不同雾化模式下静电雾化的雾滴特性

不同雾化模式下静电雾化的雾滴特性 1 2 2 2 军 , 闻建龙 , 王军锋 , 罗惕乾 张 ( )1. 集美大学 机械工程学院 , 福建 厦门 361021; 2. 江苏大学 能源与动力工程学院 , 江苏 镇江 212013 摘要 : 对毛细管 - 环电极配置下的静电雾化进行了试验研究 ,通过测试雾滴大小 ,探讨和分析了雾 化操作参数对雾滴大小的影响及不同雾化模式下的雾滴直径分布规律. 研究明 :充电电压对雾滴 大小及直径分布有显著的影响 ,但在不同雾化模式下 ,雾滴的大小随电压的变化规律是不同的 ,雾 滴直径分布在不同模式下也呈现不同的分布特点. 文中还使用 PDA 系统对垂直雾化的滴径及滴速 进行了在线测试 ,揭示了不同充电电压下的滴径 - 滴速特性 . 关键词 : 静电雾化 ; 雾化模式 ; 雾滴大小 ; 充电电压 中图分类号 : TQ511; O 359文献标识码 : A( ) 文章编号 : 1671 - 7775 2006 02 - 0105 - 04 D roplets character istics of electrosta tic spray ing a t d ifferen t m odes of spray ing 1 2 2 2 W EN J ian 2long , W AN G J un 2feng , LUO T i2qian ZHAN G J un , ( 1. Schoo l of M echan ical Engineering, J im ei U n iversity, X iam en, Fu jian 361021 , Ch ina; 2. Schoo l of Ene rgy R e sou rce s and Powe r Engi2 )nee ring, J iangsu U n ive rsity, Zhen jiang, J iangsu 212013 , Ch ina A b stra c t: Exp e rim en ta l inve stiga tion wa s p e rfo rm ed fo r e lec tro sta tic sp raying unde r cap illa ry2annu la r e lec trode configu ra tion. The wo rk ing p a ram e te rs of sp raying and d istribu tion s of d rop le t d iam e te rs a t d if2 fe ren t mode s of sp raying we re ana lyzed. The re su lt show s tha t the effec t of cha rging vo ltage on size and d istribu tion of d rop le ts is obviou s. Howeve r, the change s of d rop le t size w ith vo ltage a t d iffe ren t mode s of sp raying a re d iffe ren t, and the d istribu tion s of d rop le t d iam e te r exh ib it d iffe ren t cha rac te ristic s. In add i2 tion, the size and ve loc ity of d rop le t fo r ve rtica l sp raying we re m ea su red, the size2ve loc ity co rre la tion cha rac te ristic s we re revea led a t d iffe ren t vo ltage s. Key word s: e lec tro sta tic sp raying; mode of sp raying; d rop le t size; cha rging vo ltage . 式下的雾滴特性进行了较为详细的试验研究在不同的工程应用领域 ,对雾滴的大小有不同 的要求 ,探索雾滴尺寸与充电电压 、流量 、毛细管直 1 试验配置 径 、流体的物性参数等与雾滴尺寸的关系 ,并进而实 现雾滴大小的控制尤为重要 . 