噴霧液動(dòng)態(tài)表面張力與霧滴粒徑關(guān)系

摘要：本文以噴霧液動(dòng)態(tài)表面張力為研究對(duì)象，從動(dòng)態(tài)表面張力以及噴霧噴頭尺寸這兩個(gè)方面入手，針對(duì)噴霧液動(dòng)態(tài)表面張力與霧滴粒徑所表現(xiàn)出的相關(guān)性關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)分析與研究，旨在引起各方工作人員的特別關(guān)注與重視。

關(guān)鍵詞：噴霧液 動(dòng)態(tài)表面張力 霧滴粒徑 關(guān)系 分析

1 動(dòng)態(tài)表面張力與霧滴粒徑關(guān)系分析

有關(guān)噴頭霧化反應(yīng)過程的研究證實(shí)，噴頭霧化表現(xiàn)出了較為顯著的瞬態(tài)性以及多相性特征，即在噴頭霧化反應(yīng)的過程當(dāng)中，首先需要通過消耗大量霧化能量的方式，在噴頭噴口位置形成破裂性的液絲或是薄膜，進(jìn)而形成一個(gè)相對(duì)于落差較大的速度梯度，在其與環(huán)境空氣因子呈現(xiàn)出高速摩擦關(guān)系的過程當(dāng)中，進(jìn)一步伸展液絲或是薄膜，使其達(dá)到破裂臨界點(diǎn)，最終形成霧滴。從以上有關(guān)噴頭霧化反應(yīng)形成原理的分析角度上來說，在環(huán)境空氣因子與液體呈現(xiàn)出高速摩擦關(guān)系的過程當(dāng)中，會(huì)于液體邊界層位置形成剪切波波形。受到摩擦動(dòng)作所增加速度梯度落差較大的因素影響，這一過程中所形成的剪切波波形表現(xiàn)為不穩(wěn)定狀態(tài)，其對(duì)于促成液體射流的霧化反應(yīng)而言有著重要意義。在一般情況下，表面張力相對(duì)于射流霧化反應(yīng)會(huì)在液體射流波形不穩(wěn)定狀態(tài)下表現(xiàn)為阻礙效用，而在液體變形作用力超高液體射流波形變形臨界點(diǎn)的情況下，表面張力則會(huì)在一定程度上推動(dòng)著霧化的產(chǎn)生。

特別需要注意的一點(diǎn)在于：表面張力同樣也是噴霧液最關(guān)鍵的物理性能參數(shù)之一。在活性成分較高的水溶液試劑當(dāng)中，對(duì)于新形成的水溶液表面而言，其表面張力指標(biāo)會(huì)在陳化反應(yīng)的推進(jìn)過程當(dāng)中而呈現(xiàn)出一定狀態(tài)的改變，并在一定的時(shí)間范圍內(nèi)傾向于一個(gè)穩(wěn)定值。在相關(guān)工作人員的實(shí)踐研究過程當(dāng)中，將這種表面張力定義為動(dòng)態(tài)化表面張力。具體示意圖如下圖所示（見圖1）。

由圖1不難發(fā)現(xiàn)，圖1所反映出的有關(guān)表面張力與質(zhì)量濃度指標(biāo)以及與時(shí)間指標(biāo)的關(guān)系基本與相關(guān)研究人員對(duì)于動(dòng)態(tài)表面張力研究成果相吻合：即在表面張力指標(biāo)隨時(shí)間指標(biāo)的動(dòng)態(tài)性變化過程當(dāng)中，整個(gè)變化曲線基本可以按照時(shí)間狀態(tài)以及反應(yīng)劇烈性程度劃分為四個(gè)階段：首先是誘導(dǎo)區(qū)，即表面指標(biāo)開始呈現(xiàn)出一定的與時(shí)間指標(biāo)發(fā)展的對(duì)應(yīng)關(guān)系；其次是表面張力快速下降區(qū)：即在這一區(qū)域內(nèi)，表面張力指標(biāo)隨時(shí)間指標(biāo)的延伸而呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)；再次是介平衡區(qū)，即在這一區(qū)域內(nèi)，隨著時(shí)間指標(biāo)的延伸，表面張力指標(biāo)的變動(dòng)傾向于緩和狀態(tài)；最后是平衡區(qū)，即表面張力指標(biāo)相對(duì)于時(shí)間指標(biāo)發(fā)展的變動(dòng)基本保持為恒定狀態(tài)。進(jìn)一步從形成機(jī)理的角度上來說可以分為以下幾個(gè)方面：①在誘導(dǎo)區(qū)當(dāng)中，能夠完全吸附于界面層位置的反應(yīng)助劑質(zhì)量濃度指標(biāo)較低，進(jìn)而導(dǎo)致在時(shí)間推進(jìn)狀態(tài)下，溶液表面張力維持在較大水平。②在表面張力快速下降區(qū)當(dāng)中，受到大量助劑開始吸附于溶液表面的因素影響，進(jìn)而導(dǎo)致在時(shí)間推進(jìn)狀態(tài)下，溶液表面張力呈現(xiàn)出顯著下降反應(yīng)趨勢(shì)。③在介平衡區(qū)當(dāng)中，在助劑不斷吸附于溶液表面的反應(yīng)過程當(dāng)中，吸附指標(biāo)逐漸接近于飽和狀態(tài)，在助劑吸附不斷臨近飽和狀態(tài)的情況下，與之相對(duì)應(yīng)的吸附速率將有所降低，進(jìn)而導(dǎo)致在時(shí)間推進(jìn)狀態(tài)下，溶液表面張力的介平衡狀態(tài)。④在平衡區(qū)當(dāng)中，通過以上三個(gè)階段相當(dāng)長一段時(shí)間的吸附反應(yīng)，溶液表面的吸附完全達(dá)到飽和狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致表面張力處于平衡狀態(tài)。

