荷电双流体喷雾射流沉积均匀性分析

姚江+王军锋

摘要：为研究荷电双流体喷雾射流沉积的均匀性，基于双流体雾化喷嘴设计了荷电双流体喷雾系统及电晕荷电装置。通过试验研究，讨论了影响荷电双流体喷雾沉积均匀性的关键因素及其作用规律。结果表明，增加喷枪的工作高度、扇形压力或减小雾化压力，可以有效减小双流体雾化沉积分布变异系数，提高沉积的均匀性；静电场的参与能有效提高雾化效果，改善喷雾流场，提高沉积分布的均匀性。

关键词：荷电双流体喷雾；沉积均匀性；变异系数；喷雾流场

中图分类号：S491 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）21-4137-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.21.035

Experimental Study on Deposition Uniformity of Twin-fluid Electrostatic Spray

YAO Jiang1，WANG Jun-feng2

（1.Suzhou Institute of Technology， Jiangsu University of Science and Technology，Zhangjiagang 215600，Jiangsu，China；

2.School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013，Jiangsu，China）

Abstract： Based on the twin-fluid atomization nozzle，a charged twin-fluid spray system and corona charging device were designed to study the deposition uniformity of twin-fluid electrostatic spray. The key factors affecting the uniformity of twin-fluid electrostatic spray were analyzed through experimental study. The results show that increasing the working height， fan pressure or reducing the atomizing pressure can effectively reduce the coefficient of variation and improve the uniformity of deposition. The electrostatic field can effectively improve the atomization， and improve the spray flow field and uniformity of the deposition.

Key words： twin-fluid electrostatic spray；deposition uniformity；coefficient of variation；spray flow field

双流体荷电雾化是通过液体与高压气体混合形成液膜，在高速气流的动能及剪切力作用下液膜破碎进而形成众多细小液滴，液滴再通过不同的充电方式荷上电荷的过程[1-3]。近年来，双流体荷电喷雾技术在农药喷洒领域获得了广泛的关注，而雾滴在目标表面沉积的均匀性影响着农药的利用率。因此，研究荷电双流体喷雾沉积的均匀性具有重要的意义。

引起喷雾沉积分布不均匀的原因有很多，祁力钧等[4]、王璐等[5]探讨了喷嘴类型、喷嘴高度、喷雾压力和流量等因素对雾滴分布均匀性的影响。Munir[6]对空心锥形喷嘴的喷液压力、喷雾流速和喷雾高度3个因素进行了正交试验，结果表明，喷雾高度对均匀性的影响显著，而喷雾压力对喷雾均匀性的影响不大。陈志刚等[7]采用模拟植株法对负高压荷电喷雾靶标的药液沉积效果进行了研究，并与非荷电常规喷雾状态进行对比分析，结果表明，负高压荷电喷雾较非荷电常规喷雾，药液沉积量、沉积密度显著提高，分布特性大为改善。茹煜等[8]以风送静电喷雾系统为研究对象，分析了静电喷雾中荷电特征对雾滴沉降、沉积和黏附靶标的影响。Takeshi等[9]研究了荷电电压、流量及喷雾高度对单位体积液滴荷电量的影响。Colbert等[10]通過数值计算的方法，建立了荷电喷雾过程中电场、流场以及液滴运动轨迹的数学模型。虽然国内外学者对荷电喷雾的沉积特性的研究已取得了重要的结论与成果，但是在电场与气液两相流场耦合作用下的荷电双流体喷雾的沉积特性比较复杂，影响因素很多，仍需要进一步研究，获得更加精确的数据以指导工程应用。

运用控制变量法，在针状电极电晕荷电的情况下，对双流体喷雾射流沉积均匀性进行试验研究。在喷水质量流量一定的情况下，通过调节双流体喷枪的雾化参数、喷枪的工作高度及荷电电压，研究其对沉积均匀性的影响，以期为双流体喷雾射流沉积均匀研究提供参考。

1 试验装置和方法

1.1 双流体雾化器及荷电装置

试验中选用的双流体雾化器如图1（a）所示，该雾化器共3个进气口（雾化进气口、扇形进气口和启闭进气口）和1个进液口，其中雾化进气的作用是利用高速气流的剪切力作用将液体射流破碎雾化成大量的细小液滴，其进气压力称为雾化压力PC；扇形进气的作用是在喷嘴出口处形成两股方向相反的气体对流，使细小液滴离开喷孔后在气力作用下形成扇形液膜，其进气压力称为扇形压力PF，通过调节扇形压力可以实现对雾化锥角的控制；启闭进气的作用是通过提供的气压启动雾化器。雾化介质通过进液口进入喷嘴。endprint

