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噴嘴霧化技術(shù)的發(fā)展

閱讀：7163 發(fā)布時(shí)間：2013-4-23

    噴嘴的霧化技術(shù)具有很廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，主要針對(duì)液態(tài)燃料的霧化，分別從其霧化機(jī)理、霧化方法、液霧的測(cè)試技術(shù)以及燃油霧化的數(shù)值模擬技術(shù)等方面對(duì)霧化技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說(shuō)明。
    霧化技術(shù)幾乎已經(jīng)涵蓋所有的工業(yè)領(lǐng)域，如交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以及人民的日常生活，除了各種燃料（氣體、液體和固體燃料）的燃燒外，霧化技術(shù)在非燃燒工業(yè)如催化造粒、食品加工、粉末涂覆、農(nóng)藥噴灑方面等也有著廣泛的應(yīng)用。
    液體的霧化機(jī)理學(xué)說(shuō)
    所謂液體的霧化就是指在外加能量的作用下，液體在氣體環(huán)境中變成液霧或其它小霧滴的物理過(guò)程。對(duì)于其霧化機(jī)理，已經(jīng)有了多種解釋，如空氣動(dòng)力干擾說(shuō)，壓力震蕩說(shuō)，湍流擾動(dòng)說(shuō)，空氣擾動(dòng)說(shuō)，邊界條件突變說(shuō)等。
    1.空氣動(dòng)力干擾說(shuō)Castlemanzui早提出了空氣動(dòng)力干擾說(shuō)，他認(rèn)為，由于射流與周圍氣體間的氣動(dòng)干擾作用，使射流表面產(chǎn)生不穩(wěn)定波動(dòng)。隨速度增加，不穩(wěn)定波所作用的表面長(zhǎng)度越來(lái)越短，直至微米（m）量級(jí)，射流即散布成霧狀。
    2.壓力振蕩說(shuō)壓力振蕩說(shuō)是觀察到液體供給系統(tǒng)壓力振蕩對(duì)霧化過(guò)程有一定影響。由此根據(jù)一般噴射系統(tǒng)中普遍存在壓力振蕩，因此認(rèn)為它對(duì)霧化起重要作用。
    3.湍流擾動(dòng)說(shuō)湍流擾動(dòng)說(shuō)認(rèn)為射流霧化過(guò)程發(fā)生在噴嘴內(nèi)部，而流體本身的湍流度可能起著重要作用。也有人認(rèn)為作為湍流管流運(yùn)動(dòng)的噴嘴內(nèi)流體的徑向分速度會(huì)在噴嘴出口處立即引起擾動(dòng)，從而產(chǎn)生霧化。
    4.空氣擾動(dòng)說(shuō)空氣擾動(dòng)說(shuō)對(duì)湍流擾動(dòng)說(shuō)持相反態(tài)度，認(rèn)為噴油系統(tǒng)內(nèi)穴蝕現(xiàn)象所產(chǎn)生的大振幅壓力擾動(dòng)是產(chǎn)生霧化的原因。
    5.邊界條件突變說(shuō)邊界條件突變說(shuō)認(rèn)為噴嘴出口處，液體的邊界條件（內(nèi)應(yīng)力）發(fā)生突變；或者是層流射流突出失去噴嘴壁面約束，使截面內(nèi)速度分布驟然改變而產(chǎn)生霧化。
    上列五種噴嘴機(jī)理假說(shuō)均有不足之處，甚至本身相互矛盾。大多數(shù)學(xué)者，如BraccoFV等人對(duì)空氣動(dòng)力干擾說(shuō)持支持態(tài)度。該種假說(shuō)發(fā)展得比較充分，較好地解釋了低速射流分裂破碎原因，以此推理到高速射流，可以作為霧化的基本原因。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)燃油噴射霧化機(jī)理的研究主要從兩方面進(jìn)行：一是利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)建立多種假說(shuō)模型進(jìn)行數(shù)值模化研究；另一方面利用先進(jìn)的光電測(cè)試技術(shù)去捕獲霧化過(guò)程的細(xì)節(jié)，以便為某種或綜合的假說(shuō)提供支持。
    霧化過(guò)程及方法
    通過(guò)霧化，使液體燃料形成顆粒微小、尺寸均勻的液霧以增加液體燃料與助燃空氣之間的接觸面積，促進(jìn)蒸發(fā)，從而使燃料得到充分有效地燃燒。而且霧化越細(xì)燃燒就越充分。通常液霧的噴射霧化過(guò)程分為三個(gè)階段：一是液體在噴嘴內(nèi)部流動(dòng)階段；二是液體噴出后由液柱分裂為霧滴的階段；三是霧滴在氣體中進(jìn)一步破碎階段。其中第二階段是主要的，可以用空氣動(dòng)力干擾說(shuō)解釋。
    液體霧化方法也有多種多樣，具有代表性的主要有機(jī)械霧化、介質(zhì)霧化、特殊噴嘴霧化。
    1.機(jī)械霧化
    機(jī)械霧化主要是靠燃油在壓力差作用下產(chǎn)生的高速射流使燃油得到霧化，它又可細(xì)分為直射式、離心式和旋轉(zhuǎn)式霧化。