從線性相關(guān)性關(guān)系的角度上來說，時(shí)間指標(biāo)越小，動(dòng)態(tài)表面張力指標(biāo)與霧滴指標(biāo)之間的關(guān)系越傾向于線性狀態(tài)。與此同時(shí)，在時(shí)間指標(biāo)反應(yīng)超過1s單位的情況下，表面張力指標(biāo)相對(duì)于霧滴指標(biāo)的線性相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)不顯著。這一點(diǎn)同樣是在實(shí)踐工作過程中需要特別重視的。傳統(tǒng)意義上采取靜態(tài)表面張力為指標(biāo)研究霧滴形成的方式并不合理，在有關(guān)農(nóng)藥噴霧的實(shí)踐工作過程當(dāng)中，選取動(dòng)態(tài)表面張力作為研究指標(biāo)有著更為顯著的優(yōu)勢(shì)。

2 噴頭尺寸與霧滴粒徑關(guān)系分析

從工作實(shí)踐的角度上來說，噴頭尺寸指標(biāo)同樣能夠在一定程度上該表霧滴粒徑指標(biāo)的狀態(tài)。例選取五種不同類型的噴頭型號(hào)（通過該表標(biāo)準(zhǔn)扇形噴霧噴頭結(jié)構(gòu)尺寸的方式予以實(shí)現(xiàn)，1#對(duì)應(yīng)ST110：015，2#對(duì)應(yīng)ST110：02，3#對(duì)應(yīng)ST110：03，4#對(duì)應(yīng)ST110：04，5#對(duì)應(yīng)ST110：05），對(duì)其施加不同的噴霧壓力，其所表現(xiàn)出的噴頭流量指標(biāo)同樣會(huì)呈現(xiàn)出一定的影響與改變。在噴霧壓力指標(biāo)表現(xiàn)為0.2MPa單位狀態(tài)的情況下，2#以及4#噴頭所對(duì)應(yīng)霧滴體積指標(biāo)相對(duì)于噴霧液動(dòng)態(tài)表面張力指標(biāo)的變化關(guān)系基本表現(xiàn)為如下圖（見圖2）所示狀態(tài)。

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圖2 2#（a）、4#（b）噴頭所對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)表面張力與霧滴粒徑關(guān)系示意圖

通過對(duì)圖2所反映關(guān)系的研究中不難發(fā)現(xiàn)：在噴霧液霧化表面張力指標(biāo)存在差異的情況下，噴頭間所對(duì)應(yīng)的霧滴粒徑指標(biāo)也存在有一定的差異。例在噴霧液霧化表面張力取值為77.66mN/m指標(biāo)單位的情況下，2#噴頭所對(duì)應(yīng)霧滴粒徑指標(biāo)表現(xiàn)為186.97單位，4#噴頭所對(duì)應(yīng)霧滴粒徑指標(biāo)表現(xiàn)為194.17單位。同樣例在噴霧液霧化表面張力取值為20.21mN/m指標(biāo)單位的情況下，2#噴頭所對(duì)應(yīng)霧滴粒徑指標(biāo)表現(xiàn)為174.72um單位，4#噴頭所對(duì)應(yīng)霧滴粒徑指標(biāo)表現(xiàn)為180.91um單位。以上數(shù)據(jù)及關(guān)系曲線示意圖均顯示：在噴霧液霧化動(dòng)態(tài)表面張力呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)的情況下，2#以及4#噴頭所對(duì)應(yīng)霧滴粒徑指標(biāo)均呈現(xiàn)出了較為顯著的下降趨勢(shì)。進(jìn)一步研究不難發(fā)現(xiàn)：假定動(dòng)態(tài)表面張力指標(biāo)表現(xiàn)為γ0.023單位，與此同時(shí)，對(duì)于霧滴粒徑指標(biāo)的判定選取D50中徑指標(biāo)位置，可以構(gòu)建有關(guān)以上兩項(xiàng)指標(biāo)的回歸方程表達(dá)式，如下所示：

