錐射流模式下乙醇靜電噴霧液滴速度特性分析1)

甘云華江政緯 李海鴿

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510640)

(廣東省能源高效低污染轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心,廣州510640)

錐射流模式下乙醇靜電噴霧液滴速度特性分析1)

甘云華2)江政緯 李海鴿

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510640)

(廣東省能源高效低污染轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心,廣州510640)

研究液滴在靜電噴霧下的速度特性是理解噴霧形態(tài)的形成及演化的關(guān)鍵.結(jié)合錐射流模式下乙醇靜電噴霧實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了靜電噴霧二維軸對(duì)稱(chēng)模型.基于離散相液滴運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)相空氣運(yùn)動(dòng)方程、電場(chǎng)方程以及用戶(hù)自定義函數(shù)，進(jìn)行了數(shù)值求解，獲得了錐射流模式下的乙醇靜電噴霧形態(tài)、空間電場(chǎng)分布以及液滴速度場(chǎng)分布.考慮了不同空氣入口流速的影響，得到了乙醇/空氣同軸射流靜電噴霧形態(tài)的變化規(guī)律.結(jié)果表明，噴霧外圍液滴與空氣流場(chǎng)有較強(qiáng)的相互作用，導(dǎo)致噴霧中軸線附近的液滴速度分布變化較小，而在噴霧外圍處的液滴速度分布沿徑向劇烈變化；隨著空氣入口速度的增大，乙醇/空氣同軸射流靜電噴霧形態(tài)先趨于發(fā)散，當(dāng)空氣入口速度大于噴霧外圍液滴軸向速度時(shí)，噴霧形態(tài)則趨于聚攏.因此，除改變施加電壓、液體流量和電極結(jié)構(gòu)外，通過(guò)控制空氣入口速度來(lái)影響噴霧液滴速度場(chǎng)，也可獲得不同的靜電噴霧效果.

錐射流，靜電噴霧，液滴速度，噴霧形態(tài)

引言

靜電噴霧是產(chǎn)生粒徑在微米或納米量級(jí)液滴的行之有效的方法.相比于傳統(tǒng)的機(jī)械霧化[1-2]，該技術(shù)產(chǎn)生的液滴具有較好的單分散性，因此已被廣泛應(yīng)用在諸多場(chǎng)合，包括靜電沉積[3-6]、電噴霧質(zhì)譜探測(cè)[7]、食品和藥物加工[8-9]、噴霧冷卻[10]、燃料噴霧燃燒[11-13]等.靜電噴霧[14]通常是指在靜電場(chǎng)的作用下將液體通過(guò)毛細(xì)管?chē)娚溥M(jìn)入氣體介質(zhì)中，液滴帶電后在毛細(xì)管出口處受表面張力、靜電力等聯(lián)合作用后形成細(xì)小射流，并進(jìn)一步破碎成微小的單分散性液滴.根據(jù)施加電壓、液體流量、電極結(jié)構(gòu)以及液體物性的不同，靜電噴霧可產(chǎn)生不同的噴霧模式.其中，錐射流模式下的噴霧相對(duì)穩(wěn)定且產(chǎn)生的液滴粒徑分布較為均勻.在錐射流模式下，在毛細(xì)管口處形成穩(wěn)定的半月?tīng)畹囊哄F(也稱(chēng)泰勒錐)，在泰勒錐頂端會(huì)噴射出一股細(xì)小射流，射流因其不穩(wěn)定性而破碎成液滴群，隨后液滴群在電場(chǎng)力等作用下運(yùn)動(dòng).目前的研究大多集中于泰勒錐的形成和演變[15-21]，以及射流的不穩(wěn)定性[22-23]，而關(guān)于噴霧液滴的相關(guān)特性的研究還比較少.

