（机械设计及理论专业论文）液力式雾化机理及其在快速制冷中的应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 雾化技术在动力、化工、冶金、印刷、医学、农药喷洒等方面均进行了广泛的应用， 并取得了显著的经济效益。随着雾化技术的发展，在快速制冷方面也有了新的进展，并 取得了明显的经济效益和实用价值。本文着重研究了雾化的机理及其在快速谁4 冷方面的 应用。 本文叙述了雾滴破碎的三种基本形式。利用能量分析法对雾化能量进行了分析，分 析了影响雾滴直径的各个参数。对雾滴大小和雾化能量与射流速度的关系进行了详细的 推导，建立了雾滴直径以及上限、下限和雾化能量与射流速度的方程，并利用分组理论 对雾滴预测的精度进行了修正。实验数据表明，这些方程是正确的。 简述了喷头的三种基本类型和特点。分析了圆锥雾喷头的工作原理，提出了圆锥雾 喷头设计应注意的问题。对圆锥雾喷头喷雾量进行了详细的推导，分析了喷头涡流室和 喷嘴直径与局部阻力系数以及喷雾量之间的关系。并建立了方程。深入分析了喷嘴管道 长度对雾化的影响，建立了喷嘴直径和雾滴直径之间的关系方程。 说明了雾化制冷的可行性，对雾化制冷的晟优雾滴直径范围进行了详细的分析。分 析了喷嘴直径和雾化制制冷之间的关系。实验结果表明，雾化制冷是可以达到目的的。 关键词：雾化能量喷头制冷 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a t o m i z a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nd o n ea p l e n t yo fa p p l i c a t i o ni nd y n a m i c s ，c h e m i c a l e n g i n e e r i n g ，p u b l i s h i n g ，p h y s i c ，p e s t i c i d es p r a y i n g ，a n ds oo n a n dg r e a tb e n e f i tw a sg a i n e d f r o mt h e s ea p p l i c a t i o n s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea t o m i z a t i o nt e c h n o l o g y , t h e a p p l i c a t i o n i nq u i c kc o o l i n gh a ss o m en e w d e v e l o p m e n t a n d g a i nd i s t i n c tb e n e f i ta n dp r a c t i c a lv a l u e t h e m e c h a n i s mo fa t o m i z a t i o na n di t sa p p l i c a t i o ni nq u i c k c o o l i n ga r es t u d i e da n de m p h a s i z e di n t h i sp a p e l t h r e eb a s i cf o r m so ff o gd r o pb r e a k i n g u p a r en a r r a t e di nt h i sp a p e r a t o m i z a t i o n e n e r g yi s a n a l y z e db yu s i n ge n e r g ya n a l y z i n g t h ei n f l u e n c eo fe a c hp a r a m e t e rt of o gd r o pd i a m e t e ri s a l s oa n a l y z e d 。t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ef o gd r o ps i z e s ，a t o m i z a t i o n e n e r g ya n dt h e s h o o t i n gs t r e a mv e l o c i t yh a v eb e e nd o n eap a r t i c u l a rc o n s t r u c t i o n t h ee q u a t i o no ff o gd r o p d i a m e t e ra n di t sm a x i m u ma n dm i n i m u ma n da t o m i z a t i o ne n e r g yb e t w e e ns h o o t i n gs t r e a m v e l o c i t yi sa l s oc o n s t r u c t e di nt h i sp a p e r t h r o u g hu s i n gg r o u p