负高压电晕荷电由于启晕电压低，液体荷电相对容易，操作简单，是较为理想适用的荷电方法，故荷电形式采用负高压电晕荷电方式。荷电装置是在双流体雾化器的结构基础上设计而成的，如图1（b）所示，其中电晕荷电电极设计成“爪”状，即在双流体喷枪出口处对称布置3个针状铜质电极。针状电极尖端曲率半径越小，电晕放电效果越明显，试验中设计为20 °，每根针状电极间夹为45 °。为提高荷电装置绝缘性，在电极表面包有聚四氟乙烯管，仅露出放电尖端，并且在电极背部设计有绝缘板。

1.2 试验系统及试验方法

荷电双流体喷雾射流系统包括雾化装置、荷电装置、液路系统和气流管路系统组成。气流管路系统中高压气体由空压机流出后经膨胀罐稳压后分为三路气流，分别为雾化气路、扇形气路和启闭气路，通过调节阀对各路压力参数进行调节；液路系统包括储液罐、转子流量计；雾化装置包括双流体雾化喷枪、电晕荷电电极；荷电装置为负高压静电发生器，给电极提供负高压（图2）。

本试验是对各工况下荷电双流体喷雾沉积均匀性进行定性分析。设定坐标系：喷嘴出口中心为坐标原点，沿着喷雾中心线方向为轴向即z轴，沿垂直于中心线的水平方向为径向即x轴（图3）。采用控制变量法，分别在不同扇形压力（PF）、雾化压力（PC）、喷雾高度（Z）以及荷电电压条件下进行喷雾，径向方向雾液通过集雾槽、量筒进行收集与测量，测定时间为1 min，每组工况进行3次重复测量，取平均值。为了便于将喷雾沉积均匀性进行数值化标定，数据分析时，将所采集的样本数据的标准偏差变异系数（CV）作为指标性参数，其值越小则说明喷雾沉积均匀性越好。变异系数计算公式：

CV=×100% （1）

其中，？坠为标准偏差，标准偏差可以衡量数组中样本xi与样本均值x的差距大小，其值越小说明xi在x附近，即数据分布集中，雾滴沉积的均匀性较好。标准偏差的计算公式：

？坠= （2）

其中，n为样本容量，xi为第i个集液槽内液体体积。x为一组集液槽内沉积量均值。

2 结果与分析

2.1 雾化参数对喷雾沉积均匀性的影响

双流体喷枪中雾化压力和扇形压力是改变喷雾形态的关键因素，雾化压力越高，气流与液体之间剪切力越大，越有利于液滴破碎；扇形压力越大，喷雾锥角越大。试验在喷水质量流量不变的条件下，通过改变喷枪的雾化压力或扇形压力，研究其对喷雾沉积均匀性的影响。结果如图4、图5所示，当双流体喷枪扇形压力或雾化压力改变时，会引起雾量分布的改变，增大扇形压力，雾量分布变异数减小，沉积分布越均匀；增大雾化压力，雾量分布变异数增大，沉积分布均匀性变差。由图6、图7可知，当喷枪工作高度为40 cm时，雾量径向分布呈对称性，主流区域沉积雾量最大，两侧边缘区域逐渐减小。在雾化压力不变的条件下，增大扇形压力，液滴的径向动量增大，主流区域部分液滴向喷雾边缘区域运动，边缘区域沉积量增大，雾量分布曲线变平缓，提高了沉积分布均匀性；在扇形压力不变时，增大雾化压力，主流区域液滴轴向动量增加，液滴不易向边缘区域运动，边缘区域沉积量减少，雾量分布曲线变陡，雾量分布均匀性变差。

2.2 喷雾高度对喷雾沉积均匀性的影响

图8是雾化压力为70 kPa，扇形压力为35 kPa时，喷枪在不同工作高度时雾量径向方向的分布曲线，该曲线反映了不同高度每个位置的流量特性。喷雾的总流量随着高度的增加呈现一定的减少，由于喷雾高度的增加使液滴在空中运动停留的时间增加，微小液滴受到外部环境的影响易飘散、蒸发，不能沉积到目标区域。随着高度的增加液雾炬逐渐铺展、沉积面积逐渐增大，所以曲线在径向逐渐扩张。由图9可知，雾量分布变异系数随着喷枪工作高度的增加而减小，喷雾沉积均匀性提高，并且随着高度的增加，雾滴沉積分布变异系数的变化趋于稳定。

