甘云華 鄭曉紅 江政緯 羅燕來 周 毅

(1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院， 廣州 510640； 2.廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510640)

0 引言

靜電霧化是指液體以一定流速進(jìn)入毛細(xì)管，帶電液滴在毛細(xì)管口處受到靜電力、表面張力等聯(lián)合作用形成穩(wěn)定的圓弧錐形結(jié)構(gòu)，在錐結(jié)構(gòu)的頂端形成一股穩(wěn)定細(xì)小的射流，最終破碎為液滴，液滴在電場力的作用下運(yùn)動[1]。與其他霧化方式相比，靜電霧化產(chǎn)生的液滴具有更小的粒徑、更好的可控性，霧群分布更為均勻[2]。經(jīng)過靜電霧化得到的噴霧具有優(yōu)越的霧化特性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)噴涂[3]、農(nóng)業(yè)噴灑[4]、霧化除塵[5]以及噴霧燃燒[6-7]中。

典型的靜電霧化裝置[8]由負(fù)載高壓金屬毛細(xì)管與接地電極組成。毛細(xì)管-環(huán)形電極-接地網(wǎng)格電極則是在毛細(xì)管-接地電極的基礎(chǔ)上，在毛細(xì)管與接地電極加入負(fù)載高壓環(huán)形電極。為敘述方便，將毛細(xì)管-接地電極稱為單電極，毛細(xì)管-環(huán)形電極-接地網(wǎng)格電極成為雙電極。研究表明[9]，與單電極裝置相比，雙電極裝置能夠在相對較低的電壓下提供較強(qiáng)的電場。史艷玲等[10]進(jìn)行了組合電場下乙醇的荷電霧化實(shí)驗(yàn)，得到了穩(wěn)定的錐-射流霧化模式，并基于該模式進(jìn)行了理論分析計算，采用橢圓積分的方法求解出雙電極電場下射流區(qū)的場強(qiáng)分布，發(fā)現(xiàn)增大環(huán)形電極電壓參數(shù)對霧化區(qū)的場強(qiáng)起到增強(qiáng)作用。GAN等[11]通過數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，雙電極能夠形成更穩(wěn)定的錐射流模式，產(chǎn)生更小、更均勻的液滴。

電極參數(shù)是影響霧化特性的重要因素[12]。目前探討電極參數(shù)對靜電霧化的影響已有較多研究。MOON等[13]提出一種脈沖電壓電容式靜電感應(yīng)噴霧裝置，并通過實(shí)驗(yàn)研究環(huán)形電極直徑及厚度對沉積電流的影響。PATEL等[14]通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，揭示了液滴荷質(zhì)比對電極材料、形狀和幾何參數(shù)的依賴性。王軍鋒等[15-17]建立了液滴群荷電量的理論計算式，對荷電噴霧中環(huán)形電極誘導(dǎo)的靜電場進(jìn)行數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)研究了電極間距及電極環(huán)直徑對靜電霧化特征的影響規(guī)律。楊超珍等[18-20]研究在感應(yīng)荷電狀態(tài)下電極環(huán)直徑和安裝位置對液滴荷質(zhì)比的影響，發(fā)現(xiàn)荷電量與電極環(huán)直徑和安裝位置間存在線性關(guān)系，并構(gòu)建了荷電系數(shù)與電極參數(shù)和位置關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。王貞濤等[21]利用靜電場疊加原理與橢圓積分方法，對單、雙毛細(xì)管電極靜電霧化電極產(chǎn)生的空間電場進(jìn)行理論分析與數(shù)值計算，得出：與毛細(xì)管單電極相比，毛細(xì)管雙電極中間區(qū)域的徑向電場強(qiáng)度減小，軸向場強(qiáng)增大，非相干區(qū)域的電場強(qiáng)度均增大；毛細(xì)管雙電極的空間分布使靜電霧化產(chǎn)生的射流與液滴群呈現(xiàn)“八”字形。蘭玉彬等[22]針對設(shè)計的靜電噴嘴進(jìn)行室內(nèi)霧化和沉積試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：設(shè)計的靜電噴嘴最佳電極電壓為8 kV，最佳電極材料為紫銅，最佳噴施壓力為170 kPa。