i n gt h e o r y , t h ep r e c i s i o no ff o g d r o pd i a m e t e rf o r e c a s t i n gi sc o r r e c t e d t h ee x p e r i m e n td a t as h o w st h a tt h e s ee q u a t i o n sa r e b e l i e v a b l e t h r e eb a s i c t y p e s o fs p r a y e ra n di t sc h a r a c t e r sa r e s i m p l i f i e dn a r r a t e d t h ew o r k i n g m e c h a n i s mo ft a p e rf o gs p r a y e ri sa n a l y z e d t h e n ，s o m e p r o b l e m st h a ts h o u l db ea t t e n d e di n t a p e rf o gs p r a y e rd e s i g n i n g a r ep u t t e df o r w a r d w ed oa p a r t i c u l a rc o n s t r u c t i o no f t h eq u a n t i t y o ft a p e rf o gs p r a y e r t h er e l a t i o n s h i p so f s p r a yw h i r l p o o lr o o ma n d n o z z l ed i a m e t e rb e t w e e n s p r a yq u a n t i t ya n d l o c a lr e s i s t a n c ep a r a m e t e ri sa l s oa n a l y z e d ，a n d f u r t h e r m o r e ，t h ee q u a t i o n s o ft h e ma r ec o n s t r u c t e di nt h i sp a p e r t h ei n f l u e n c eo fn o z z l e p i p e l i n el e n g t ht oa t o m i z a t i o ni s d e e p l ya n a l y z e d f i n a l l y , t h ee q u a t i o na b o u tt h er e l a t i o n s h i po fn o z z l ed i a m e t e rb e t w e e nf o g d r o p d i a m e t e r si sc o n s t r u c t e d t h ef e a s i b i l i t yo fa t o m i z a t i o nc o o l i n gi s p r o v e di n t h i sp a p e la c c o r d i n gt h ep a r t i c u l a r l l 华中科技大学硕士学位论文 a n a l y s i so ft h eo p t i m i z e df o gd r o pd i a m e t e ra b o u ta t o m i z a t i o nc o o l i n g ，w ed r a w ac o n c l u s i o n t h a t c o n t r o l l i n g t h e f o gd r o p d i a m e t e ri n d i s p e r s ef o g l e v e li st h e o p t i m i z a t i o n t h e r e l a t i o n s h i po f n o z z l ed i a m e t e rb e t w e e ns p r a yq u a n t i t i e si sa l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r t h e r e s u l t so f e x p e r i m e n ts h o w t h a ta t o m i z a t i o n c o o l i n g c a na c h i e v ei t sa i m k e y w o r d s ：a t o m i z a t i o ne n e r g y n o z z l e c o o l i n g i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：布寄峰 日期：2 0 雄年月。如曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：布宇专 筝 日期：2 一年争月，e l 指导教师笔名：碧筵拍 日期：2 嘶五月7 口日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 科学技术的长足进步和现代工业的迅速发展，为液体雾化这一古老而又年轻的技术 提供了良好的发展契机。在其理论不断得到完善的基础上，液体雾化技术作为一项重要 的实用技术，在很多工业领域都获得了广泛的应用，并创造了巨大的经济效益和社会效 益，推动了国民经济的快速发展。 i 吏期以来，雾化技术在工业上的应用主要集中在在动力、化工、冶金、印刷、医学、 农药喷洒等各个方面，并且取得了显著的经济效益。例如在石蜡雾化脱油工艺中。石蜡 颗粒的直径对脱油效果的影响是十分明显的，随着颗粒直径的减小，脱油效果显著提高。 但是雾化技术在制冷方面的应用却很少，工业上应用较早的是高炉降温n 它利用雾化 水射流对炉体进行降温；这种技术较以往的各种手段相比，有更好的制冷效果和经济性。 近年来，雾化技术在制冷方面有了新的进展。由江苏理工大学研制的砼面喷雾降温 机旺1 是其中比较典型的一例。该产品可以将清水雾化为细微的雾滴，然后将雾滴弥散 在砼浇筑面上形成雾层，隔断阳光直射，同时雾滴汽化大量热量，从而达到降低浇筑面 环境温度、增加湿度的目的。该产品在三峡工地中大量使用，实测结果证明：环境温度 最多可以降低1 1 ，较好的满足了工程实际的需要。又如美国e 1p a s o 能源公司油田服 务分公司成功利用雾化制冷技术”1 ，使其位于新墨西哥, k l 怕qc h a c o 低温处理装置能收集 多达1 8 的天然气。 采j f j 雾化制冷技术，适一二在工地、旷野等室外等条件下使用。譬如暴露于炎热环境 下的汽车，由于“温室效应”的作用，车厢内温度在一定时间后达到较高的温度，使乘 客和驾驶员感到不适；此时就需要尽快地降低车厢内的温度，使人获得一个温度适宜的 乘坐环境。又如在野外中暑的病人，也需要尽快获得一个局部温度较低的环境。从这个 角度看，雾化制冷是一种值得推荐的方法，而且经济性好，因此是一种值得发展的制冷 方式。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 课题研究的目的 对于夏季炎热环境下的轿车车厢，需要快速地制冷；对于炎热野外环境下中暑的病 人，也需要快速获得一个温度较低的环境；又如天然气生产中，不断升温的提取装置也 需要快速地制冷以获取更高的产量。如此等等，在现实生活中和工业生产中，大量的场 合需要快速制冷以达到目的。液力式雾化制冷是一种新兴的、廉价的制冷方式，采用这 种方式不仅可以达到快速制冷目的且经济性好。本文在现有雾化机理的研究基础上，针 对雾化机理及其快速雾化制冷应用，利用能量分析的方法对雾滴的形成、运动及其雾化 能量做进一步研究，找出雾滴形成和运动的基本规律，并对这些规律进行实验数据验证。 一般来说，雾型与喷头的选择有很大的关系，不同的喷头其雾型是完全不同的。本文针 对雾化制冷时所采用的圆锥雾喷头，分析其设计、选型中应注意的问题；并对圆锥雾喷 头的喷嘴直径与喷雾量和局部阻力系数之间的关系做细致的分析。这就为雾化在实际中 的应用打下了基础，对雾化制冷选择合适的雾滴直径打下理论依据，最后通过算例和实 验结果说明了雾化制冷的可行性和最优雾滴直径范围。最后，简要分析影响雾化和制冷 的其他因素。通过这些分析和研究，其目的就在于进一步了解液力式雾化的机理，并对 其在快速制冷方面的应用做一定的探讨，这将对其进一步发展有一定的指导意义。 1 3 液体雾化机理研究进展 液体的雾化，是大容积的液体在气体环境中变成液雾或者其他小雾滴的物理过程， 其目的是增加液体的比表面积。在液体本身的动能、气体环境中的高速气流或者旋转、 振动等外部机械设备作用下，通过将液体破碎成雾滴、射流或者液膜来最终实现雾化。 在雾化过程中，能量的耗散主要由流动液体的应变能( 变形所做的功) 、形成相问表面 ( 雾滴) 时克服表面张力和粘滞力所做的功以及传给雾滴的动能和克服流体阻力所做的 功等方面决定。 国外学者早在1 9 世纪下半叶就已经开始对液体的雾化机理进行研究，到现在已经 得到了几种不同的重要理论。液体的雾化可以使用各种型式的雾化器来实现，但是雾化 的过程大体相同，从基本过程上大致可以分为三种类型：雾滴破碎、射流破碎和液膜破 2 华中科技大学硕士学位论文 碎。首先，应把液体展成薄的液膜或者形成细的射流；随后，液体在其内部的紊流以及 在与周围介质相互作用下破碎而雾化。同一雾化过程往往同时存在这三种破碎类型，下 面分别讨论这三种破碎过程。 1 1 1 雾滴破碎 人们对雾滴破碎的研究历史悠久，可以一直追溯到2 0 世纪初。l e n a r d “1 和 h o c h s c h w e n d e r 5 1 最先对大雾滴在静止空气中做自由落体运动和小雾滴随水蒸气一起运 动时的情况进行了考察。随后，人们从理论和实验两个方面对雾滴破碎进行了广泛的研 究。借助高速摄影技术的发展，人们在实验过程中观察发现，雾滴破碎可以分为两个过 程：变形过程和破碎过程。在气动力作用下，雾滴有多种变形方式。h i n z e “给出三种 最基本的变形方式，如图1 - 1 所示。 