表面活性剂对二次雾化袋状破裂特性的影响

吴炬晖,　章文斌,　赵　辉,　李伟锋,　许建良,　刘海峰

(华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室,上海煤气化工程技术研究中心,上海 200237)



表面活性剂对二次雾化袋状破裂特性的影响

吴炬晖,章文斌,赵辉,李伟锋,许建良,刘海峰

(华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室,上海煤气化工程技术研究中心,上海 200237)

以表面活性剂水溶液为液相介质、空气为气相介质,采用高速摄像机研究表面活性剂对二次雾化破裂性质的影响,重点阐述了破裂形变特征上的变化。研究结果表明:在形变特征方面,临界胶束浓度(CMC)对二次雾化袋状破裂形态有着重要影响,除了最大液滴直径形变率(df,m/d0)基本不变,保持在1.64左右外,最大液环直径形变率(dr,m/d0)、最大轴向生长率(lm/d0)、最大径向生长率(hm/d0)和长宽比(lm/hm)等在表面活性剂质量分数小于CMC时均变化迅速,但在表面活性剂质量分数大于CMC后变化趋于平缓，dr,m/d0稳定在4.16左右,lm/d0稳定在6.36左右,lm/hm稳定在1.53左右。

表面活性剂; 表面张力; 破裂形态; 二次雾化; 液滴

液体雾化过程是将连续相、大体积的液体在气体环境中转变成离散相的液雾或其他更小液滴的物理过程[1],在化学、机械、航空、医学、农业和环境保护等各个领域都有广泛的应用[2]。雾化过程有着如此的重要性,国内外科学家对此进行了广泛的理论和实验研究[3-7]。通常雾化过程分成两个阶段,初次雾化和二次雾化。二次雾化根据韦伯数(We)大小依次划分为:振荡破裂、袋状破裂、多模式破裂、剪切破裂和爆发式破裂。因为振荡破裂模式进行缓慢,而且产生的液滴碎片尺寸不是很小,因此很多科学家忽略了振荡破裂模式,把袋状破裂作为二次雾化开始的标志,所以对袋状破裂的研究显得尤其重要。迄今为止,众多学者已开展了很多关于二次雾化袋状破裂的研究。在实验研究方面：Chou等[8]较早采用了高速摄像对袋状破裂初始液滴、液环、袋子等瞬时性质的实验研究;Zhao等[9]研究了袋状破裂生成的小液滴的尺寸和粒径分布。在模拟研究方面：Jalaal等[10]用直接数值模拟(DNS)方法对袋状破裂中液滴变形、分解、粒径分布进行了研究;Sichani等[11]使用了一种新的模拟方法来研究液滴变形和二次破裂,该模型可以追踪液滴变形和袋状破裂,且临界韦伯数(WeC)的预测值与实验测量值之间的误差约为20%。

表面活性剂在很低浓度时就能使水的表面张力显著下降,但当浓度增加到一定值后,表面张力就不再下降或非常缓慢地下降。表面张力是雾化过程中的重要因素之一,目前,国内外科学家关于表面张力对初次破裂影响的研究较多,而关于其对二次雾化影响的研究很少。Roché等[12]研究表明表面活性剂可以改变流体颈部在夹断破裂时的稀化速率。有关表面张力对二次雾化影响的研究具有良好的科研前景和研究价值。

本文通过表面活性剂改变表面张力,研究了其对二次雾化袋状破裂的影响,并重点阐述了表面活性剂溶液在破裂形变特征上的变化。

1　实验设备及流程

1.1实验流程

实验流程如图1所示,实验装置包括鼓风机、流量计、喷嘴、液滴生成器、高速摄像机。鼓风机产生的连续气流经过转子流量计计量,然后由喷嘴喷出,形成一股连续稳定的射流;实验过程中通过液滴发生器产生大小均一的初始液滴,并在重力场作用下进入垂直作用的气流场,液滴在受到气动力后发生形变和破碎;整个液滴形变和破裂过程使用高速摄像机进行记录,并通过ImageJ图像处理软件进行数据分析。

