（机械设计及理论专业论文）涂油机射流破碎模型理论研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着社会发展，人们对涂装品在外观上的要求也越来越高。静电涂敷技术就是近年来 在国内外快速发展起来的新型技术，已经被广泛应用到各个工业领域中。利用静电喷雾技 术开发的静电涂油机是集机械、液压、电气、高压静电、计算机控制于一体的高科技产品。 在静电涂油机结构和雾化过程研究基础上，为了寻找在不同电压、流量下，液体雾化 的效果及雾化规律，引用武汉科技大学静电涂油课题组的实验研究，通过实验现象揭示油 液静电雾化的本质特征。 本文在试验分析的基础上，对涂油机的射流部分和雾滴扩散做了理论分析和计算。其 中射流部分主要对射流的稳定性做了非线性e h d ( 电动流体动力学) 分析，得到了在锥射流 模式下的射流破碎后所分裂出的主要的两种液滴，即主要液滴和次要液滴的粒径大小比 例。将计算得到的主要液滴和次要液滴的粒径比和实验结果进行了对比验证了理论分析结 果。 在雾滴扩散部分，文章对射流破碎分裂出的不同粒径的荷电液滴在分裂后的运动情况 做了理论分析，并将不同的荷电系数、射流流量、电压大小等情况下对荷电液滴的扩散做 了对比，得到了有一定应用价值的计算模型。 关键词：静电场；荷电雾化：计算模型；e h d 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o a t i n gm a t e r i a l sr e q u i r e m e n t si nt h ea p p e a r a n c eo fi n c r e a s i n g l yh i 曲w i t ht h es o c i a l d e v e l o p m e n t e l e c t r o s t a t i cc o a t i n gt e c h n o l o g yt h a ti sa th o m ea n da b r o a di nr e c e n ty e a r sw i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e wt e c h n o l o g y , h a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt ov a r i o u si n d u s t r i a lf i e l d s t h eu s eo fe l e c t r o s t a t i cs p r a yt e c h n o l o g yd e v e l o p e db ye l e c t r o s t a t i co i l e ri sam e c h a n i c a l ， h y d r a u l i c ，e l e c t r i c a l ，h i g l lv o l t a g es t a t i ce l e c t r i c i t y , c o m p u t e r - c o n t r o l l e dh i g h t e c hp r o d u c t si n o n e e l e c t r o s t a t i co i l e ri nt h es t r u c t u r ea n dr e s e a r c hb a s ea t o m i z a t i o np r o c e s s ，i no r d e rt of i n da d i f f e r e n tv o l t a g e , f l o wu n d e rt h ee f f e c to fl i q u i da t o m i z a t i o na n da t o m i z a t i o no ft h el a w , c i t i n g t h ew u h a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fe l e c t r o s t a t i co i l e re x p e r i m e n t a ls t u d y g r o u p ，r e v e a l e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n ao i lo ft h ee s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r o s t a t i ca t o m i z a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ea n a l y s i so ft h ep i l o tb a s e do nt h eo i l e rp a r to ft h e j e ta n dd r o p l e ts p r e a do f d o n eat h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n i nw h i c hs o m eo ft h em a i nj e