行了实验研究和理论 分析，对有关的热质传递系数进行了估算，瓴量化的角度证明脉动燃烧干燥具有较高的热质传递 速率，为脉动燃烧干燥设备的设计又提供了一个理论依据p j | 1 6 10 2 届的硕士研究生吴中华利用两 相漉理论和计算流体力学( c f d ) 技术，结合脉动燃烧喷雾干燥的特点，发展了更符合实际的喷 雾干燥数学模型既喷雾干燥的c f d 模型，并通过模型的求解，待到了干燥室内气体运动状态、 气体温度、湿度分布，颗粒运动轨迹，颓粒疆运动轨迹质量变化、温度变化等各种动力学和热力 学参数的分布信息，模拟的结果还解释了喷雾干燥过程中涡流、粘肇以及回流等现象# j 。但是不 论是在国外还是在国内，都没有资料报道百人剥崩脉动燃烧尾气流作为雾化气动力，进行雾化操 作和研究。 本课题研究目的：脉动燃烧喷雾干燥技术是一种斯型的干燥技术，脉动燃烧器作为一种新的 热能发生器，具有能源利用率高，排放污染小，传热传质效率高设备简单等优点。作者在对脉 动燃烧器运用过程的研究中发现脉动燃烧器生威魄嵩温高频脉动尾气流有足蟹的能量把物料直 接雾化的功能，考虑到传统的喷雾于爆设备由于喷嘴容曩堵塞和磨损经常需要停机修理和更换 喷嘴的缺点，试图通过对脉动尾气流雾化效爨戆研究：对脉动气流雾化的特点、影响囡素、雾化 效果和作用机理有所了解，研究耜分析的结果将有助于解次耳前喷雾干燥发备技术过程中的。些 难题，指导脉动燃烧喷雾干燥技术的进一步开发和瓢崩，同时对于改进现有的干燥设备，提高能 源利用率和节省设备成本都具有重要篷参考价值。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究概况 1 2 1 几种主要雾化器类型及其雾化枕理 目前，在干燥领域，国内外实现料液雾化的喷雾器主要有四种：压力式、气流式、离心式和 混合式。我国在喷雾干燥方面的专家和学者也对这四种雾化器舱雾化机理做了大量的研究1 作， 得到的结论如下“_ p l ： 压力式喷雾器主要由喷芯、喷嘴、喷嘴套和联接螺母四部分组成。当锥形的芯和嘴套合联接 后，芯与嘴之间便留出了液体得以在其中作旋转运动的空间，也叫旋流室。从l o o 2 0 0 个大气压 的高压泵送来的高压液体，流过喷芯上的导流沟槽，进入旋流室作旋转运动，由于椎形截面的不 断缩小，液体旋流的速度越来越快，丽中心处的压力越来越低，及至到达喷孔时，压力已经降到 接近大气压了，外面的空气便从喷孔轴心处进入，形成了空气心，而液体就变成绕空气心旋转的 环状薄膜从喷孔喷出( 环状液膜的厚度一般为o 5 4 微米) ，由于离心惯性力的作用，液膜会张开 变薄，成为锥形液膜。锥形液膜在不断前进、扩艘、变薄的过程中，在离喷孔不远的地方，先撕 裂成细丝，最后断裂成小液滴，造成了中央雾滴稀少、四周雾滴密集的空心圆锥雾形。 气流式喷雾器的雾化机理可简述为：当料液由料泵送入喷雾器的中央喷管，形成喷射速度不 太大的射流时，压缩空气则从中央喷管周嗣的环隙中流过，喷出的速度很高，达2 0 0 3 0 0 米秒， 有时甚至超过音速。因为在中央喷管喷出白处，压缩空气流与料液射流之间存在很大的相对速度， 由此产生了混合和磨擦，将液体拉成细丝，细丝又很快在较细处断裂，形成球状小液漓。丝状体 存在的时间决定于气液的相对速度和液体的粘度。相对速度愈大，液丝就愈细，存在的时间就愈 短，所得的液滴就愈小。液体的粘度愈高，丝状体存在的时间就愈长，往往没有断裂就干燥了。 因此，有时用气流喷雾法来干燥某些高粘度溶液时所得的干制品，往往不是粉状而是絮状的。气 流式雾化有动力消耗较大，雾化不均匀，产量小的缺电。 离心式喷雾器的雾化操作原理是将料液送到高速旋转的转盘l ，由于离心力的作用，使它扩 展开成为液体薄膜从盘缘甩出，同时受到餍圈空气的磨擦而碎裂成为液滴。离心式喷雾器转盘的 形式很多，常见的有喷枪式和鲺盘式两人类。