#噴霧式香水瓶噴霧原理與洗發(fā)精瓶子一匸=1出水原理簡(jiǎn)析與比較課程名稱：流體力學(xué)指導(dǎo)老師：swy姓名：cyd學(xué)號(hào)：噴霧式香水瓶噴霧原理與洗發(fā)精瓶子出水原理簡(jiǎn)析與比較【摘要】本文就香水瓶和洗發(fā)水瓶的出水原理進(jìn)行定性分析與比較，主要運(yùn)用了壓強(qiáng)理論、伯努利方程、連續(xù)性方程，從器械構(gòu)造及流體力學(xué)知識(shí)方面，較為詳細(xì)地闡述了球壓式噴嘴、按壓式噴嘴及普通手?jǐn)D式噴嘴的出水原理及特點(diǎn),并得出液體的粘稠度是決定出水方式的關(guān)鍵因素這一結(jié)論。希望通過本文的分析，能幫助工程技術(shù)人員加深對(duì)相關(guān)出水原理的理解，為相關(guān)工程方面問題的研究與解決做好鋪墊?！娟P(guān)鍵字】香水瓶洗發(fā)水瓶子噴霧出水原理球壓式按壓式手?jǐn)D式伯努利方程連續(xù)性方程流體力學(xué)霧化AnalysisandComparisonoftheSprayofPerfumeandtheOutflowofShampoo【Abstract】Thearticlediscussedabouttheanalysisofthesprayofperfumeandtheoutflowofshampoo,andmakeacomparisonbetweentwodifferentwaysaswell.Thediscussioninvolvesthetheoryofpressure,Bernoulliequation,andthecontinuityequation,makinganelaboratedescriptionofhowthefluidscomeoutandwhatistheircharacteristicsintheaspectsofmechanicalstructureandfluidmechanics,andadditionallygetsaconclusionthattheviscosityofthefluidplaysthekeyroleindecidingthewaysofoutflow.Thearticleaimsathelpingengineersandtechnisistsgetadeeperunderstandingofthereasonoftheoutflowandgetpreparedforrelevantresearchandinvention.刖言香水瓶、洗發(fā)水瓶是我們生活中常見的物品，但關(guān)于它們的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，我們卻很少涉及。在化妝品器械元件設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，沒有關(guān)于香水瓶、洗發(fā)水瓶瓶口的機(jī)械構(gòu)造及出水原理介紹及相對(duì)專業(yè)的理論分析。本文就香水瓶和洗發(fā)水瓶的出水原理進(jìn)行定性分析與比較，希望能填充這方面空缺，為工程技術(shù)人員提供一個(gè)理論參照。

噴霧式香水瓶噴霧原理香水是一種混合了香精油、固定劑與酒精的液體，用來讓物體（通常是人體部位）擁有持久且悅?cè)说臍馕?。①由于過量的香水對(duì)人體不益，同時(shí)為了達(dá)到噴灑范圍大，噴射均勻等良好的效果，我們通常要求香水以霧狀形式噴射。生活中常見的香水瓶有兩種形式：一種是球壓式噴嘴，如圖1；另一種是按壓式噴嘴，如圖2。兩種噴嘴的噴霧原理不盡相同，本文將分別對(duì)兩種噴嘴結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行闡述。