盡管對電極參數(shù)影響霧化特性的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計算較多，而基于雙電極裝置在不同環(huán)形電極結(jié)構(gòu)下的荷電霧化研究尚未見報道。本文基于雙電極荷電霧化裝置，對其靜電場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同環(huán)形電極內(nèi)徑及厚度下的電場強(qiáng)度分布，并通過實(shí)驗(yàn)研究不同電極結(jié)構(gòu)對噴霧錐角及荷質(zhì)比的影響，以期為液體燃料在內(nèi)燃機(jī)等動力裝備上的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of experimental system1.微量注射泵 2.毛細(xì)管噴嘴 3.環(huán)形電極 4.金屬網(wǎng)格 5.數(shù)據(jù)采集儀 6.計算機(jī) 7.標(biāo)準(zhǔn)電阻 8.直流電源

采用的靜電噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。乙醇流量通過微量注射泵控制，以2 mL/h注入毛細(xì)管噴嘴。毛細(xì)管噴嘴內(nèi)徑為0.9 mm，外徑為1.1 mm。在噴嘴正上方同軸布置環(huán)形電極與金屬網(wǎng)格。環(huán)形電極的下邊緣與噴嘴出口的距離為1 mm，環(huán)形電極的下邊緣與金屬網(wǎng)格之間的垂直距離為26 mm。噴嘴與環(huán)形電極分別施加高壓V1和V2，金屬網(wǎng)格接地。在噴嘴和金屬網(wǎng)格之間存在一個電勢差，液體在靜電力的作用下破碎成液滴并朝網(wǎng)格移動。為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定錐射流模式下的靜電噴霧，實(shí)驗(yàn)中控制噴嘴電壓V1為4.5 kV，環(huán)形電極電壓V2為1.3 kV。為研究不同環(huán)形電極結(jié)構(gòu)對靜電噴霧的影響，選取內(nèi)徑Dr1為12、14、16、18 mm,厚度h為1、2、3 mm，共12種不同結(jié)構(gòu)的環(huán)形電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用數(shù)碼單反相機(jī)進(jìn)行圖像采集，為使圖像清晰，采用綠色激光作為輔助光源。通過軟件對拍攝圖像進(jìn)行處理得到噴霧錐角。

為獲得噴霧液滴的荷電情況，在金屬網(wǎng)格和電源地極之間串聯(lián)一個標(biāo)準(zhǔn)電阻(1 MΩ)，利用數(shù)據(jù)采集儀測量電阻上的電壓，據(jù)歐姆定律可計算得到噴霧電流。實(shí)驗(yàn)中，待電壓穩(wěn)定后每隔0.5 s記錄一次數(shù)據(jù)，每組記錄10個數(shù)據(jù)。對同一工況下記錄5組數(shù)據(jù)。采取測量值的算術(shù)平均值作為實(shí)驗(yàn)最后的結(jié)果。通過荷質(zhì)比來表征液滴的荷電效果，荷質(zhì)比越大，液滴的荷電性能及充電效果越好。液滴荷質(zhì)比為液滴帶電量與其質(zhì)量的比值，即

(1)

式中λ——液滴荷質(zhì)比，C/kg

q——液滴荷電量，C

m——液滴質(zhì)量,kg

qm——質(zhì)量流量,kg/s

qv——體積流量，m3/s

I——電流,A

T——測量時間,s

ρ——乙醇密度，kg/m3

(2)

實(shí)驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，假定乙醇物性不隨溫度的變化而變化。室溫下乙醇體積分?jǐn)?shù)大于等于99.7%，密度為789.3 kg/m3，動力粘度為1.70 mPa·s，表面張力為0.022 N/m，電導(dǎo)率為51 μS/m，相對介電常數(shù)為25.3。實(shí)驗(yàn)中，測定電阻上的最大電壓為0.06 V，相較于噴嘴電壓4.50 kV，電阻分壓可忽略不計。實(shí)驗(yàn)誤差如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)誤差Tab.1 Error analysis

2 數(shù)值模擬

利用COMSOL Multiphysics多物理耦合軟件對電場進(jìn)行模擬。根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)工況，建立二維軸對稱模型，如圖2所示。求解區(qū)域以空氣為介質(zhì)，對計算區(qū)域采用三角形自由網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，最終選取網(wǎng)格數(shù)為13 162。模擬計算區(qū)域?yàn)?3.5 mm×29.5 mm。計算過程采用穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行求解。