虽然目前有一些研究 静电雾化的试验配置如图 1 所示 . 雾化试验介 [ 1 - 3 ] (者在这方面进行了试验研究及理论分析 ,但由 质为水 ,分别采用了四种规格毛细管 内径分别为 )于他们在研究中采用的试验配置不同 、雾化参数范 0125 , 0128 , 0145 , 019 mm 进行雾化试验. 试验参数 围也各不相同 ,获得的试验结果及物理解释也不尽 范围 :电极电压 0,45 kV ,液体流量 01005,1 m l / s. 相同 ,尤其没有分不同雾化模式进行研究 . 为此作者 试验环境温度为 5 ?,湿度 75 %. 雾滴大小采用文 在较大的工况内对环电极下静电雾化在不同雾化模献 [ 4 ]的 ,即用捕集液采集 ,然后用显微镜观 收稿日期 : 2005 - 10 - 15 ( ) ( )基金项目 : 福建省自然科学基金资助项目 E0410027 ;福建省教育厅项目 JA004232 ( ) ( ) 作者简介 : 张 军 1966 - ,男 ,陕西大荔人 ,博士 ,副教授 bu ll0202 @ sina. com ,主要从事多相流 、非牛顿流 、静电雾化理论及应用研究. ( ) ( ) 闻建龙 1962 - ,男 ,江苏常熟人 ,教授 jlwen@ u js. edu. cn,主要从事荷电两相流的理论及应用研究. 察 、并读取雾滴直径 . 每个工况下读取 50个雾滴 ,并 计算出雾滴直径算术平均值. 雾化过程通过 Mo tion2 P roTM 10000数字高速摄影机观察 . 除了以上水平雾 ( )化试验项目外 ,作者还采用颗粒动态分析仪 PDA ()系统对垂直配置 毛细管垂直放置 、向下喷射 的静 电雾化在不同位置处的电压 - 滴径及滴径 - 滴速特 性进行了试验测试. PDA 测试点位置配置见图 2. 图 3 不同雾化模式下滴径与充电电压的关系 F ig. 3 R e la tion sh ip be tween m ean d iam e te r of d rop s and cha rging vo ltage fo r d iffe ren t mode s of sp raying 图 4为试验获得典型工况下的滴径分布 ,试验 的毛细管内径 d= 0. 25 mm ,流量 Q = 0. 008 75 m l / i s; d为平均雾滴直径 , sd 为偏差 . 由图可见滴 m 状模式时的液滴直径较大 ,直径分布较宽 ,但基本呈 图 1 静电雾化试验配置 () 现正态分布规律 图 4 a . 在锥射流时雾滴直径较 F ig. 1 Exp e rim en ta l configu ra tion fo r e lec tro sta tic sp raying 小 ,直径分布呈现出两种较为典型的类型 . 在电压不 太高时 ,直径分布呈现明显单极分布 ,并且处于直径 () 分布中心附近的雾滴频数相当高 如图 4 b 所示 . 随着电压逐渐升高 ,最大频数逐渐降低 ,当电压达到 25 kV 时 ,直径分布呈现出显著的双极性分布特征 , 如图 4 c所示. 这主要是因为高电压情况下 ,部分雾滴 会出现二次雾化 ,从而产生部分更小的雾滴 ,即所谓 图 2 PDA 测试点配置 的 sa te llite d rop s的缘故. 在多股射流区 ,雾滴直径也 F ig. 2 Te st spo ts fo r PDA system 较小 ,但直径分布没有明显特征 ,单极性及双极性均 ()不明显 ,滴径谱比锥射流稍宽 如图 4d所示 . 这主要 2 试验结果及分析 是因为数股射流产生的雾滴大小均不同的缘故. [ 3 , 5 , 6 ] 现有的研 究表 明 , 在不 同充 电 电压 、流 量 下 ,流体的静电雾化会出现三种比较典型的雾化模 式 :滴状模式 ———流体以较大液滴的形式从毛细管 流出 ;锥射流模式 ———流体在毛细管端部形成锥形 , 由锥的顶部形成射流 ;多股射流 ———形成数股射流 . 不同雾化模式下的雾滴大小及变化规律是不同的 . 图 3 为作者试验获得不同雾化模式下水的雾滴平均 直径与电压的关系. 由图 3可见 ,滴状模式下的平均滴径最大. 当未 加电压时 ,平均滴径约为 316 mm 左右 ,随着电压的增 大 ,雾滴直径会急剧减小. 当电压加至约 5 kV 左右 时 ,平均滴径约为 01247 mm ,此时再提高电压 ,下落 的液滴将会在电场力作用下被拉长 、滴状模式不能再 继续保持 ,雾化模式将逐渐过渡为锥射流模式. 