圖1②圖1②圖2③球壓式噴嘴1）噴嘴結(jié)構(gòu)圖3所示的是一種改進(jìn)后的球壓式噴嘴的組裝示意圖。其中伸降頭（3）、鎖頭（4）等是為了防止香水在不用的時(shí)候滲漏而設(shè)置，與噴霧原理無關(guān)，故在此不予以討論。有圖可見，球壓式包括噴頭（1）、座體（3）、外蓋（5）、氣囊（6）、汲水管（7）等構(gòu)件所組成。使用時(shí)，擠壓氣囊，就會(huì)有香水噴出，松開后香水停止噴灑。2）物理模型將該香水噴頭主要部分提取出來，轉(zhuǎn)化為物理模型，如圖4所示。其中管（1）為進(jìn)氣桿，右端為小孔嘴；管（2）為汲水管，下部插入液體（香水）中，（3）為通氣管，用于平衡瓶子內(nèi)外壓強(qiáng)。百度百科中國(guó)專利-國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫，專利號(hào)200420107900.8，實(shí)用新型類，專利權(quán)屬劉振富中國(guó)專利-國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫，專利號(hào)02338732.7，外觀設(shè)計(jì)專利類，專利權(quán)屬香奈兒股份有限公司

由于下面的討論中出現(xiàn)了對(duì)氣流的分析，因此，首先要確定該氣流的可壓縮性。在工程問題中，通常將低速流動(dòng)的氣體看作不可壓縮流體，將高速流動(dòng)的氣體看作可壓縮流體。對(duì)于速度大小，在空氣動(dòng)力學(xué)中，通常用馬赫數(shù)（Machnumber）來度量。馬赫數(shù)是速度與當(dāng)?shù)芈曀俚谋戎怠Ｓ蓪?shí)踐表明，當(dāng)馬赫數(shù)Ma<0.3，即當(dāng)速度V<340x0.3=102m/s時(shí)，氣流被劃分為低速氣流。這時(shí)，我們可以認(rèn)為該氣流是不可壓縮流體，可以不用考慮其密度的變化以及熱力學(xué)關(guān)系，運(yùn)用不可壓縮流理論對(duì)其進(jìn)行分析。④雖然由氣囊噴出的氣流速度較大，但較0.3的馬赫數(shù)來說，該速度仍較小，屬低速氣流，因此，之后的討論可以從按不可壓縮流理論對(duì)香水噴嘴進(jìn)行分析。后文中所提到的所有“高速氣流”均指小于0.3馬赫數(shù)以下的相對(duì)高速氣流。這是使用連續(xù)性方程及伯努利方程的必要前提。下面將運(yùn)用伯努利能量方程與連續(xù)性方程對(duì)該模型進(jìn)行流體力學(xué)知識(shí)分析。a）出水原理——伯努利方程假設(shè)管（1）中以恒定的流量輸入空氣，管（1）中的氣體狀態(tài)穩(wěn)定，。由于管（1）右端為尖嘴口，管口直徑很小，根據(jù)連續(xù)性方程11AV二AVnVyy——1122Ad2可知，在管（1）出口處，管（2）的上端M位置，將會(huì)產(chǎn)生橫向的髙速氣流。由伯努利方程pav2z++=constY2g可知，在同一流線上，能量守恒。由于M位置的氣流速度v很大，可知該位置的動(dòng)能很大，而位置勢(shì)能較之前無變化，故而M處的壓能遠(yuǎn)小于N處壓能，即M處壓強(qiáng)遠(yuǎn)小于N處壓強(qiáng)。雖然N處的氣體也有一定壓強(qiáng)，但由于其速度不太大，可假定N處壓強(qiáng)約等于大氣壓強(qiáng)，與瓶子溶液上方U處壓強(qiáng)一樣大。那么，由之前的分析可以知道M處壓強(qiáng)遠(yuǎn)小于大氣壓強(qiáng)，同時(shí)也遠(yuǎn)小于U處壓強(qiáng)。因此，容器中的液體被壓入汲水管并上升至管（2）出口。b）霧化原理流體上升到（2）管出口處后，被髙速流動(dòng)的氣體吹散成霧狀，并隨氣體噴射出去。