噴嘴外形錐度和內(nèi)徑對(duì)靜電霧化效果的影響

東華理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院 汪志成 孫紅娟

噴嘴外形錐度和內(nèi)徑對(duì)靜電霧化效果的影響

東華理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院 汪志成 孫紅娟

基于無(wú)葉片靜電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液滴霧化效果影響的分析.通過(guò)靜電霧化裝置,基于simion8.0仿真軟件平臺(tái),分別對(duì)噴嘴外形的不同錐度和不同內(nèi)徑進(jìn)行一系列的仿真,觀察不同參數(shù)下噴嘴附近電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度的變化.初步得到了噴嘴的錐度和內(nèi)徑與霧化效果的關(guān)系.

霧化;simion;錐度;內(nèi)徑

0 引言

在基于靜電轉(zhuǎn)換的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,核心的部分是靜電霧化系統(tǒng)[1],本實(shí)驗(yàn)中采用的是高壓靜電霧化的方法,該方法具有提高轉(zhuǎn)化效率,能耗低,對(duì)設(shè)備和環(huán)境要求低等優(yōu)勢(shì).本文主要基于靜電霧化這一理論,開展了噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)中不同錐度的外形和不同內(nèi)徑的噴嘴對(duì)靜電霧化效果的研究,并對(duì)得出的結(jié)論進(jìn)行分析.

1 靜電霧化系統(tǒng)工作原理

靜電霧化是指導(dǎo)電液體在液體表面張力、粘性力和靜電庫(kù)侖力的聯(lián)合作用下,破碎成微小單分散液滴的過(guò)程[2].由于液體介質(zhì)本身具有電離特性且液體內(nèi)部含有雜質(zhì),液體內(nèi)部將含有一定量的正、負(fù)極性的離子,當(dāng)電極加上高壓時(shí),在霧化電極產(chǎn)生的靜電引力和靜電斥力作用下[3],高壓產(chǎn)生的靜電場(chǎng)會(huì)對(duì)與它同極性的離子產(chǎn)生排斥作用,與它極性相反的離子產(chǎn)生吸引作用,因此,與電極電壓極性相反的離子濃度從噴嘴出口端到液體內(nèi)部依次降低,與電極電壓極性相同的離子的濃度從噴嘴出口端到液體內(nèi)部依次升高..不僅如此,在液體介質(zhì)與噴嘴內(nèi)壁表面接觸面處會(huì)形成偶電層,當(dāng)液體因?yàn)橹亓Φ淖饔脧膰娮炜诹鞒鰰r(shí),偶電層遭到破壞.綜合以上兩種因素,從噴嘴口出來(lái)的液滴會(huì)帶上與電極電壓極性相反的電荷,從噴嘴口出來(lái)的帶電液滴在靜電場(chǎng)中會(huì)受到靜電場(chǎng)力的作用,當(dāng)液滴表面的電荷量達(dá)到瑞麗極限時(shí),液滴就會(huì)因?yàn)殪o電分離導(dǎo)致破碎發(fā)生霧化.根據(jù)瑞麗極限[4]公式:

可知,液滴半徑越小,瑞麗極限值qmax就越小,液滴越容易被霧化.所以在靜電霧化系統(tǒng)中應(yīng)該選用半徑盡量小的噴嘴結(jié)構(gòu).

通過(guò)式1可知,任意的液滴介質(zhì),在其它條件不變的情況下,從噴嘴出來(lái)的液滴的半徑尺寸越小,它的瑞麗極限值越小,這時(shí)只要給電極加上一個(gè)相對(duì)較小的電壓值液滴都有可能發(fā)生破裂霧化.因此將靜電霧化噴嘴設(shè)計(jì)成錐形金屬管道.錐形金屬管道上部空間較大,可在表面積累更多的靜電荷,管口末端尺寸較小,便于保持一定體積上液滴的帶電量,以實(shí)現(xiàn)霧化效率的提高.本文擬通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真分析噴嘴的錐度和內(nèi)徑對(duì)霧化效率的影響.

噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)與仿真.