to nt h ej e tm a d ea n o n l i n e a rs t a b i l i t yo fe h d ( e l e c t r i cf l u i dd y n a m i c s ) a n a l y s i s ，h a v eb e e ni nt h ec o n e - j e tm o d et h e j e tb r o k e no u ta f t e rt h es p l i to ft h et w om a i nd r o p l e t s ，t h a ti st h em a i nd r o p l e ta n dm i n o r p r o p o r t i o no ft h ep a r t i c l es i z eo ft h ed r o p l e t s 、矾1 1b ec a l c u l a t e db yt h em a i na n ds e c o n d a r y d r o p l e td r o p l e ts i z er a t i oa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec o m p a r e dt ov e r i f yt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s p r o l i f e r a t i o ni nt h ed r o p l e to ft h ea r t i c l eo nt h ej e tt os p l i to u tt h ed i f f e r e n tf r a g m e n t a t i o no f t h ec h a r g e dp a r t i c l ed r o p l e tm o v e m e n ti nt h ed i v i s i o nd o n eat h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h es i t u a t i o n , a n dw i l lc h a r g ead i f f e r e n tc o e f f i c i e n t ，j e tf l o w , v o l t a g e ，c a s es i z eo ft h en e t h e r l a n d sx i n h u a d r o p l e t sc o m p a r e dt h ep r o l i f e r a t i o no fs oh a sb e e nt h ea p p l i c a t i o no ft h ev a l u eo fac e r t a i n c a l c u l a t i o nm o d e l k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i cf i e l d ；c h a r g e da e r o s o l ；c o m p u t i n gm o d e l ；e h d 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：肆 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照 武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名：垂丝 日 期：2 1 竺呈拿删! 闰 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 概述 防锈技术是防止金属制品裸露面在加工、储存、运输过程中因受环境影响而锈蚀的技 术，对保证金属制品表面质量和使用性能有着重大意义。有些国家每年因表面腐蚀造成的 损失，约占国民生产总值的2 4 ，主要原因是防锈工艺装备差，自动化程度低，造成 防锈油的涂覆严重不均匀。现在，人们对涂装品在外观上的要求越来越高，既要求美观大 方又要求实惠可靠，静电涂敷技术就是快速发展起来的新型技术，已经被广泛应用到各个 工业领域中。它涂油均匀，吸附力强，而且能节省涂料，降低对环境的污染程度，而且可 以使喷涂工艺机械化、连续化、减少废品率，获得优异的涂膜性能，大大提高劳动生产率， 改善劳动条件，从而获得可观的社会经济效益。 静电涂敷技术主要有静电喷涂和静电喷雾两种形式【1 1 。涂料微粒经过与直流高压电源 相连的电晕放电电极附近时，带上静电荷，已经带电的涂料粒子在输送气流力和静电力的 作用下飞向被涂物，由于涂料粒子所带的电荷与被涂物上的感应电荷之间的作用，使涂料 粒子吸附在被涂物上。当涂层达到规定厚度后，送入烘炉加热，待涂料熔融固化即形成厚 度均匀、质地牢固的皮膜，这就是静电喷涂。它最早由e p u 曲等设计出应用方案，并已推 广发展至今。目前，在许多领域里静电喷涂技术的应用相当广泛，如家电、玩具、仪表壳、 机械零件、陶瓷材料等的加工中，都广泛应用了静电喷涂工艺。静电喷涂依靠静电场的环 抱效应，使更多的涂料被吸附于目标体，有效的提高了喷涂设备的传递效率，使涂膜均匀 丰满。