荷電雙流體噴霧射流沉積均勻性分析

姚江+王軍鋒

摘要：為研究荷電雙流體噴霧射流沉積的均勻性，基于雙流體霧化噴嘴設(shè)計(jì)了荷電雙流體噴霧系統(tǒng)及電暈荷電裝置。通過試驗(yàn)研究，討論了影響荷電雙流體噴霧沉積均勻性的關(guān)鍵因素及其作用規(guī)律。結(jié)果表明，增加噴槍的工作高度、扇形壓力或減小霧化壓力，可以有效減小雙流體霧化沉積分布變異系數(shù)，提高沉積的均勻性；靜電場的參與能有效提高霧化效果，改善噴霧流場，提高沉積分布的均勻性。

關(guān)鍵詞：荷電雙流體噴霧；沉積均勻性；變異系數(shù)；噴霧流場

中圖分類號：S491 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）21-4137-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.21.035

Experimental Study on Deposition Uniformity of Twin-fluid Electrostatic Spray

YAO Jiang1，WANG Jun-feng2

（1.Suzhou Institute of Technology， Jiangsu University of Science and Technology，Zhangjiagang 215600，Jiangsu，China；

2.School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013，Jiangsu，China）

Abstract： Based on the twin-fluid atomization nozzle，a charged twin-fluid spray system and corona charging device were designed to study the deposition uniformity of twin-fluid electrostatic spray. The key factors affecting the uniformity of twin-fluid electrostatic spray were analyzed through experimental study. The results show that increasing the working height， fan pressure or reducing the atomizing pressure can effectively reduce the coefficient of variation and improve the uniformity of deposition. The electrostatic field can effectively improve the atomization， and improve the spray flow field and uniformity of the deposition.

Key words： twin-fluid electrostatic spray；deposition uniformity；coefficient of variation；spray flow field

雙流體荷電霧化是通過液體與高壓氣體混合形成液膜，在高速氣流的動能及剪切力作用下液膜破碎進(jìn)而形成眾多細(xì)小液滴，液滴再通過不同的充電方式荷上電荷的過程[1-3]。近年來，雙流體荷電噴霧技術(shù)在農(nóng)藥噴灑領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注，而霧滴在目標(biāo)表面沉積的均勻性影響著農(nóng)藥的利用率。因此，研究荷電雙流體噴霧沉積的均勻性具有重要的意義。

引起噴霧沉積分布不均勻的原因有很多，祁力鈞等[4]、王璐等[5]探討了噴嘴類型、噴嘴高度、噴霧壓力和流量等因素對霧滴分布均勻性的影響。Munir[6]對空心錐形噴嘴的噴液壓力、噴霧流速和噴霧高度3個(gè)因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)，結(jié)果表明，噴霧高度對均勻性的影響顯著，而噴霧壓力對噴霧均勻性的影響不大。陳志剛等[7]采用模擬植株法對負(fù)高壓荷電噴霧靶標(biāo)的藥液沉積效果進(jìn)行了研究，并與非荷電常規(guī)噴霧狀態(tài)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，負(fù)高壓荷電噴霧較非荷電常規(guī)噴霧，藥液沉積量、沉積密度顯著提高，分布特性大為改善。茹煜等[8]以風(fēng)送靜電噴霧系統(tǒng)為研究對象，分析了靜電噴霧中荷電特征對霧滴沉降、沉積和黏附靶標(biāo)的影響。Takeshi等[9]研究了荷電電壓、流量及噴霧高度對單位體積液滴荷電量的影響。Colbert等[10]通過數(shù)值計(jì)算的方法，建立了荷電噴霧過程中電場、流場以及液滴運(yùn)動軌跡的數(shù)學(xué)模型。雖然國內(nèi)外學(xué)者對荷電噴霧的沉積特性的研究已取得了重要的結(jié)論與成果，但是在電場與氣液兩相流場耦合作用下的荷電雙流體噴霧的沉積特性比較復(fù)雜，影響因素很多，仍需要進(jìn)一步研究，獲得更加精確的數(shù)據(jù)以指導(dǎo)工程應(yīng)用。