圖2 二維軸對稱模型示意圖Fig.2 Schematic of 2D axisymmetric model1.金屬網(wǎng)格 2.噴嘴 3.環(huán)形電極

噴嘴、環(huán)形電極及金屬網(wǎng)格之間形成的空間電位可由拉普拉斯方程求解,即

(3)

電場強(qiáng)度計算式為

(4)

式中E——電場強(qiáng)度，V/m

φ——空間電壓，V

3 結(jié)果與分析

3.1 空間電場

圖3為環(huán)形電極厚度為3 mm、內(nèi)徑為12 mm時空間電場分布情況。由圖可知，電場強(qiáng)度在噴嘴附近最大，并沿軸向z方向和徑向r方向急劇減小。因此液滴荷電主要發(fā)生在靠近噴嘴電極周圍的區(qū)域。

圖3 空間電場分布圖(h=3 mm,Dr1=12 mm)Fig.3 Electric field distribution (h=3 mm,Dr1=12 mm)

為更好地分析不同環(huán)形電極結(jié)構(gòu)下電場分布情況，在環(huán)形電極附近的主要荷電區(qū)域內(nèi)選取了截面進(jìn)行分析。觀察發(fā)現(xiàn)靠近噴嘴區(qū)域，環(huán)形電極厚度及內(nèi)徑對電場分布影響很小，而當(dāng)z變大，電場強(qiáng)度迅速減小，電場分布對液滴運(yùn)動影響較小。最終選取z=3 mm、z=3.5 mm和z=4 mm 3個截面進(jìn)行分析。圖4為環(huán)形電極厚度為3 mm,不同內(nèi)徑的徑向場強(qiáng)分布情況。由圖可知，徑向場強(qiáng)沿徑向先增大后減小?？拷行妮S線處，不同環(huán)形電極內(nèi)徑場強(qiáng)曲線幾乎重合。隨著r增大，環(huán)形電極內(nèi)徑對徑向場強(qiáng)影響變大。環(huán)形電極內(nèi)徑越小，徑向場強(qiáng)越大。由于噴嘴處施加的電勢比環(huán)形電極處施加的電勢大得多，因此環(huán)形電極對中心軸線附近的電場強(qiáng)度影響較小，主要影響靠近環(huán)形電極區(qū)域的電場分布。

圖4 不同環(huán)形電極內(nèi)徑徑向場強(qiáng)分布(h=3 mm)Fig.4 Radial electric field distribution at different ring electrode inner diameters (h=3 mm)

圖5為環(huán)形電極內(nèi)徑為12 mm，不同厚度的徑向場強(qiáng)分布。由圖可知，環(huán)形電極厚度越大，徑向場強(qiáng)越大。并且z越大，環(huán)形電極厚度對徑向電場強(qiáng)度的影響更大。環(huán)形電極厚度對徑向場強(qiáng)的影響同環(huán)形電極內(nèi)徑對徑向電場強(qiáng)度的影響相比發(fā)生在靠近環(huán)形電極更小的區(qū)域內(nèi)。

圖5 不同環(huán)形電極厚度徑向場強(qiáng)分布(Dr1=12 mm)Fig.5 Radial electric field distribution at different ring electrode thicknesses (Dr1=12 mm)

圖4和圖5表明當(dāng)z=3 mm，環(huán)形電極內(nèi)徑為12 mm時，徑向電場強(qiáng)度先增大，在r=1.5 mm附近達(dá)到最大，隨后減小，而在r=5 mm附近又增大。而其他截面及其他環(huán)形電極條件下徑向電場強(qiáng)度變化規(guī)律則是先增大然后減小。由靜電疊加原理可知，空間徑向場強(qiáng)由噴嘴產(chǎn)生的徑向場強(qiáng)及環(huán)形電極產(chǎn)生的徑向場強(qiáng)組成。在r較小的位置，徑向電場強(qiáng)度主要取決于噴嘴處產(chǎn)生的徑向電場強(qiáng)度。而當(dāng)逐漸靠近環(huán)形電極的位置，環(huán)形電極對徑向電場強(qiáng)度的分布影響增大。因?yàn)榄h(huán)形電極邊緣附近局部電場強(qiáng)度較大，因此環(huán)形電極內(nèi)徑為12 mm時，在z=3 mm截面(靠近環(huán)形電極下邊緣處)r=6 mm附近徑向電場強(qiáng)度不再隨r的增大而減小，而是隨r的增大而增大。而在z=3.5 mm及z=4 mm所在截面不處于環(huán)形電極邊緣附近，環(huán)形電極產(chǎn)生的徑向電場強(qiáng)度較小，在此截面處徑向電場強(qiáng)度雖不隨r的增大而增大，但徑向電場強(qiáng)度的下降趨勢減緩。由此可見環(huán)形電極結(jié)構(gòu)會改變空間徑向電場強(qiáng)度的分布。