静电喷涂有液体涂料静电喷涂和粉末涂料静电喷涂之分，静电涂油机就是利用静电 喷雾技术开发出来的。 2 0 世纪7 0 年代初英国学者d o n a l dr h e n r y 提出静电涂油的概念，利用高压静电使油 液加速并雾化，然后喷涂在钢板上，这样可以使涂油设备与钢板不直接接触，涂油后的油 膜薄而且均匀，防锈效果好。利用这一技术，英国的p e a b o d y 公司和德国的d u n 公司开 展了静电涂油机的研制工作并取得初步成果，研制了多台静电涂油机，在德国、英国的钢 厂应用，并出口到世界各地，效果良好。美国u a s 公司与日本t r i n i t y 公司也于9 0 年代 初着手研制静电涂油机，先后造出多台静电涂油机用于本国钢铁企业并少量出口。 与一度广泛应用的辊式涂油机、喷嘴涂油机相比，静电涂油机【2 】具有明显优点： ( 1 ) 涂油质量好，工作可靠。油液在高压静电场中形成的雾化细粒均匀地吸附在金 属板带表面，成为牢固的极薄油膜，克服了其它涂油机涂油不匀、条状漏涂的缺陷； ( 2 ) 节油效果显著。静电涂油机涂油量可按工艺要求设定，可避免过量涂油，在保 证涂油质量的前提下，静电涂油机涂油量最少可达2 0 m g 眦 ( 3 ) 设备利用率高，维修费用少。除钢板静电涂油机的滚动导板在涂油工作过程中 接触钢板，可能会有少量磨损外，在工作时无任何零部件接触带钢，涂油是非接触性涂油， 不会产生机械磨损，设备故障少，利用率高，维修工作量小，所需费用少； 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 对环境污染少。静电涂油机在封闭的涂油室内给金属板带涂油，油雾能吸附在 板带上而不会扩散到涂油室外，克服了其它涂油机严重污染车间环境的缺陷； ( 5 ) 经济效益好。我国上海宝钢冷轧厂1 抖重卷线与1 # 、2 # 横切线采用静电涂油机， 据宝钢设计研究院测算，三台涂油机每年获经济效益达1 9 0 9 万元【3 】，其中由于钢板涂油质 量提高获益1 5 2 7 万元，节油与降低维修费用可节约3 8 2 万元。 静电涂油机中油液的雾化情况直接关系到静电涂油机的涂油质量，近期国内外很多学 者都把注意力集中在油液的荷电雾化机理研究上，探讨雾化质量与各种相关参数( 涂油机 结构参数、防锈油油品参数、高压静电场分布参数等) 的关系，但是还没有取得实质性突 破。因此研究油液荷电雾化过程及雾化机理是开发研制新型静电涂油机的核心工作。 1 2 静电雾化技术的研究现状 虽然人们现在对液体静电雾化的机理及过程的认识越来越丰富，但有许多问题仍然认 识不清，迄今为止尚无一个比较完善的雾化理论能完全利用数学方法来预测和计算油液的 雾化过程，离完全解决更是有相当的距离，其雾化问题的复杂性主要表现在【3 】： ( 1 ) 静电喷雾本身是一个动态过程； ( 2 ) 喷雾受到喷嘴结构形式、喷射电压、外界因素等综合因素的影响，所以通常对 喷嘴的雾化理论与实验研究多局限于对某一因素、某一局部的研究，缺乏对影响雾化整个 过程的系统研究，而各种不同类型的喷嘴雾化机理并不完全相同，因此难以有一个系统而 全面的雾化理论； ( 3 ) 雾化过程中液束的生成过程十分复杂，它包括液束雾化、液滴破碎、液滴碰撞 和聚合等，液束的主要部分液滴十分密集，根据观察，一般从喷嘴出口就形成一个液体核 心，它的长度随整个喷射系统的不同而不同。密集的液滴使激光测量技术的应用十分困难， 因此描述液滴破裂、聚合等动态过程的实验数据也很少，这使雾化机理的研究更加困难。 各研究者针对上述情况，对不同类型的喷嘴进行了广泛的实验研究，都曾归纳总结 出能够预测该实验喷嘴雾化性能的公式，但几乎所有的理论研究结果都是经验和半经验性 质的，存在很大的局限性。早期的一些经验公式大多没有考虑周围介质物性对雾化性能的 影响，而几乎所有的公式都没有考虑喷嘴内部结构参数对雾化性能的影响关系。同时研究 也大多针对不同的工程应用背景，因此提出各种方法进行的实验研究，并无多少共性。 目前国内外关于液体带电雾化方面的研究主要集中在两个方面，一从实验方面对静电 雾化技术进行研究，另一方面从理论及数值模拟方面对静电雾化技术进行研究。 1 2 1 静电雾化技术实验研究现状 静电雾化现象最早i 主i b o s e 5 】于1 7 4 5 年在实验报告中提出。z e l e n y t 6 】将几千伏直流高电压 分别加在从玻璃管流出的酒精、甘油上，观测液体分裂现象。当施加电压达到临界f 时， 液滴前端的液丝开始分裂成许多微粒，再加大电压则发生喷雾现象。临界电压以与液滴半 径，及液体表面张力f 2 _ 问有如下关系式： 圪2 = o f 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 式( 1 1 ) 右边的c 是由液滴形状决定的常数。d r o z “7 】用玻璃细管对1 3 种液体进行静电雾 化实验，结果表明电导率在1 0 - 1 1 s m 以下及1 0 。s m 以上的液体不会发生雾化现象。 1 9 世纪晚期，英国的r a y l e i 曲爵士就对静电使液滴分裂的物理机理进行了系统的研究， 并对荷电液滴的分裂过程进行了分析，提出了荷电液滴分裂的r a y l e i g l l 条件： q = ( 1 6 9 积3 仃) ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 中q 为液滴所带的电量，尺为液滴的半径，盯为液体的表面张力。 