射流振動形成均勻液滴的影響因素研究

劉 超

(昌樂縣勞動技工學(xué)校，山東 昌樂 262400)

射流振動形成均勻液滴的影響因素研究

劉 超

(昌樂縣勞動技工學(xué)校，山東 昌樂 262400)

以油-水雙液相體系為研究對象，探究了射流振動分散中，頻率、流速對形成的液滴均一性的影響。在協(xié)調(diào)振幅、頻率、流速三個因素下，分析獲取形成均勻液滴的操作方式。

振動分散；射流；均勻液滴；頻率；流速

用振動分散的方式獲得粒度均勻的顆粒關(guān)鍵在于射流斷裂能產(chǎn)生粒徑均勻的液滴。在液柱向空氣中進行的振動噴射中(液-氣)，對射流施加一定頻率的擾動可使其斷裂為均勻液滴 。在實際生產(chǎn)中，天津大學(xué)開發(fā)的噴射振動造粒技術(shù)用于粒狀燒堿的生產(chǎn)已取得成功，金屬均勻液滴技術(shù)也已應(yīng)用到金屬粉末的生產(chǎn)中。

液-氣體系振動分散的研究比較豐富，但在互不相溶的液-液體系中研究較少，研究液-液體系振動分散形成均勻液滴的影響因素，對化工生產(chǎn)中的連續(xù)懸浮聚合方式具有重要意義，本文著重對頻率、流速對形成液滴的影響進行了探討。

1.實驗方法

實驗利用振動分散裝置，選擇油-水體系進行模擬實驗?？紤]到工業(yè)要求，噴嘴孔徑選擇0.4mm、0.5mm兩種規(guī)格，流速選定在0.1-3.0m/s，施加的頻率為50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz五個點，振幅確定為從0初始施加到儀器振幅的上限，研究頻率、流速對振動分散形成液滴的均一性的影響。

表1 噴嘴參數(shù)

2.實驗結(jié)果分析

2.1 頻率的影響

在液-氣振動分散研究中，SAKAI認(rèn)為，在產(chǎn)生均勻液滴的范圍內(nèi)，每次振動射流斷裂形成一個液滴，其直徑D=3d2u2f13。圖1、圖2是2#噴嘴當(dāng)流速為1.019m/s和1.189m/s時，分別在100Hz、150Hz、200Hz、250Hz時產(chǎn)生均勻液滴的示意圖。當(dāng)頻率在100Hz時，液滴的平均直徑分別為1.65mm和1.90mm；當(dāng)頻率增加到250Hz時，平均直徑減小到1.23mm和1.36mm。振幅對均勻液滴直徑的大小幾乎沒有影響，由此可知直徑的不同是頻率變化引起的，液滴的直徑隨著頻率的增加而減小。這是因為流速一定，頻率升高使得射流斷裂速度加快，單位時間內(nèi)形成的液滴數(shù)目增多，從而導(dǎo)致直徑減小。圖3中虛線表示的是SAKAI理論計算值，實線為實驗值。實驗值要比理論值大，這是因為射流環(huán)境中介質(zhì)粘性的存在使得射流斷裂時間增長，并且流速越大，射流液柱受到介質(zhì)的流體力作用越明顯，與理論的計算值偏離越遠(yuǎn)。

圖1 頻率對直徑的影響(U=1.019m/s )

表2 2#噴嘴1.019m/s時直徑的實驗值與理論值

圖2 頻率對直徑的影響(U=1.189m/s )

表3 2#噴嘴1.189m/s時直徑的實驗值與理論值

圖3 頻率對直徑的影響

2.2流速的影響

圖4和圖5表示在能產(chǎn)生均勻液滴的范圍內(nèi)，相同孔徑、頻率、振幅條件下流速對液滴直徑的影響。從圖6曲線看出，其他條件一定，隨著流速的增加，直徑越來越大。這是因為根據(jù)SAKAI理論，在能產(chǎn)生均勻液滴條件下，每次振動射流斷裂形成一個液滴，頻率相同，液柱斷裂時間相同，流速的增加必然導(dǎo)致斷裂液滴體積的增大。這種現(xiàn)象在高頻率下比較平緩，而在低頻率下則比較明顯，這是因為在低頻率下射流斷裂慢，在流速增加相同的情況下，液滴體積增長更快導(dǎo)致的。

表4 流速對直徑的影響(1#，250Hz，40)

圖4 流速的影響(1#，250Hz，40)

圖5 流速的影響(2#，150Hz，90)

流速(m/s)0．8491．0191．1891．3591．5291．669直徑(mm)1．4191．5161．5161．5821．6451．806

圖6 流速對直徑的影響

2.3 產(chǎn)生均勻液滴的調(diào)試

振幅影響液滴形成的狀態(tài)，流速、頻率影響生成液滴的直徑以及形成均勻液滴的操作范圍。要使射流振動分散形成均勻的液滴，必須協(xié)調(diào)好三者之間的關(guān)系。以2#噴嘴試驗數(shù)據(jù)為例，在流速為0.34m/s時，只有在50Hz時可以得到均勻的液滴，這是因為在低流速下，射流液柱生長慢，施加高頻率，噴嘴的振動速度加快，射流斷裂的周期可能要超過噴嘴的振動運動周期，在噴嘴運動到2倍波長或者更大時形成；射流流速慢，液柱內(nèi)部穩(wěn)定性較強，射流斷裂所需的能量大，但在額定功率下，施加的頻率越大，振幅的上限值越小，施加的擾動不足以導(dǎo)致其斷裂，因此高頻的擾動對低速的射流液柱斷裂影響較小。相反，在高流速、低頻率下，液柱表面不穩(wěn)定極易斷裂，射流液柱的生長斷裂速度快于噴嘴的振動速度，造成一部分液滴由自然射流斷裂形成，一部分液滴可能形成在1/2波長或更短的擾動處，導(dǎo)致了液滴的破碎或合并。圖7(A)是低流速高頻率下的射流斷裂狀態(tài)，圖7(B)是高流速低頻率下的射流斷裂狀態(tài)。由此可見，要使振動射流分散形成均勻的液滴，在流速較慢時，應(yīng)該降低頻率值并增加振幅；在流速較快時，應(yīng)提高頻率，降低振幅。

圖7 低速高頻及高速低頻振動射流斷裂

3.結(jié)論

1、在能產(chǎn)生均勻液滴的范圍內(nèi)，液滴的直徑隨頻率的增加而減小。由于介質(zhì)阻力的存在，實驗所得的液滴直徑要比SAKAI理論值大。

2、在能產(chǎn)生均勻液滴的范圍內(nèi)，振動射流斷裂形成的液滴直徑，隨著流速的增加而增大，且低頻率時要比高頻率時更明顯。

3、要使振動射流斷裂形成均勻的液滴必須協(xié)調(diào)振幅、頻率、流速三者間的關(guān)系：在流速較慢時，應(yīng)該降低頻率值并增大振幅；在流速較快時，應(yīng)增大頻率并降低振幅。

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Research on Influence Factors of Uniform Droplets Formed by Jet Vibration

LIU Chao
(Technical School of Changle, Changle 262400, China)

The influence factors of uniform droplets formed by jet vibration were researched from the aspects of frequency and flow rate in the oil-water system. The operation mode of generating uniform droplets was obtained by regulating the amplitude, frequency and flow rate.

vibration dispersion; jet-flow; uniform droplets; frequency; flow rate

2016-12-01

劉超(1983- )男，碩士，昌樂縣勞動技工學(xué)校講師， 研究方向：懸浮聚合工藝改進研究。

TQ022

A

1671-3974(2017)01-0045-03