针-板电极间静电雾化微射流的动力学特性_王贞涛.pdf
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1、2023 年 5 月May 2023第 44 卷第 3 期Vol 44No 3doi:10 3969/j issn 1671 7775 2023 03 014开放科学(资源服务)标识码(OSID):针 板电极间静电雾化微射流的动力学特性王贞涛,陈永钟,孔茜,杨诗琪,王其锶,岑旗钢(江苏大学 能源与动力工程学院,江苏 镇江 212013)摘要:为实现静电锥射流雾化所产生液滴的粒径、速度及其空间分布特性的可控性,研究了不同雾化基液、施加电压和供应流量下静电射流的动力学特性 通过高速摄影机记录和分析了不同雾化液体在针 板电极作用下的静电雾化瞬态过程 基于大量高速图像的离线分析,获得了不同物性参数下液
2、滴与弯液面之间液丝形态的差异、脉动锥与稳态锥射流等几种典型射流形态以及丙二醇与正辛醇雾化模式存在的参数范围等结果 研究结果表明:锥射流模式下,射流初始喷射速度接近理论值;丙二醇与正辛醇仅能产生曲张不稳定性破碎;射流破碎点位置随时间变化而改变,主要集中于量纲一的破碎长度(射流破碎长度与毛细管喷嘴外径之比)约等于 12 的位置;当施加电压或液体供应流量过大时,稳态锥射流模式难以保持,逐渐向分叉射流、非稳态多股射流及摆动射流等非稳态模式转变关键词:液滴;静电雾化;带电射流;动力学特性;射流形态中图分类号:TK01文献标志码:A文章编号:1671 7775(2023)03 0344 07引文格式:王贞
3、涛,陈永钟,孔茜,等 针 板电极间静电雾化微射流的动力学特性J 江苏大学学报(自然科学版),2023,44(3):344 350收稿日期:2021 05 24基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(BK20171301)作者简介:王贞涛(1978),男,山东齐河人,教授,博士生导师(wickol hotmail com),主要从事静电雾化理论及应用的研究陈永钟(1998),男,云南昭通人,硕士研究生(2222206005 stmail ujs edu cn),主要从事静电雾化理论及应用的研究Dynamic characteristics of electrostatic atomized mic
4、rojets betweenneedle and plate electrodesWANG Zhentao,CHEN Yongzhong,KONG Qian,YANG Shiqi,WANG Qisi,CEN Qigang(School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang,Jiangsu 212013,China)Abstract:To realize the controllability of droplet size,velocity and spatial distribution characteri
5、sticsgenerated by electrostatic atomization,the dynamic characteristics of electrostatic jet under differentliquids,electric voltage and flow rate were experimentally investigated The transient process of theelectrostatic atomization was visualized,captured and analyzed through high-speed camera By
6、analyzingmany high-speed images,the morphology difference of liquid filament between liquid drop and meniscusunder various liquid properties,typical jet forms of pulsating and stable cone jets,and referenceparameters range for propylene glycol and n-octanol in different modes were obtained The resul
7、ts indicatethat in the cone-jet mode,the initial jet velocity from the meniscus is close to theoretical value Thevaricose instability is found in the breakup of jet for propylene glycol and n-octanol The position of jetbreaking point is changed with time and is mainly focused around twelve times dim