g o m e z 【8 】采用p d p a 对低流量、高电荷密度的甲醇静电雾化产生的雾滴大小及速度分 布进行了详细的测试，用脉冲透视成像技术获得了雾滴破碎过程的全部信息。在电场强度 为1 0 6 v m 时，实验获得了平均直径2 胛( 直径分布很窄) 的雾滴。雾滴速度及电场强度 随距喷嘴( 此处场强最高) 距离的增大而逐渐减小。速度雾滴直径关系表明，荷质比 近似与雾滴直径的平方成反比。g o m e z 还对添加抗静电剂的庚烷的静电雾化及弥散进行了 实验研究，获得了稳定的静电雾化效果。在不同的液体流量及静电电压下，获得了1 1 0 0 朋平均直径的雾滴，雾滴直径分布呈现明显的双峰特性。 r o s d l l i o m p m 【9 】通过一个加有高电压的锥形喷嘴，对高导电率的液体进行了雾化实 验，并采用粒度分析仪对雾滴进行测试。测试结果表明可获得o 3 4 彬的雾滴，且雾滴 直径呈现单分散性。 i m p 甜f lc o l l e g e 1 0 】采用p d a 系统及摄影方法对煤油荷电雾化的雾滴大小及速度分布 也进行了实验测试。实验表明雾滴直径分布也呈双峰特性。且雾化芯部外围的小雾滴其惯 性小，荷质比大，在小流量下向四周扩展。 j e o n gh e o n 鼬m 等【l l 】对加有抗静电剂的庚烷静电雾化中气流的影响进行了实验研究。 实验中雾滴直径、速度采用p d a 系统测试，荷电射流的破碎过程通过可视化观察。实验 也表明，液体的静电雾化主要取决于充电电压。在一定电压下，雾滴直径分布呈现双峰特 性。随着充电电压的提高，气流对雾化的影响逐渐减弱。雾滴直径速度关系反应了液体静 电雾化的动力特性。 苏永宏等【1 2 】对高绝缘性烃类液体燃料的静电雾化进行了实验研究，所采用的实验装置 由静电雾化器、高压电源和测量装置三部分组成。在实验中发现，采用高压脉冲电源时其 雾化效果优于直流高压，燃油的电荷密度在加压初期随着供电电压的上升而增大，但当电 压达到某一最大值时，充电水平骤然下降，平均电荷密度大幅度下降，对此苏永宏等运用 k e l l y 理论【l3 】将其看成是液柱表面进行了电晕放电。 吉林工业大学的李世副1 4 】设计了多种荷电装置，经过优选实验，最终确定了最佳的荷 电装置，对直流高压下的燃油荷电进行了系统的实验研究发现燃油荷电辅助雾化对雾化效 果的改善情况可通过对比燃油雾化粒子的大小、均匀度进行比较。同时对燃油雾场的研究 方法进行了比较，确定采用激光全息摄影技术对燃油荷电前后的雾场进行对比研究。 华中科技大学的成晓北【”】在国内首次将现代先进的p w 激光测试技术应用于燃油喷雾 实验研究中，结合高分辨率的c c d 数码摄像技术，既可获得喷雾场宏观发展特征，又可 得到喷孔附近浓密雾化区的内部结构形态，据此可分析其雾化分裂机理。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 上海交通大学的朱智勇【1 6 】将d p w 技术应用到燃油雾化研究中，建立了一套用于燃油 瞬态喷雾流场研究的d p w 测速系统，实现了喷雾过程的可视化并测取喷雾场的速度分布。 在此基础上，采用d p i v 技术对柴油喷雾和含氧代用燃料d m c 和d m m 的喷雾过程进行 了研究。 上海交通大学的吴志掣1 1 7 】基于光脉动法对气液两相流颗粒测量技术开发了研究。光脉 动法是近年来发展起来的，它是建立在随机理论和光散射理论基础之上的一种光学测量方 法。它通过分析光束穿越含有运动颗粒的介质后的光强信号变化，获取颗粒的粒径及浓度 信息。他阐述了曲线拟合的具体步骤，并给出分段表达式。针对该文的测量装置，专门开 发了一套数据采集、处理和测量结果分析软件。他设计、研制完成的光脉动法颗粒测量装 置已用于气动喷嘴雾化效果的实验测量中，在三种不同工况下沿喷射轴线方向和横截面上 测量了雾滴颗粒的粒径和浓度分布，并对测量结果进行分析。 东北师范大学的马祝阳、许德玄f i8 】等对雾化电晕放电原理及其特性进行了大量研究， 对雾化电晕放电静电电极的构造、放电特点、雾化电晕放电伏安特性、雾化状态、温度的 影响和电极清洗效果均进行了实验研究。邹远权【1 9 】等对中性介质微粒在电场中荷电的物理 过程进行了探索，对其电晕的产生、负离子分子的形成和介质微粒的荷电三个子过程的机 理进行了描述，并结合实验教学中几个重要问题建立了实验控制模型。 华中科技大学叶齐政【2 0 】等针对水处理技术中的混合二相体放电问题，实验研究了运动 水滴在尖一板直流电场中的放电现象。运动水滴在非均匀电场中会在水滴周围起晕并降低电 极系统的起晕电压。起晕电压与水滴的半径有关，较大半径的水滴起晕电压较高，水滴的 运动速度会影响起晕形成的脉冲宽度，运动水滴会影响电晕形态和降低击穿电压，多滴水 会强化上述变化。 1 2 2 静电雾化技术的理论及数值模拟研究现状 在静电雾化的理论及数值模拟研究方面，由于空间非均匀电场的复杂性及电场与流场 的耦合等因素，使得对荷电液体的破碎理论描述较为复杂，而后形成的荷电两相湍流流场 的模拟更见难度。近l o 年来，国内外研究者们虽做了一些工作，但尚属起步阶段。 在静电作用下液体的破碎机理上，i i l c u l t e 2 1 】对静电场中的水滴在微重力条件下的破碎动 力学进行了理论研究及数值模拟。