在此 模式中 ,随着电压的增大 ,滴径会有规律地进一步减 小. 在图示工况下当电压达 25 kV 时 ,雾滴直径可减 小至 01072 mm. 在多股射流区 ,雾滴直径也很小 ,但 并不随着电压的升高而单调下降 ,而是时大时小 ,这 表明多股射流区极不稳定 ,雾滴大小也不易控制. 107 第 2期 张 军等 : 不同雾化模式下静电雾化的雾滴特性 压达 40 kV 时 ,距毛细管出口 20 mm 处的平均滴径 μ已降低至 417 m ,而距毛细管出口 5 mm 处的平均 μ滴径为 7418 m. 对于这个现象 ,笔者认为主要是雾 滴的二次雾化产生的缘故. 在距离毛细管出口不远 处 ,射流刚刚破碎为较大的液滴 ,二次雾化还未来得 及出现 ,而在距毛细管出口较远处 ,部分荷电量较多 的大雾滴会在电场力作用下破碎为更小的雾滴 、即 产生较为充分的二次雾化 ,使得平均滴径减小 . 在电 压较低时 ,二次雾化不明显 ,故两个位置处的平均滴 径差别不大 ,但在电压较高时 ,会有更多的大雾滴的 ( ) 带电量达到瑞利 R ayle igh 极限而破碎 为小 雾 滴 , 这使的距毛细管较远处的平均滴径更小 . 图 4 雾滴直径分布图 F ig. 4 D iam e te r d istribu tion s of d rop s fo r d iffe ren t mode s of sp raying 图 5为电压不变时 ,不同流量下锥射流的雾滴 大小. 图中试验数据表明 : 在电压不变时 ,随着流量 的减小 ,雾滴直径也随之减小 . 这主要是因为流量越 小 ,单位质量流体的荷电量越高 ,雾滴在库仑斥力作 用下更易破碎 . 试验数据表明 ,对于导电率很大的导 电液体 ,通过减小流量来降低滴径的潜力似乎不是 太大. 在图 5 所示工况下 ,当流量由 0105 m l / s减少 () 至 01005 5 m l / s 近 1 /10 时 , 平 均 雾 滴 直 径 由 01203 mm 降低至 01119 mm. 图 5 流量与雾滴大小的关系 F ig. 5 R e la tion sh ip be tween m ean d iam e te r of d rop le ts and flow ra te 图 6为用 PDA 测试的不同位置处的滴径随电 压的变化 ,图 7为相应条件下的滴径 - 滴速关系. 由 图 6 可见 ,随着电压的增大 ,两种位置测得的平均滴 径均较有规律地下降 . 在相同的电压下 ,距毛细管较 远位置的雾滴径要小于距毛细管较近处的雾滴. 在 电压不高时 ,两个位置处的滴径差别不是太大 ,但随 在试验中明显观察到在高电压下由于场强较 着电压的提高 ,两个位置处滴径差别逐渐增大 ,在电 高 ,雾滴所受电场力较大 ,故雾滴的平均速度要比低 ( ) 对不同位置处的电压 - 滴径 、滴径 - 4 PDA 电压下高 . 图 7 a 给出了滴径与轴向滴速的关系 ,距 滴速的测试表明 ,由于部分雾滴产生二次雾化的缘 出口较远处 ,由于空气阻力等的影响 ,轴向滴速将下 降 . 图 7 b表明 ,在相同电压下 ,距毛细管距离较远处 故 ,距毛细管远处的平均滴径要小于距毛细管近处 的雾滴的径向速度要远高于距毛细管距离较近处的 的雾滴. 电压越高 ,滴径越小 ,滴速越大 ,径向速度也 雾滴. 这主要是因为距毛细管较远处的部分雾滴因 越大 . 另外 ,距毛细管较远处的雾滴径向速度要大于 距毛细管近处的雾滴径向速度 ,即雾滴在射流破碎 二次雾化而会产生部分小雾滴 ,小雾滴在库仑斥力 () 雾滴之间的斥力 及外界空气的扰动下有向径向 点处形成伞状雾化区 ,电压越高 ,伞状雾化区的锥角 运动的趋势 ,而部分没有产生二次雾化的大雾滴由 越大 . 于惯性较大 ,仍基本沿射流轴向运动. 二次雾化越充 参考文献 ( Referen ce s) 分 ,小雾滴就越多 ,平均径向滴速就越大. 雾滴运动 [ 1 ] Sh rimp ton J S, Yu le A J. D rop size and ve loc ity m ea2 的这种速度特性与前述有关锥射流模式的研究结论 su rem en ts in an e lec tro sta tica lly p roduced hyd roca rbon 相一致. 即锥射流在较高电压下 ,射流会在破碎点处 sp ray[ J ]. J ou rna l of F lu ids Eng ineering, T ransactions 形成伞状雾化区. 