超聲振動(dòng)汽油霧化器設(shè)計(jì)研究

陳玉榮 崔祥 潘強(qiáng) 孫道明 王廣勛 殷振

摘 要:基于一維振動(dòng)理論設(shè)計(jì)了一種超聲振動(dòng)汽油霧化器,并使用有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)霧化器進(jìn)行了仿真分析,最后對(duì)制作的超聲振動(dòng)霧化器樣機(jī)進(jìn)行了汽油霧化的實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了該超聲振動(dòng)汽油霧化器的霧化效果。

關(guān)鍵詞:超聲振動(dòng)汽油霧化器有限元

中圖分類號(hào):TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)06(a)-0003-02

環(huán)境保護(hù)與能源的高效利用已成為當(dāng)今世界的熱門(mén)話題,據(jù)統(tǒng)計(jì),85%的大氣污染來(lái)源于汽車的尾氣,如何提高燃油的利用率,是實(shí)現(xiàn)環(huán)境和能源可持續(xù)發(fā)展的首要問(wèn)題。而燃油霧化霧滴的直徑是判定霧化器霧化效果的重要指標(biāo),為了降低汽車尾氣中汽油不能完全燃燒所造成的污染,提高燃油的霧化效果,本文設(shè)計(jì)了一種超聲振動(dòng)汽油霧化器,利用汽油的超聲振動(dòng)霧化來(lái)降低汽油霧化的霧滴直徑,從而提高汽油霧粒與空氣接觸的面積,進(jìn)而提高燃油的利用率[123]。

1 超聲振動(dòng)汽油霧化器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)一維彈性振動(dòng)理論,在諧振條件下,可知變截面桿縱向振動(dòng)波動(dòng)方程為[4]:

(1)

式中:—質(zhì)點(diǎn)位移函數(shù),;S—桿的橫截面積函數(shù),S=S(x);—為波數(shù),,為圓頻率;—縱波在細(xì)棒中的傳播速度,。

根據(jù)超聲振動(dòng)汽油霧化器的邊界條件可得其縱向振動(dòng)頻率方程:

(2)

式中:為桿的特性阻抗,為桿的密度,為桿中縱波聲速,S—桿的橫截面積函數(shù),為桿的長(zhǎng)度,—為波數(shù);

根據(jù)設(shè)定的諧振頻率55kHz,擬定霧化器振子縱向振動(dòng)電功率為100w,選取低介電損耗15×10×5PZT-8發(fā)射型壓電陶瓷兩片,前蓋板選用LY12,后蓋板選用45鋼,設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)汽油霧化器如圖1所示,一次霧化噴頭安裝在超聲振動(dòng)汽油霧化器的前端,二次霧化面設(shè)置在霧化器變幅桿前端,當(dāng)霧化器振子的電極片接入超聲波電信號(hào)后,霧化器振子部分就會(huì)產(chǎn)生縱向超聲振動(dòng),變幅桿前端把超聲振動(dòng)的振幅放大,次級(jí)霧化輻射面產(chǎn)生一定幅值的超聲振動(dòng)。具有一定壓力的燃油經(jīng)過(guò)送液管道流到變幅桿前端,經(jīng)過(guò)一次霧化噴頭的微孔噴出,轉(zhuǎn)變?yōu)槠F,并噴向二次霧化輻射面,一次霧化的小直徑汽霧在二次霧化輻射面的超聲振動(dòng)作用下,產(chǎn)生二次霧化,從而獲得更好的霧化質(zhì)量,霧滴直徑更加細(xì)小均勻。