運(yùn)用控制變量法，在針狀電極電暈荷電的情況下，對雙流體噴霧射流沉積均勻性進(jìn)行試驗(yàn)研究。在噴水質(zhì)量流量一定的情況下，通過調(diào)節(jié)雙流體噴槍的霧化參數(shù)、噴槍的工作高度及荷電電壓，研究其對沉積均勻性的影響，以期為雙流體噴霧射流沉積均勻研究提供參考。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 雙流體霧化器及荷電裝置

試驗(yàn)中選用的雙流體霧化器如圖1（a）所示，該霧化器共3個(gè)進(jìn)氣口（霧化進(jìn)氣口、扇形進(jìn)氣口和啟閉進(jìn)氣口）和1個(gè)進(jìn)液口，其中霧化進(jìn)氣的作用是利用高速氣流的剪切力作用將液體射流破碎霧化成大量的細(xì)小液滴，其進(jìn)氣壓力稱為霧化壓力PC；扇形進(jìn)氣的作用是在噴嘴出口處形成兩股方向相反的氣體對流，使細(xì)小液滴離開噴孔后在氣力作用下形成扇形液膜，其進(jìn)氣壓力稱為扇形壓力PF，通過調(diào)節(jié)扇形壓力可以實(shí)現(xiàn)對霧化錐角的控制；啟閉進(jìn)氣的作用是通過提供的氣壓啟動霧化器。霧化介質(zhì)通過進(jìn)液口進(jìn)入噴嘴。endprint

負(fù)高壓電暈荷電由于啟暈電壓低，液體荷電相對容易，操作簡單，是較為理想適用的荷電方法，故荷電形式采用負(fù)高壓電暈荷電方式。荷電裝置是在雙流體霧化器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的，如圖1（b）所示，其中電暈荷電電極設(shè)計(jì)成“爪”狀，即在雙流體噴槍出口處對稱布置3個(gè)針狀銅質(zhì)電極。針狀電極尖端曲率半徑越小，電暈放電效果越明顯，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)為20 °，每根針狀電極間夾為45 °。為提高荷電裝置絕緣性，在電極表面包有聚四氟乙烯管，僅露出放電尖端，并且在電極背部設(shè)計(jì)有絕緣板。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

荷電雙流體噴霧射流系統(tǒng)包括霧化裝置、荷電裝置、液路系統(tǒng)和氣流管路系統(tǒng)組成。氣流管路系統(tǒng)中高壓氣體由空壓機(jī)流出后經(jīng)膨脹罐穩(wěn)壓后分為三路氣流，分別為霧化氣路、扇形氣路和啟閉氣路，通過調(diào)節(jié)閥對各路壓力參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；液路系統(tǒng)包括儲液罐、轉(zhuǎn)子流量計(jì)；霧化裝置包括雙流體霧化噴槍、電暈荷電電極；荷電裝置為負(fù)高壓靜電發(fā)生器，給電極提供負(fù)高壓（圖2）。

本試驗(yàn)是對各工況下荷電雙流體噴霧沉積均勻性進(jìn)行定性分析。設(shè)定坐標(biāo)系：噴嘴出口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿著噴霧中心線方向?yàn)檩S向即z軸，沿垂直于中心線的水平方向?yàn)閺较蚣磝軸（圖3）。采用控制變量法，分別在不同扇形壓力（PF）、霧化壓力（PC）、噴霧高度（Z）以及荷電電壓條件下進(jìn)行噴霧，徑向方向霧液通過集霧槽、量筒進(jìn)行收集與測量，測定時(shí)間為1 min，每組工況進(jìn)行3次重復(fù)測量，取平均值。為了便于將噴霧沉積均勻性進(jìn)行數(shù)值化標(biāo)定，數(shù)據(jù)分析時(shí)，將所采集的樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差變異系數(shù)（CV）作為指標(biāo)性參數(shù)，其值越小則說明噴霧沉積均勻性越好。變異系數(shù)計(jì)算公式：