在假设液体为完全导体，忽略粘性，不考虑液体和气体 相对运动时的相互作用情况下，根据质量及动量守衡及高斯定理建立了一个描述液滴在外 加电场作用下的变形及破碎过程的数学模型，并进行了数值计算，但计算结果与实验有较 大偏差。 e h s o n 2 2 】对针毛细管一板电极的静电雾化的射流的稳定性进行了理论研究。在忽略 粘性，假设射流扰动为小扰动的情况下，通过静电场理论及拉格朗同运动方程获得一个线 性化的射流扰动方程( 扰动增长速度与扰动波长的关系式) ，并用该方程对射流曲张及扭 曲两种模式的不稳定性进行了计算及分析。分析表明，随着静电场强的提高，射流发生不 稳定时( 即射流将要破碎为液滴) 的临界波长减小。其计算结果对不稳定性波长的预测与 实际基本相符。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 l o p c z 2 3 】建立了静电射流不稳定性的非线性理论模型，对不同荷电及扰动波长下的雾 滴大小进行了预测。他的预测结果与某些研究者的实验数据较为相符。y | eq 在考虑静电力、 气动力等情况下，根据拉格朗同法对喷粉颗粒轨迹进行了模拟，进行了全三维湍流的数值 计算，解释了荷电颗粒的空间电荷及湍流扩散对颗粒轨迹的影响，但是计算没有考虑相间 作用及颗粒的感应荷电。 s o l t a n i 等【2 4 】还研究了带电颗粒在管道湍流时的壁面沉积，通过对n s 方程的直接数 值模拟，求得湍流速度场。并对颗粒大小和场强对颗粒弥散及在管壁的沉积的影响进行了 研究。但计算时是假设颗粒足够小、且不考虑颗粒间的相互作用、也没有考虑颗粒对连续 相的作用的。 r o t h 等1 2 5 】对小粒径的带电液滴( 1 0 - - 1 0 0 a n ) 的分裂从理论上进行了探讨，其假设在 这一直径范围内的带电液滴一次放出刀个彼此相同的小液滴，大液滴在与小液滴分裂的过 程中彼此以悬链状曲面相连，并且分裂之后各个液滴的表面电荷密度相同，然后从能量守 恒出发，推导出了一系列的理论公式。 e l g h a z a l y 等【2 6 】用数值方法对孤立带电液滴的分裂进行了模拟计算，计算结果表明，液 滴分裂后，当分裂出的子液滴的质量与初始液滴总质量的比率在1 0 一2 9 范围内变化时， 系统的最终能量几乎不变，大约一直是系统最初能量的7 5 ，这说明孤立的带电液滴分裂 时，子液滴的带走的质量可以变化很大，外界所给予系统的微小的能量也会改变分裂时的 质量分配，这就很好的解释了为什么带电液滴分裂实验的结果与实验的条件有密切的关 系。计算中还发现，当子液滴带走的质量在l l 以下时，剩下的液滴就继续分裂，造成树 状分裂的情况。e l g h a z a l y 等人也通过实验对上述的理论进行了验证，理论预测与实验结果 基本吻合。 u w el e u t c r l 2 7 】对静电雾化技术用于发动机燃烧的直喷系统进行了研究。实验采用柴油 喷射压力为3 0 m p a ，实验表明静电场对雾化有显著影响。静电力作用于射流的液芯，使液 芯表面产生表面波，引起射流较早破碎，即射流长度显著缩短。射流长度的缩短导致平均 滴径减小，雾化角增大，雾化与周围空气的卷吸作用增强，这使得燃烧效率提高，油耗污 染物的排放降低了。该文用一个理论模型解释了静电场对雾化燃烧流场的影响。 江苏理工大学的王军峰【4 】对燃料的静电喷雾与荷电两相湍流射流进行了系统而深入的 理论和实验研究。研究内容包括燃料的荷电机理，荷电雾化特性，荷电喷雾射流流场及荷 电两相湍流理论与数值计算，它为荷电喷雾燃烧的进一步研究奠定了基础。并且模拟了环 状电极诱导的空间电场，建立了荷电雾滴诱导空间电场的数学模型并就模拟方法进行了探 讨。利用已建立的荷电两相湍流数学模型，采用i p s a 算法对荷电喷雾两相湍流射流进行 了数值模拟，将模拟结果与实验结果进行了对比，结果表明该模型在一定程度上可以实现 对荷电两相湍流流场的预报。 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室傅茂林、刘联胜等【2 s 设计了三种不同形式的气 泡雾化喷嘴，并建立了用于测量气泡雾化喷嘴相关数据的实验台。在该实验台上，利用马 尔文测粒装置、高速摄影仪、流强测量装置对气泡雾化喷嘴的雾化特性、流型特性、流量 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 特性、喷嘴出口下游的流强分布特性进行了实验研究，同时对实验现象和实验结果进行了 理论分析。丁宁等人【2 9 】运用线性热不稳定性理论，建立了加热条件下粘性液体射入气体介 质的圆柱射流模型，得到了表征圆柱射流的热不稳定性的色散方程，并利用m u l l e 方法进行 数值求解，根据求解结果，研究了加热条件下圆柱射流的r a y l e i g h 破碎模式的破碎机理， 探讨了无量纲参数w e b e 数( w e ) 、密度比( q ) 、m a r a n g o n i 数等和实际射流参数射流速度、气 体密度、液体粘性、喷孔半径、温度梯度、液体种类等对圆柱射流破碎最大扰动增长率及 占优波数的影响。 大连理工大学的张淑容等【3 0 】主要是利用专业c f d 软件一f l u e n t 对y 型燃油喷嘴的雾化 特性进行数值模拟研究，讲述了c f d 对于喷嘴数值模拟的相关知识，具体建立和选择了y 型喷嘴的几何模型和数学模型。