一 一 篁 a 双凸透镜状变形b 雪茄状变形c 凸起状变形 图1 - 1 雾滴破碎的三种最基本形式 a 双凸透镜状变形：雾滴先被压成椭球形，随后变形由内力的大小决定； b 雪茄状变形：雾滴先被拉成柱状射流，然后再破碎成小雾滴； c 凸起状变形：雾滴表面先形成局部凸起，凸起部分脱离原雾滴形成小雾滴。 雾滴以什么方式变形和破碎主要由气液两相的物理性质，即密度、粘度、表面张力 和雾滴周围的气体流动状态决定。 1 1 2 射流破碎 较早研究液体射流破碎并作出一定贡献的是r a y l e i g h ，r a y l e i g h 啦提出非粘性液体 射流在层流状态下破碎的数学表达式，指出：当扰动波长大于液柱周长时，扰动就会加 剧，从而使液柱不稳定；当扰动波长a 一4 5 1 d 。( d 。为液柱直径) 时，其增长速度最快， 华中科技大学硕士学位论文 此时破碎后的雾滴直径d 一1 8 9 d 。由于r a y l e i g h 所研究的是理想的非粘性液体低速射 流破碎的过程。而且只假设液体的表面张力使唯一抵抗射流破碎的力，所以r a y l e i g h 对 雾滴直径的预测值与现在常用的直射式喷嘴的实际雾化结果不符，其值偏大。但是其结 果为以后的研究奠定了基础，并在后人的研究工作中作为一般性的结论常被引用。 w e b e 7 1 将液体的粘度引入r a y l e i g h 的理论，他认为：如果初始扰动的波长小于k n ， 则表面张力将抵消扰动；反之，则表面张力将促进扰动，从而最终导致射流破碎。并且 当波长为 时。雾滴最容易形成。 对于非粘性流体九h 一蒯，a + 一幼d 一4 4 4 d ； 对于粘性流体九。；石d ， 一盈d ( 1 + ) ”。 p l , ：r a 1 1 3 液膜破碎 液膜破碎是指液体以薄膜形式从喷嘴喷出，然后液膜再散裂为雾滴。液膜从喷嘴形 成以后，其发展主要受开始速度、液体性质以及周围空气状态和物性的影响。液膜破碎 需要克服液体的表面张力和粘滞力的作用，为了加速液膜破碎，对液膜与周围气体的相 对速度有一定的要求，而这以相对速度主要由气体的压力、空气动力和离心力决定。 液膜破碎从机理上大致可以划分为兰种类型： 1 轮缘形破碎：在轮缘形破碎中，液体表面张力使得液片的边缘处先收缩成一个 较厚的类似轮缘状的液膜，随后由于空气动力或离心力的作用，液膜破碎。一般当液体 的粘度和表面张力都很高时，将会出现这种液膜破碎的形式：并且这种破碎方式产生的 雾滴尺寸都比较大。轮缘状液膜出现的位置是由其表面张力和扩张液膜的动能间的平衡 决定的。 2 多孑l 形破碎：受周围小雾滴或由于自身湍动所引起的压力变化会刺穿液膜，并 且在液膜上形成大小不一的孔洞。同时，这些孔洞的尺寸将迅速增大至与相邻的孔连在 一起，形成网状液丝，然后液丝破碎成不同尺寸的雾滴，如图1 - 2 所示。 3 波动形破碎：有时液膜自身湍动所产生的压力波并不会在液膜上产生孔洞，而 4 华中科技大学硕士学位论丈 足随着波动的增加，从液膜上( 波= 肖或者波。睁处) 将一块块的液片撕扯下来。由于外力 的作用，在理想状态下，液片将分裂成平行于液膜边缘的液丝，液丝在表面张力的作用 下再收缩成小雾滴，如图1 3 所示。 p 。 o o 图1 - 2 多孔形液膜破碎图1 - 3 波动形液膜破碎 在同一雾化过程中，通常这三种不同形式的液膜破碎类型是同时存在的。液膜通常 沿着液体流动方向横向扩展，而且液膜不同于射流，液膜是稳定的。因此，当液膜厚离 喷嘴越远时，液膜会变得越薄。在一定距离范围内，液膜厚度口和液膜距喷嘴口处的距 离x 的乘积为常数，这个常数称为液厚系数k = 口x 。标准化后的k 与喷嘴横截面积的比 值为液膜系数z ，即z ；等。 以 这样，对于圆形截面喷嘴爿。竺呈，液膜系数z 。! 譬。 、j x p d v 2 ，3 7 0，液 石no 膜受到边缘凸起限制而破碎成相对较大的雾滴。此时，紊流强度较低的液膜在气动力作 用下丌始振动，距喷嘴越远，振幅增长越快，液片先形成液丝，然后液丝破碎成雾滴。 目前的研究的主要内容，主要集中与一般雾化的机理和在某些方面具体应用，对于 雾化快速制冷涉及较少。在雾化机理方面，由于理论和实验手段的限制，雾化机理研究 还不够深刻，还存在很多假想的成分，因此有必须对雾化机理进一步研究；同时，也有 必须对雾化在快速制冷方面的应用做出新的研究。 1 4 本文的主要内容 本文将利用能量的观点详细分析雾化机、雾滴形成和运动的过程以及影响雾化的各 因素。利用液体汽化后大量吸热这一基本物理现象，研究探讨雾化制冷的可行性并对其 进行计算。本文主要研究内容如下： 华中科技大学硕士学位论文 第一章简述雾化的发展和在制冷方面的应用，回顾液体雾化机理的发展过程，简单 讨论液体雾化的三种破碎形式以及影响雾化质量的初步因素。 第二章详细分析雾化的机理，包括破碎机理、能量组成规律、雾滴形成规律和运动 规律，并通过实验验证这些规律的j f 确性。 第三章主要对喷头的类型和特点做了说明，并根据其工作原理分析设计圆锥雾喷头 时应注意的因素。根据喷雾量公式分析喷头对雾化的影响，并得出喷嘴直径与喷雾雾滴 直径的影响。 