CV=×100% （1）

其中，？墜為標(biāo)準(zhǔn)偏差，標(biāo)準(zhǔn)偏差可以衡量數(shù)組中樣本xi與樣本均值x的差距大小，其值越小說明xi在x附近，即數(shù)據(jù)分布集中，霧滴沉積的均勻性較好。標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算公式：

？墜= （2）

其中，n為樣本容量，xi為第i個(gè)集液槽內(nèi)液體體積。x為一組集液槽內(nèi)沉積量均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧化參數(shù)對噴霧沉積均勻性的影響

雙流體噴槍中霧化壓力和扇形壓力是改變噴霧形態(tài)的關(guān)鍵因素，霧化壓力越高，氣流與液體之間剪切力越大，越有利于液滴破碎；扇形壓力越大，噴霧錐角越大。試驗(yàn)在噴水質(zhì)量流量不變的條件下，通過改變噴槍的霧化壓力或扇形壓力，研究其對噴霧沉積均勻性的影響。結(jié)果如圖4、圖5所示，當(dāng)雙流體噴槍扇形壓力或霧化壓力改變時(shí)，會引起霧量分布的改變，增大扇形壓力，霧量分布變異數(shù)減小，沉積分布越均勻；增大霧化壓力，霧量分布變異數(shù)增大，沉積分布均勻性變差。由圖6、圖7可知，當(dāng)噴槍工作高度為40 cm時(shí)，霧量徑向分布呈對稱性，主流區(qū)域沉積霧量最大，兩側(cè)邊緣區(qū)域逐漸減小。在霧化壓力不變的條件下，增大扇形壓力，液滴的徑向動量增大，主流區(qū)域部分液滴向噴霧邊緣區(qū)域運(yùn)動，邊緣區(qū)域沉積量增大，霧量分布曲線變平緩，提高了沉積分布均勻性；在扇形壓力不變時(shí)，增大霧化壓力，主流區(qū)域液滴軸向動量增加，液滴不易向邊緣區(qū)域運(yùn)動，邊緣區(qū)域沉積量減少，霧量分布曲線變陡，霧量分布均勻性變差。

2.2 噴霧高度對噴霧沉積均勻性的影響

圖8是霧化壓力為70 kPa，扇形壓力為35 kPa時(shí)，噴槍在不同工作高度時(shí)霧量徑向方向的分布曲線，該曲線反映了不同高度每個(gè)位置的流量特性。噴霧的總流量隨著高度的增加呈現(xiàn)一定的減少，由于噴霧高度的增加使液滴在空中運(yùn)動停留的時(shí)間增加，微小液滴受到外部環(huán)境的影響易飄散、蒸發(fā)，不能沉積到目標(biāo)區(qū)域。隨著高度的增加液霧炬逐漸鋪展、沉積面積逐漸增大，所以曲線在徑向逐漸擴(kuò)張。由圖9可知，霧量分布變異系數(shù)隨著噴槍工作高度的增加而減小，噴霧沉積均勻性提高，并且隨著高度的增加，霧滴沉積分布變異系數(shù)的變化趨于穩(wěn)定。

2.3 荷電電壓對噴霧沉積均勻性的影響

從圖10可以看出，電極電壓對雙流體噴霧沉積均勻性的影響較大，增大電極電壓，可以有效地減小霧量分布變異系數(shù)，當(dāng)荷電電壓增大到8 kV時(shí)，霧滴沉積分布變異系數(shù)減小了約8%。分析認(rèn)為，隨著電極電壓的增大電場強(qiáng)度也不斷增大，液滴獲得的電荷量也相應(yīng)地增加，同種電荷之間的排斥作用增大，液滴均勻的速度分布范圍擴(kuò)大，因此，提高了噴霧沉積的均勻性。