D50=k*γ0.023+b

該公式當(dāng)中的k，b均取值為系數(shù)狀態(tài)。在與γ0.023滿足線性相關(guān)關(guān)系的情況下，k，b的取值情況表現(xiàn)為如下表所示（見表1）。

表1 系數(shù)k、b取值數(shù)據(jù)示意表

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從該表所顯示數(shù)據(jù)關(guān)系的分析過程當(dāng)中不難發(fā)現(xiàn)，在噴霧壓力指標(biāo)表現(xiàn)為恒定狀態(tài)的情況下，系數(shù)k取值的變動(dòng)情況基本反應(yīng)力在噴頭基本結(jié)構(gòu)尺寸有所改變的狀態(tài)下，表面張力噴霧液霧滴粒徑指標(biāo)所表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)變化。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)：在表面張力變化范圍一定的情況下，系數(shù)k取值越大，其所對(duì)應(yīng)的噴霧液霧化粒徑指標(biāo)變化也就越大。與此同時(shí)，同尺寸較小的噴頭相比，尺寸較大噴頭所導(dǎo)致的表面張力指標(biāo)相對(duì)于霧滴粒徑指標(biāo)的變動(dòng)趨勢(shì)更為顯著。與此同時(shí)，系數(shù)b的取值會(huì)伴隨著噴頭尺寸的擴(kuò)大而有所顯著擴(kuò)大。從這一角度上來說，在剔除表面張力對(duì)霧滴粒徑影響的情況下，系數(shù)b取值數(shù)據(jù)的增大將導(dǎo)致霧滴粒徑呈現(xiàn)出一定程度上的增長趨勢(shì)。

從以上分析需要認(rèn)識(shí)到：在借助于特定助劑進(jìn)行農(nóng)藥噴灑的過程當(dāng)中，若保持噴頭壓力的恒定狀態(tài)，因噴霧液霧化動(dòng)態(tài)表面張力指標(biāo)變化所引發(fā)的霧滴粒徑指標(biāo)變化在噴頭尺寸增大趨勢(shì)下表現(xiàn)更為顯著，應(yīng)當(dāng)予以重視。

3 結(jié)束語

本次研究共涉及到兩個(gè)方面的結(jié)論：①在時(shí)間指標(biāo)保持恒定狀態(tài)的情況下，霧滴粒徑指標(biāo)伴隨著噴霧液動(dòng)態(tài)表面張力指標(biāo)的下降而有所下降，兩者傾向于線性相關(guān)關(guān)系；②相對(duì)于尺寸較小噴頭而言，尺寸較大噴頭所導(dǎo)致的表面張力指標(biāo)相對(duì)于霧滴粒徑指標(biāo)的變動(dòng)趨勢(shì)更為顯著。以上應(yīng)當(dāng)引起特別關(guān)注與重視。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉英，羅惕乾，沙毅等.雙流體噴嘴荷電霧化特性[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，28（4）：328-331.

[2]王貞濤，岑旗鋼，宋曉寧等.雙流體荷電霧化的PDA實(shí)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（10）：80-84.

[3]王貞濤，賈衛(wèi)東，黃繼偉等.靜電場(chǎng)中帶電漿液霧滴靜電破碎分析[J].高電壓技術(shù)，2010，36（6）：1525-1529.

[4]聞建龍，王軍鋒，陳松山等.荷電改善噴霧均勻性的實(shí)驗(yàn)研究[J].排灌機(jī)械，2000，18（5）：45-47.

[5]楊震銘，李毅，張強(qiáng)等.水霧霧滴粒徑的分析與研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2007，26（4）：409-411.

作者簡(jiǎn)介：田云飛（1982-），男，吉林樺甸人，助教，學(xué)士，從事物理學(xué)理論教學(xué)和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。