确定了喷嘴最佳的物理模型及相关的设定参数，对燃油雾 化过程进行数值模拟并对得到的结果进行了相关分析，得到了一系列结论。 其他研究人员也进行了一些理论模拟或数值计算，但只是做了大量的假设，如不考虑 液体粘性，只考虑电极诱导的空间电场而不考虑雾滴感应荷电而形成的电场，或只考虑雾 滴电场而不考虑电极诱导的空间电场等等，故理论描述及计算与实际情况均有很大出入。 江苏大学【3 l 】近几年做了不少工作，取得了一些进展。在分析荷电颗粒受力情况的基础 上，用颗粒拟流体方法建立了荷电气液两相湍流的数学模型，对荷电气液两相湍流射流流 场中两相速度场、两相湍流速度场和雾滴浓度进行了全面的数值模拟并与实验结果进行了 对比分析，具有较高的精度。这一模型不但考虑了相间滑移、扩散的耦合作用及两相相间 作用，还考虑了颗粒相自身的湍流扩散作用，还考虑了电场和流场间的相互作用，尤其是 电场对湍流特性的影响。 1 2 3 静电雾化技术的应用简介 ( 1 ) 静电喷涂 静电喷涂是依靠静电场的环抱效应，使更多的涂料被吸附于目标体，有效地提高了喷 涂设备的传递效率，使涂膜均匀丰满。静电喷涂技术，最先由美国在1 9 4 0 年引入流水线， 开始在工业上应用，涂料由连续高压电源的喷枪或转盘进行静电雾化，外加电场控制喷出 涂料微粒至涂装面的运动。静电喷涂能有效地控制涂层厚度和分布，可实现喷涂工序自动 化，还有利于控制环境污染。 ( 2 ) 喷墨印刷 在现今的信息社会中，计算机使用普及化，随之对复印记录方式和性能的要求也日益 提高，非击打印刷方式的喷涂印刷技术便应运而生，随即商品化。该技术能在普通纸上高 速且低噪声地印字，也可以进行彩色印刷，对文字和图像的印刷均具有良好的适应性。其 中，应用静电雾化技术的有h e r t z 型及静电加速型两种喷墨类型。所谓h e r t z 型，墨水从喷 嘴喷出，径直通过控制电压为0 的空间，驱动记录纸便可引出直线。若在控制电极上施加 高电压，则发生静电喷雾，墨滴四射不能到达记录纸。静电加速型则在喷嘴与外电极间施 加几千伏高电压，带电墨滴在静电力作用下从喷嘴喷出，由x y 偏向电极系统调节进行印 刷。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 ( 3 ) 液体燃烧静电雾化 工业上广泛采用液体燃烧雾化技术，得以提高燃烧效率，节约能源，减少污染。传统 的液体燃烧雾化方法是利用机械离心力或蒸汽热力作用，其雾化效果有限，能量消耗较大。 1 9 6 8 年w e i n b e r g t 4 0 】开发了将液体燃料静电雾化的助燃技术，静电雾化可控制燃料粒子的产 生及其运动，并使燃料充分燃烧。 柴油电导率过低( 1 f f l 2 s m ) ，不易产生静电雾化。j o n e s 4 1 】在其中添加表面活性剂，使 电导率增至1 0 击s m 。施加4 k v 高压，在流量( o 1 0 4 ) x 1 0 - 6s m i n 的范围内，可得到4 0 - 1 2 0 n n 的柴油燃烧粒子。 ( 4 ) 电推进 小推力电推进系统作为一种有效的运载工具，在航天领域日益受到重视。与传统的化 学推进相比，电推进有比冲高( 1 0 3 0 k n s k g ) 、品质轻、寿命长的优点，可把更大的有效 载荷送入预定轨道。电推进是用电场或电磁场将推进剂电离雾化，使之高速喷出以产生推 力。电推进系统主要有静电式、电热式及电磁式三种类型。 要增加推力，必需增大雾化液滴的荷质比。h o g a n 4 2 1 研究液滴表面能、空间电荷效应、 电导率与雾化液滴荷质比的关系，并用甘油进行实验，得出荷质比最大值可达4 0 0 c k g 的 结论。p f e i f e r _ 【4 3 】认为当液滴分裂为等质量的带电微粒时，系统的能量趋于最小，并以此为 基准计算荷质比的概率分布。其结果表明，带电微粒的半径分布呈变形麦克斯韦一玻尔兹 曼分布，并用甘油进行实验，得到验证。 ( 5 ) 静电农药喷洒 农药喷洒历来都使用动力喷洒装置，农药利用率低。1 9 6 6 年l a w 4 4 1 首先研究静电农药 喷洒技术，其后浅野和俊进行了深入的研究。农药从加有高电压的喷嘴成雾状喷出，液滴 粒径为几十微米，在静电力作用下飞向喷洒目标，均匀地吸附在作物上。与利用重力的动 力喷洒法相比，静电喷洒法中的静电力较重力大三个数量级，因此农药在作物上的沉积量 可增加2 5 倍，反侧叶面的沉积量可增至3 倍。从而提高农药的利用效率，减少环境污染。 ( 6 ) 电喷雾电离质谱 9 0 年代以来，随着生命科学、环境科学、生物化学、医药科学技术的发展，质谱仪在 上述领域内获得了广泛的应用。电喷雾电离质谱( e s i m s ) 是刚发展不久的新质谱技术。 其显著的优点是：液相中的被检测分子由电喷雾电离为气相离子时，没有受到外界能量的 激发，不会发生裂解，因而电喷雾电离质谱无碎片峰。基于这个特点，电喷雾电离质谱是 直接检测富勒烯及其衍生物中性分子的有效方法。 ( 7 ) 静电微粒化 近年来随着科学技术的飞速发展，医学、光学、化学、机械、电气电子等领域都需求 高纯度、均一粒径的球形功能微粒。1 9 9 1 年g o m e z 4 5 】用p d p a ( p h a s ed o p p l e rp a r t i c l e a n a l y z e r ) 测定静电雾化的微粒粒径分布。