高全杰,彭承燾,鄧云峰,楊國文

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院,湖北武漢,430081)

霧化噴涂過程中的液滴特性研究

高全杰,彭承燾,鄧云峰,楊國文

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院,湖北武漢,430081)

研究高壓靜電霧化過程液滴特性,運(yùn)用信息熵方法建立油液粒徑分布模型,通過靜電涂油霧化實(shí)驗(yàn)研究液滴粒徑分布規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn),液滴粒徑隨電壓變化而變化,靜電電壓升高,液滴粒徑減小;電壓不同,液滴粒徑的分布狀態(tài)不同,電壓為65 kV時(shí),液滴粒徑較小且分布均勻。所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型吻合。

霧化;噴涂;靜電涂油機(jī);粒徑

隨著霧化噴涂技術(shù)在機(jī)械、環(huán)境、醫(yī)藥、生物醫(yī)學(xué)中的廣泛應(yīng)用及20世紀(jì)60年代計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的出現(xiàn),相繼發(fā)展成為了計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬(DNS)和大渦模擬(LES)等方法[1]。20世紀(jì)80年代,信息熵方法被提出并用于霧滴粒徑及速度分布的統(tǒng)計(jì)和模擬,為霧滴粒徑及分布特性的研究提供了較為可行的方法。

本文基于已有研究成果,運(yùn)用信息熵方法建立油液粒徑分布模型,通過靜電涂油霧化實(shí)驗(yàn)研究液滴粒徑分布規(guī)律。

1 霧化噴涂機(jī)理

霧化是通過噴嘴或高速氣流使液體分散成微小液滴的過程,其中液體表面張力是霧化過程的主要阻力。靜電涂油機(jī)油液霧化噴射過程示意圖如圖1所示。從圖1中可看出,油液分別經(jīng)射流區(qū)、過渡區(qū)和霧化區(qū)而霧化。由于涂油刀梁為電極之一,因此在經(jīng)過上述3個(gè)區(qū)域之前,油液進(jìn)入涂油刀梁便通過接觸感應(yīng)而荷電,在油液出口處的尖端部位,高電壓產(chǎn)生的電暈使其再次荷電,從涂油刀梁噴射出的射流進(jìn)入高壓靜電場(chǎng),在感應(yīng)電場(chǎng)和空間電荷共同作用下,液滴表面繼續(xù)荷電[2-3]。射流區(qū)中,未加靜電場(chǎng)時(shí),油液從涂油刀梁緩慢流出,施加靜電場(chǎng)后,油液受靜電場(chǎng)力作用形成射流(射流表面的電荷對(duì)電場(chǎng)的影響可忽略不計(jì));過渡區(qū)中,射流受內(nèi)外界力的作用形成周期性的振動(dòng)波形(也稱波紋區(qū)),根據(jù) Navierstokes方程,射流表面電荷與電場(chǎng)力相互作用而產(chǎn)生斥力,使射流加速,同時(shí)使液體表面電勢(shì)分布趨于均勻,在射流表面曲率半徑較大處受到液體張力的影響,使得液體向曲率半徑大的方向運(yùn)動(dòng),并促使波紋破碎成為液滴;霧化區(qū)中,液滴在電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)中受到電場(chǎng)力、黏滯阻力等作用產(chǎn)生變形,其總能量的增加使液滴處于不穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生分裂破碎,隨著液滴的不斷分裂,液滴數(shù)量成倍增長(zhǎng)且粒徑急劇減小,液滴所帶同極性電荷產(chǎn)生的斥力使得液滴改變運(yùn)動(dòng)方向而發(fā)生擴(kuò)散。

