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静电雾化过程的理论分析与数值模拟

刘彦娜  
【摘要】: 静电雾化技术,作为电流体力学的一个重要分支,在近年来受到了广泛的重视。静电雾化是电流体作用力克服液体表面张力,导致液体破碎成细小雾滴的过程。相对于其他雾化技术,静电雾化技术具有很多优越的特性。由于雾化后液滴带有大量的同种电荷,库仑斥力阻止了液滴的团聚,使其更容易穿透其周围的气体介质;同时带电液滴的轨迹在理论上是由电场决定的,因而可以通过施加不同的电场,来控制液滴的轨迹。而静电雾化最具吸引力的特点是参数调节方便,可以产生各种不同尺度的、单分散液滴。 随着社会的发展,液体高压静电雾化技术越来越受到重视,它在节省原料、提高液体利用率、减少污染等方面的作用日益突出,被广泛用在工业、农业和航天等领域。不同的雾化条件产生不同的雾化模式,得到稳定的均匀液滴是该技术的关键和难点,然而,由于影响液滴流均匀性的因素众多,只有当各喷射参数匹配合适时,才能得到均匀液滴。本文针对以上问题,建立了均匀液滴喷射过程的流场的计算模型,通过参数的合理匹配,模拟得出了圆锥-射流模式下的均匀液滴流,为静电雾化技术的实际应用奠定了理论基础。 本文在深入了解液体静电雾化研究历史和研究现状的基础上,总结了静电雾化电流体力学理论,得到了雾化流量、电压、电流、粒径等参数的计算公式,以试验数据为依据,建立了稳定的圆锥-射流过程的流场和速度场的计算模型,通过理论分析和数值模拟,对静电雾化雾场的产生过程进行了分析。运用计算流体力学FLUENT软件,得到了空间电场、空气流场和雾场的特性,分析了静电雾化雾场中的各种作用相互耦合的机理,以及雾滴的溶剂挥发。改变静电雾化的条件和前驱液,可以得到不同的雾化结果,并得出雾化模式的区域分布图。最后对静电雾化系统给出了优化设计方案。 采用分区域划分网格技术,对雾化模型进行网格划分。利用DPM模型来模拟空气场中的雾滴,通过自行编制的电场力程序,用UDS加入电的方程,然后利用UDF加入电场对动量方程的影响。 本文的模拟结果为静电雾化过程工艺参数的合理选取奠定了理论基础。


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