雾化喷涂过程中的液滴特性研究

高全杰,彭承焘,邓云峰,杨国文

(武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉,430081)

雾化喷涂过程中的液滴特性研究

高全杰,彭承焘,邓云峰,杨国文

(武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉,430081)

研究高压静电雾化过程液滴特性,运用信息熵方法建立油液粒径分布模型,通过静电涂油雾化实验研究液滴粒径分布规律。结果发现,液滴粒径随电压变化而变化,静电电压升高,液滴粒径减小;电压不同,液滴粒径的分布状态不同,电压为65 kV时,液滴粒径较小且分布均匀。所得实验结果与理论模型吻合。

雾化;喷涂;静电涂油机;粒径

随着雾化喷涂技术在机械、环境、医药、生物医学中的广泛应用及20世纪60年代计算流体动力学(CFD)的出现,相继发展成为了计算流体力学的数值模拟(DNS)和大涡模拟(LES)等方法[1]。20世纪80年代,信息熵方法被提出并用于雾滴粒径及速度分布的统计和模拟,为雾滴粒径及分布特性的研究提供了较为可行的方法。

本文基于已有研究成果,运用信息熵方法建立油液粒径分布模型,通过静电涂油雾化实验研究液滴粒径分布规律。

1 雾化喷涂机理

雾化是通过喷嘴或高速气流使液体分散成微小液滴的过程,其中液体表面张力是雾化过程的主要阻力。静电涂油机油液雾化喷射过程示意图如图1所示。从图1中可看出,油液分别经射流区、过渡区和雾化区而雾化。由于涂油刀梁为电极之一,因此在经过上述3个区域之前,油液进入涂油刀梁便通过接触感应而荷电,在油液出口处的尖端部位,高电压产生的电晕使其再次荷电,从涂油刀梁喷射出的射流进入高压静电场,在感应电场和空间电荷共同作用下,液滴表面继续荷电[2-3]。射流区中,未加静电场时,油液从涂油刀梁缓慢流出,施加静电场后,油液受静电场力作用形成射流(射流表面的电荷对电场的影响可忽略不计);过渡区中,射流受内外界力的作用形成周期性的振动波形(也称波纹区),根据 Navierstokes方程,射流表面电荷与电场力相互作用而产生斥力,使射流加速,同时使液体表面电势分布趋于均匀,在射流表面曲率半径较大处受到液体张力的影响,使得液体向曲率半径大的方向运动,并促使波纹破碎成为液滴;雾化区中,液滴在电场运动中受到电场力、黏滞阻力等作用产生变形,其总能量的增加使液滴处于不稳定状态而发生分裂破碎,随着液滴的不断分裂,液滴数量成倍增长且粒径急剧减小,液滴所带同极性电荷产生的斥力使得液滴改变运动方向而发生扩散。

图1 静电涂油机油液雾化喷射过程示意图Fig.1 Spraying process in electrostatic oiler

2 油液粒径分布模型

式(4)可描述射流模式下雾滴直径的分布特性,通过计算可知,最大粒径约为最小粒径的3倍左右。

3 静电涂油雾化分析

静电涂油雾化实验示意图如图2所示。当静电电压为0时,调整供油系统的供油量,使涂油刀梁流出的油液缓慢流动,逐渐增高电压,观察雾化情况,并用激光粒度仪进行测试;当电压低于26 kV时,随着电压增大,油液由滴状逐渐转为射流状,雾化角为00;电压为26～35 kV时,雾化角有所增大,液滴间的库仑力使液滴相互排斥;电压为35～45 kV时,雾化射流不均匀,雾化角继续增大;电压为45 kV时,为产生主次液滴的临界状态,此时继续增高电压,主液滴半径减小,次液滴半径增大;电压为45～50 kV时,雾化角较稳定;电压为50～62 kV时,主次液滴开始退化,射流速度增加,空间液滴数增加,油液粒子分布逐渐均匀,油液呈锥射状,雾化角逐渐减小;电压高于62 kV后,射流雾化效果逐渐达到最佳。