电压越高 ,由二次雾化而产生的小 ( ) of the ASM E, 1998, 120 3 : 580 - 585. 雾滴也越多 ,雾滴平均径向速度越大 ,雾化区伞状锥 王军锋 ,闻建龙 ,罗惕乾 . 静电喷雾两相流湍流数值 [ 2 ] 角就越大 .( ) 计算 [ J ]. 江苏大学学报 : 自然科学版 , 2004, 25 1 : 13 - 16. WAN G J un2feng, W EN J ian2long, LUO Ti2q ian. N u2 3 结论 m e rica l mode ling of cha rged two2p ha se je t flow in e lec2 tro sta tic sp ray[ J ]. J ou rna l of J iangsu U n iversity: N a tu2 通过研究及分析可获得以下基本结论 : ( )1 在不同的雾化模式下 , 雾滴大小及直径分 ( ) ( )ra l S cience Ed ition , 2004 , 25 1 : 13 - 16. in Ch ine se 别呈现出不同的特点 . 在稳定锥射流模式下 ,雾滴平 J awo rek A , Krup a A. J e t and d rop s fo rm a tion in e lec tro2 [ 3 ] 均直径较小 ,并且随着充电电压的升高 ,平均滴径有 hyd rodynam ic sp raying of liqu id s [ J ]. A system a tic ap2 规律地下降 . 在该雾化模式下雾滴大小可便于通过 proach. Experim en ts in F lu ids, 1999, 27: 43 - 52. 充电电压来调节. 锥射流模式下的滴径谱也较窄 ,直 闻建龙 , 王军锋 , 王 军 , 罗惕乾 . 柴油高压静电雾[ 4 ] 径分布在不同电压下出现两种特点 . 在电压不太高 ( ) 化燃烧的研 究 [ J ]. 内燃 机 学 报 , 2003, 21 1 : 97 - 时 ,呈现单极性很强的分布特点 . 而在电压较高时 , 103. 直径分布则呈现双峰特性 . 在多股射流模式下 ,平均 W EN J ian2long, WAN G J un2feng, WAN G J un, LUO 滴径也较小 ,直径分布比锥射流要稍大 ,但该雾化模 Ti2q ian. R e sea rch on h igh vo ltage e lec tro sta tic sp raying 式下雾滴平均滴径并不是随充电电压的升高而有规 com bu stion of d ie se l o il[ J ]. C h inese S ociety for In terna l 律地下降 ,而是时大时小. 该模式下通过充电电压来 ( ) ( Com bustion Eng ines, 2003, 21 1 : 97 - 103. in Ch i2 调节雾滴大小不易实现 . )ne se ( )2 在滴状模式下 ,滴径虽然很大 ,但由于该模 张 军 . 导电液体静电雾化的几个问 [ D ]. 镇江 : [ 5 ] 式下的液滴下落频率随着电极电压的增大而逐渐增 江苏大学 , 2004. 陈效鹏 ,董绍彤 ,程久生 ,等 . 电雾化装置及雾化模式 大 ,滴径则随电压的增大逐渐减小 ,滴径及液滴下落 [ 6 ] ( ) 研究 [ J ]. 实验力学 , 2000 , 15 1 : 97 - 103. 频率均可通过电极电压来控制 ,这对某些工程领域 具有极为重要的应用价值 .CH EN X iao2p eng, DON G Shao2tong, CH EN G J iu2 ( )3 在电压不变的情况下 , 减小滴径也可通过 sheng, e t a l. E lec tro sta tic a tom iza tion and the sp ray 减小流量来获得. 但对于导电率较高的流体 ,通过减 mode s in flu id a tom iza tion [ J ]. J ou rna l of Experim en ta l 小流量来进一步降低滴径的潜力不大 . ( ) ( )M echan ics, 2000, 15 1: 97 - 103. in Ch ine se () 责任编辑 陈持平