图1　实验流程示意图Fig.1　Sketch of experimental arrangement

1.2实验条件

本文是在标准大气压下,以表面活性剂溶液(使用超纯水和表面活性剂配置)和空气分别作为液相和气相介质,研究了表面活性剂对二次雾化袋状破裂性质的影响。虽然黏度对雾化过程有着非常重要的影响,其对二次破裂的影响研究也较多[13-16],但经测量本文中添加w≤1%的表面活性剂后溶液黏度变化不大,因此不考虑黏度的影响。

实验用喷嘴结构示意图如图2所示,依靠该喷嘴产生一个稳定的气流场,液滴进入流场后在气动力作用下发生二次破裂,液滴下落位置距离喷嘴出口距离约为10 mm。本文使用了Photron Fastcam SA2高速摄像机,配合使用Nikon 24-85 mmf/2.8-4D AF Zoom镜头来捕捉实验图像。实验中高速摄像机的参数为:帧数3 000 fps,曝光时间50 μs,分辨率1 024×1 024。相机垂直放置于袋子拉伸和破裂平面,焦点对准喷嘴射流中心线。运用ImageJ图像处理软件对高速摄像仪拍摄的图片进行分析。

图2　二次雾化喷嘴结构示意图(单位:毫米)Fig.2　Atomizer configuration of secondary breakup(Unit:mm)

本文以十二烷基苯磺酸钠(SDBS，化学式为C18H29NaO3S，相对分子质量348.48,化学纯)为表面活性剂,配制不同质量分数的表面活性剂水溶液测量其表面张力并进行二次雾化袋状破裂实验。临界胶束浓度(CMC)是指表面活性剂分子结合形成胶束的最低质量分数，它是表面活性剂的一个非常重要的性质,表面活性剂的一些物理和化学性质在临界胶束浓度前后会发生突变[17]。当表面活性剂质量分数小于CMC时,溶液中表面活性剂分子以单体形式存在并分布在气液界面；当表面活性剂质量分数增加时,气液界面吸附量也增加,直至气液界面布满表面活性剂分子；当表面活性剂质量分数继续增加将在溶液内部不断形成胶束,但表面张力不再发生变化[18]。因此,当表面活性剂质量分数超过CMC时表面张力趋于稳定。实验中表面张力通过上海方瑞仪器有限公司生产的QBZY系列界面张力仪进行测量,结果如图3所示。由图3可以看出,当水中含有极少量表面活性剂时,表面张力(σ)迅速下降;当表面活性剂质量分数大于0.1%时，表面张力变化趋于平缓,不再有明显的降低。由此可以得到,本实验条件下SDBS的临界胶束浓度为0.1%。本文中气体速度ug取15.7 m/s。

图3　表面张力随表面活性剂质量分数的变化关系Fig.3　Variation of surface tension with mass fraction of surfactant

2　结果与讨论

2.1概述

自单一液滴进入高速流场的瞬间开始,在连续高速气流的作用下,液滴不断发生变形直至破裂。纵观袋状破裂过程,有4个主要阶段:液滴变形、袋子生长、袋子破裂以及液环破裂。图4所示为袋状破裂过程实验图像。

图4(a)～图4(i)分别为初始时刻t0，以及初始时刻各增加4，7.33,9,10,10.67,12,12.33,14 ms时(t1～t8时刻)的实验图像。图4(a)～4(c)为液滴变形阶段。通过伯努利方程可以知道,球形液滴在迎着气流方向上产生一个边界层分离点,在背面发生边界层脱离。分离点前后产生的压力差使得液滴发生变形,中心变薄。在变形阶段的最后时刻(图4(c)),液滴变形程度达到最大,此时变形直径(df)则相应地达到最大值(df,m)。图4(d)～4(e)为袋子生长阶段,当球形液滴在变形过程最后阶段变成圆盘状后,液滴迎风方向受到的气动力增大,向背风方向挤压。当环境气流的气动力持续增加,直至气动力大于表面张力,气动力占绝对优势,表面张力已经难以抑制液滴变形,使得圆盘状的液滴中心变薄,向背风方向鼓出气球状液膜。在气动力的持续作用下,气球状袋子越吹越大。图4(f)～4(h)为袋子破裂阶段,袋子底部先开始破裂生成大量细小液滴,随后不断向液环处破碎,直至袋子全部破碎(图4(h))。图4(i)为液环破裂阶段,液环在气流的影响下发生扰动失稳并破裂生成粒径较大的液滴。