上述实验还表明,在不同电压下会出现3种不同的雾化模式:滴状模式、锥射状模式和多股射流模式[5]。

图2 静电涂油雾化实验示意图Fig.2 Schematic diagram of spraying in electrostatic oiler

控制流量的伺服马达转速一般为90 r/min,根据激光粒度仪的测试,静电电压对液滴粒径的影响如图3所示。从图3中可看出,静电电压为30 kV时为液滴产生初始阶段,当电压高于30 kV时,液滴粒径随电压增高而均匀缓慢减小。

图3 静电电压对液滴粒径的影响Fig.3 Relationship between particle size and voltage

图4 不同电压下的液滴粒径分布Fig.4 Particle size distribution under different voltages

不同电压下的液滴粒径分布如图4所示。从图4中可以看出,电压为30 kV时,油液粒径较大,呈双峰状;电压为50 kV时,液滴粒径呈较好的正态分布,液滴的粒径分布主要集中在40～100μm区域;电压值为65 kV时,液滴粒径继续减小,液滴粒径分布更加均匀;电压为75 kV时,液滴粒径更小,其分布均匀度开始降低[6]。总之,电压不同,液滴粒径分布状态不同,当静电电压为65 kV时,液滴粒径较小且分布均匀。

上述实验结果表明,静电电压为50 kV时,雾化角较为稳定,该处的雾化模式处于射流模式,其粒径分布主要集中在40～100μm区域,这与通过信息熵对射流模式下雾滴粒径分布特性的计算结果(最大粒径为最小粒径3倍左右)相吻合。

4 结论

(1)液滴粒径随静电电压变化而改变,静电电压升高,液滴粒径减小。

(2)电压不同,液滴粒径分布状态不同,静电电压为65 kV时,液滴粒径较小且分布均匀。

(3)射流模式下油液粒径分布实验结果与理论模型相吻合。

[1] X Jiang,G A Siamas,K Jagus,et al.Physical modeling and advanced simulations of gas-liquid two-phase jet flow s in atomization and sp rays[J]. Progress in Energy and Combustion Science,2009 (9):3-5.

[2] 高全杰,王家青.梁板电极电场中油液荷电雾化理论分析[J].钢铁研究,2002,30(5):25-27.

[3] 高全杰.静电涂油机中油液的荷电雾化研究[J].中国机械工程,2002,13(7):552-554.

[4] 张军,M ichael W Reeks.静电雾化过程中粒径分布的预测[J].农业工程学报,2008,24(12):89-92.

[5] 汪朝晖,廖振方,高全杰,等.高压静电场中油液射流特性的实验研究[J].实验流体力学,2009,24 (2):36-39.

[6] 王家青.静电涂油机中油液荷电雾化机理及其关键技术研究[D].武汉:武汉科技大学机械自动化学院,2007.

Characteristics of droplets during atom ization and spraying process

Gao Quanjie,Peng Chengtao,Deng Yunfeng,Yang Guow en
(College of Machinery and Automation,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

This paper describes the characteristics of drop lets during oil atomization in high-voltage electrostatic field.M aking use of the info rmation entropy method,it builds the model of the distribution of particle size and studies the distribution of particle size by meansof experiments.It finds that: the particle size changesw ith the voltage and w ith the increase of the voltage,the particle size decreases;different voltages result in different distributionsof particle size;and w hen the voltage is 65 kV, the particle size is comparatively small and distributed evenly.The experimental results have confirmed theoretical calculation.

atomization;sp raying;electrostatic oiler;particle size

TG174

A

1674-3644(2010)04-0417-03

[责任编辑 彭金旺]

2010-01-19

国家重点新产品计划资助项目(2006GRD10004);湖北省自然科学基金项目(2009CDB314).

高全杰(1963-),男,武汉科技大学教授,博士生导师.E-mail:gaoqj6328@126.com