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毛细管静电雾化模式与电场特性研究

张永辉  
【摘要】:静电雾化可以获得不同尺度的单分散性细小液滴,并且可以通过调节静电场参数实现雾化模式、雾滴尺度以及运动轨迹的改变,因而得到广泛应用。静电雾化现象复杂,影响因素较多,难以采用一个理想的物理模型来描述静电雾化过程。因此进一步通过理论、实验与数值模拟方法研究毛细管的静电雾化现象和电场特性,对静电雾化的应用与推广具有重要的意义。本文围绕毛细管静电雾化现象进行分析和探讨,实验研究了毛细管静电雾化液滴脉动特性与分离频率、雾化模式,理论分析与数值计算了单、双和三毛细管电极的空间电场,并采用数值方法研究了单毛细管静电雾化流场。首先,建立了单、双和三毛细管静电雾化实验装置,采用高速数码相机记录了去离子水的静电雾化现象,研究了不同电压与流量下荷电液滴的脉动特性与分离频率,详细探讨了电压、流量、毛细管内径、毛细管数等对雾滴脉动特性和分离频率的影响。结果表明:电压与流量是影响液滴脉动特性与分离频率的两个重要参数;电压增大,分离频率先增大后减小;流量增大,分离频率取得最大值对应的电压增大;小流量时,电压对分离频率的影响占主导作用,较大流量时,电压对分离频率的影响作用不突出,流量对分离频率的影响占主导作用。其次,研究了去离子水与乙醇在单、双和三毛细管情况下产生的静电雾化模式,探讨了无量纲流量?、静电Bond数?和毛细管内径对雾化模式的影响。研究结果表明:不同的无量纲流量?与静电Bond数?对应的雾化模式不同;同一雾化模式下,静电Bond数?是影响弯月面、液锥、射流和液滴等特性的重要参数;雾化模式对应的流量与电压范围以及弯月面、液锥、射流和液滴群的空间位置与毛细管数量及空间布置有关。第三,根据静电场的叠加原理,运用椭圆积分方法,采用MATLAB软件求解了单、双和三毛细管电极所产生的电势与电场强度,探讨了空间电场的分布特征。结果表明:单毛细管电极的电势与电场强度,随着?(有向线段OP与z轴正向的夹角)的增大而减小,随着r(原点O与点P的距离)的增大而减小;毛细管数量增加,毛细管之间的区域的径向场强减弱,轴向场强增强,非相干区域的分量场强均增强;当?≠0,r为定值时,毛细管内外半径平均值a越小,产生的分量场强越小,当?=0,r小于某一临界值时,毛细管内外半径的平均值a越小,轴向场强越大;而r大于这一临界值时,毛细管内外半径的平均值a越小,z方向场强越小最后,建立了毛细管静电雾化流动模型,运用计算流体力学软件ANSYS-Fluent结合UDF模拟了空气流场、空间电场与雾场。计算结果表明:靠近毛细管的区域电场强度大,反之,则电场强度小;静电雾化过程中,液滴的空间位置与速度大小的分布主要与静电场和液滴之间的库仑斥力有关;空气在荷电液滴的相对运动中获得加速度,毛细管轴线附近,空气的轴向速度与径向速度较大。


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