彭超華，劉忠飛，倪培永，喜冠南，施衛(wèi)東

(南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019)

旋轉(zhuǎn)圓盤霧化器是一種利用離心力和液體黏性力，將盤上的稀薄液膜高速甩出，進而實現(xiàn)液體霧化的裝置.該種類型的霧化裝置不僅具有流量上限高、霧化質(zhì)量容易控制等優(yōu)點，還可以用于高黏度或非均質(zhì)液體的霧化[1]，因此圓盤霧化裝置廣泛應(yīng)用于食品加工、汽車噴漆、工業(yè)冶金以及農(nóng)業(yè)農(nóng)藥噴灑等行業(yè)[2-5]，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊.

關(guān)于圓盤霧化的機理，前人已做了大量的研究.MATSUMOTO等[6]通過試驗研究總結(jié)了旋轉(zhuǎn)圓盤邊緣液體脫離圓盤的3種形態(tài)特征，這些特征主要取決于圓盤的轉(zhuǎn)速，當圓盤轉(zhuǎn)速較低時，液體以零星液滴的方式直接脫離圓盤；當圓盤的轉(zhuǎn)速進一步提升后，圓盤邊緣的液體又會逐漸演變?yōu)橐褐约耙耗さ刃问矫撾x圓盤.隨著研究的深入，上述3種液體脫離形式可以概括為液體在霧化器上的崩解所導致.WESTERLUND等[7]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，圓盤上的液體崩解主要是由流體力學的不穩(wěn)定性而產(chǎn)生，由開爾文-亥姆霍茲和瑞利-泰勒不穩(wěn)定性使得圓盤上的液膜上產(chǎn)生了不穩(wěn)定波，在圓盤離心力的作用下，圓盤上較稠密的部分推向較輕的部分，進而發(fā)生了崩解.

霧化液滴的直徑是評價旋轉(zhuǎn)圓盤霧化器性能最直接的指標，已有不少學者對此做了相應(yīng)的研究.SENUMA等[8]通過高速攝影技術(shù)，研究了旋轉(zhuǎn)霧化器邊緣液柱的霧化過程，研究發(fā)現(xiàn)由液柱破碎形成的液滴直徑呈現(xiàn)雙眾數(shù)粒度分布，且液體的表面張力對液滴的尺寸有較大的影響.AHMED等[9]通過對多種旋轉(zhuǎn)霧化裝置進行對比研究后發(fā)現(xiàn)，在同等條件下，當裝置的工況處于液柱模式下，其霧化形成的液滴更加均勻且尺寸更小.WILSON等[10]通過高速陰影成像技術(shù)對旋轉(zhuǎn)鐘霧化器進行了研究，相應(yīng)的試驗結(jié)果表明，隨著霧化器轉(zhuǎn)速的提高，霧化器邊緣的液柱和分離的液滴尺寸均有明顯的減小.

上述研究的共同點是多集中于小型金屬材質(zhì)的圓盤霧化試驗，圓盤表面為非特殊性的一般材質(zhì)，并且通過分離式供液系統(tǒng)對霧化裝置進行供水，這樣的試驗設(shè)置不但忽略了液體本身動能對霧化效果的影響，而且減弱了液體在圓盤上進一步加速的能力.文中將在前人研究基礎(chǔ)之上，通過改進霧化裝置的供液系統(tǒng)，設(shè)計一種較大圓盤的霧化裝置，并對其進行試驗研究，考察該裝置的霧化效果，希望可以為進一步揭示圓盤霧化裝置的機理提供依據(jù).

1 方案選擇與裝置設(shè)計

1.1 方案選擇與系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)圓盤霧化裝置的功能需求和技術(shù)指標，可確定立式和臥式2種方案，如圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)盤霧化裝置設(shè)計方案示意圖

對于立式方案，該轉(zhuǎn)置主要依靠反應(yīng)臺架接觸地面進行支撐，其余配件有供水管路、封裝外殼、旋轉(zhuǎn)主軸、轉(zhuǎn)盤、鎖緊螺母、軸承座、皮帶輪以及電動機.電動機通過皮帶以及皮帶輪與主軸軟性連接，這樣的設(shè)計具有運行平穩(wěn)、液滴分布均勻等優(yōu)點.