第四章主要分析雾化制冷的可行性以及影响因素，研究雾化制冷时雾滴控制的最优 范围，并通过实验进行验证。 第五章简要介绍影响制冷质量的几个主要因素，如：雾滴大小、雾滴密度、喷头以 及液体粘性对雾化的影响等。 第六章对全文进行总结和展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 雾滴破碎机理 2 雾化机理分析 w e b e r n l 分析指出，雾滴在气流中的变形主要受气体的压力、液体的表面张力和粘 滞力等因素的影响，进而总结出常为后人所引用的w e b e r 准数。w e b e r 准数是描述气动 力破碎的最主要的无量纲参数，低粘度液体的变形和破碎主要由w e b e r 准数来决定，其 数学表达式为： 睨p g a v 2 d ( 2 1 ) 式中：以气体密度( k g m 3 ) ； 盯液体表面张力( n m ) ； 矿气体和液体的两相速度差( m s ) ； d 雾滴直径( m ) 。 对于w 曲e r 准数表达式，因为气动压强等于学，由表面张力引起的雾滴压强 等于等，所以w e b e r 准数实际上就是气动压强和雾滴压强的比值。它的数值表示气动 力克服液体表面张力使雾滴变形和破碎的能力。当气动压强足够大时，就能克服表面张 力使雾滴破碎。由于雾滴是通过表面张力来保持自己形状的，因此当在气流作用下，液 体驻点气动压强超过表面张力产生的内外压差时，平衡被破坏，从而引起雾滴的破碎， 即： q 华己芋 z ， 其中：e 阻力系数。因此雾滴破碎的临界条件用w e b e r 准时表达可写为： 町2 苦 ， 7 华中科技大学硕士学位论文 当彬大于临界条件时，雾滴开始破碎。w e b e r 准数越大，破碎时间越短，液体射流 越细，这就是w e b e r 准则。当气液两相相对速度为a v 时，由式( 2 2 ) 可得最大稳定雾 滴直径为： d 一。葡8 0 歹r ( z 一4 ) 同样，可以得到直径为d 的雾滴破碎的临界相对速度为： + i ( 南) 0 5 协5 ， 雾滴的w e b e r 准数对雾滴的破碎，尤其对低粘度雾滴的破碎起着决定性的作用。另 外，气液两相速度差a 矿也很重要，因为它产生了气动压力! 生竽! ，但是这个气动压力 并不是在整个雾滴上均衡作用的。雾滴破碎的w e b e r 准数规则可以理解为：当作用在雾 滴的迎风面和背风面的气动压力不均衡时，气动压力超过表面张力产生的雾滴内外压 差，雾滴将发生变形和破碎。 w e b e r 准数不是控制雾滴破碎的唯一因素，因为雾滴破碎是一个动态的过程，雾滴 的粘度和惯性阻碍雾滴的瞬间变形和破碎。雾滴破碎需要一个响应时间，如果外界对雾 滴的持续作用时间小于雾滴破碎的响应时间，那么雾滴破碎就不会发生。 从现有的雾滴破碎机理来看，影响雾滴破碎的原因除去液体物理性质本身，另外就 是气液两相速度差。从本质上讲，雾滴破碎是与能量相关的，因此分析雾化能量亦可在 一定程度上揭示雾化的机理。 2 2 雾化能量组成分析 尽管雾化技术已经广泛应用于各个领域并已经提出各种雾化机理，但是人们对雾化 的机理还没有完全研究清楚，学者们提出了各式各样的假1 浣，包括空气动力干扰说、喷 射压力振荡说、湍流扰动说、边界条件突变说等等9 11 1 0 o 本文将从能量平衡的角度来 分析液体射流雾化过程中的能量转换。 华中科技大学硕士学位论文 首先确定分析所使用的控制容积，如图2 - 1 、2 - 2 所示中虚线包围的部分。假设喷嘴 内所研究的一段液体c v l 的体积为v ( m 3 ) ，表面积为s ( m 2 ) ，质量为m 。( r g ) ；控制面1 处的液体压力为最( p 口) ，液体流动速度为，( m s ) ；控制面2 处的环境压力为晶( 砌) ， 液体流动速度为v l 2 ( m s ) 。液体的表面张力系数为( r ( n m ) ，动力粘性系数为 肛( s l m 2 ) ，液体密度为矾( 磁m 3 ) 。控制体c 矿2 包括液体雾化后形成的液雾群以及 液雾所卷吸的空气。假设液体在离开喷嘴出口后t 秒内( 由控制面2 运动到控制面3 ) 破碎成为具有统一直径为d 的液雾群，液滴具有统一的平均速度。伽s ) ，控制面3 的压力即环境压力为p o ( p a ) ，液雾在静止的气体环境下卷吸的空气质量为m 。，并且这 部分气体与液雾液滴具有一致的速度。劬s ) 。 l2 图2 - 1 控制容积c y l 示意图 l23 图2 - 2 控制容积c v 2 示意图 那么对于c v l 而言，存在以下的能量平衡关系： 置+ i i 以叱2 。一昂+ j 1 n 匕2 ：+ 吃+ ： ( 2 6 ) 其中：最截面1 处流体势能； 昙凡嵋。截面l 处流体动能； 华中科技大学硕士学位论文 昂截面2 处流体势能； 去p 。v ：截面2 处流体动能： f k ，：截面1 到截面2 处能量损失。 由于在实际应用中喷嘴孔很短，因此可以忽略控制面1 到控制面2 的压力损失，并 且上式左端第二项相对而言很小，也可以忽略不计，则上式可以写为： 最置晶+ = j - 几v l 2 2 ( 2 7 ) 则可以得到液体的喷射速度为： ”产产 c z - s ， 对于控制体c v 2 ，雾化体积为矿的液体所需要的总能量为： e 。