2.2液滴变形阶段的形变特征

图5示出了初始液滴直径随溶液中表面活性剂质量分数的变化。随着表面活性剂质量分数的增加,初始液滴直径(d0)呈逐渐减小的趋势。当表面活性剂质量分数小于CMC时,d0下降迅速;当表面活性剂质量分数大于CMC时,d0趋于平稳,与图3所示表面张力变化趋势类似。

图6所示为最大液滴直径形变率(df,m/d0)随表面活性剂质量分数的变化情况,可见,对于实验范围内不同质量分数的表面活性剂溶液，液滴的df,m/d0基本不变,保持在1.64左右。

2.3袋子生长阶段的形变特征

2.3.1液环形变特征图7所示为最大液环直径形变率(dr,m/d0)随表面活性剂质量分数的变化情况,由图7可知,dr,m/d0随表面活性剂质量分数的增大而增大。而且,当表面活性剂质量分数小于CMC时,dr,m/d0增大迅速,当表面活性剂质量分数大于CMC时增大变缓,最终趋于平稳,稳定在4.16左右。将数据拟合得到经验公式

(1)

式(1)中dr,w表示水的最大液环直径,拟合公式(1)的相关系数为0.92。

2.3.2袋子形变特征图8所示为最大径向生长率(hm/d0)随表面活性剂质量分数的变化情况。可见hm/d0随质量分数增大而增大。而且,当溶液中表面活性剂质量分数小于CMC时，hm/d0增长迅速,当表面活性剂质量分数大于CMC时hm/d0增长变缓。

图4　袋状破裂过程实验图像(w=0.5%)Fig.4　Experimental image of bag breakup (w=0.5%)

图5　初始液滴直径随表面活性剂质量分数的变化Fig.5　Variation of diameters of parent drop with mass fraction of surfactant

图9所示为最大轴向生长率(lm/d0)随表面活性剂质量分数的变化情况。由图9所得,袋子在破裂之前，lm/d0也有随表面活性剂质量分数增大而增大的趋势,而且当表面活性剂质量分数小于CMC时,lm/d0增长迅速,当表面活性剂质量分数大于CMC时趋于稳定，水的最大轴向生长率(lw/d0)为3.48,lm/d0稳定在6.36左右。将数据进行拟合,得到经验公式

图6　最大液滴直径形变率随表面活性剂质量分数的 变化曲线(虚线部分为水)Fig.6　Variation of maximum droplet diameter deformation rate with mass fraction of surfactant(short dash line shows water)

(2)

式(2)中lw表示水的最大轴向直径,拟合公式(2)的相关系数为0.95。

图7　最大液环直径形变率随表面活性剂质量分数的 变化曲线Fig.7　Variation of maximum liquid ring diameter deformation rate with mass fraction of surfactant

图8　最大径向生长率随表面活性剂质量分数的 变化曲线Fig.8　Variation of maximum radial growth rate of bag with mass fraction of surfactant

图9　最大轴向生长率随表面活性剂质量分数的 变化曲线Fig.9　Variation of maximum axial growth rate of bag with mass fraction of surfactant

图10所示为最大长宽比(lm/hm)随表面活性剂质量分数的变化情况。由图10可知,纯水的长宽比(lw/hw)为1.05,接近球形,lm/hm随表面活性剂质量分数的增大呈现先增大后稳定的趋势,稳定在1.53左右,即当表面活性剂质量分数小于CMC时,轴向拉伸较快,当表面活性剂质量分数大于CMC时袋子长宽比趋于不变。将数据进行拟合,得到经验公式

(3)