圖6、7為不同環(huán)形電極內(nèi)徑及厚度在不同截面上的軸向場強(qiáng)分布。相同結(jié)構(gòu)的環(huán)形電極在同一位置上的軸向場強(qiáng)大于徑向場強(qiáng)。由圖可以看出，不同環(huán)形內(nèi)徑和厚度的軸向場強(qiáng)曲線基本重合，即改變環(huán)形電極內(nèi)徑或者厚度對軸向場強(qiáng)影響較小。

圖6 不同環(huán)形電極內(nèi)徑軸向場強(qiáng)分布(h=3 mm)Fig.6 Axial electric field distribution at different ring electrode inner diameters (h=3 mm)

圖7 不同環(huán)形電極厚度軸向場強(qiáng)分布(Dr1=12 mm)Fig.7 Axial electric field distribution at different ring electrode thicknesses (Dr1=12 mm)

3.2 噴霧形態(tài)

將噴嘴出口與霧化錐外緣相切的兩條直線間的夾角定義為噴霧錐角α[23]。噴霧錐角反映了噴霧離開噴嘴后在空間的分布情況，是評價噴霧質(zhì)量的一個重要參數(shù)，較大的噴霧錐角更加有利于氣液兩相作用[24]。圖8為噴霧錐角示意圖。采用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行圖像采集，可得不同環(huán)形電極厚度及內(nèi)徑時，在錐射流模式下的噴霧錐角，如圖9所示。

圖8 噴霧錐角示意圖Fig.8 Schematic of spray cone angle

圖9 不同環(huán)形電極結(jié)構(gòu)下的噴霧錐角Fig.9 Spray cone angle under different ring electrode structures

由圖9可知，噴嘴電極及環(huán)形電極上施加的電勢一定時，同一環(huán)形電極厚度下，環(huán)形電極內(nèi)徑減小，噴霧錐角增大。在毛細(xì)管口破碎后的帶電液滴主要受到了靜電力、重力以及粘性阻力的共同作用[25]。直徑為d的單個球形液滴受到的各力表達(dá)式為

Fq=qE

(5)

Fg=mg

(6)

(7)

(8)

式中Fq——靜電力，NFg——重力，N

FD——粘性阻力，N

g——重力加速度，m/s2

μ——動力粘性系數(shù)，Pa·s

vc——連續(xù)相速度，即空氣速度，m/s

vp——液滴速度，m/sRe——雷諾數(shù)

υ——運(yùn)動粘性系數(shù)，m2/s

ρc——空氣密度，kg/m3

當(dāng)液滴處于空間某點(diǎn)，其受力情況如圖10所示。當(dāng)帶電液滴進(jìn)入空間電場，因?yàn)閲娮旄浇妶鰪?qiáng)度達(dá)到106V/m，液滴受到的靜電力遠(yuǎn)大于其他力。所以在噴嘴附近的液滴運(yùn)動主要受靜電力控制。此時液滴的運(yùn)動方向與電場線方向幾乎一致。隨著液滴的運(yùn)動，電場強(qiáng)度逐漸減小而液滴速度逐漸增大，粘性阻力成為主導(dǎo)力，液滴速度減小，最終靜電力與粘性阻力等達(dá)到平衡。因此靜電力對液滴運(yùn)動影響較大的區(qū)域在噴嘴附近。環(huán)形電極內(nèi)徑越小，軸向電場強(qiáng)度沒有發(fā)生較大改變，而徑向場強(qiáng)越大，因此液滴獲得一個較大的徑向靜電力，使得液滴在空間的分布區(qū)域更大。同一環(huán)形電極內(nèi)徑時，環(huán)形電極厚度越大，噴霧錐角越大。環(huán)形電極厚度對噴霧錐角的影響也是通過增大環(huán)形電極厚度產(chǎn)生較大的徑向電場強(qiáng)度，使電場強(qiáng)度方向不同，而液滴的運(yùn)動方向與電場強(qiáng)度幾乎一致，因此液滴群在空間的分布更廣。在相同工況下，增大環(huán)形電極厚度或者減小環(huán)形電極內(nèi)徑可以增大噴霧錐角。