，一( 最一异) y 一喜，l l 吒2 2 ( 2 9 ) 根据流体力学1 1 1 雾化过程中克服液体表面张力所消耗的功为： 一盯p 一。) ( 2 _ 1 0 ) 克服液体粘性所需要的功即粘性耗散功为： k 。庐瞅 ( 2 1 1 ) 其中：中式单位时间内单位体积液体的粘性耗散功( 以柱坐标形式表示) 。 液雾群具有的动能为： 妇；吉艺咯m ( 2 - 1 2 ) 液雾群卷入气体的动能为： 睨p 。寺肌g 噍出 ( 2 1 3 ) 所以在不考虑机械损耗的情况下，雾化过程的能量平衡式可以写为： 民一睨+ 岷+ 础+ 睨 ( 2 1 4 ) 根据b r i f f a 2 1 的研究结果，由于雾滴群卷入的空气质量非常有限，因此液雾在如此 短的距离内卷入的空气量与液体流量相比可以忽略不计。忽略上式中气体的动能，雾化 1 0 华中科技大学硕士学位论文 过程的能量平衡关系可以写为： 氏f ；睨+ 睨+ m ( 2 1 5 ) 其中：假定液体在雾化前后质量守恒，即忱一m 帅m 。 定义m 旦；坐为液滴动能在雾化总能量中占有的比例，根据有关射流液雾速度 1 巳t a t a l 分布的实验数据“3 进行计算与分析可以发现：础一般在5 0 左右。这样可以认为： 在雾化过程中，除去液滴的动能外其他所有雾化能量都用来克服液体表面张力和粘性的 作用，而这部分的能量消耗是雾化所必需的。 根据前面对液体雾化过程的能量分析结果可知，5 0 的雾化能量都用来克服液体表 面张力和粘性的作用，因此有必要对雾化时液体粘性耗散功做进一步的说明。在液滴的 破碎过程中，克服表面张力所做的功( 或者称为表面能的变化量) 睨计算起来较为方 便。睨是一个状态功，仅取决于破碎前后液滴总面积的差值与表面张力系数的乘积。 相对而言，粘性耗散功彬。是一个过程功，其计算较为困难，大小不仅取决于动力粘性 系数的大小，还与液滴的变形过程、变形速度以及破碎时间有很大的关系。粘性耗散功 的计算首先需要建立一个比较符合实际情况的液滴破碎模型。目前粘性耗散功的液滴破 碎模型有i b r a h i mn 4 的d d b 模型、z l i u 5 1 的表面边界层剥离破碎模式和c l a r k 6 1 的 摧毁破碎模式，但是这三种模型都有很大的假想充分，因此对于粘性耗散功的计算建立 符合实际情况的液滴破碎模型是今后研究的一个重点。 2 3 雾滴的形成 雾滴的形成有两种基本形式：一种是液力式雾化，即利用液体的压力能变换为雾滴 表面张力位能以及动能形成雾的过程：另外一种是气力式雾化，即以相对较低的压力使 液体破碎成雾滴，再利用高速气流的动能进一步撞击形成破碎并传输雾滴的过程，也称 为风送雾化。本文将主要介绍液力式雾化。 液力式雾化的喷头形式有很多种，本文以圆锥雾喷头为例来说明液体的破碎过程。 华中科技大学硕士学位论文 当高压液体进入喷头的涡流室以后，绕中心线做高速的螺旋运动。出于旋转过程所产生 的离心力与喷嘴内外压差的联合作用，液体通过喷嘴喷出后形成一个旋转的液膜圆锥。 随着离喷嘴的距离增大，液膜横截面增大，液流克服其表面张力的制约破碎成丝状，沿 着与锥体表面的切线方向运动。由于液面边界层不规则的紊流运动和撞击作用，并在液 体表面张力的作用下，液体破碎成雾滴。 液力式雾化产生的雾滴大小，与液体的压力、物理性质、喷嘴的直径以及喷头的流 量系数等因素有关。在长期实验的基础上，液力式雾化所产生的雾滴的体积中径( f m d ) 的经验公式7 为： 幽 a m p q ( 2 1 6 ) 其中：d 喷嘴直径( 踊) ； 喷头的流量系数； d 液体的表面张力( n r n ) ； 氐液体在2 0 c 时的表面张力； 液体的动力粘度( si r a 2 ) ； 液体在2 0 时的动力粘度； a 常数，实验测定aa 4 1 5 ； p 液体压强( p a ) ； m 液滴在周围介质中运动时的马赫数； ，l 、n 、七、g 无因次量，n 一0 7 7 ，m ；0 4 4 ，k ；0 8 1 7 ，q 一0 5 。 分析上式可得出雾滴的体积中径f m d 与各参数的关系如下： 1 增大喷头的喷嘴直径d ，可使雾滴的体积中径f m d 变大，因此减小喷嘴直径是 强化液体破碎的一个途径。但是随着喷嘴直径的改变，喷头的流量系数也随之改变，在 其他参数不变的情况下，减小喷嘴赢径则流量系数增大。 2 影响雾滴尺寸的液体物性主要是液体的表面张力和粘度。对一既定喷头而言， 华中科技大学硕士学位论文 液体的表面张力增大则雾滴尺寸变大，动力粘度增加也会增大雾滴尺寸。 3 马赫数表示液滴在周围介质中运动的速度和声速的比值，液滴的运动速度越高， 破碎程度越强，雾化后雾滴的体积中径v m d 也越小。 4 液体的压力增大时，液流在喷头中获得的动能也越大，同时液流与周围介质的 压差也增大。提高液体压力会明显增强液体的破碎过程，使液滴尺寸减小。但是当压力 增加到一定程度后，继续提高压力，雾滴的尺寸改变就不显著了，这是因为高压下液流 内损失增大，消耗于喷头内部的能量迅速增加。 2 4 雾滴的运动 液体的雾化方式不同，产生的雾滴的运动轨迹也各不相同。即使是同一种雾化方式， 不同的喷头和雾化参数，所产生的雾滴运动过程也十分复杂。 