簡易均勻單分散液滴流發(fā)生器的設(shè)計

噴霧燃燒通常是一種擴散燃燒。影響因素包括液體燃料的破裂、蒸發(fā)和與空氣混合。其中，液體滴注蒸發(fā)是一個重要因素。然而,由于多液滴蒸發(fā)研究的復(fù)雜性,目前國內(nèi)外對于液滴蒸發(fā)的研究主要集中在單液滴的蒸發(fā)過程。對于多液滴的蒸發(fā)為數(shù)不多的研究主要集中在單分散液滴的蒸發(fā)方面,其研究關(guān)鍵就在于單分散液滴流的產(chǎn)生。單分散液滴流發(fā)生系統(tǒng)在流體力學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)研究以及噴墨打印、燃燒噴嘴等相關(guān)工程技術(shù)中都有應(yīng)用。單分散液滴的產(chǎn)生首先是射流液柱的產(chǎn)生,液滴在產(chǎn)生過程中主要受到表面張力、慣性力和重力的作用,由于液滴的體積很小,認(rèn)為其受到的表面張力遠(yuǎn)大于其重力,在受力分析時可忽略重力。分析單分散液滴流的產(chǎn)生過程,結(jié)合液滴的受力情況,發(fā)現(xiàn)液滴的產(chǎn)生可以近似認(rèn)為是一個具有初速度V0的射流液柱在下落過程中慣性力克服表面張力形成的。這個過程可以用流體力學(xué)中的無量綱韋伯?dāng)?shù)(Webernumber)來表征。韋伯?dāng)?shù)的定義如下:式中,ρ為流體密度,kg/m3;ν為特征流速,m/s;l為特征長度,m;σ為流體表面張力系數(shù),N/m。韋伯?dāng)?shù)代表慣性力與表面張力效應(yīng)之比。根據(jù)上述理論,本文中設(shè)計了一種利用高度差產(chǎn)生壓差形成射流液柱的簡易單分散液滴發(fā)生裝置,并利用該裝置對液滴的產(chǎn)生機理進行了相關(guān)研究。1單分散液滴的使用實驗所設(shè)計的單分散液滴發(fā)生裝置包括2部分,液滴發(fā)生裝置主體和觀測設(shè)備,實驗系統(tǒng)見圖1。對于單分散液滴而言,其生成的基本原理是瑞利破碎理論。當(dāng)有以靜態(tài)壓力加于噴嘴內(nèi)的液體時,只要壓力大于噴嘴出口小孔處液體的表面張力,給液瓶中的液體將從噴嘴出口噴出而形成射流液柱。根據(jù)瑞利原理,射流液柱受到表面張力的作用,很容易發(fā)生崩解而變成液滴。該裝置利用液柱慣性力及重力克服液體的表面張力,使得射流崩解,形成均勻的單分散液滴流。單分散液滴的直徑通過改變噴嘴的規(guī)格來控制。同時,在該裝置中,可以通過改變給液瓶的懸掛高度,即改變圖1所示的相對高度H(相對壓力),從而改變射流液柱的射流速度,進而改變單分散液滴的初速度,從而可以改變單分散液滴的間距。給液瓶懸掛于支架上,通過導(dǎo)管將液體傳遞給下部的噴嘴,噴嘴可拆卸更換,在液體導(dǎo)管上有2個節(jié)流閥,用來控制液體流量,上部節(jié)流閥用于細(xì)調(diào),近噴嘴段節(jié)流閥用于粗調(diào),噴嘴出口處生成的單分散液滴在透明玻璃管中下落。實驗共選取9種不同規(guī)格的噴嘴來研究單分散液滴的生成。噴嘴直徑參數(shù)如表1所示。實驗過程中單分散液滴的觀測采用高速相機+恒定光源的手段。本實驗中,高速相機為德國Basler公司A504KC型數(shù)字面陣攝像機。配套的圖像采集卡由EPIX公司生產(chǎn),圖像處理軟件亦采用該公司提供的XCAP軟件。該軟件的操作界面如圖2所示。通過該軟件可設(shè)置相機的幀數(shù)、分辨率、曝光時間。本次實驗中,設(shè)置高速相機的幀數(shù)為500fps,分辨率為1280×1024,曝光時間為0.5ms。2xcap圖像處理軟件實際應(yīng)用實驗中采用的液體為乙醇,實驗均在常溫下進行。圖3是通過高速相機觀測到的不同規(guī)格噴嘴生成的單分散液滴的圖像。利用已知噴嘴外徑作為尺寸基準(zhǔn),通過XCAP圖像處理軟件測量出圖像中噴嘴外徑以及液滴直徑等參數(shù)對應(yīng)的像素值,實際尺寸與圖片所占像素值對應(yīng)呈比例,據(jù)此可以求得對應(yīng)液滴相關(guān)參數(shù)的實際尺寸。對這些參數(shù)進行分析,可以得到液滴直徑、間距的影響因素,并且可以計算出液滴的初速度與生成時間。2.1相對高度的影響實驗對表1所述9種噴嘴采用不同的相對高度生成單分散液滴,利用高速相機進行記錄。