Ga?n′an-Calvo等[24]通過(guò)利用拉格朗日模型求解帶電液滴的動(dòng)量方程，對(duì)靜電噴霧開(kāi)展了數(shù)值模擬研究，揭示了噴霧液滴群的一些空間和統(tǒng)計(jì)學(xué)特性.Hartman等[25]采用類(lèi)似的方法對(duì)不同液體流量和電壓下的乙二醇靜電噴霧液滴運(yùn)動(dòng)演變進(jìn)行了模擬，對(duì)比模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果后發(fā)現(xiàn)液滴帶電量與液滴直徑的1.5次方成線性關(guān)系，這與Tang等[26]通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果相一致.Ga?n′an-Calvo等[27]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析獲得了液滴帶電量和粒徑以及噴霧電流三者之間的標(biāo)度律關(guān)系，并指出其與液體的黏度和電導(dǎo)率緊密相關(guān).Gan等[28-29]針對(duì)乙醇在兩種不同的電極結(jié)構(gòu)下的靜電噴霧特性開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和模擬研究，得出了無(wú)因次流量和無(wú)因次液滴粒徑以及無(wú)因次流量和無(wú)因次噴霧電流之間的標(biāo)度律關(guān)系.陳效鵬等[30-32]則研究了多毛細(xì)管?chē)婌F的模式轉(zhuǎn)變以及穩(wěn)定特性，并發(fā)現(xiàn)在不同數(shù)量毛細(xì)管的穩(wěn)定噴霧模式下，其噴霧起始電壓、電流以及粒徑和流量之間的關(guān)系有著相似的規(guī)律.可以看出，以上研究均主要關(guān)注靜電噴霧過(guò)程中的靜態(tài)參數(shù)特性，如噴霧電流、液滴粒徑以及帶電量分布等，而有關(guān)噴霧形態(tài)以及液滴運(yùn)動(dòng)特性的研究較少.

研究液滴在靜電噴霧下的運(yùn)動(dòng)特性有助于深入理解噴霧形態(tài)的形成及演變過(guò)程.Zhang等[33]通過(guò)建立二維拉格朗日模型，研究了液--液靜電噴霧中液滴群的運(yùn)動(dòng)特性，并分析了液滴粒徑和帶電量對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響.Arumugham-Achari等[34]考慮因蒸發(fā)帶來(lái)的液滴傳熱傳質(zhì)效應(yīng)，將其添加至拉格朗日模型中，通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)比了3種不同物性的液體噴霧情況.Yi[35]則通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得了液體靜電噴霧在不同溫度環(huán)境下的液滴粒徑和速度的空間分布，同時(shí)依此計(jì)算得到液滴的蒸發(fā)常數(shù).可以看出，目前針對(duì)靜電噴霧中液滴速度場(chǎng)的研究還比較少，空間電場(chǎng)及空氣流場(chǎng)對(duì)液滴速度場(chǎng)的形成及分布的影響還值得進(jìn)一步探討.本文將在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立噴霧液滴運(yùn)動(dòng)模型，考慮空間電場(chǎng)和空氣流場(chǎng)的作用，對(duì)錐射流模式下乙醇靜電噴霧進(jìn)行數(shù)值模擬，以獲得空間電場(chǎng)分布以及噴霧液滴的速度分布，并考察空氣流場(chǎng)對(duì)噴霧液滴速度分布的影響規(guī)律，可為以乙醇為燃料的小型荷電噴霧燃燒器的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文針對(duì)乙醇靜電噴霧的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.液體乙醇由微量注射泵控制在一定流量下注入不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)，通過(guò)在毛細(xì)管和金屬網(wǎng)格之間施加一定的電勢(shì)差，使得毛細(xì)管口的乙醇液滴接觸荷電并在靜電力的作用下破碎成更多的小液滴，隨后在電場(chǎng)力的作用下朝向金屬網(wǎng)格移動(dòng)，并在毛細(xì)管口和金屬網(wǎng)格之間形成持續(xù)穩(wěn)定的噴霧區(qū).實(shí)驗(yàn)采用的毛細(xì)管內(nèi)徑為0.9mm，毛細(xì)管口與金屬網(wǎng)格之間的距離H為26mm.為獲得穩(wěn)定的錐射流噴霧，實(shí)驗(yàn)中乙醇體積流量設(shè)置為3mL/h，毛細(xì)管與金屬網(wǎng)格之間的電勢(shì)差為5kV.