2 不同錐度外形結(jié)構(gòu)噴嘴的電場(chǎng)仿真分析

相同條件下不同的噴嘴結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)液滴的霧化效果產(chǎn)生不同的影響,通過(guò)利用Simion仿真軟件仿真不同錐度的噴嘴結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布情況,從而判斷哪種錐度的噴嘴結(jié)構(gòu)更適合于液滴的靜電霧化.在Simion仿真軟件中,設(shè)定電極為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)電極,內(nèi)徑為30mm,厚度為6mm,噴嘴外形錐度設(shè)定00,150,300,450,600這5個(gè)錐度,噴嘴內(nèi)部液體通道為圓柱形通道結(jié)構(gòu),內(nèi)徑統(tǒng)一為2mm,噴嘴軸線與環(huán)形電極軸線重合,噴嘴頂端距離環(huán)形電極中心平面距離都為2mm,電極上的電壓設(shè)定為4kv,噴嘴上的電壓設(shè)定為0kv,由于此仿真主要是仿真高壓在噴針附近電場(chǎng)的分布情況,與液體介質(zhì)相關(guān)參數(shù)無(wú)關(guān),在仿真中不考慮液體介質(zhì)的流動(dòng)情況,得出的最優(yōu)角度為300,仿真結(jié)果如圖1所示;

圖1 噴嘴錐度為300的電場(chǎng)強(qiáng)度仿真

分別仿真了00,150,300,450,600這5個(gè)不同錐度的噴嘴的電場(chǎng)等勢(shì)面的分布情況,可以明顯的看出噴嘴外形的錐度對(duì)電場(chǎng)的分布造成很明顯的影響.

相同條件下,同一坐標(biāo)點(diǎn)處,錐度為300的噴嘴的電勢(shì)和場(chǎng)強(qiáng)值是最大的,和圖片仿真的效果一致.所以,在靜電霧化系統(tǒng)中,采用外形錐度為300的噴嘴對(duì)分析研究液滴的霧化效果或者是在實(shí)際應(yīng)用中都最為合適.

3 不同內(nèi)徑大小的噴嘴結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)強(qiáng)度仿真

為了進(jìn)一步了解噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液滴霧化效果的影響,通過(guò)Simion軟件仿真分析了不同內(nèi)徑大小的噴嘴在其噴嘴液滴出口端同一相對(duì)位置的電場(chǎng)強(qiáng)度.在Simion軟件中設(shè)定電極結(jié)構(gòu)為內(nèi)徑是40mm厚度為5mm長(zhǎng)度為12mm的圓柱形電極,電極電壓設(shè)定為4kv,噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)定為圓柱形結(jié)構(gòu),電壓設(shè)定為0kv,噴嘴厚度統(tǒng)一為1mm,噴嘴頂端位于電極中心平面的中心處.噴嘴內(nèi)徑設(shè)定以下5個(gè)尺寸進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度仿真:2mm、4mm、6mm、8mm、10mm.得出最優(yōu)結(jié)果為2mm:

圖2 噴嘴內(nèi)徑為2mm的仿真結(jié)果

通過(guò)比較5個(gè)不同內(nèi)徑的噴嘴仿真圖片的PE電勢(shì)梯度圖,可以得出隨著噴嘴內(nèi)徑的增大,電勢(shì)變化梯度越大,等勢(shì)線越分散,電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)越小;內(nèi)徑越小電勢(shì)變化梯度越小,等勢(shì)線越密集,電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)越大.所以,相對(duì)于其它噴嘴內(nèi)徑來(lái)說(shuō),內(nèi)徑為2mm的噴嘴附近場(chǎng)強(qiáng)最大,液滴霧化效果最好.

噴嘴內(nèi)徑為2mm處的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)最大,相對(duì)于其它內(nèi)徑,該內(nèi)徑下液滴霧化效果處于最佳狀態(tài).因此,可得出,隨著噴嘴內(nèi)徑的增大,噴嘴出口處附近的電勢(shì)增加,電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)變小,液滴被霧化的效果減弱.

4 結(jié)論

通過(guò)分別對(duì)噴嘴不同錐度的外形和噴嘴不同的內(nèi)徑進(jìn)行了模擬仿真得出:(1)噴嘴外形錐度為300時(shí),噴嘴液滴出口處附近的場(chǎng)強(qiáng)最大,液滴的霧化效果最好.(2)噴嘴內(nèi)徑越小,電勢(shì)梯度變化越小,電場(chǎng)線越密集,場(chǎng)強(qiáng)越大,液滴的霧化效果越好.

[1]譚謹(jǐn),王曉茹,李龍?jiān)?含大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014,42(3):15-23.

[2]CHEN X P,CHENG J S,YIN X Z.Research progress and application of electrohydrodynamic[J].Chinese Science Bulletin,2003,48(7):637-646(in Chinese).

[3]Durham K Giles.Space charge deposition of pesticide ontocylindrical target arrays[J].Transaction of the ASAE,1985,28(3):658-664.

[4]Zeleny J.The study of application of the discharge to the droplets of unstable conditions[J].Proc.Camb.Phil.Soc,1915,18:71-83.