1 9 9 2 年m e e t e r s l 4 6 用静电雾化热分解法生成亚微 米级金属微粒。奥山喜久夫【4 7 】将金属硝酸盐( 硝盐锌或硝酸镉) 和硫脲溶于乙醇作为原料 溶液，由静电雾化生成液滴，在导入氮气的高温反应炉中，液滴由热分解反应生成0 1 岬 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 粒径的硫化锌或硫化镉微粒。用静电雾化热分解法生成的微粒。无论是结晶性、粒径，还 是形状，均优于用超声雾化热分解法生成的微粒。 ( 8 ) 水雾灭火 水雾灭火技术具有无环境污染、耗水量低、破坏性小等特点，可部分取代严重破坏大 气臭氧层的卤代烷灭火系统，近年来在国际上引起广泛的研究和关注。中国科技大学【4 8 】 通过实验与数值模拟，研究水雾对扩散火焰的抑制作用过程和物理机制。水雾粒径一般小 于2 0 0 9 m ，由于水雾表面积与体积比较大，吸热快，汽化迅速，可直接影响燃烧过程的化 学反应速率及火焰的传播速率，因此灭火效果好。 1 3 静电涂油机的产生及应用 传统的金属板带材防锈处理是利用辊式涂油机或喷嘴涂油机涂覆防锈油，将防锈油通 过喷嘴喷到毛毡辊上再滚抹到( 或直接喷到) 板带材表面。应用实践表明，这种涂覆防锈 油的方式具有下述不可克服的缺点： ( 1 ) 出现漏涂、涂油不均匀等现象，涂油效果差，达不到防锈目的； ( 2 ) 油量大且不能准确控制，会造成防锈油的大量浪费、塌卷和环境污染，还会给 后续工序( 如脱脂、冲压等) 带来很大麻烦并增加其生产成本； ( 3 ) 与运动着的板带相接触的毛毡辊寿命很短，既增加了生产成本，又降低了作业 率。 2 0 世纪7 0 年代初英国学者d o n a l dr h e n r y 利用静电对液滴雾化产生的这种影响，首 次提出静电涂油的概念，利用高压静电使油液加速并雾化，然后喷涂在钢板上，这样可以 使涂油设备与钢板不直接接触，涂油后的油膜薄而且均匀，防锈效果好。利用这一技术， 英国的p e a b o d y 公司和德国的d u m a 公司开展了静电涂油机的研制工作并取得初步成果， 研制了多台静电涂油机，在德国、英国的钢厂应用，并出口到世界各地，效果良好。美国 u a s 公司与日本t r i n i t y 公司也于9 0 年代初着手研制静电涂油机，先后造出多台静电涂 油机用于本国钢铁企业并少量出口。从报道看，发达国家的各种金属板、带材连续生产线 如酸洗线、平整线、重卷线、热镀锡线、电镀锌线、连续退火线、横切线、纵切线、冲裁 冲压线等，都有应用静电涂油机的报道。 利用静电喷雾技术开发的金属板带静电涂油机是集机械、液压、电气、高压静电、计 算机控制于一体的高科技产品，与一度广泛应用的辊式涂油机、喷嘴涂油机相比，静电涂 油机具有明显优点： ( 1 ) 涂油质量好，工作可靠。油液在高压静电场中形成的雾化细粒均匀地吸附在金 属板带表面，成为牢固的极薄油膜，克服了其它涂油机涂油不匀、条状漏涂的缺陷： ( 2 ) 节油效果显著。静电涂油机涂油量可按工艺要求设定，可避免过量涂油，在保 证涂油质量的前提下，静电涂油机涂油量最少可达2 0 m g m 2 ； ( 3 ) 设备利用率高，维修费用少。除钢板静电涂油机的滚动导板在涂油工作过程中 接触钢板，可能会有少量磨损外，在工作时无任何零部件接触带钢，涂油是非接触性涂油， 不会产生机械磨损，设备故障少，利用率高，维修工作量小，所需费用少； 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 ( 4 ) 对环境污染少。静电涂油机在封闭的涂油室内给金属板带涂油，油雾能吸附在 板带上而不会扩散到涂油室外，克服了其它涂油机严重污染车间环境的缺陷； ( 5 ) 经济效益好。我国上海宝钢冷轧厂1 撑重卷线与l 撑、2 捍横切线采用静电涂油机， 据宝钢设计研究院测算，三台涂油机每年获经济效益达1 9 0 9 万元【3 】，其中由于钢板涂油质 量提高获益1 5 2 7 万元，节油与降低维修费用可节约3 8 2 万元。 由于静电涂油机具有很多优点，在目前板带材市场竞争同趋激烈的情况下，为树立产 品形象，提高市场占有率，板带材涂油采用静电涂油机是必然趋势。1 9 9 0 年以前我国上海 宝钢、鞍钢、武钢几家冷轧薄板厂曾先后从英、德等国引进1 0 台静电涂油机。从进口静 电涂油机的使用情况看，尽管钢板表面的涂油质量较之辊式涂油机有根本改善，但是还存 在随机漏涂、结构复杂、难于维修及高压保护措施不完善等技术缺陷。比如，武钢冷轧厂 1 9 8 7 年引进的德国d u m a 静电涂油机因高压闪络烧坏了涂油室内绝缘导板，导致涂油机 无法使用，造成了很大经济损失；宝钢集团冷轧厂从德国d u m a 公司引进的钢板静电涂 油机存在涂油室内钢板输送辊道振动剧烈、涂油室滴油、辊道消耗较大且更换困难、随机 漏涂现象严重；鞍钢从英国p e a b o d y 公司引进的钢板静电涂油机实际上是钢卷静电涂油机， 安装在定尺飞剪前面，虽然解决了辊道问题，但涂油后的钢带表面摩擦力降低，影响测长 装置精度，造成钢板长度超差。此外，进口静电涂油机在国内无法普及的最大原因是价格 昂贵，售后服务质量和速度不能保证，备件价格非常高。