利用光淆平盘式离心喷雾器作料液雾化试验所产生 的现象锻能说明离心喷雾过程的各瓣机理。在不同条件下的雾化机理可能有妇f 三种：直接单 独形成液滴：这是当转盘转速很低、料液流量很，j 、时出现的雾化现象。这时对生成液滴有决定性 影响的因素是料液的粘度和表面张力。改变粘度和表面张力会蔚滴径产生很大的影响。这种情况 下雾化的机理属于物性控制的机理。液丝断裂成液溥：这是转盘转速中等、料液流量中等时出 现的现象。当雾化操作还处于低转速、小流量的物性控制阶段t 、j ，将转速和流量逐渐提高到一定 程度后，料液的局部集中便逐渐扩人，液丝便开始从盘缘坤出，但还不足形成渡膜。从这时开始， 若是想要液丝断裂成为液滴，则除了有影响的物性因素外，还必须有液丝与空气之间的磨擦力。 这样，液丝与空气之间的相对速度会变罨愈来愈重要，因而盘径和盘转速就相应起着愈来愈大的 作用。这还是过渡状态时的机理，物性控制翻速度控制两者兼而有之。液膜破裂成液滴：这是 转盘在高转速、大流量下操作时所出现的情况。在大流量高转速下原来的渡丝相互合并，成为连 续的液膜。并从盘缘伸展出来，至一定逝离雨后破裂。这时雾化舱机理也就从物性控制转化为速 度控制，称为速度雾化机理。也就是说，这时对雾化和渡滴直径有决定性影响的是速度。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 混合式喷雾是综合以上三种喷雾器，根据具体物料的情况，进行优化组合，从而得到的性能 更加优越的喷雾器。比较典型的有双级雾化，它是由超音速气体雾化方式和旋转盘雾化方式组合 在一起的新型雾化t 艺，在冶金工业中能得到很好镌运用效果。 除了以上几种比较典型的雾化形式外，还有如靶式喷嘴雾化，旋转液体射流雾化，空心圆柱 形液体射流雾化等一些比较特殊的根据不同的雾化器形成的雾化方式。 1 2 2 液体雾化的射流破裂理论和薄膜破裂理论 液体雾化可以通过不同的雾化器来实现，但是纵观对雾化机理的研究，人们对雾化过程的认 识大体上是相同的，均认为是先把液体展成薄的液膜或使液体形成细的射流，然后，在其内部的 紊流以及与周围介质的相互作用下破碎而雾化o j 。但是，由于雾亿装置的种类繁多以及雾化过程 本身的复杂性，其机理在理论上尚有许多的目题需要研究和解决，以至于人们j 丕不能从理论上对 雾化机理进行详尽的描述。 l 22 1 射流破裂 1 8 7 8 年，r a y l e i g h 就提出了非粘性液柬在层流状态下教裂的数学表达式，最早提出了射流不 稳定理论。该理论认为液束的长度大于周长时就会不稳定而造成散裂f 6 l ，即当液体射流上出现一 个小的初始扰动，如果扰动的振幅逐濒增长，当振幅增长达到未受扰动的液体射流直径的一半时， 这个射流就不稳定井要破碎成液滴。用数学表达式可描述为： = 4 5 1( 1 1 j 吼 式中：五一扰动的波长； 矾一射流起始直径。 当五哦4 5 1 时，液体射流不稳定并要破碎，这时破碎出来的液滴平均直径为1 8 9 以。 但是，由于r a y l e i g h 当时所研究的是理想的非粘性液体低速射流破碎的过程，而且假设液体的表 面张力是唯一抵抗液体破碎的力，所以r a y l e i g h 对液滴直径的藤测值与现在常用的直射式喷嘴的 实际雾化结果不尽符合，其值偏大。尽管如此，其研冗结果为以后的研究奠定了基础，其结论作 为一般性理论，被后人经常引用。 w e b e r 在1 9 31 年也进行了雾化机理的研究，他在r a y l e i g h 理论的基础上，把料液的粘度， 表面张力及液体密度等因素也考虑在内，得出在相同的操作条件f ，不同的粘度、表面张力、液 体密度雾化结果不相同的结论”1 ，并导出了形成粘性射流最大不稳定性的比值，对雷利的理论进 行了修正与发展，如下式口j ： 车：玎压( 1 + 丝) 。5( 1 2 ) d ，、3 p | 1 6 i 。