對于臥式方案，該轉(zhuǎn)置主要依靠反應(yīng)箱體接觸地面進行支撐，其余配件有供水管路、反應(yīng)外殼、旋轉(zhuǎn)主軸、轉(zhuǎn)盤、鎖緊螺母、聯(lián)軸器以及電動機.電動機通過聯(lián)軸器與主軸剛性連接，這樣的設(shè)計具有傳動效率高、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單等優(yōu)點.

考慮到機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工以及裝配等因素的限制，本研究最終選用立式方案.

考慮安全性、成本等多方面因素，文中采用外接220 V電源對交流電動機進行供電，電動機額定輸出功率為750 W，最高轉(zhuǎn)速2 800 r/min，額定電流1.79 A，額定扭矩2.3 N·m.根據(jù)文獻[10]所述，液滴從圓盤上脫落后的直徑取決于圓盤的轉(zhuǎn)速和圓盤的直徑大小，因此欲使分離的液滴達到微米級別，則液滴在圓盤分離的邊緣線速度須達到50 m/s以上.

R=v/ω,

(1)

ω=2πn,

(2)

式中：R為圓盤半徑；v為圓盤的邊緣線速度,m/s;ω為圓盤的角速度,rad/s;n為圓盤的轉(zhuǎn)速,r/s.聯(lián)立兩式，可得圓盤的半徑約為0.18 m，同時考慮到設(shè)計冗余，取主動輪和從動輪的傳動比為1.0∶1.2,圓盤的半徑為0.2 m.設(shè)計的圓盤霧化裝置的詳細設(shè)計參數(shù)：質(zhì)量為90 kg，裝置尺寸為0.72 m×0.72 m×0.75 m，轉(zhuǎn)速為0～2 800 r/min，圓盤直徑為0.4 m，傳動方式為帶傳動.

1.2 虛擬總裝配

通過查閱機械設(shè)計手冊[11]，基于邊設(shè)計邊校核的原則，完成相應(yīng)的主軸設(shè)計、傳動系統(tǒng)設(shè)計以及軸承和相關(guān)標準件的選型等工作.在三維設(shè)計軟件中，按照自上而下、先內(nèi)后外、先難后易的原則進行整體裝配，并對裝置的裝配效果以及合理性進行檢查，避免零部件之間的互相干涉[12].裝置的整體裝配和爆炸視圖如圖2所示.

圖2 轉(zhuǎn)盤霧化裝置三維模型示意圖

2 試驗設(shè)計與圖像處理

2.1 霧化測量試驗系統(tǒng)設(shè)計

圖3為轉(zhuǎn)盤霧化裝置霧化示意圖.

圖3 轉(zhuǎn)盤霧化裝置霧化示意圖

本裝置通過旋轉(zhuǎn)的圓盤利用離心力對盤上的液膜進行霧化，這一過程中包括：蓄水桶通過泵經(jīng)管路向主軸內(nèi)供水，然后軸內(nèi)的水經(jīng)軸身開孔溢到圓盤上，主軸通過與電動機的聯(lián)動，將圓盤轉(zhuǎn)動，進而利用離心力將圓盤上的液膜甩出，形成霧化的水滴.軸孔在圓盤上方3 mm處，軸孔半徑為3 mm，在軸身對稱開孔.其中圓盤霧化這一過程如圖3所示.

為了對設(shè)計的旋轉(zhuǎn)霧化裝置的霧化效果進行研究，設(shè)計了如圖4所示的霧化效果測試試驗系統(tǒng).裝置包括200 W的鹵素燈、蓄水桶、泵、供水管路、試驗臺架、高速相機、相機支撐架.試驗中的高速相機型號為FASTCAM Mini UX50緊湊型高感光CCD相機，最高支持1 280×1 024像素，分辨率為10 μm模式下連續(xù)每秒拍攝2 000幀.每次試驗開始后高速相機拍攝的圖片在相機內(nèi)部存儲，試驗結(jié)束后通過有線傳輸至控制電腦.圖5 為根據(jù)示意圖搭建的實際霧化測量系統(tǒng).

