噴嘴霧化特性及其機(jī)理研究進(jìn)展

李欣疏 孫鵬堯

摘要：總結(jié)分析了噴嘴的相關(guān)霧化機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究方法，單一的研究方式具有局限性，采用多種研究方式同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：霧化機(jī)理;液滴;實(shí)驗(yàn)

一、引言

能源在人類社會(huì)發(fā)展過程中具有推動(dòng)發(fā)展和夯實(shí)基礎(chǔ)的作用，它所帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系著一個(gè)國家的發(fā)展與進(jìn)步。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面都離不開能源，小到民用、運(yùn)輸和工農(nóng)業(yè)，大到軍事國防，均需要消耗大量的能源。盡管我國太陽能、風(fēng)能等新能源的開發(fā)利用已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，技術(shù)水平有了很大提高，且發(fā)展?jié)摿薮?，在未來有可能?huì)替代礦物燃料，但是新能源現(xiàn)階段仍滿足不了社會(huì)發(fā)展的需求。故當(dāng)前的首要任務(wù)就是減少礦物燃料的浪費(fèi)率，但實(shí)際執(zhí)行起來卻存在諸多問題。

二、霧化機(jī)理

目前為止有關(guān)霧化機(jī)理研究現(xiàn)狀，不論國內(nèi)還是國外的研究人員所得出的理論紛繁復(fù)雜，至今沒有統(tǒng)一的理論，經(jīng)得住推敲的理論可分為以下幾種：湍流擾動(dòng)學(xué)說、空氣擾動(dòng)學(xué)說、氣動(dòng)霧化機(jī)理、氣泡霧化機(jī)理、壓力震蕩學(xué)說、邊界條件突變學(xué)說。其他未得到驗(yàn)證的理論在這里不做討論。

（一）氣動(dòng)霧化機(jī)理

小霧滴外表面的張力可以將霧滴的形狀保持不變，如果要將霧滴破碎至物化狀態(tài)，可以引入氣相介質(zhì)流充分破壞霧滴的內(nèi)外平衡，這是由于氣相介質(zhì)流的作用使液滴駐點(diǎn)壓力大于霧滴的表面張力。

（二）氣泡霧化機(jī)理

氣泡霧化可以將霧化介質(zhì)（氣體）引入到液相介質(zhì)內(nèi)，這樣氣相和液相介質(zhì)將充分的在混合室內(nèi)混合，這種混合流具有相對(duì)高的穩(wěn)定性，這時(shí)氣泡會(huì)剪切和擠壓液相介質(zhì)，導(dǎo)致連續(xù)的液相介質(zhì)在噴出的過程中被撕拉至膜狀和絲條狀，這是所謂的第一次霧化;為了讓膜狀和絲條狀的液相介質(zhì)離散狀態(tài)更好，噴嘴出口附近的內(nèi)壓和外壓差值變化明顯，利用壓差未完全霧化的液膜將得到進(jìn)一步為霧化。

（三）壓力震蕩學(xué)說

在液體供給系統(tǒng)中，由于壓力的存在會(huì)使整個(gè)供給系統(tǒng)存在微小或較大的震動(dòng)，這種震蕩某種程度上會(huì)對(duì)霧化過程產(chǎn)生推動(dòng)的作用。工業(yè)生產(chǎn)中的一般噴射系統(tǒng)中普遍存在著壓力震蕩，因此認(rèn)為它在某種程度上對(duì)霧化起到了一定的輔助作用。

（四）湍流擾動(dòng)學(xué)說

對(duì)于噴嘴的霧化過程有些研究學(xué)者認(rèn)為產(chǎn)生于噴嘴的內(nèi)部，這與認(rèn)為產(chǎn)生于外部的學(xué)者正好相反，認(rèn)為產(chǎn)生于內(nèi)部的原因則是湍流強(qiáng)度的重要作用。這些研究學(xué)者認(rèn)為噴嘴內(nèi)部的湍流強(qiáng)度將會(huì)擾亂流質(zhì)徑向方向的速度。