利用相位多普勒分析儀(phase Doppler anemometer，PDA)對(duì)上述噴霧區(qū)中乙醇液滴的粒徑和速度分布進(jìn)行測(cè)量和分析.同時(shí)，為獲得霧滴的荷電情況，對(duì)噴霧區(qū)中的噴霧電流進(jìn)行測(cè)量，即測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)金屬網(wǎng)格上收集到的液滴帶電量.如圖 1所示，在金屬網(wǎng)格和電源地極之間串聯(lián)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻(1M?)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀(Agilent 34970A)的直流電壓端口測(cè)量電阻上的電壓，根據(jù)歐姆定律可計(jì)算得到噴霧電流.

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型及求解方法

針對(duì)錐射流模式下噴霧區(qū)的特點(diǎn)，建立二維軸對(duì)稱(chēng)模型，如圖2所示.圖中毛細(xì)管內(nèi)徑為0.9mm，模擬計(jì)算區(qū)域?yàn)?0mm×30mm.為提高模擬精度，減少計(jì)算所需內(nèi)存和模擬時(shí)間，對(duì)毛細(xì)管口附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密劃分.計(jì)算時(shí)使用三套網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性考核，最終確定計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)目為28016.

使用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，利用離散相模型模擬噴霧區(qū)中的液滴，并采用與連續(xù)相的空氣流場(chǎng)雙向耦合計(jì)算方法.離散相采用非穩(wěn)態(tài)粒子追蹤，粒子計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為5×10?5s.連續(xù)相采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，湍流計(jì)算使用Realizablek-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法.通過(guò)設(shè)置用戶(hù)自定義標(biāo)量(user de fi ned scalar，UDS)引入電場(chǎng)，編寫(xiě)用戶(hù)自定義函數(shù)(user de fi ned function，UDF)引入電場(chǎng)力并將其作為體積力加入到液滴的動(dòng)量方程，從而實(shí)現(xiàn)空氣流場(chǎng)、離散霧場(chǎng)和空間電場(chǎng)的耦合模擬.

如圖2所示，兩個(gè)開(kāi)放邊界分別代表空氣入口和空氣出口，其邊界類(lèi)型分別設(shè)置為速度入口和壓力出口，毛細(xì)管和網(wǎng)格的邊界類(lèi)型均設(shè)置為壁面.

圖2 二維軸對(duì)稱(chēng)模型示意圖Fig.2 Schematic of the 2D axisymmetric model

2.2 液滴運(yùn)動(dòng)模型

在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的帶電液滴主要受到黏滯阻力、重力、電場(chǎng)力和帶電液滴間的庫(kù)倫斥力作用.帶電液滴在軸線方向上的庫(kù)倫斥力基本相互抵消[3]，對(duì)液滴的軸向速度計(jì)算影響較小，因此本模型未加考慮.液滴在噴霧區(qū)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間處于毫秒量級(jí)，忽略液滴蒸發(fā)帶來(lái)的影響.經(jīng)計(jì)算，液滴所受重力大小較電場(chǎng)力和黏滯阻力小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此忽略液滴重力.此外，假設(shè)液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終為球形，且其帶電量不隨時(shí)間變化.基于以上分析，利用拉格朗日法計(jì)算單個(gè)帶電液滴在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，可得到其運(yùn)動(dòng)方程為

式中，ρ,d和u分別為液滴的密度(kg/m3)、直徑(m)和速度(m/s)，下標(biāo)i代表第i個(gè)液滴，F(xiàn)d和Fe分別為液滴所受到的黏滯阻力(N)和電場(chǎng)力(N).

由于液滴為球形，則其所受阻力為

式中，CD為阻力系數(shù)，ρg為空氣密度(kg/m3)，ug為空氣速度(m/s).

由文獻(xiàn)[20]可知阻力系數(shù)為

式中，Re為液滴的雷諾數(shù).