2.4 荷電電壓對噴霧流場的影響

PIV（粒子圖像測速）技術(shù)是一種基于流場圖像相關(guān)分析的非接觸式二維流場測量技術(shù)?；赑IV技術(shù)對噴槍出口處的噴霧流場進(jìn)行測量分析，系統(tǒng)的荷電電壓從4 kV增大到12 kV，并與非荷電情況下的噴霧流場進(jìn)行對比，結(jié)果如圖11所示。噴霧荷電后使雙流體噴霧錐角稍微增大，噴霧核心區(qū)域流場均勻性提高。在靠近電極的位置，隨著荷電電壓的增大霧滴向上卷吸的現(xiàn)象越明顯，出現(xiàn)渦旋結(jié)構(gòu)，電極容易積液。這是由于電極附近的細(xì)小液滴在庫侖力、流體力的作用下形成渦旋結(jié)構(gòu)，細(xì)小霧滴受到渦流作用產(chǎn)生卷吸現(xiàn)象，吸附到電極上形成較大液滴，從而造成電極積液[11]。

3 結(jié)論

對影響荷電雙流體噴霧沉積均勻性的幾個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，①當(dāng)雙流體噴槍扇形壓力或霧化壓力改變時(shí)，會引起霧量分布的改變，增大扇形壓力，霧量分布變系異數(shù)減小，沉積分布越均勻；增大霧化壓力，霧量分布變異系數(shù)增大，沉積分布均勻性變差。②噴槍工作高度的增加提高了噴霧沉積的均勻性，但由于液滴在空中運(yùn)動時(shí)間的增加，微小液滴易飄散、蒸發(fā)，噴霧沉積的總流量減小。靜電場的參與，有效地改善噴霧流場的均勻性，當(dāng)荷電電壓的增大到某一臨界值時(shí)，其對噴霧沉積均勻性的影響也趨于飽和。

參考文獻(xiàn)：

[1] MLKVIK M，STAHLE P，SCHUCHMANN H P，et al. Two-fluid atomization of viscous liquids：The effect of atomizer construction on breakup process，spray stability and droplet size[J].International Journal of Multiphase Flow，2015，77：19-31.endprint

[2] ZAREMBA M，WEIB L，MALY M，et al. Low-pressure twin-fluid atomization：Effect of mixing process on spray formation[J].International Journal of Multiphase Flow，2017，89：277-289.

[3] 王軍鋒，姚 江，張宗海，等.外混式雙流體霧化器荷電噴霧流場特性[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，35（6）：649-655.

[4] 祁力鈞，傅澤田.不同條件下噴霧分布試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15（2）：107-111.

[5] 王 璐， 陳永成，蘇 迪，等.噴桿式噴霧分布均勻性試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015（10）：193-196.

[6] MUNIR A. Evaluation of spray uniformity distri-bution by environment friendly university boom sprayer test bench[J].Pakistan Journal of Agricultural Sciences，2006，43（1）：34-37.

[7] 陳志剛，吳春篤，孫英琨.負(fù)高壓電暈荷電噴霧沉積特性[J].高電壓技術(shù)，2008，34（11）：2440-2446.

[8] 茹 煜，金 蘭，周宏平，等.霧滴荷電特性對其沉積分布及黏附靶標(biāo)的影響[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)（自然科學(xué)版），2014，38（3）：129-133.

[9] TAKESHI FUKUDA，ASUMI SUZUKI，LIAO Y J，et al.Influence of spray conditions on droplet charge per unit volume for electrospray deposition[J].Journal of Aerosol Science，2014，77：38-49.

[10] COLBERT S A，CAIRNCROSS R A. A computer simulation for prediction electrostatic spray coating pattern[J].Powder Technology，2005，151：77-86.

[11] 王軍鋒，王貞濤，毛惠敏，等.雙流體荷電噴霧結(jié)構(gòu)的PIV測量[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（9）：107-111.endprint