通過控制變量法分析相對高度以及噴嘴外徑對液滴直徑的影響。圖4是3號~9號噴嘴不同相對高度生成的單分散液滴直徑與相對高度的關(guān)系曲線,實驗生成了7種不同直徑的單分散液滴,最小可達450μm,從圖4中可以明顯看出,改變相對高度對單分散液滴的生成直徑基本沒有影響,據(jù)此,說明相對高度不是液滴直徑的影響因素。實驗數(shù)據(jù)處理過程中,利用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件擬合出了生成的單分散液滴直徑與噴嘴內(nèi)徑的關(guān)系曲線,見圖5,該曲線的相關(guān)系數(shù)為0.97,但需要注意的是,該擬合曲線僅在實驗所用噴嘴內(nèi)徑范圍(0.16~0.68mm)內(nèi)適用,當(dāng)噴嘴內(nèi)徑減小時,生成的單分散液滴直徑以對數(shù)形式減小。從圖4與圖5可知,實驗中生成的單分散液滴的直徑的影響因素是噴嘴的內(nèi)徑,二者呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系,而相對高度或者說是給液高度對于同一規(guī)格的噴嘴所生成的單分散液滴的直徑?jīng)]有影響。但結(jié)合圖4和圖5可以看出,隨著噴嘴內(nèi)徑的減小,生成單分散液滴所需的高度也在不斷增大。由于單分散液滴的生成是射流液柱的慣性力克服表面張力的過程,由式(1)韋伯?dāng)?shù)的定義可知,射流液柱的慣性力與液柱的直徑和射流速度有關(guān),當(dāng)噴嘴直徑減小,射流液柱的直徑也隨之減小,而為了維持破碎液柱所需的慣性力,則必須增大射流液柱的初速度,由伯努利方程可知,當(dāng)增大給液瓶與噴嘴出口的相對高度時,射流液柱的初速度亦隨之增大。2.2液滴的間距分析在實驗中,由于高速相機拍攝范圍的限制,當(dāng)更換內(nèi)徑更大的噴嘴時,在同樣的拍攝范圍內(nèi)所能拍攝到的液滴是變少的,所以,在利用XCAP軟件提取數(shù)據(jù)時,分別測量了3號~6號噴嘴生成的前5個液滴的間距(圖6),以及6號~9號噴嘴生成的前8個液滴之間的間距(圖7)。分析圖6與圖7,液滴的間距隨相對高度的增加呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢,每個噴嘴生成的液滴間距均存在1個峰值點,且峰值點隨著噴嘴內(nèi)徑的減小向后遷移。這是由于液滴間距受液滴的生成時間與液滴初速度兩者相互作用,當(dāng)相對高度增加時,液滴的初速度增加,同時液滴的生成時間降低,液滴初速度增加必然導(dǎo)致液滴間距增大,然而,液滴生成時間降低則會導(dǎo)致液滴間距減小,這2個因素共同作用于液滴的間距,必然導(dǎo)致液滴的間距存在1個峰值點。同時縱向?qū)Ρ炔煌瑖娮斓囊旱伍g距,同一相對高度下,隨著噴嘴內(nèi)徑的降低,液滴間距也隨之降低。2.3初速度與生成時間的關(guān)系對于生成的單分散液滴的初速度與生成時間的計算,實驗中,取噴嘴生成的前2個液滴作為研究對象,認(rèn)為第一個液滴運動到第二個液滴的位置過程中,液滴的加速度為重力加速度,當(dāng)?shù)诙€液滴還在生成時,第一個液滴已經(jīng)向下運動,由于存在液滴的生成時間,兩液滴之間的間距正是前一個液滴在該段時間內(nèi)向下運動形成的。同時,以噴嘴生成的第一個液滴為研究對象,剛離開噴嘴的那一刻的圖像作為第一幀,測量該液滴在2幀之間下落的距離,即可求出液滴的初速度。以6號和7號噴嘴生成的液滴為例,利用所測得液滴參數(shù)計算得到液滴的初速度和生成時間隨相對高度的變化曲線,如圖8所示。對于同一噴嘴生成的單分散液滴,隨著相對高度的增大,液滴的初速度隨之增大,生成時間逐漸降低,初速度與生成時間2條曲線的交點正是液滴間距最大的點,這與上述圖6和圖7液滴間距隨高度變化的趨勢一致?？v向比較6號與7號噴嘴生成液滴的初速度與生成時間,當(dāng)噴嘴內(nèi)徑降低時,其生成的液滴的初速度增大,而液滴生成時間減小。3單分散液滴的生成特性設(shè)計了一種簡易單分散液滴發(fā)生器,利用高速相機對不同噴嘴生成的液滴圖像進行采集,利用XCAP軟件對液滴的相關(guān)參數(shù)進行測量,研究了不同噴嘴內(nèi)徑和相對高度條件下單分散液滴的生成特性,主要結(jié)論如下。(1)