水滴霧《國(guó)防科工委“十五”規(guī)劃教材?力學(xué)空氣與氣體動(dòng)力學(xué)引論》第15頁，共576頁，李鳳蔚主編，宋文萍、楊永、李杰、桑為民編，2007年5月第一版，西北工業(yè)大學(xué)出版社化的過程如圖5—圖7所示。圖5圖6圖7高速流動(dòng)氣體將液體吹散可以該霧化模型來定性分析。假設(shè)A是一個(gè)水平方向靜止大水滴，由于表面張力作用呈現(xiàn)球形，如圖5。首先，假定水滴為剛體，不會(huì)變形。當(dāng)高速流動(dòng)的氣體吹到水滴表面時(shí)，e=0處氣流的水平速度變?yōu)閛,由伯努利方程可知，所有動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能,O而9>0時(shí)，氣流受到阻礙繞流，雖然水平速度變小，但大于0,即動(dòng)能部分變?yōu)閴耗埽?越大,O速度變化量越小，轉(zhuǎn)化來的壓能也越小。可見，在水滴的表面壓強(qiáng)分布不均，9=0處壓強(qiáng)最大，隨0增大，壓強(qiáng)減小。由于水滴并非剛體，當(dāng)表面作用有壓力時(shí)會(huì)發(fā)生形變。首先考慮水滴上某個(gè)表面微元dA,其表面作用有壓強(qiáng)p,此時(shí)液體會(huì)通過變形如圖8所示，使表面張力產(chǎn)生的合力與壓力平衡，因此有sdl*cosotpdA敎元左觀圖槪元亞視圖sdl-cosa=pdA。由公式可見，當(dāng)壓力增大時(shí)，由于s、dl、dA都是定值，水滴只能通過減小角度來達(dá)到表面的平衡。當(dāng)p很大時(shí)，該角度會(huì)變得很小?，F(xiàn)在我們考慮整個(gè)水滴的情況。如果水滴左表面壓力均布或相差不大時(shí)，由于水滴的形狀與受力對(duì)稱，故水滴左表面任何一處變形相同，則水滴仍保持球形，并在壓力的作用下，做向右運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)水滴左表面作用有分布不均的壓力時(shí)，由于壓力大的地方變形大,壓力小的地方變形小，則水滴會(huì)發(fā)生變形。由于來流是髙速氣流，所以當(dāng)水滴直徑較大時(shí)，髙速氣流在水滴表面產(chǎn)生的壓力相差較大,水滴變形劇烈，如圖6所示。由于對(duì)稱性，從M-M截面將水滴截開,只考慮上半水滴，如圖9所示。此時(shí)水滴受到空氣對(duì)其壓力P（向上為正），水滴內(nèi)部壓力Pw（（向上為正），以及水滴的表面張力S（向下w為正），當(dāng)水滴處于平衡狀態(tài)時(shí)滿足方程，S二P+P。w由于壓強(qiáng)梯度，空氣對(duì)水滴的合力豎直方向的分力向上，水滴內(nèi)部壓力向上，故有P>0；P>0。當(dāng)壓強(qiáng)梯度很大時(shí)，P很大，表面張力S不足以平衡空氣對(duì)水滴的作用力時(shí)，w水滴被撕裂，形成小水滴，如圖7。這樣的過程循環(huán)往復(fù)，直至水滴直徑很小，水滴表面的壓力梯度很小，形變減小，水滴的表面張力足以與空氣壓力梯度平衡，水滴不再撕碎，霧化過程終止。⑤上面的分析僅考慮了壓強(qiáng)的作用，未考慮氣流對(duì)水滴的切應(yīng)力作用。若進(jìn)一步定性考慮切應(yīng)力作用，我們知道，由于氣流沿水滴表面繞流，則在豎直方向上，切向力方向與壓強(qiáng)梯度形成的合力在同一個(gè)方向，故切應(yīng)力會(huì)加遽霧化效果。另外，上述內(nèi)容也未考慮空氣流體繞流后在水滴背面產(chǎn)生渦旋從而加速水滴破碎的可能性。按壓式噴嘴1）噴嘴結(jié)構(gòu)如圖10是某按壓式噴嘴的組裝圖。