另外，国外涂油机生产公司不可 能根据国内现有生产线的各种现状，设计出适合于现场改造的特殊形式涂油机，也限制其 推广。例如，一台d u m a 静电涂油机的价格为5 0 万马克，一根涂油刀梁备件的价格为2 4 万马克。所有这些都表明，研制我国自主知识产权的板带静电涂油机非常必要。 1 4 课题的研究目标、研究内容 1 4 1 课题的研究目标 目前，研发静电涂油机的常规技术已经基本成熟，但是静电涂油机的雾化机理还没有 取得突破；并没有较为完善的理论模型来支撑静电涂油机的雾化机理。本课题致力于解决 上述问题。 本课题研究目标如下： 从理论上对静电涂油机中油液的射流破碎过程和荷电液滴的扩散运动过程进行分析， 力求从理论上建立较为完善的油液的荷电雾化模型。通过上述的研究，为新一代静电涂油 机的开发提供理论与技术支持。 1 4 2 课题的研究内容 本课题的研究内容主要从集中在几个方面： ( 1 ) 对油液的射流破碎过程进行理论分析，建立油液的射流破碎稳定性模型，基于 该模型的基础上得出破碎后的液滴粒径分布。 ( 2 ) 对静电涂油射流破碎后荷电液滴的扩散运动建立其物理模型并对其进行仿真分 析，得出液滴分布图。根据仿真结果和测量结果的对比对模型进行论述，讨论了各种因素 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 对模型计算结果的影响，得出了最佳的理论模型。 1 5 本章小结 本章对国内外的静电雾化技术研究现状进行了系统总结，并简要介绍了静电涂油机的 产生及应用，在此基础上，提出了本课题的研究目标，并具体陈述了本课题研究的主要内 容。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 第二章静电涂油机结构简介及油液雾化过程简述 静电涂油机是集机电、液压和高压静电技术于一体的高科技产品，它依靠高压静电的 作用，将液体防锈油均匀地喷涂在金属板带材表面上，可广泛用于钢及有色金属板带材生 产线以及其它需要高质量涂油的工艺过程中。研究发现【4 9 】，液体荷电导致其表面张力降低 和内外压力差增加有利于液体雾化，静电涂油机中静电喷涂技术正是利用高压静电对液体 的作用来增强雾化效果，从而提高生产效率并降低生产成本的。 2 1 静电涂油机的结构简介 武科大课题组研制的静电涂油机借鉴、吸收了国外多台静电涂油机的结构长处，对涂 油室内喷油梁、导板做了重大改进，对供油系统管路也做了较大改进，增加了给喷油梁冲 洗、给循环加热油箱补油的功能；在高压电路上增加了放电限制装置与油液加速雾化装置， 生产出的涂油机具有低油耗、低故障、低价格、高质量等优点，受到厂家的充分肯定。 武科大课题组所研制的静电涂油机主要由涂油室、供油及加热系统、高压电源系统、 低压电控装置四部分构成。其基本原理图如图2 1 所示。 1 一钢板( 带)2 一上喷油刀梁3 ，6 一供油泵4 ，7 一直流电动机 5 一下喷油刀梁8 一高压直流电源9 一油箱1 0 p l c 控制器l l 一测速装置 图2 1 静电涂油机基本原理图 ( 1 ) 涂油室 涂油室内装有喷油梁及其支吊小车、导板等部件，供油系统包括供油泵站、循环加热 泵站、回收油箱等部件，高压直流电源由高压控制柜与变压器组成，低压电控装置由低压 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 控制柜与操作台组成。静电涂油机涂油室结构图如图2 2 所示。在钢板焊成的涂油室外壳 顶部放置循环加热小泵站，用于加热涂油室内的喷油刀梁，顶部有高压警示灯、高压电缆 架及高压放电限制装置。涂油室一端的上部、下部各置一汽缸，上部气缸用于传动涂油室 内的挡油板，下部气缸用于驱动活动导板。 在涂油室下固定导板上设有活动导板，在带头和带尾通过时活动导板移动，将下刀梁 上方固定导板的喷油长孔遮住，保证了头部下挠的钢带头部和弯曲的带尾顺利通过涂油 室，单面涂油时，活动导板遮住喷油长孔，保护下刀梁不受从带钢上下落的铁未、氧化铁 等杂物的污染。为保护喷油梁不被行进中的钢板撞坏，涂油室内还设置了防卫导板。此导 板选用强度较高、韧性较好的非金属材料制作，特别值得一提的是上导板是应用含杂质较 少、电导率极低的绝缘材料制作，它使涂油时上导板的下表面不致吸附油雾凝聚成油滴， 落在被涂油钢板上，影响涂油质量。 1 二次加热油箱2 涂油室机体3 活动接油槽4 上涂油刀梁及其悬挂移动装置 5 上导板6 移动导板装置7 二次雾化装置8 下涂油刀梁及其悬挂移动装置9 下导板 图2 2 钢卷涂油室剖面图 ( 2 ) 供油及加热系统 供油及加热系统包括涂油泵站、回油箱及加热油箱三大部分。 供油泵站设有两台流量为1 2 5 m l r 的计量泵，由交流变频电机驱动，分别为上刀梁和 下刀梁提供定量的防锈油。三台流量为6 m l r 的齿轮泵，由交流电机驱动，其中二台为供 油泵，可为计量泵供油及为涂油刀梁提供大流量冲洗油；另一台为回油泵，可将回油箱内 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 积存的油抽回到储油箱。为了保证静电涂油机不问断的工作，两台计量泵中的任何一台损 坏或因故障停机时，都可由另一台计量泵单独为上、下刀梁同时供油。 涂油泵站有二个用钢板制作的容积为1 0 0 0 升及8 0 0 升的储油箱和二个2 0 0 升的工作 油箱，用来储存和加热防