2.2 圖像后處理算法設(shè)計

圓盤在旋轉(zhuǎn)霧化的過程中，從圓盤邊緣分離出來的液體包括了韌帶和液滴，而韌帶則在后續(xù)空間運動過程中能進一步分離成多個較小的液滴[13].為了研究霧化裝置的實際效果，需要對霧化的液滴粒徑進行統(tǒng)計.采用MATLAB軟件處理試驗圖像，圖像的處理過程如圖6所示.圖7為圖像處理效果，高速相機拍攝的霧化原始圖像如圖7a，首先通過圖像運算刪除原始背景，然后通過中值濾波消除噪點，并增強對比度，如圖7b，緊接著通過設(shè)定合適的閾值將圖像二值化，如圖7c，考慮到韌帶在分離過程中會存在和液滴黏結(jié)的狀況，可認為該狀態(tài)的韌帶和液滴并未完全分離，因此在實際圖像處理中，可采用八鄰域連接原則縫補閉合圖形，如圖7d，最后在處理完的圖像上提取圖像輪廓的周長P和面積A，計算液滴的粒徑：

圖6 圖像處理流程圖

圖7 圖像處理

d=4×A/P.

(3)

3 有限元校核與霧化試驗測試

3.1 有限元校核

將圓盤霧化裝置的三維模型導入ANSYS workbench軟件中進行力學校核.考慮到裝置的復雜性，為了簡化計算，減少計算量，可對三維模型進行適當?shù)暮喕?

六面體網(wǎng)格具有可控性好、有效節(jié)點多的特點[14]，但是考慮到模型中部分結(jié)構(gòu)不規(guī)則，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格難以保證網(wǎng)格正交性，因此在模型的網(wǎng)格劃分中，采取六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格相結(jié)合的方法進行處理.模型中零部件的接觸面默認綁定接觸，劃分網(wǎng)格后的模型如圖8所示.

圖8 網(wǎng)格劃分

經(jīng)ANSYS有限元軟件運算，得出圓盤霧化裝置的整體應(yīng)變(total deformation, TD)云圖和整體應(yīng)力(equivalent stress, ES)云圖，如圖9,10所示.

圖9 整體應(yīng)變云圖

一般取45#鋼屈服強度極限的0.5～0.8為其最大許用應(yīng)力.圖9,10的分析結(jié)果表明，裝置在施加載荷后其應(yīng)力主要集中在皮帶輪的連接處，最大應(yīng)力約為13.6 MPa，遠小于材料的許用應(yīng)力.通過查閱裝置的應(yīng)變計算結(jié)果可知，裝置在施加載荷后，圓盤為最大變形的零部件，最大變形量約為0.13 mm，同時發(fā)現(xiàn)在臺架焊接了電動機基座側(cè)的支撐部位變形較小，可見通過設(shè)計類似加強筋的結(jié)構(gòu)可以顯著減小裝置的整體變形能力.通過以上的有限元靜力學校核可知裝置在尺寸的設(shè)置以及材料的選擇上均是合理的.

圖10 整體應(yīng)力云圖

3.2 霧化試驗測試

為驗證裝置的霧化效果，采用圖4，5所示的試驗系統(tǒng)進行了霧化測量試驗.根據(jù)文獻[10]的研究結(jié)論可知，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速是產(chǎn)生不同液滴直徑的主要參數(shù)，文獻中通過雙向方差分析，發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速對液滴霧化直徑大小的貢獻率在96%以上.基于此，同時也為了更加清晰細致地考察轉(zhuǎn)盤霧化裝置的機理和性能，試驗中取裝置的轉(zhuǎn)速分別為200，400，600，800 r/min，轉(zhuǎn)速間隔為200 r/min，同時取泵的流量為640 L/h.圖11為不同轉(zhuǎn)速下裝置的霧化效果.