1 d 。 其中：五一扰动的波长( m ) ： 玩射流的起始直径( m ) ： t ，、n 、吼分别为液体於糙瘦( n s m 2 j 、密度( k g m 2 ) 、表面张力( n m ) 。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 m i,- - - - - , u ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自! ! 自! ! ! e ! ! ! ! 笪 对于理想的非粘性液体“l _ o ，这时方程变为 = 万乏= 4 4 4 ，与r a y l e i g h 的描述极其 “0 接近。这表明其理论与r a y l e i g h 的理论是一致的。同时，w e b e r 还分祈了喷嘴周围的空气对液体 射流破碎的影响并指出：气体动力是促进液体破碎的主要因素，破碎后的液滴尺寸取决于气体动 力与液体表面张力的比值，从而总结出了著名约w e b e r 准数陟2 f e ：垒竺rr 垫2 1 1 3 1 其中：p 。，一雾化气体的密度：盯一液体的表面张力系数：v气液间的相对速度： 以一液滴的直径 h a e n l i n 于1 9 3 2 年研究得出，在高速气流影响下，波束表面的规则波形由于速度增大而变得 极不规则”1 。c a s t l e m a n 也分析过高速气流的挠动作用，得出雾化程度可以从空气与液体的相对速 度来调节，并直接推论出结论：液束的稳定性是雷诺数的函数p j 。o h n e s o r g e 的研究则更进了一步， 他分别在1 9 3 6 和1 9 3 7 年做过试验，列出了雷诺数的关系式，把液束的分散现象用液体粘度、密 度、表面张力和液束尺寸等参数来表达，其研究表明，在没有周围空气影响的情况下，射流破碎 后的液滴尺寸主要取决于喷口直径，液滴的密度、表面张力和粘性力，并且，依此整理出了无因 次准数z 来进行描述，并得出结论；在雷诺数较，j 、的范围内，雾化主要由液束表面出现的振动产 z ：鲨：丝 z 。1 丁。a , p 兰，c r , , d o 1 1 4 1 生；在中等雷诺数下的雾化程度则与液束上出现的波动运动有关；在雷诺数很高时，液束迅速分 散，直接在雾化器边缘就雾化了”o f 。 八十年代以来，b r 3 c c o 圳和l i n “1 等人分别在时间模态下对圆柱射流的雾化枫理进行了探讨。 我国的易世君等人对圆柱射流在非轴对称扰动f 的分裂和雾化作了较广泛的研究，并且引入一个 表征分裂和雾化形态的无量纲数j e ： 沈：丝 ( 1 5 ) 以2 万 其中：q 为气液密度比 当d e 1 时，对应的是分裂形态”“。严春吉，解茂昭等人 采用线性稳定性分析的方法推导出了普遍三维形式下空心圆柱射流自由表面扰动发展的特征方 程，得出了以下的结论：液体的粘性力起着阻止射流分裂雾化的作用，气动力在喷射过程中起着 使射流扭曲变形的作用，它加强了扰动的不稳定性，表面张力起着削弱扰动的增长，阻止射流表 面扭曲变形的作用，表面张力增大，扰动增长率减小。 1 2 2 2 薄膜破碎 薄膜破碎理论研究的结果认为薄膜破碎可分为轮缘形破碎、穿孔形破碎和波动形破碎三种方 式，薄膜破碎后形成的液滴平均尺寸及尺寸分布与破碎鹃方式密切相关。 在轮缘形破碎中，液体表面张力使液体薄膜的边缘姓先收缩出一个较厚舱类似轮缘一样的液 膜。随后，这个轮缘以射流破碎方式而破碎成小液滴。当液体的粘性和表面张力都很高时就会 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 出现这样的薄膜破碎方式，这种破碎方式一般产生较大的雾滴。 对于穿孔形薄膜破碎，最初在离喷孔一定距离的液膜上出现孔洞；这些孔洞的尺寸以很快的 速度成长，直到相邻的孔连在一起形成不规则形状的液丝，随后液丝进步破碎成液滴。