8、ensionless length ratioof jet breaking length to outside diameter of capillary nozzle When the applied voltage or the liquidflowrate is too large,the stable cone jet mode is difficult to maintain and is gradually transformed into第 3 期王贞涛等:针 板电极间静电雾化微射流的动力学特性345bifurcation,unstable multi-jet,oscillat
9、ing jet and other unstable spraying modesKey words:droplet;electrostatic atomization;electrified jet;dynamic characteristic;jet morphology雾化是指将液体通过外力破碎成细小液滴,并分散到周围空气介质中的过程 根据外力类型的不同,将雾化分为压力雾化、旋转雾化、超声波雾化及静电雾化等类型1 3 其中静电雾化是指在静电场作用下,液体与环境气体间的界面上会产生积聚电荷,弯液面末端液体受电场力作用产生拉伸,在电剪切力作用下液体从弯液面顶点喷射而出,并在射流末端发生破碎,
10、从而形成微液滴的过程3 从荷电液滴瑞利极限的发现4,到静电雾化的初次试验研究5,再到漏电介质理论和可视化试验体系的建立,国内外研究者采用理论、试验和数值方法对静电雾化现象进行了大量的研究,并得到了一些重要的学术成果6 静电雾化中射流形态和雾化特性受到液体的表面张力、黏度、密度、电导率等物理属性以及施加电压、供应流量等操作参数的影响,同时也会受到喷嘴与电极形式的影响 文献 7 8提出了高黏性、高导电性液体和低黏性、低导电性液体的液滴粒径、雾化过程中电流 电压关系以及锥射流模式下射流直径等标度律,进一步为试验研究提供了理论支持 文献 6基于可视化试验手段获得静电雾化射流图像,根据毛细管喷嘴出口处液
11、体几何形态和射流破碎成液滴的行为类型,将静电雾化划分为滴状、纺锤、锥射流及多股射流等模式;根据喷嘴结构和器件设计的不同,分别采用单轴雾化、同轴雾化、多同轴雾化等静电雾化技术及微流控静电雾化装置 在诸多雾化模式中,由于锥射流模式能够产生高可控性、单分散性及高带电性的荷电液滴,并且液滴尺寸通常能够达到微米级甚至是纳米级,因此被广泛应用于功能材料制备、纳米胶囊制备、生物质谱分析、电喷雾冷却、微尺度燃烧及多孔结构催化剂制备等高新技术领域9 14 目前,关于静电雾化过程中荷电液滴或射流的动力学行为的研究主要涉及雾化模式演变过程中的力学分析、荷电液滴从弯液面脱离、演变及破碎特性,以及电邦德数对微射流不稳定
12、性(微射流的偏移和脉动范围)的影响14 18 伴随着可视化技术手段的应用,数值求解法被更多地应用于相关研究 研究者对静电作用下的单液滴、高压静电场中的微液滴、卫星液滴和毛细管喷嘴末端锥形弯液面的形成,以及锥射流的演变、射流末端破碎产生荷电液滴等过程进行了预测19 20 随着相关研究工作的进一步深入,在锥射流模式中由于毛细管喷嘴末端射流形态及破碎行为的不同,锥射流模式进一步划分为轴对称的扭结破碎模式和非轴对称的鞭动破碎模式 尽管静电雾化的研究已经取得了较为突出的进展,但相关研究主要集中于破碎荷电液滴的行为及其尺寸分布、液滴的荷电量及雾化过程电流等参数的分析,而关于毛细管喷嘴末端射流在针 板电极装
13、置中的喷射速度、射流长度、液滴形态以及非稳态射流的可视化等方面的研究报道较少为此,笔者采用高速摄像技术,研究不同施加电压和供应流量下静电雾化射流的非稳态破碎过程,并对脉动锥射流、稳态锥射流、多股射流及非稳态射流等射流形态进行分析和研究,探讨射流长度、射流破碎点位置等动力学特性1试验装置静电雾化微射流动力学特性试验装置见图 1图 1静电雾化试验装置试验装置包括注射泵、金属毛细管喷嘴、静电发生器、LED 光源、高速数码相机及计算机等 液体通过注射泵提供的动力经过金属毛细管喷嘴喷出,在针 板电极间的静电场作用下产生雾化 注射泵为浙江嘉善瑞创公司生产的 SP01-B 型电子注射泵,最大线速度和最小线速
14、度分别为 65 和 1 m/min,误差为 5.0%静电发生器直接与金属毛细管喷嘴相连,提供雾化所需电压 边长为 200 mm 的方形铜板为接地电极,电场在金属毛细管喷嘴和铜板之间产生 金属毛细管型号为 23G、27G、28G 和346第 44 卷30G,其对应的内径分别为 0.33、0.21、0.17 和 0.13mm,对应的外径分别为 0.63、0.40、0.35 和 0.31mm 本试验中,笔者选择了 2 种液体雾化介质,其物性参数见表 1表 1液体的物性参数液体密度/(kg/m3)表面张力/(N/m)相对介电常数电导率/(105S/m)黏度/(Pas)正辛醇82600 026 110
15、346 40106 4丙二醇1 03810 038 032 000 40056 0静电雾化可视化图像的捕捉和记录由搭载显微变焦镜头(NAVITA 12-X)的高速数字摄影机(Phantom V1611,最大捕捉帧数为 105帧/s)完成,系统照明由持续 LED 冷光源提供 试验中拍摄设置帧数为 104帧/s,时间间隔为 100 s,分辨率为768 768 像素 试验中所有图像均存储后再进行离线分析 为保证试验的安全性,所有设备采用接地方式,并用聚四氟乙烯材料进行绝缘 实验室温度为 26,湿度为 75%2试验结果与分析试验中通过高速数码相机对丙二醇和正辛醇 2种溶液在不同施加电压及供应流量下的雾