圖11 不同轉(zhuǎn)速下圓盤霧化效果

從圖11可看出，當圓盤的轉(zhuǎn)速為200 r/min時液體在圓盤的邊緣以液柱的形式脫離，根據(jù)液柱后續(xù)進一步分離的狀況，從液柱上分離出來的水滴較為圓潤且直徑較大，同時觀察到，在圓盤的表面未形成液膜，這主要是因為當前圓盤轉(zhuǎn)速較低，而此時盤上液體的黏性力較大，使得其仍黏附在表面而未完全崩解.當圓盤的轉(zhuǎn)速提升到400 r/min時，液體從圓盤邊緣脫離的方式發(fā)生了較大的變化，主要體現(xiàn)為液柱效應(yīng)的減弱.如圖11b可以明顯看出由于轉(zhuǎn)速的提升，圓盤整體的離心力變大，使得盤上形成了膜，而液體從邊緣脫離時已無法凝結(jié)成1個完整的液柱，而是從膜上離散為多個較小的液柱，此時從小液柱上脫落的液滴直徑明顯減小，且呈現(xiàn)出大小分布不均勻的特征.隨著轉(zhuǎn)速進一步的提升，圓盤的離心力顯著變大，這使得液體的黏性力不再起主導作用，由圖11c，d中可以看出，圓盤表面的膜厚度明顯減小，且同時圓盤邊緣的液柱已無法觀察到，而圓盤霧化的液滴明顯更為均勻.

圖12 各轉(zhuǎn)速下圓盤霧化平均粒徑

隨著圓盤轉(zhuǎn)速的提升，其霧化液滴的粒徑明顯減小.由各轉(zhuǎn)速下粒徑的分布圖可以看出，轉(zhuǎn)速為200 r/min時，液滴的粒徑多集中于1 000～2 500μm，而在轉(zhuǎn)速達到400 r/min后，液滴的粒徑分布多集中在1 000μm以下，且隨著轉(zhuǎn)速的提升，小粒徑部分的占比也隨之提升，粒徑分布的峰值明顯左移，這表明了轉(zhuǎn)速的提升使得液滴霧化得更為均勻，這也與上文中的可視化試驗結(jié)果相符合.同時值得注意的是，本裝置的霧化液滴粒徑統(tǒng)計結(jié)果也顯示出了明顯的雙眾數(shù)分布特征.另外，從霧化的平均粒徑統(tǒng)計圖來看，液滴的粒徑從低轉(zhuǎn)速下的1 240μm減小到中高轉(zhuǎn)速下的688μm，分析結(jié)果表明，裝置的整體霧化效果隨著轉(zhuǎn)速的增加而有了顯著的提升.

圖13 各轉(zhuǎn)速下圓盤霧化粒徑分布

4 結(jié) 論

文中基于高速陰影成像和MATLAB圖像處理技術(shù)對設(shè)計的圓盤霧化裝置進行了研究，并得到如下結(jié)論：

1) 基于ANSYS workbench 軟件對所設(shè)計的圓盤霧化裝置進行了校核.計算結(jié)果表明，裝置的最大變形量為0.13 mm，最大應(yīng)力為13.6 MPa，所選設(shè)計方案與材料均能通過檢驗.

2) 通過對裝置進行實際霧化試驗，檢驗了裝置的霧化能力.試驗結(jié)果表明，隨著圓盤轉(zhuǎn)速的提升，液體脫離圓盤邊緣的液柱效應(yīng)會逐漸減弱，同時，液體在圓盤上的黏性力作用也逐漸減弱，進而使得圓盤上成膜.

3) 通過圖像識別算法對霧化的粒徑進行了量化統(tǒng)計.統(tǒng)計結(jié)果表明，隨著圓盤轉(zhuǎn)速的提升，液滴霧化的粒徑從1 240 μm減小到688 μm，同時液滴在較小粒徑部分的分布更加集中，這說明了裝置的霧化效果隨著轉(zhuǎn)速的增加而顯著提升.

4) 對比于前人對于小型圓盤霧化試驗的研究結(jié)果，采用較大直徑的圓盤進行高速霧化試驗更容易獲得直徑較小的液滴，但在霧化均勻性上略顯不足.此外，關(guān)于流量改變對霧化器性能的影響值得進一步研究.