一个雾滴从喷头分离出来以后，因为喷雾方式不同而初速度大小和方向不同，液力 式雾化方式下，雾滴的运动轨迹在不考虑其他因素影响的情况下，可近似认为是直线运 动，雾滴的重力与从喷头获得的能量相比可以忽略不计。这种喷雾方式产生的雾型( 如 图2 3 所示) ，主要取决于喷嘴的形式和喷雾压力。 图2 - 3 液力式雾化的雾型 雾滴的大小和初速度是决定喷雾分布质量的重要因素，可以运用能量法推导求出。 2 4 1 雾滴大小和初速度的关系 根据d o m b r o w s k i 8 和f r a s e rn 9 1 的理论，从喷头喷出的液膜分化为雾滴的过程是 一个质量的惯性力和液体的表面张力之间的平衡过程。该理论认为：液膜的形成及其性 华中科技大学硕士学位论文 质足山液体的物性和孔流的雷诺数决定的。液膜边缘的形成是由于液膜质量的惯性和它 的表面张力达到平衡的结果，这时液膜进一步发展，惯性力超过表面张力，就会分化为 雾滴。这样，液体在离开喷嘴时所具有的能量减去液膜丌始分化成雾滴时具有的能量， 就等于液体在形成和发展液膜过程中所消耗的能量。 但是消耗在由液膜断裂成雾滴的这个过程的能量有方程式表达较为复杂和困难，所 以先做一些假设。假设从喷嘴处开始迅速增长的液膜波在液膜的边缘破裂形成液膜的花 边，而这些花边进一步收缩形成直径大小一致的系带，最后由系带断裂成雾滴。为了估 计消耗在这样一个复杂过程中的能量，以及它对雾滴初速度可能产生的影响，把它从能 量方程中分离出来，单独考察。 为了说明雾滴形成各个过程中的能量变换，在液膜中分离出来一个质量为a m 的小 块，假设该小块以p 的速度从液膜中分离出来，并形成直径为d 、初速度为的雾滴。 为了简化能量方程，做如下假设： 1 a m 小块在液膜中时的表面积相对于形成雾滴后的表面积可以忽略不计； 2 雾滴在形成过程中没有热交换； 3 在整个雾化过程中质量守恒。 根据以上假设，能量平衡方程可写为： 三( 锄) 吆+ g a m k ha 丢( 加) 曙+ j r d 2 盯+ 詈d 2 ( 2 - 1 7 ) 其中：譬重力加速度( 9 8 1 m s 2 ) 。 盯液体表面张力( m ) ； “运动粘度( 咕m 2 ) ； 舳液膜的边缘与雾滴形成时所处位置之间的垂赢距离( m ) 。 假设雾滴在径向方向上生成，用矿表示在雾滴生成时液膜的径向速度，对于一个给 定的方向，上式可写为( 即雾滴直径方程) ： d 1 2 a + 3 p k 如而孓瓦高可 ( 2 1 8 ) 华中科技大学硕士学位论文 雾滴形成的能量方程可表达为： 一l ( a m ) v , 2 + g 椭幽= 三d 3 p ( k 2 + 2 9 幽) ( 2 - 1 9 ) 根据雾滴的形成过程和前面的假设，可以为雾滴直径设置一个下限，此时- 0 。 则上式可写为： “。耥 ( 2 2 0 ) 同理，给雾滴直径设置一个上限，此时= k ，式可以写为： “，一等( 2 - 2 1 ) 根据方程2 - 2 0 ，假设a h 分别为o 3 m m 、0 4 m m 和o 5 m m ，以水为例，根据水的性 质：盯一7 3 x 1 0 n m ，p 。1 0 1 x 1 0 。s m 2 ，p = l x l 0 3 七g m 3 。如图2 - 4 所示，图中 表示了雾滴的最小直径随液膜速度的变化关系。从图中可以看出，随着液膜速度的提高， 雾滴最小直径趋于减小，特别是液膜速度超过2 m s 。当喷雾压力提高时，喷嘴产生的 雾滴减小；喷嘴压力提高，相当于液膜的速度增大。从图中亦可看出，由于三条曲线基 本重合，因此液膜的边缘与雾滴形成时所处位置之间的垂直距离对雾滴的最小直径影响 较小。 华中科技大学硕士学位论文 0 1 6 0 1 4 0 1 2 l 0 1 d 乱0 8 删 饕0 , 0 6 林 0 0 4 0 0 2 0 雾裔最小直径祁液膜径向束速度关系 雾滴破碎距n o3 m m 一墨鎏璧鐾要塞：。4 m m l o24661 01 21 41 61 b2 0 雾清液唆径向束速度单位( m s ) 图2 4 雾滴最小直径随液膜速度变化关系 根据方程2 1 8 和2 。1 9 ，可以得到如图2 - 5 和2 - 6 所示的结果。图中仍以水为例，其 中：幽为0 3 m m k 分别为5 m s 一、l o r e s 。和1 5 m - s a 出图2 - 5 可知，对于大雾 滴k - k ，但对于小雾滴当直接接近于d 。时，其雾滴飞行速度下降非常快，这就证实 了当d d _ n 时，一0 。 华中科技大学硕士学位论文 1 0 葬满直轻与雾潸速度关幕 j r 。一一 ， j 二鎏毒| 釜鉴；盎 f 液臃束悫度1 5 m 拇 j ? 一 一一一一一 ， 7 | f o 0 st15 22 5 雾清直径年位“巾) 图2 5 雾滴直径与雾滴速度关系 3 x 1 矿 。 ? = 嚣黩瑟窿韶：s 壤糠车进度t s r r 如 ， ? ， ：歹 一 ， j ，j + 一7 7 毒孑一?二二二：， 一一1 一一 【 葬滴直径单位u m ) 图2 - 6 雾滴直径与雾滴形成能量关系 x 1 0 。 