16、化特性进行了观测和统计,绘制了雾化模式发生范围,如图 2 所示,其中 Q 为供应流量,U 为施加电压 对相同条件下两者雾化形态进行对比,丙二醇锥射流模式下的施加电压范围更大图 22 种液体不同雾化模式发生范围2.1脉动锥射流在可视化试验中,随着施加在电极上的电压增加,即 U Uonset1时,液滴由滴状和纺锤模式进入脉动锥射流模式21 此时,Uonset1计算式21 如下:Uonset1=D0/(20)0 5ln(8L/D0),(1)式中:Uonset1为第一临界电压,即雾化由滴状或纺锤模式转变为脉动锥射流模式时的电压;为 Harkins关联系数;D0为毛细管喷嘴外径;为液体的表面张力系数;0
17、为真空介电常数;L 为针 板电极之间的间距雾化过程中射流脉动喷射造成由带电液滴形成的喷雾电流脉动 脉动锥射流发生于稳态锥射流模式之前,其特点是电压或流量未达到形成稳态锥射流的最小参考值 显然脉动锥射流的形成条件及其在空间电场中运动特性可用于研究液滴尺寸和射流运动状态的控制 本节展示了试验中通过高速摄影机获得的丙二醇和正辛醇的典型脉动锥射流模式下的射流形态,如图 3 所示图 3不同液体的典型脉动锥射流模式由图 3a 可知:丙二醇溶液呈现典型脉动射流,脉动射流以长液丝的形态与弯液面分离;液丝在静电场中运动一段距离后,由于扭结非稳态破碎形成诸多微液滴,并且伴随卫星液滴的产生;卫星液滴脱离毛细管喷嘴,
18、以一定速度沿径向运动 由图 3b可知:正辛醇溶液呈现脉动锥射流模式;在施加电压为 2 9 kV、供应流量为 25.0 mL/h 条件下,由于未能形成稳态的锥射流,弯液面被不断拉长;但在弯液面顶端仍有细微的射流产生,射流末端和丙二醇相似,以扭结非稳态破碎形成细小的液滴;随着弯液面液体体积持续增加,在弯液面底部逐渐形成液滴,并与新的弯液面之间形成液桥;当液滴在重力与电场力作用下克服了液体表面张力时,毛细管喷嘴末端的纺锤形液团脱离弯液面,向接地端运动,此时,主液滴尾部的液丝发生夹断,并收缩成次液滴,称为卫星液滴2.2稳态锥射流当施加电压增加到 Uonset2时,雾化呈现稳态锥射第 3 期王贞涛等:针
19、 板电极间静电雾化微射流的动力学特性347流模式 在稳定的锥射流模式下,由于操作参数和液体物性参数的差异,在泰勒锥顶释放出的微射流呈现出不同的射流形态 此时,Uonset2计算式21 如下:Uonset2=D0/(20)0 5ln(4L/D0),(2)式中:Uonset2为第二临界电压,通常也记作 Um,为稳态锥射流发生的最小参考电压扭结非稳态破碎和鞭动非稳态破碎模式下的射流状态如图 4 所示图 4扭结和鞭动非稳态破碎模式下的射流状态根据射流破碎的形态可以将射流破碎分为扭结非稳态破碎、鞭动非稳态破碎和枝状破碎 由于枝状破碎通常发生在流量较大时,因此笔者只探讨前 2 种典型的破碎模式 图 4a
20、和 b 为典型的扭结非稳态破碎模式下的射流 射流直径与液滴粒径之间的关系22 如下:d/djet=(3k/2)1/3,(3)式中:d 为液滴粒径;djet为射流直径;k 是受液体黏性影响的经验系数由于稳态锥射流模式下射流破碎模式的不同,获得了 2 种典型的稳态射流状态(见图 4a 和 d)在扭结非稳态破碎模式下,静电雾化产生的液滴尺寸较为均匀(见图 4a)图 4b 中,液滴分裂后,2 个液滴之间的液桥快速断裂,并收缩形成卫星液滴 卫星液滴在电场作用下可垂直于射流弹出,并在极短时间内蒸发 图 4c 为扭结非稳态破碎向鞭动非稳态破碎的过渡状态,可见在射流末端出现了较为明显的射流摆动,并且发现摆动幅
21、度与流量有关 在稳态锥射流发生的范围内,随着流量增加,摆动逐渐增强 当流量增加到足够大时,射流末端摆动十分强烈,形成典型的鞭动非稳态破碎模式,如图 4d 所示 图4d 展示的是射流末端产生螺旋转动或摇摆后发生的破碎状态,主液滴由于惯性较大,主要聚集在毛细管喷嘴轴向位置,而获得更大轴向加速度的次液滴将主要聚集在雾化区域边缘 在此种模式下,从图4c 和4d 可以发现,液滴粒径更加细小,但是也会产生一定的液滴尺寸不均匀在静电雾化试验中,射流破碎长度不仅受到供应流量的影响,同样也受到施加电压的影响 图 5 为2 种典型流量下,丙二醇溶液的射流破碎长度 Lb随施加电压变化的情况图 5丙二醇射流长度随电压
22、的变化射流破碎长度随着电压的增加呈较为平缓的增长趋势 这是因为在固定的流量下,随着电压的增加,射流表面的电场强度不断增加,从而使切向电应力增大,射流速度增加,射流长度可以保持一定程度的增加 当电压过大时,且扰动也逐渐增加,会增加射流破碎的几率 在流量为 20.0 mL/h,电压约为 3 5 kV 时,毛细管喷嘴末端出现银弹锥射流模式 该模式下射流起始端长度更长 当电压继续增加时,射流长度会略有减少,然后逐渐增加,呈现缓慢增加的趋势2.3非稳态锥射流非稳态锥射流模式主要包括分叉射流、非稳态多股射流、振荡锥射流和旋转锥射流 随着施加电压的增加,当电压超过形成稳态锥射流雾化模式的电压范围时,射流失稳
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