由噴嘴、按壓頭、壓縮桿（活塞）、底座工作室、底座構(gòu)成。剖面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖圖11所示，其底座工作室中包括壓縮桿下的活塞，活塞座，彈簧，止回閥（圓珠）等關(guān)鍵部件。其中活塞為開口活塞，通過與活塞座連接，達(dá)到當(dāng)壓縮桿向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作室對(duì)外敞開，向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作室封閉的效果?！稓鈩?dòng)化元件及系統(tǒng)設(shè)計(jì)》第260頁，共566頁，北方工業(yè)大學(xué)流體傳動(dòng)與控制教研室、濟(jì)南華能氣動(dòng)元器件公司合作編著，機(jī)械工業(yè)出版社，1996年8月第一版

圖10圖10圖112）物理模型繪制按壓式香水噴嘴的剖面簡(jiǎn)圖如圖12，其中各部件為封蓋及小孔噴嘴（1），壓縮桿（2）（3），活塞座（5），彈簧（8），止回閥（6）（圓珠），汲水管（10）等關(guān)鍵部件。下面將運(yùn)用流體力學(xué)知識(shí)，通過對(duì)機(jī)械構(gòu)造的分析來解釋這種噴嘴的出水原理。在此之前，首先要明確該問題中，液體是不可壓縮流體，氣體符合體積縮小，壓強(qiáng)增大原理。a）出水原理——機(jī)械構(gòu)造分析⑧排氣過程：假設(shè)起始狀態(tài)下，底座工作室中無液體。按下按壓頭，壓縮桿帶動(dòng)活塞，活塞推動(dòng)活塞座下移，彈簧被壓縮，工作室中體積壓縮，氣壓增大，止水閥封住汲水管上端口。由于活塞與活塞座并非完全封閉，氣體擠開活塞與活塞座的間隙，使其分離，氣體逃逸。吸水過程：排氣后，松開按壓頭，壓縮的彈簧被釋放，推動(dòng)活塞座上移，活塞座與活塞間的間隙閉合，并推動(dòng)活塞以及壓縮桿一起向上移動(dòng)。工作室中體積增大，氣壓減小，近似真空，使得止水閥打開容器內(nèi)液面上方的氣壓將液體壓入工作室，完成吸水過程。圖12受擠壓，液體將沖開活塞圖12受擠壓，液體將沖開活塞中國(guó)專利-國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫，專利號(hào)98246941.1，實(shí)用新型類，專利權(quán)屬陳樂玲中國(guó)專利-國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫，專利號(hào)201020000867.4，實(shí)用新型類，專利權(quán)屬寧波圣捷噴霧泵有限公司/allanhmy/blog/item/83cf1f395b07ebfbb211c785.html

與活塞座的間隙，流入壓縮管。并從噴嘴中出來。b）霧化原理——連續(xù)性方程當(dāng)流體從壓縮管流到噴口管道，并從小孔噴嘴中噴出時(shí)，由于液體是不可壓縮流體，因此應(yīng)用連續(xù)性方程定性分析）AV二AVnVy丄*丄定性分析）1122Ad2可見，由于噴嘴口很小，若按壓順暢（即在壓縮管中具有一定流速），則當(dāng)液體從小孔中流出時(shí)，液體流速很大，也就是說，此時(shí)的空氣相對(duì)液體有一很大的流速，相當(dāng)于高速氣流沖擊水滴的問題。因此之后的霧化原理分析與球壓式噴嘴完全相同，空氣將大水滴沖擊成小水滴，一步步細(xì)化水滴。同時(shí)，高速流動(dòng)的液體也會(huì)帶動(dòng)噴嘴口附近的氣體流動(dòng)，使得噴嘴口附近氣體的速度變大，壓強(qiáng)變小，形成局部的負(fù)壓區(qū)。