圖10 液滴受力示意圖Fig.10 Schematic of forces on droplet

3.3 液滴荷質(zhì)比

靜電霧化中用荷質(zhì)比表征噴霧荷電的效果，荷質(zhì)比越大，液滴荷電越充分。圖11為不同環(huán)形電極結(jié)構(gòu)下的液滴荷質(zhì)比。由圖11可以得到，環(huán)形電極厚度越大或者內(nèi)徑越大，液滴荷質(zhì)比越小。雙電極結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生的液滴荷電量是接觸荷電與感應(yīng)荷電共同作用決定的。實(shí)驗(yàn)中控制毛細(xì)管電壓不變，因此可以認(rèn)為接觸荷電產(chǎn)生的荷電量不變。帶電液體在靜電力作用下破碎，進(jìn)入由毛細(xì)管與環(huán)形電極共同產(chǎn)生的靜電場，液體通過感應(yīng)靜電產(chǎn)生感應(yīng)電荷。液體表面感應(yīng)荷電密度ρs可以由Gauss定律計算為

ρs=εE

(9)

其中

E=E1+E2

(10)

式中ρs——液體表面感應(yīng)電荷密度，C/m2

ε——空氣的介電常數(shù)，F(xiàn)/m

E1——毛細(xì)管電極所產(chǎn)生的電場強(qiáng)度，V/m

E2——環(huán)形電極所產(chǎn)生的電場強(qiáng)度，V/m

圖11 不同環(huán)形電極結(jié)構(gòu)下的液滴荷質(zhì)比Fig.11 Charge-mass-ratio of droplets under different ring electrode structures

根據(jù)靜電疊加原理，雙電極電場可視為單毛細(xì)管電場與單環(huán)形電場共同作用疊加形成。毛細(xì)管產(chǎn)生的電場不變，總電場強(qiáng)度與環(huán)形電極電場變化一致。感應(yīng)荷電產(chǎn)生的噴霧電流為[15]

(11)

式中I1——感應(yīng)荷電電流，A

u——毛細(xì)管口乙醇流速，m/s

r1——毛細(xì)管內(nèi)徑，m

將式(11)代入式(1)可得感應(yīng)荷電部分產(chǎn)生的荷質(zhì)比為

(12)

由式(12)可以看出，液滴荷質(zhì)比與電場強(qiáng)度、毛細(xì)管出口半徑及液體密度有關(guān)。改變環(huán)形電極的內(nèi)徑或者厚度，空間電場強(qiáng)度發(fā)生改變從而改變荷質(zhì)比。由3.1節(jié)空間電場可知，環(huán)形電極內(nèi)徑減小或者厚度增大，在主要的荷電區(qū)內(nèi)電場強(qiáng)度增大，因此液滴的荷質(zhì)比也隨之增大。雖然環(huán)形電極內(nèi)徑越小，厚度越大能獲得越好的荷電效果，但環(huán)形電極內(nèi)徑過小或者厚度過大，將導(dǎo)致液體噴射到電極表面引起放電，從而不利于液滴荷電。

4 結(jié)論

(1)環(huán)形電極內(nèi)徑和厚度的改變主要對徑向場強(qiáng)產(chǎn)生影響。環(huán)形電極內(nèi)徑減小或者厚度增大，靠近環(huán)形電極區(qū)域的徑向場強(qiáng)增大。

(2)環(huán)形電極內(nèi)徑減小或者厚度增大，使空間徑向電場強(qiáng)度增大，液滴獲得較大徑向靜電力，最終使噴霧錐角增大。

(3)液滴荷質(zhì)比隨環(huán)形電極厚度的增大或者環(huán)形電極內(nèi)徑的減小而增大。因此，采用小內(nèi)徑、大厚度環(huán)形電極，可以有效提高噴霧荷電效果。