一般来 说，穿孔形破碎形成的尺寸较均匀。 在波动形液膜破碎中，液膜上可能不出现孔洞，这时液膜主要由于液膜表面上产生波动而破 碎i ”。 对液膜波动情况研究比较早的是s q u i r e ，他通过对液膜波动情况的分析研究，在1 9 5 3 年 提出了液膜的稳定性理论。但是对液膜破碎机理研究较细致的是h a g e r t y l l ”，他对液膜的稳定性 进行了般的考察，并对液膜上存在的对称与菲对称波动情况进行了分析研究，见图1 1 ，从而 推导出了各种情况的波动成长速度和波长的关系式，并且得出结论：非对称波动的成长速度比对 称波动的成长速度快，因此，液膜的分裂是由非对称波引起的。实际上，从模型观察到的液膜波 动情况正是这样，在液膜上通常是非对称波成长直到分裂。 1 9 6 2 年d o m b r o u s k i t l 6 对扇状厂1 阔的液膜分裂过程进行了研究。实验中观察到，液膜上形成 的皱纹随着液体向下流动而变深，很快皱纹的 氐谷部分以及高出部分便与相临的部分分离而成为 带状的液块( 上述过程被认为是非对称波作用的结果) ，而分离生成的带状液块，由于表面张力 的作用成为圆筒形的液柱，然后液柱进一步散裂成雾滴。这一过程见图1 2 。d o m b r o u s k i 在密度 不同的空气中用扇形喷嘴对水进行了喷雾实验并实测了液滴的粒径，通过对实验数据的整理褥弛 了相应的关联式用以预测雾滴的直径。1 9 6 3 年d o m b r o u s k i 和j o h n s l ：7 1 在针对冶金工业中雾化现 象的研究中提出，在雾化的主要阶段，雾化气体的作用能引起液态金属表面波波幅的增长，从而 使得熔融金属在表面波的波峰处与主流分离成为带状或大的液滴。 非对称波动 八八 厂 对称注动 图1 1 非对称波动与对称波动 日本的上山惟一 i ”对圆盘状液膜的稳定性及其散裂问题进行了研究，其研究结果表明，液膜 上波动的波长、频率与环境中气流流动的速度，渡膜的表面张力及其粘度、气液密度等有一定的 关系。菇且指出：液膜的散裂过程楚波动振幅的增加、波峰处液体体积积累而波谷处液体体积减 少，最后导致散裂的过程。 我国的栾文琦1 ”3 对旋涡式压力喷嘴的雾化机理进行了深入细致的研究。建立了压力喷雾分裂 模型，其研究表明压力喷嘴所产生的液滴是在波的作用f 形成的。高速喷出的液体在环境介质中 振动产生波，该波反作用于液膜，当波发展速度达到最大时，液膜在波谷和波峰间断裂成柱状， 经再次断裂成段柱状，最终收缩成球状液璃。 实际上，薄膜破碎雾化过程非常复杂，以上三种破碎方式经常是伴随着同时发生的。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 浓艨上波动的生成 暖枉成长1 l 袅谪生成 巨1 2 扇状渡藤分袭过程 1 3 雾化在一些行业中的应用 1 3 1 内燃机燃油喷射中的雾化过程 在内燃机中，燃油的雾化对燃烧过程有很重要的影响，是节能和净化的关键环节。长期以来， 人们对喷雾场的几何特性进行了大量的理论研究和实验研究，取得了一系列的成果，相对而言， 燃油雾化机理的研究却不多，还知之甚少。燃油进入空气以后，由于气动力、惯性力、粘性力和 表面张力等多种力的相互作用，使连续的液柱发生分裂、破碎，随喷射速度的不同，成为形状各 异的喷雾形态。关于燃油雾化的机理，育多种解释：如空气动力干扰说、湍流扰动说、空气扰动 说、边界条件突变说等等【 ”。在以上诸多假说中，b r a c c ofv 等认为最有发展前途的是空气动力 干扰说，即高速射流与周围气体之间的气动相互作用导致液面不稳定波迅速而有选择性的增托， 是雾化的基本动因。华中理工大学的汪海清、宋军等人利用这一假说，定性定量的描述了燃油雾 化的过程，并且计算出了雾化细度和滴径分布，他们认为雾化阶段可以分成一次雾化和二次雾化 3 h 。 