拟合公式(3)的相关系数为0.71。

图10　最大长宽比随表面活性剂质量分数的变化曲线Fig.10　Variation of maximum length-width ratio of bag with mass fraction of surfactant

前文已经提到,当表面活性剂质量分数大于临界胶束浓度(CMC)时,开始形成胶束。当表面活性剂质量分数小于CMC时,溶液中表面活性剂分子以单体形式存在并分布在气液界面,当表面活性剂质量分数增加时,气液界面吸附量也增加,直至气液界面布满表面活性剂分子。表面活性剂分子继续增加，将在溶液内部不断形成胶束,但表面张力不再发生变化。液体表面张力是抑制液滴二次破裂的一个重要因素[19],在袋子生长阶段,表面活性剂质量分数小于CMC时,随着表面活性剂质量分数增加,表面张力迅速下降,在表面张力这一重要阻力减小的情况下,袋子在气动力作用下轴向和径向拉伸程度变大,所以出现图8和图9中最大轴向和径向生长率随质量分数增大而增大的趋势。当表面活性剂质量分数大于等于CMC时,表面张力趋于不变,而且气动力也不变,因此参数变化趋于平缓,变化不大,如图5,图7～图10中,表面活性剂质量分数大于CMC后各参数变化趋于平缓。

3　结　论

(1) 临界胶束浓度(CMC)对二次雾化袋状破裂形态有着重要影响。当水中含有极少量表面活性剂时,表面张力迅速下降；当表面活性剂质量分数大于0.1%时表面张力变化趋于平缓,不再有明显的降低,由此得到本实验条件下SDBS临界胶束浓度为0.1%。

(2) 液滴变形阶段:随着表面活性剂质量分数增大,初始液滴直径d0呈逐渐减小的趋势。而且,当表面活性剂质量分数小于CMC时d0下降迅速,当表面活性剂质量分数大于CMC时d0趋于平稳。变形直径的最大形变率(df,m/d0)基本不变,保持在1.64左右。

(3) 袋子生长阶段:最大液环直径的形变率(dr,m/d0),最大轴向生长率(lm/d0)和最大径向生长率(hm/d0),最大长宽比(lm/hm)均出现随着表面活性剂质量分数增加而增大的趋势,形变率在表面活性剂质量分数小于CMC时变化迅速,在大于CMC后变化趋于平缓。dr,m/d0稳定在4.16左右,lm/d0稳定在6.36左右,lm/hm稳定在1.53左右。

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Influence of Surfactant on Secondary Atomization in the Bag Breakup Regime

WU Ju-hui,ZHANG Wen-bin,ZHAO Hui,LI Wei-feng,XU Jian-liang,LIU Hai-feng

(Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education,Shanghai Engineering Research Center of Coal Gasification,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

The influence of surfactant on secondary atomization in the bag breakup regime of surfactant solution was studied experimentally by high-speed camera using aqueous surfactant solution as liquid medium and atmosphere as gas medium.The change of deformation and time characteristics were elaborated.The results showed that,in the aspect of deformation characteristics,as a crucial parameter of surfactant,the critical micelle concentration (CMC) has an important effect on secondary atomization;all deformation parameters like maximum dimensionless rim diameters (dr,m/d0),radial length (lm/d0),axial length (hm/d0),length-width ratio (lm/hm) of bag changed fast except that the largest droplet diameter deformation rate kept about 1.64 when the surfactant concentration was below the CMC.However,the variation of these parameters turned to be steady when the surfactant concentration exceeded the CMC.dr,m/d0stabilized at about 4.16,lm/d0stabilized at about 6.36,andlm/hmstabilized at about 1.53.

surfactant; surface tension; morphology; secondary atomization; liquid droplet

A

1006-3080(2016)03-0329-06

10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.03.006

2015-11-13

国家自然科学基金资助项目(U1402272);上海自然科学基金资助项目(15ZR1409500);中央高校基本科研业务费(WB1514074,WB1514076)

吴炬晖(1991-),男,浙江绍兴人,硕士生,主要从事多相流气液雾化方向研究。

通信联系人：刘海峰,E-mail:hfliu@ecust.edu.cn

TQ022.4