圖1 靜電涂油機(jī)油液霧化噴射過程示意圖Fig.1 Spraying process in electrostatic oiler

2 油液粒徑分布模型

式(4)可描述射流模式下霧滴直徑的分布特性,通過計(jì)算可知,最大粒徑約為最小粒徑的3倍左右。

3 靜電涂油霧化分析

靜電涂油霧化實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示。當(dāng)靜電電壓為0時(shí),調(diào)整供油系統(tǒng)的供油量,使涂油刀梁流出的油液緩慢流動(dòng),逐漸增高電壓,觀察霧化情況,并用激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試;當(dāng)電壓低于26 kV時(shí),隨著電壓增大,油液由滴狀逐漸轉(zhuǎn)為射流狀,霧化角為00;電壓為26～35 kV時(shí),霧化角有所增大,液滴間的庫侖力使液滴相互排斥;電壓為35～45 kV時(shí),霧化射流不均勻,霧化角繼續(xù)增大;電壓為45 kV時(shí),為產(chǎn)生主次液滴的臨界狀態(tài),此時(shí)繼續(xù)增高電壓,主液滴半徑減小,次液滴半徑增大;電壓為45～50 kV時(shí),霧化角較穩(wěn)定;電壓為50～62 kV時(shí),主次液滴開始退化,射流速度增加,空間液滴數(shù)增加,油液粒子分布逐漸均勻,油液呈錐射狀,霧化角逐漸減小;電壓高于62 kV后,射流霧化效果逐漸達(dá)到最佳。

上述實(shí)驗(yàn)還表明,在不同電壓下會(huì)出現(xiàn)3種不同的霧化模式:滴狀模式、錐射狀模式和多股射流模式[5]。

圖2 靜電涂油霧化實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of spraying in electrostatic oiler

控制流量的伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)速一般為90 r/min,根據(jù)激光粒度儀的測(cè)試,靜電電壓對(duì)液滴粒徑的影響如圖3所示。從圖3中可看出,靜電電壓為30 kV時(shí)為液滴產(chǎn)生初始階段,當(dāng)電壓高于30 kV時(shí),液滴粒徑隨電壓增高而均勻緩慢減小。

圖3 靜電電壓對(duì)液滴粒徑的影響Fig.3 Relationship between particle size and voltage

圖4 不同電壓下的液滴粒徑分布Fig.4 Particle size distribution under different voltages

不同電壓下的液滴粒徑分布如圖4所示。從圖4中可以看出,電壓為30 kV時(shí),油液粒徑較大,呈雙峰狀;電壓為50 kV時(shí),液滴粒徑呈較好的正態(tài)分布,液滴的粒徑分布主要集中在40～100μm區(qū)域;電壓值為65 kV時(shí),液滴粒徑繼續(xù)減小,液滴粒徑分布更加均勻;電壓為75 kV時(shí),液滴粒徑更小,其分布均勻度開始降低[6]?？傊?電壓不同,液滴粒徑分布狀態(tài)不同,當(dāng)靜電電壓為65 kV時(shí),液滴粒徑較小且分布均勻。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,靜電電壓為50 kV時(shí),霧化角較為穩(wěn)定,該處的霧化模式處于射流模式,其粒徑分布主要集中在40～100μm區(qū)域,這與通過信息熵對(duì)射流模式下霧滴粒徑分布特性的計(jì)算結(jié)果(最大粒徑為最小粒徑3倍左右)相吻合。

4 結(jié)論

(1)液滴粒徑隨靜電電壓變化而改變,靜電電壓升高,液滴粒徑減小。

(2)電壓不同,液滴粒徑分布狀態(tài)不同,靜電電壓為65 kV時(shí),液滴粒徑較小且分布均勻。

(3)射流模式下油液粒徑分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型相吻合。

[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.梁板電極電場(chǎng)中油液荷電霧化理論分析[J].鋼鐵研究,2002,30(5):25-27.

[3] 高全杰.靜電涂油機(jī)中油液的荷電霧化研究[J].中國機(jī)械工程,2002,13(7):552-554.

[4] 張軍,M ichael W Reeks.靜電霧化過程中粒徑分布的預(yù)測(cè)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(12):89-92.

[5] 汪朝暉,廖振方,高全杰,等.高壓靜電場(chǎng)中油液射流特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2009,24 (2):36-39.

[6] 王家青.靜電涂油機(jī)中油液荷電霧化機(jī)理及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢:武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)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

[責(zé)任編輯 彭金旺]

2010-01-19

國家重點(diǎn)新產(chǎn)品計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006GRD10004);湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2009CDB314).

高全杰(1963-),男,武漢科技大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.E-mail:gaoqj6328@126.com