1 3 1 1 一次雾化 在一次雾化过程中，把喷雾划分为浓喷雾段和稀薄唼雾段，在浓喷雾段存在一个没有空气卷 入的连续的液核，即使射流速度非常毒，液牲的连续部分还是存在的，液核的前进速度也恒等于 射流初速，而液核的长度在喷射压力大于2 0 m p a 时，也还有约】o 3 0 m m 。根据空气动力干扰说， 燃油的雾化只发生在油一气交界面上，雾化由不稳定波波幅增长和进一步破碎过程所控制。l a m b 利用线性不稳定性分析研究给出了如下有关结果： = 且( 1 6 ) 曲：丝匕二尘扎 2 p ，c 式中：0 一波的振幅： r 一时间； k 一波速，k = 2 ，r 坦： c _ 速度，c = b 厂k p ，5 ； a 波长； “。“，一分别为空气和燃油的速度 成、p ，一空气和燃油的密度； 7 丝女z p n q p 。 qvb 1，(，ll，l，门玎八目 n=二=u 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 “，掖体粘度； 口，一液体表面张力； 国一波的角频率。 当小扰动波的波长小于某一临界俊五孵，0 2 , 为负值，波幅迅速衰减：而当五丑时，甜为 正值，波幅迅速增大。丑由f 式给出： r 厂一 2 3 4 声、仃，p l 。i 丑观叫看毒可| 8 l j 为一个常数，其值约为0 3 。 当波长大于z 时，波幅迅速增长丽形成细长的驼峰，由于空气的剪切力作用，驼峰继而断裂 为直径与波长为同一数量级的初始油滴。令初始油滴直径d = c 。五，g 由实验确定。 取一系列z 五( i = 1 , 2 ，3 ，) ，由式i 7 求得一系列啦。从所求的可知，存在一个砧， 使得臣k 最大。即存在一特定的波长，波长接近该值的波，其波幅增长要快于远离该值的波。对 应一个特定的初始滴径，滴径与该值接近的初始油滴较多，反之则少。油速与气流的相对速度越 高，上述特定波长值就越小，因而越易形成小油滴。 1 2 3 1 2 二次雾化 在油气交界面上，由一次雾化生成的油滴进入渗混区，油滴与空气向存在相对速度，由 于受到空气的作用，油滴将进一步破碎，形成二次雾化。令一次雾化后的油滴离开油一气交界面 时，具有与液核相同的速度，即等于初速碥；一次雾化后的油滴是否继续破碎，取决于其韦伯数 w e 。若w e 大于某一临界韦伯数w e ，则油滴继续破碎，否则不破碎。大油滴破碎成小油滴后， 直径减小，速度变慢。小油滴是否继续破碎，同样用w e 来判断。依次类推，一次雾化后生成的 油滴就不在存在了。 1 3 2 冶金工业粉末生产中的雾化过程 雾化在喷射成形粉末冶金工艺中是很重要的操作单元，它是用喷射雾化技术使得液态金属破 碎并直接沉淀到模具上形成成品或睾成品约工艺，研究表明雾化后的液态金属微漓的直径、盲径 的分布和微滴运动的速度都直接影酶到沉积过程的控制和沉积后产品的性能。为此，o s p r e y 公司 研究出了多种喷射成形技术，其中的一种雾化技术为l d c ( 液体动态冲击，i ，i q u i dd y n a m i c c o m p a c t i o n ) ，它主要是超音速气体雾化技术，特点在于雾化气体的速度达到超音速，而且雾化气 体还发生高频脉动( 脉动频率通常为6 0 2 0 0 k h z ) ，这种雾化技术可以得到比一般气体雾化技术 更细微的液滴、更集中的液滴直径分布和更快的凝固速率”“。 整个喷射雾化过程是一个相当复杂的过程，根据j o h n s t o n 和s e e ”以及d o m b r o w s k i 和 j o h n s l 4 ”的研究，雾化过程分为三个阶段，即主要破碎阶段、二次破碎阶段和球化及凝固阶段。 在主要破碎阶段，由于雾化气体的作用引起液态金属表面波波幅的增长，从而使得熔融金属 在表面波的波峰处与主