帶電液滴在電場(chǎng)中所受的電場(chǎng)力為

式中，q為液滴帶電量(C)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m).電場(chǎng)強(qiáng)度可由空間電勢(shì)(φ)得到，即

靜電場(chǎng)中空間電勢(shì)分布滿足泊松方程

式中，ρ0為空間電荷密度(C/m3)，ε0為空氣介電常數(shù)(C2/N·m?2).空間電荷是指由于電極放電和帶電液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中使空氣電離而產(chǎn)生的分布在空氣中的電荷.由于本文中靜電霧化采用的電極電壓(5kV)相對(duì)較低，因此忽略電極放電的影響.此外，本文采用的乙醇流量 (3mL·h?1)也很小，故空氣中液滴分布較為稀疏，同時(shí)經(jīng)測(cè)算，液滴的平均帶電量?jī)H為1.70×10?13C，因此帶電液滴對(duì)空間電勢(shì)分布的影響可忽略.綜上，可以忽略空間電荷對(duì)電勢(shì)分布的影響，即ρ0=0，則上式可簡(jiǎn)化為拉普拉斯方程

2.3 空氣運(yùn)動(dòng)模型

假設(shè)空氣為不可壓縮流體，且其運(yùn)動(dòng)為絕熱過(guò)程.液滴受到空氣的黏滯阻力反作用于周?chē)諝獠?dòng)空氣運(yùn)動(dòng)，假設(shè)單元控制容積中的相對(duì)黏滯阻力為d(r,z)，則穩(wěn)態(tài)下空氣運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程及動(dòng)量方程可表示為

式中，ur和uz分別為空氣徑向速度(m/s)和軸向速度 (m/s)，μg為空氣動(dòng)力黏度 (Pa·s).

2.4 初始條件

為得到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，需確定計(jì)算模型的初始條件，包括乙醇液滴的粒徑分布、帶電量、初始速度以及初始位置等.由PDA測(cè)量得到噴霧區(qū)液滴的平均直徑為23μm，使用Rosin-Rammler方法產(chǎn)生隨機(jī)液滴粒徑分布.根據(jù)文獻(xiàn)[24]，液滴的平均帶電量可由噴霧電流和液體體積流量確定

式中，qave為平均液滴帶電量(C)，dave為平均液滴直徑(m)，I為噴霧電流(A)，Q為液體體積流量(m3/s).

由文獻(xiàn)[27]，隨機(jī)產(chǎn)生的不同粒徑的液滴帶電量與其粒徑服從以下關(guān)系

在錐射流模式下的噴霧液滴的產(chǎn)生位置通常在中軸線上，初始無(wú)徑向偏移.考慮到泰勒錐的長(zhǎng)度，設(shè)置噴霧液滴初始位置在中軸線上，位于毛細(xì)管口上方1mm處.根據(jù)PDA實(shí)驗(yàn)測(cè)得的射流破碎位置液體的流速，噴霧液滴的初始軸向速度設(shè)為8m/s，初始徑向速度為0.

3 結(jié)果與分析

3.1 模型驗(yàn)證

乙醇靜電噴霧實(shí)驗(yàn)拍攝得到的噴霧照片和數(shù)值計(jì)算得到的噴霧形態(tài)如圖3所示.對(duì)比兩者的外部輪廓(outline of the spray)可以看出兩者的噴霧區(qū)形態(tài)相似，但相比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，模擬的噴霧未出現(xiàn)明顯的分界面(interface of the spray)，這是由于在模擬計(jì)算中未考慮帶電液滴間的庫(kù)倫斥力造成的.實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值計(jì)算得到的噴霧液滴在中軸線上的軸向速度對(duì)比如圖4所示.可以看出，兩者吻合較好，實(shí)驗(yàn)值與模擬值的相對(duì)誤差為?12.9%～14.7%，進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性.

圖3 噴霧實(shí)拍圖(左)和模擬圖(右)對(duì)比Fig.3 Comparison between the experimental(left)and calculated(right)spray shape

從圖4可見(jiàn)，在由毛細(xì)管口向網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，中心軸線上液滴的軸向速度先增大后減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定.空間電場(chǎng)強(qiáng)度軸向分量Ez在中心軸線上的分布如圖5所示.可以看出，在靠近毛細(xì)管口處中心軸線上的軸向電場(chǎng)強(qiáng)度不斷減小，在距毛細(xì)管口大于10mm之后趨于穩(wěn)定，大小約為管口處的1/5.由式(1)可知液滴主要在空氣阻力和電場(chǎng)力的作用下運(yùn)動(dòng)，在管口處由于液滴所受電場(chǎng)力大于其空氣阻力，導(dǎo)致液滴加速.隨著軸向電場(chǎng)強(qiáng)度的急劇減小，液滴所受電場(chǎng)力也急劇減小，空氣阻力開(kāi)始對(duì)液滴起主導(dǎo)作用，液滴軸向速度因此不斷減小.由式(2)可知，液滴所受空氣阻力會(huì)隨其速度減小而不斷減小，并逐漸與電場(chǎng)力達(dá)成平衡，因此液滴軸向速度逐漸趨于穩(wěn)定.