2超聲振動(dòng)汽油霧化器的有限元分析

有限元分析法(FEM)是一種用于求解連續(xù)介質(zhì)的物理問(wèn)題的數(shù)值方法,適用范圍廣泛,可解決各種復(fù)雜的力學(xué)和耦合場(chǎng)等工程問(wèn)題。利用有限元分析軟件ANSYS中的動(dòng)力學(xué)耦合場(chǎng)分析模塊,對(duì)所設(shè)計(jì)的霧化器進(jìn)行模態(tài)分析,利用Block Lanczos模態(tài)提取方法,可以得到霧化器在55KHz頻率時(shí)短路狀態(tài)的縱向振動(dòng)模態(tài)如圖2所示,其諧振頻率為55765Hz,從圖中可以看出在霧化器的振幅在一次霧化噴頭和二次霧化面達(dá)到最大,而在法蘭處的振幅最小,接近于零,和設(shè)計(jì)預(yù)期結(jié)果一致。

對(duì)所設(shè)計(jì)的霧化器進(jìn)行諧響應(yīng)分析,通過(guò)ANSYS的POST26后處理器還可以得出霧化器縱向振動(dòng)振子的導(dǎo)納分量G、B曲線、導(dǎo)納圓曲線,這些數(shù)據(jù)曲線對(duì)超聲電源和超聲振動(dòng)汽油霧化器之間的的電路諧振匹配具有一定的指導(dǎo)作用和參考價(jià)值。

3超聲振動(dòng)汽油霧化霧粒索特直徑的計(jì)算

根據(jù)參考文獻(xiàn)3的計(jì)算方法,采用索特直徑(SMD)的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算超聲振動(dòng)汽油霧化霧滴的直徑。

SMD= (3)

其中T 為汽油表面張力系數(shù),T =0.025;為汽油密度=0.7×103kg/m3;f 為超聲振動(dòng)頻率;=0.3;根據(jù)所需直徑的范圍預(yù)選頻率為55kHz。帶入數(shù)據(jù)得出汽油霧化后的索特直徑約為19.9um,其霧粒直徑僅為傳統(tǒng)噴油器霧化的油滴直徑的1/3,即汽油霧滴與空氣的接觸面積提高為傳統(tǒng)噴油器霧化油滴直徑的9倍。

4 超聲振動(dòng)汽油霧化器霧化的霧滴直徑試驗(yàn)研究

以汽油為霧化介質(zhì)進(jìn)行超聲振動(dòng)霧化實(shí)驗(yàn),采用影像反求測(cè)定比較法來(lái)測(cè)量汽油霧滴的直徑[5],試驗(yàn)測(cè)量具體步驟如下:

(1)采樣:將一定的水放入一個(gè)培養(yǎng)皿中,霧化器和超聲波發(fā)生器相連接,霧化器汽油入口通入一定壓力的97#汽油,使換能器在一定時(shí)間霧化的汽油噴入水中;

(2)顯微鏡觀察:將采集的汽油霧滴樣品放置在顯微鏡下,放大至一定倍數(shù),進(jìn)行觀察,并測(cè)量其中一個(gè)液滴直徑;

(3)拍照、照片掃描:以測(cè)量的某一汽油霧滴為中心拍照,并將照片掃描至計(jì)算機(jī);

(4)標(biāo)定測(cè)量、統(tǒng)計(jì)計(jì)算:用AutoCAD打開(kāi)照片,根據(jù)前面測(cè)量的汽油霧滴的尺寸,按比例標(biāo)出所有霧滴尺寸。進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),將每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)輸入至Excle表格中,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;

(5)得出霧滴的實(shí)際尺寸分布與霧滴的直徑大小,霧化后油滴直徑為20～30um;利用公式算出水在此頻率下的索特直徑,得到理論直徑與實(shí)際直徑的關(guān)系。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)制作的超聲振動(dòng)汽油霧化器的實(shí)驗(yàn)研究,得出了超聲振動(dòng)汽油霧化器正常工作后汽油霧化霧滴的直徑大小和霧滴的分布情況,驗(yàn)證了該超聲振動(dòng)汽油霧化器的霧化效果。為提高燃油燃燒利用率提供了一種新的途徑,對(duì)環(huán)境保護(hù)和能源的高效利用具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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