從而，使周圍空氣摻入到液體中，形成氣液混合體，使液體產(chǎn)生霧化效果。洗發(fā)精瓶子出水原理分析完香水的出水原來后，我們來分析洗發(fā)精的出水原理。市場(chǎng)上的洗發(fā)精瓶子通常有兩種出水方法，一種是普通擠壓式出水，如圖13,另一種類似于上述第二種香水出水方式，按壓式出水。由于前者原理較簡(jiǎn)單，后者與香水類似，故對(duì)于洗發(fā)精瓶子出水原理只做簡(jiǎn)單分析。同，氣壓一樣。當(dāng)我們要使用洗發(fā)水時(shí)，我們將瓶子傾倒過來，由于洗發(fā)水的粘稠度很大，洗發(fā)水緩慢地流至瓶口，洗發(fā)液在瓶口處，而空氣在瓶底。當(dāng)洗發(fā)液的瓶子出水口較小時(shí)，洗發(fā)液表面張力能與欲下落的洗發(fā)液的重力平衡，而使洗發(fā)液難以僅靠重力作用下落。這時(shí)，我們需要擠壓瓶身，是容器體積變小。由于洗發(fā)水為不可壓縮流體，因此擠壓后，空氣所占的體積變小，壓強(qiáng)變大，大于大氣壓強(qiáng)，將粘稠的洗發(fā)水?dāng)D壓出瓶口。按壓式出水按壓式出水洗發(fā)精的按壓頭物理構(gòu)造與按壓式香水的類似，不同之處在于洗發(fā)精的按壓頭的整個(gè)構(gòu)造都較香水瓶的大很多，特別是出口，香水瓶的出口細(xì)如尖針，而洗發(fā)水的出口通常為34毫米左右的孔口。按壓式出水洗發(fā)精的出水原理也同香水一樣，都是通過機(jī)械方式改變按壓頭底座空心工作室的壓強(qiáng)，從而達(dá)到吸液與出液的效果。與香水不同的是，當(dāng)洗發(fā)水從孔口中出來時(shí)，并不是以水霧的形式，而是以粘稠液體的形式緩慢地流出。香水出水與洗發(fā)精出水比較香水出水與洗發(fā)精出水方式在原理方面有很多相通之處，但又有很多不同之處。下面將對(duì)兩種出水方式進(jìn)行比較。首先，對(duì)香水、洗發(fā)精本身的液體特性及期望的出水效果、出水方式進(jìn)行比較。液體種類粘度（分子內(nèi)聚力）可壓縮性出水效果要求出水狀態(tài)出水方式香水小不可壓縮均勻、細(xì)、范圍大霧狀球壓式噴嘴按壓式噴嘴洗發(fā)精大不可壓縮集中、大量液體狀擠壓瓶式可見，根據(jù)人們的不同需要，香水與洗發(fā)精有不同的出水狀態(tài)：香水要求為霧化狀態(tài)，而洗發(fā)精是普通液體狀的。但我們更要關(guān)注到，洗發(fā)精與香水這兩種流體本身性質(zhì)的不同。香水的粘稠度很小，而洗發(fā)精的粘性很大。也就是說洗發(fā)精的分子內(nèi)聚力較香水的大得多。而液體本身的特性決定了他們能否以期望的狀態(tài)出水。下面從著重從液體粘度方面對(duì)液體的出水狀態(tài)及出水方式進(jìn)行闡述。出水狀態(tài)液體粘度決定了香水有條件以霧化方式出水，而洗發(fā)水則沒有霧化出水的良好條件。我們從兩個(gè)角度來分析原因。1）液體流速由于洗發(fā)精的粘度大，在相同外力作用下，洗發(fā)精的速度改變慢，速度小。雖然有連續(xù)性方程可以看到速度與管道直徑的平方成反比。但由于洗發(fā)精的粘度大，流速小，在管道狹小的地方容易造成堵塞，洗發(fā)精難以從小孔出來，從而導(dǎo)致擠壓困難，而非產(chǎn)生高速流體，從而產(chǎn)生霧化效果。而洗發(fā)水的粘度小，則阻滯力小，為產(chǎn)生高速流體創(chuàng)造了良好條件。2)霧化原理我們知道霧化效果跟液體的表面張力有關(guān)。由于洗發(fā)精的液體粘度很大，即洗發(fā)精的內(nèi)聚力很大，表面張力很大。這意味著即使流速很大，洗發(fā)精很難發(fā)生霧化。而相反，由于香水的粘度小，表面張力小，這為霧化創(chuàng)造了良好條件。出水方式為什么香