2.3 荷电电压对喷雾沉积均匀性的影响

从图10可以看出，电极电压对双流体喷雾沉积均匀性的影响较大，增大电极电压，可以有效地减小雾量分布变异系数，当荷电电压增大到8 kV时，雾滴沉积分布变异系数减小了约8%。分析认为，随着电极电压的增大电场强度也不断增大，液滴获得的电荷量也相应地增加，同种电荷之间的排斥作用增大，液滴均匀的速度分布范围扩大，因此，提高了喷雾沉积的均匀性。

2.4 荷电电压对喷雾流场的影响

PIV（粒子图像测速）技术是一种基于流场图像相关分析的非接触式二维流场测量技术。基于PIV技术对喷枪出口处的喷雾流场进行测量分析，系统的荷电电压从4 kV增大到12 kV，并与非荷电情况下的喷雾流场进行对比，结果如图11所示。喷雾荷电后使双流体喷雾锥角稍微增大，喷雾核心区域流场均匀性提高。在靠近电极的位置，随着荷电电压的增大雾滴向上卷吸的现象越明显，出现涡旋结构，电极容易积液。这是由于电极附近的细小液滴在库仑力、流体力的作用下形成涡旋结构，细小雾滴受到涡流作用产生卷吸现象，吸附到电极上形成较大液滴，从而造成电极积液[11]。

3 结论

对影响荷电双流体喷雾沉积均匀性的几个关键因素进行了试验研究，结果表明，①当双流体喷枪扇形压力或雾化压力改变时，会引起雾量分布的改变，增大扇形压力，雾量分布变系异数减小，沉积分布越均匀；增大雾化压力，雾量分布变异系数增大，沉积分布均匀性变差。②喷枪工作高度的增加提高了喷雾沉积的均匀性，但由于液滴在空中运动时间的增加，微小液滴易飘散、蒸发，喷雾沉积的总流量减小。静电场的参与，有效地改善喷雾流场的均匀性，当荷电电压的增大到某一临界值时，其对喷雾沉积均匀性的影响也趋于饱和。

参考文献：

[1] MLKVIK M，STAHLE P，SCHUCHMANN H P，et al. Two-fluid atomization of viscous liquids：The effect of atomizer construction on breakup process，spray stability and droplet size[J].International Journal of Multiphase Flow，2015，77：19-31.endprint

[2] ZAREMBA M，WEIB L，MALY M，et al. Low-pressure twin-fluid atomization：Effect of mixing process on spray formation[J].International Journal of Multiphase Flow，2017，89：277-289.

[3] 王军锋，姚 江，张宗海，等.外混式双流体雾化器荷电喷雾流场特性[J].江苏大学学报（自然科学版），2014，35（6）：649-655.

[4] 祁力钧，傅泽田.不同条件下喷雾分布试验研究[J].农业工程学报，1999，15（2）：107-111.

[5] 王 璐， 陈永成，苏 迪，等.喷杆式喷雾分布均匀性试验研究[J].农机化研究，2015（10）：193-196.

[6] MUNIR A. Evaluation of spray uniformity distri-bution by environment friendly university boom sprayer test bench[J].Pakistan Journal of Agricultural Sciences，2006，43（1）：34-37.

[7] 陈志刚，吴春笃，孙英琨.负高压电晕荷电喷雾沉积特性[J].高电压技术，2008，34（11）：2440-2446.

[8] 茹 煜，金 兰，周宏平，等.雾滴荷电特性对其沉积分布及黏附靶标的影响[J].南京林业大學学（自然科学版），2014，38（3）：129-133.

[9] TAKESHI FUKUDA，ASUMI SUZUKI，LIAO Y J，et al.Influence of spray conditions on droplet charge per unit volume for electrospray deposition[J].Journal of Aerosol Science，2014，77：38-49.

[10] COLBERT S A，CAIRNCROSS R A. A computer simulation for prediction electrostatic spray coating pattern[J].Powder Technology，2005，151：77-86.

[11] 王军锋，王贞涛，毛惠敏，等.双流体荷电喷雾结构的PIV测量[J].农业机械学报，2009，40（9）：107-111.endprint