圖4 中軸線上液滴軸向速度分布Fig.4 The axial velocity distribution of droplets along the central axis

圖5 中軸線空間電場(chǎng)分布Fig.5 The distribution of electric fi eld intensity along the central axis

3.2 空間電場(chǎng)與液滴速度場(chǎng)分布

圖6(a)和圖6(b)分別為空間電場(chǎng)強(qiáng)度軸向分量和徑向分量沿徑向的分布曲線，圖7(a)和圖7(b)分別為液滴軸向速度和徑向速度沿徑向的分布曲線，各考察了距離毛細(xì)管口10mm,15mm,20mm以及25mm四個(gè)截面的情況.由圖7(a)可知，不同截面離毛細(xì)管口越近液滴軸向速度越大，且噴霧中心軸附近的液滴軸向速度比噴霧外圍的液滴大.圖7(b)表明，在中心軸附近一定距離之間的液滴徑向速度最大，這可由空間電場(chǎng)徑向分量的分布(圖6(b))來(lái)解釋?zhuān)涣硗饪梢钥闯鲈趜=25mm截面上，盡管徑向電場(chǎng)強(qiáng)度趨近于0，但液滴徑向速度仍沿徑向不斷增加，這是因?yàn)橐旱斡蓢娍谙蚓W(wǎng)格運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其電勢(shì)能不斷轉(zhuǎn)換為液滴的動(dòng)能和空氣的動(dòng)能，在噴口附近液滴對(duì)空氣進(jìn)行加速，使空氣沿軸向往網(wǎng)格流動(dòng)，而在網(wǎng)格附近往四周流動(dòng)的空氣反而對(duì)液滴產(chǎn)生加速作用，使霧趨于發(fā)散.值得注意的是，中心軸線附近的液滴速度分布較為穩(wěn)定，而在噴霧邊緣處的液滴速度分布沿徑向劇烈變化，這是由于噴霧液滴群與周?chē)諝饬鲌?chǎng)發(fā)生動(dòng)能交換的主要位置位于噴霧區(qū)與空氣的交界面，即噴霧外圍.由此可見(jiàn)靜電噴霧是一個(gè)電場(chǎng)、液滴群和空氣流場(chǎng)三者耦合的過(guò)程.

圖6 不同z截面電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.6 The distribution of electric fi eld intensity with di ff erent z-sections

圖7 不同z截面液滴速度分布Fig.7 The velocity distribution of droplets with di ff erent z-sections

3.3 空氣同軸進(jìn)氣速度對(duì)噴霧的影響

在實(shí)際應(yīng)用中，靜電噴霧可能會(huì)處于不同的環(huán)境狀態(tài)中，由此本文基于上述數(shù)值模型和方法對(duì)不同空氣入口速度下的靜電噴霧形態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析.圖8為乙醇/空氣同軸射流靜電噴霧過(guò)程，考察空氣入口速度分別為為0m/s,0.5m/s,1m/s,2m/s,3m/s時(shí)噴霧形態(tài)以及流場(chǎng)的變化情況.圖9為不同空氣入口速度下，乙醇流量為3mL/h時(shí)的噴霧形態(tài)變化情況，圖10(a)和圖10(b)分別為在z=20截面上的液滴軸向速度和徑向速度分布情況.由圖9可以看出，當(dāng)空氣入口速度由0增大到1m/s時(shí)，噴霧形態(tài)趨于發(fā)散；但隨著空氣速度繼續(xù)增大，噴霧形態(tài)開(kāi)始趨于聚攏.結(jié)合液滴群的軸向速度分布來(lái)分析，可解釋上述現(xiàn)象.從圖7(a)中可以看出，噴霧外圍液滴軸向速度在1m/s左右，當(dāng)空氣入口速度同樣為1m/s時(shí)，噴霧外圍液滴在軸向上相對(duì)于空氣的速度很小，此時(shí)其徑向速度(見(jiàn)圖7(b))占主導(dǎo)作用，驅(qū)使外圍液滴沿徑向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致噴霧形態(tài)發(fā)散；當(dāng)空氣入口速度繼續(xù)逐漸增大時(shí)，空氣對(duì)液滴產(chǎn)生加速作用，導(dǎo)致液滴軸向速度增大(見(jiàn)圖10(a))，液滴在抵達(dá)網(wǎng)格前的運(yùn)動(dòng)時(shí)間縮短.而不同空氣流速下同一截面上的外圍液滴徑向速度基本相等(見(jiàn)圖10(b))，因此外圍液滴來(lái)不及沿徑向發(fā)散便已到達(dá)網(wǎng)格，導(dǎo)致噴霧形態(tài)趨于聚攏.由上可知，通過(guò)控制同軸空氣入口速度來(lái)影響噴霧液滴速度場(chǎng)，也可獲得不同的靜電噴霧效果.

