噴嘴霧化的原理和研究發(fā)展過程

研究表明，噴嘴霧化過程主要受4種力的控制，即氣動阻力、黏性力、液體的表面張力和慣性力。這4種力之間的相互作用，使連續(xù)的液注發(fā)生分裂、破碎。一般認為噴嘴霧化過程分為射流霧化過程與液膜霧化過程。

Rayleigh于1876年對射流破碎機理進行了分析。他采用小擾動方法分析了低速射流破碎所需要的條件，認為只有當對稱的擾動波波長達到與射流直徑可比時才能使得射流破碎。Tyler通過測量射流破碎的頻率，研究了射流破碎與擾動波波長之間的關系，驗證了Rayleigh的理論分析。

Weber發(fā)展了更具一般意義的低速黏性射流破碎理論，提出射流破碎存在擾動波波長，并給出了其表達式。通過分析液體霧化過程中各種力的相互作用，他認為氣動力對液體的摩擦作用與液體自身的高速流動慣性是導致液滴破碎的重要原因。當氣動阻力的作用大于表面張力時，液體就會發(fā)生霧化現(xiàn)象，液體表面發(fā)生液滴剝離。據(jù)此他提出了一個無量綱常數(shù)——Weber數(shù)，并給出了霧化現(xiàn)象發(fā)生的臨界Weber數(shù)、臨界液體速度等重要指標參數(shù)。

Haenlein則通過試驗驗證了Weber的結論，并將液體射流霧化區(qū)分為4類過程：無空氣影響時的液滴形成、有空氣影響時的液滴形成、射流波動引起的液滴生成和射流的完全破碎即霧化。Ohnesorge 根據(jù)射流 受 力 的 重 要程度將數(shù)據(jù)進行整 理，引入無量綱數(shù)Ohnesorge數(shù)將射流破碎過程分為 3 個階段：

(1) 低雷諾數(shù)段，此時 Rayleigh 機理控制破碎過程：

(2) 中雷諾數(shù)段，射流破碎由射流擾動控制；

(3) 高雷諾數(shù)段，霧化過程在噴嘴出口很短的距離內(nèi)完成。

這個分類廣為引用。為了解決 Ohnesorge 分類圖中存在的不確定狀態(tài)問題，Reitz 通過分析柴油機噴霧的試驗數(shù)據(jù)，提出以下 4 種破碎狀態(tài)：Rayleigh 形破碎；一次風生破碎；二次風生破碎以及霧化。

Fraser和 Eisenklam 定義了 3 種液膜破碎方式：邊緣脫落、表面波動及液膜穿孔。他們認為液膜破碎時轉變?yōu)橐簬В罄^續(xù)破碎為液滴。邊緣脫落所形成的液滴仍然沿著破碎前的方向運動。液膜穿孔方式形成的液滴具有很好的均勻性，而表面波動方式形成的液滴尺寸變化很大。對于發(fā)生液膜霧化的噴嘴來說，3 種破碎方式可能同時發(fā)生。

1950年代，Dombrowski 和 Fraser 通過大量試驗深入研究了液膜的破碎過程。他們發(fā)現(xiàn)，液帶主要是由于液膜穿孔造成，如果孔由空氣摩擦引起，液帶會非?？斓仄扑椋憾兹粲蓢娮熘械耐牧饕?，則液帶破碎得很慢。

他們總結認為：高表面張力和高黏性的液膜難于破碎：液體的密度對液膜破碎幾乎不起作用。York 等人對平面液膜的破碎機理進行了理論與試驗研究，得到結論認為，連續(xù)相與離散相界面之間的不穩(wěn)定性和表面波的形成是影響液膜破碎為液滴的主要因素。

可見，上述機理分析離不開試驗的支持。因霧化過程復雜，迄今為止幾乎所有的理論研究結果都是經(jīng)驗和半經(jīng)驗的。

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