    直射式霧化和離心式霧化可統(tǒng)稱為壓力霧化。由于直射式主要依靠燃油的噴射達(dá)到霧化的目的，因此油壓的要求比較高，而且噴孔直徑越大霧化越粗，故噴孔直徑不能太大，流量調(diào)節(jié)范圍比較小。離心式霧化是利用高壓液體經(jīng)旋流裝置產(chǎn)生的離心力產(chǎn)生液膜，被空氣破碎而霧化。離心式霧化的效果優(yōu)于直射式霧化，但是它同樣需要較高的供油壓力，因此它們都不適合于霧化高粘性燃油。
    旋轉(zhuǎn)式霧化大體上分為旋轉(zhuǎn)體型和旋轉(zhuǎn)噴口型兩大類，而旋轉(zhuǎn)體形又分為轉(zhuǎn)杯式和旋盤式8。轉(zhuǎn)杯式霧化是將燃油噴入圓錐形轉(zhuǎn)杯的前端，借助高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯將燃油展成薄膜，由“離心力噴霧”和“速度噴霧”的綜合作用而霧化燃油。在國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于工業(yè)爐和鍋爐上。同理，旋盤式霧化是依靠高速旋轉(zhuǎn)的圓盤來(lái)霧化燃油，它目前主要應(yīng)用于噴霧干燥領(lǐng)域。小型燃?xì)廨啓C(jī)的折流燃燒器上采用的離心甩油盤是典型的旋轉(zhuǎn)噴口霧化，它的霧化質(zhì)量主要是高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力作用在貼壁燃油具有*當(dāng)量壓強(qiáng)，使甩出的燃油徑向速度特別高。
    2.介質(zhì)霧化
    介質(zhì)霧化根據(jù)介質(zhì)不同又可分為蒸汽霧化、空氣霧化，根據(jù)霧化方式的不同又分為氣動(dòng)霧化和氣泡霧化。
    氣動(dòng)霧化依靠一定壓力的氣體（壓縮空氣或蒸汽）形成高速氣流，使氣體與燃油之間形成很高的相對(duì)速度以達(dá)到霧化的目的。其優(yōu)點(diǎn)是可以在較低的供油壓力下獲得良好的霧化效果，在使用高粘度燃油時(shí)仍然可以獲得較高的霧化質(zhì)量，并且工作狀況可以在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
    氣泡霧化是20世紀(jì)80年代初由A.H.Lefebvre9提出的一種新型氣動(dòng)霧化方式，它是把壓縮空氣以某種適當(dāng)?shù)姆绞阶⑷氲揭后w中，并使兩者在噴嘴混合室內(nèi)形成穩(wěn)定的泡狀兩相流動(dòng)，在離開噴嘴出口極短的距離內(nèi)由于氣泡內(nèi)外壓差的劇烈變化，促使它急劇膨脹直至破裂，從而將包裹在其周圍的液膜進(jìn)一步破碎成為更加細(xì)微的液霧顆粒。由于氣泡霧化的耗氣量少、霧化質(zhì)量高、霧化效果基本不受出口直徑影響，因此比較適合霧化重、渣油等高粘度液體燃料。
    3.特殊噴嘴霧化
    特殊噴嘴一般采用超聲波、電磁場(chǎng)、靜電作用等原理進(jìn)行霧化。
    超聲波霧化也稱為超聲振蕩?kù)F化，其霧化機(jī)理比較復(fù)雜，有關(guān)人士認(rèn)為超聲波霧化的原理是：超聲波氣流進(jìn)入諧振腔產(chǎn)生高頻壓力波，該波傳到液體表面引起振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，由振動(dòng)振幅所造成的波峰把液滴從表面分離和破碎，隨著超聲波頻率的增加霧化液滴越來(lái)越細(xì)，一般在超聲波的振動(dòng)頻率作用下可獲得幾微米級(jí)的燃料霧滴。由于超聲波的霧化性能一般要優(yōu)于其它霧化方式，其霧化滴徑較小（在100m以下），霧滴的均勻性也比較好，尺寸分布均勻指數(shù)為2，因此易實(shí)現(xiàn)低氧燃燒，從而減少煙氣中的氮氧污染物的排放量。
    靜電霧化主要應(yīng)用于涂料霧化。在靜電噴涂中，由于高壓靜電場(chǎng)的作用，涂料液滴會(huì)被分裂成細(xì)小的微粒，從而使涂料得到霧化。靜電霧化在涂料霧化設(shè)備中總是與其他霧化方式聯(lián)合使用。
    在液體霧化試驗(yàn)中，對(duì)于流場(chǎng)中霧滴群的測(cè)試，不但要測(cè)量其尺寸分布，而且要測(cè)量其空間分布、速度等。因此宜采取不干涉流場(chǎng)及噴霧場(chǎng)的方法來(lái)直接測(cè)量運(yùn)動(dòng)中的霧滴群特征。在不干涉測(cè)量對(duì)象的方法中，使用zui廣泛的是光學(xué)法。隨著激光、微電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人們開發(fā)了許多新的光學(xué)測(cè)試技術(shù)，如激光全息測(cè)霧技術(shù)、激光散射測(cè)霧技術(shù)、激光相位多普勒測(cè)霧技術(shù)等非接觸式的測(cè)量方法等，都具有不干擾流場(chǎng)、時(shí)間和空間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了噴霧測(cè)量的三維性和實(shí)時(shí)性，為深入研究噴嘴提供了強(qiáng)有力的測(cè)試手段。

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