（五）空氣擾動(dòng)學(xué)說

與湍流擾動(dòng)學(xué)說恰恰相反的使空氣擾動(dòng)學(xué)說，在射流霧化的過程中存在穴蝕現(xiàn)象，他將產(chǎn)生的較大振幅的壓力擾動(dòng)足以引起霧化。

（六）邊界條件突變學(xué)說

流體在流經(jīng)噴嘴出口時(shí)邊界條件將產(chǎn)生驟變，近壁面的層流液體驟然失去壁面約束，使得該截面內(nèi)的速度分布突然變更而產(chǎn)生的霧化。

以上幾種學(xué)說均具有一定的片面性，不夠全面具體，甚至有些學(xué)說之間是相互矛盾的。由于穩(wěn)定的無內(nèi)穴供油以及層流射流均能產(chǎn)生霧化，因此大多數(shù)專家學(xué)者都支持空氣動(dòng)力干擾學(xué)說。該種學(xué)說發(fā)展的比較充分，可以明確地解釋低速射流分裂破碎的原因，進(jìn)而推理到高速射流，它被廣泛認(rèn)為成噴嘴霧化的基本原因，受到了一眾學(xué)者的推崇。對(duì)于噴嘴霧化的導(dǎo)致因素存在很多，在探索霧化過程的過程中無法像經(jīng)典理論一樣推導(dǎo)。多種霧化機(jī)理導(dǎo)致了建模的多元化，針對(duì)不同的射流過程可以選擇相適應(yīng)的霧化機(jī)里。

三、霧化實(shí)驗(yàn)

在數(shù)值模擬軟件還未普及化的年代主要依靠實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，而現(xiàn)如今的實(shí)驗(yàn)研究更多的是為了驗(yàn)證一些噴霧的宏觀特性與微觀特征。在測(cè)量技術(shù)的選擇問題上，需要考慮的因素有很多，如測(cè)量目的、裝置的使用要求和設(shè)備的市場(chǎng)價(jià)格等來衡量。

（一）激光粒度儀

該儀器主要依靠激光束進(jìn)行測(cè)量，激光束會(huì)測(cè)量估算光柱內(nèi)液滴的粒徑均值以及液滴是如何分布的具體情況。由于他的測(cè)量原理，同等實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量的粒徑以及分布狀態(tài)可能存在很大差別。光的衍射現(xiàn)象為激光粒度儀做理論支撐，噴射過程中液滴會(huì)穿梭于激光柱，這時(shí)霧滴的表面就會(huì)對(duì)光進(jìn)行衍射，而霧滴粒徑與光的衍射角度成反比，當(dāng)液滴越大，衍射光的角度越小，當(dāng)液滴越小，衍射光的角度越大。在射流過程中，多種粒徑的液滴在激光束間快速流過，被衍射的光將分散于不同位置，從而將霧滴的粒徑大小參數(shù)化。具有相同粒徑的液滴被激光束照射，衍射光會(huì)落在同一位置，光的強(qiáng)度由于疊加而出現(xiàn)增強(qiáng)，所以，光的明暗信息可以準(zhǔn)確反映出液滴粒徑所占百分比，從而將霧滴的粒徑分布狀態(tài)參數(shù)化。

（二）激光多普勒測(cè)試技術(shù)

同樣是應(yīng)用激光技術(shù)，使用激光多普勒測(cè)粒儀的被測(cè)液滴流穿越激光束的過程中將引發(fā)干涉條紋的波動(dòng)，發(fā)出信號(hào)，通過及時(shí)處理信號(hào)幾乎可以同時(shí)顯示液滴流速和粒徑。

四、結(jié)論

對(duì)于噴嘴的物化特性和機(jī)理的研究，單一的研究方式存在一定的局限性，大多采用多種研究方式同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。

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