1 7 mlu“茸翦鼹罄悻 华中科技大学硕士学位论文 另外从图2 - 6 所示还可以看出，小雾滴在形成时从液膜吸取的能量比大雾滴小的多， 这与g i l e st 2 0 1 的发现基本吻合，g i l e s 认为左右给喷嘴的7 0 的能量都最后变成了雾滴 的动能，并且大雾滴所含的能量占了大部分。 2 4 2 分组理论方程 为使雾滴直径预测更为精确，将雾滴的大小和速度划分为一定的等级，任何一级都 代表着一定雾滴参数的数值范围。为了解释在雾滴直径方程和最小雾滴直径中用级值 ( 即该级内雾滴直径和速度的平均值) 所产生的影响，将雾滴直径方程( 式2 1 8 ) 和最 小雾滴直径( 式2 2 0 ) 分别变形为分组理论方程： 陌面1 2 0 丽+ 3 2 v , 4 叩 ( 2 - z z ) ( 呼+ 2 9 j l 一瑶) p d 呀 而塑盟，7 ( 2 2 3 ) ( 曙+ 2 9 a h ) p d 。吣。 其中：打常数； 下标g 说明该值代表某一级值。 实际上r 并不一定代表直径为d 。雾滴的实际速度，可以看成是一个理论速度。 对于一个给定的d 。，令d 。a d ，通过方程2 - 1 8 和2 - 2 2 就可以建立起理论速度和实 际速度之间的关系： 一囊1 一即) ( 曙+ 2 吕懿) + 智嘧 沼2 4 ) 同样，d 。和d m 。之阃的关系也可以通过方程2 - 2 0 和2 - 2 4 建立： d 。j n - r i d 。嘶 ( 2 _ 2 5 ) 因为o 4 0 0租雾滴 测量雾滴大小最常使用的参数是体积中径( v m d ) ，单位为微米。所谓体积中径， 就是将雾滴按大小排序，然后以某一直径的雾滴为界。将所有雾滴分成总体积相等的两 部分，则分界雾滴的宜径称为体积中径。因为几个大雾滴就可以占有雾滴群较大的体积 比例，从而使体积中径增加，所以体积中径本身不能表示雾滴大小的范围。数量中径 ( n m d ) 是所有雾滴的平均直径，而不管其体积大小，这就更强调了小雾滴。由于体 积巾径和数量中径分别受大雾滴和小雾滴比例的影响，所以这两个参数的比值可以表示 华中科技大学硕士学位论文 雾滴大小的范围，大小比较均匀的雾滴群其比值接近于1 。 对于特定的目标空间，在选择合适的雾滴大小时，应考虑雾滴或者粒子从喷头向目 标空问的运动，以及重力、静电等因素对雾滴运动的影响。在减少制冷液体用量的情况 下，只有使用大量小雾滴才可以快速完成汽化，从而达到制冷的目的。 一定的液体所能够产生的液滴数目与雾滴直径的立方成反比，这样落在1 c m 2 平滑 表面上的雾滴数目以可由下式计算： 舾6 石o ( 1 d o o ，、1 3q (2-32) 其中：d 雾滴的体积中径v m d ( “卅) ； q 喷雾量( m 3 ) 。 如果均匀的雾滴分布在平滑表面上，其雾滴的理论密度如表3 2 所示。 表“l m l 液体在1 c m 2 平滑表面上的雾滴理论密度 雾滴直径 1 0 脚啊 2 0 “小5 0 “坍1 0 0 儿州2 0 0 肌w4 0 0 肌w1 0 0 0 “，n 雾滴数目1 9 0 9 92 3 8 71 5 31 92 40 2 9 80 0 1 9 式2 3 1 和表2 - 4 都表达了雾滴直径和单位面积上雾滴个数的关系，这个关系的重要 ， 性在于，在不计外界条件影响的情况下，雾滴对目标空间的覆盖率在很大程度上取决于 雾滴的大小。所以，如果仅从覆盖率的角度出发，雾滴越小，汽化就越彻底，制冷速度 也越快，因此可以减少制冷液体的使用量。但是在实际应用中，出于对雾化成本和雾滴 穿透力的考虑，在不同情况下，存在最优的雾滴大小。 2 7 本章小节 本章主要阐述了雾化的机理，包括破碎机理、能量组成规律、雾滴形成规律和运动 规律。讨论了雾滴破碎的一般机理，说明雾滴破碎过程是一个与能量密切相关的过程。 从能量的角度讨论了液体射流雾化过程中的能量转换，以及雾化能量的组成情况。根据 华中科技大学硕士学位论文 雾滴形成后体积中径v m d 的经验公式，简要分析了影响雾滴直径的几个主要因素。通 过能量分析着重分析了雾滴运动的一般规律，得出雾滴直径、雾滴上限和下限直径以及 雾滴形成能量的表达式。在此基础上，为进一步说明影响雾滴预测直径的各参数，利用 分组理论对方程进行重建，说明雾滴预测直径可以通过减小分组范围来减小影响。通过 实验数据的验证，表明这些规律是正确的。简要阐述了雾滴尺寸分布的表达方式和雾滴 分类的标准，并况明对目标空间进行喷雾制冷时应注意的一些问题。 华中科技大学硕士学位论文 3 喷头与雾型分析 喷头在喷雾装置中起着非常关键的作用。喷雾装置通过喷头控制液体的流量，使液 体雾化成雾滴分布在目标的表面上，合理选择喷头种类，正确应用喷雾参数，是提高喷 雾质量的重要保证。 3 1 喷头的类型和特点 影响雾滴大小和喷雾质量的因素很多很多，如药液的特性：比重、粘度、表面张力 等，下列因素对喷雾质量有决定性的影响： 1 喷头类型：例如在相同喷雾量、相同压力和相同喷雾角的情况下，空心锥喷雾产 生的雾滴一般要比扁形喷头产生的雾滴小： 2 喷头大小：相同类型的喷头、相同的喷雾角和相同的压力作用下，喷雾量小的喷 头产生的雾滴比喷雾量大的喷头小； 3 喷雾压力：对于任何喷头，提高喷