圖8 乙醇/空氣同軸射流靜電噴霧示意圖Fig.8 Schematic of the electrospraying of coaxial ethanol/air

圖9 不同空氣入口速度下的噴霧形態(tài)(乙醇流量3mL/h)Fig.9 E ff ect of the air inlet velocity on the spray shape of ethanol(at the fl ow rate of 3mL/h)

圖10 不同空氣速度下液滴速度分布(z=20mm)Fig.10 E ff ect of the air velocity on the velocity distribution of droplets(z=20mm)

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)錐射流模式下的乙醇靜電噴霧開(kāi)展數(shù)值模擬，對(duì)噴霧區(qū)空間電場(chǎng)和液滴速度場(chǎng)的分布進(jìn)行了分析，并探討了空氣流速對(duì)乙醇/空氣同軸射流靜電噴霧形態(tài)的影響，主要結(jié)論如下：

(1)液滴向網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其電勢(shì)能不斷轉(zhuǎn)換為液滴的動(dòng)能和空氣的動(dòng)能，在噴口附近液滴對(duì)空氣進(jìn)行加速，使空氣沿軸向方向往網(wǎng)格流動(dòng)，而在網(wǎng)格附近往外部流動(dòng)的空氣對(duì)液滴產(chǎn)生加速作用，使噴霧趨于發(fā)散.

(2)由于噴霧液滴群與周?chē)諝獍l(fā)生動(dòng)能交換的主要位置位于噴霧與空氣的交界面，導(dǎo)致噴霧中心軸線附近的液滴速度分布較為穩(wěn)定，而在噴霧外圍的液滴速度分布沿徑向劇烈變化.

(3)隨著同軸空氣流速的增大，乙醇/空氣同軸射流靜電噴霧先趨于發(fā)散；當(dāng)空氣入口速度大于噴霧外圍液滴軸向速度時(shí)，噴霧趨于聚攏.因此可通過(guò)控制空氣入口速度來(lái)影響噴霧液滴速度場(chǎng)，從而獲得不同的靜電噴霧效果.

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A STUDY ON DROPLET VELOCITY OF ETHANOL DURING ELECTROSPRAYING PROCESS AT CONE-JET MODE1)

Gan Yunhua2)Jiang Zhengwei Li Haige
(School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou510640，China)
(Guangdong Province Engineering Research Center of High Efficient and Low Pollution Energy Conversion，Guangzhou510640，China)

An analysis on the velocity characteristics of droplets generated from electrospraying is the key to understand the formation and evolution of the spray shape.Combining with the experimental results of ethanol electrospraying at cone-jet mode,a two-dimensional axisymmetric model of electrospraying was established.Based on the droplet motion equations,air motion equations,electric fi eld equations and user-de fi ned functions,the model was numerically solved to obtain the spray morphology,the space electric fi eld distribution and the droplet velocity fi eld distribution at cone-jet mode.The e ff ect of air inlet velocity on the spray shape and velocity fi eld distribution of ethanol/air coaxial jet was also discussed.The results indicate that the air fl ow fi eld has a strong interaction with the droplets at the periphery of the spray,leading to a smooth variation of the droplet velocity distribution near the axis of the spray,while the droplet velocity distribution at the periphery of the spray varies drastically along the radial direction.As the coaxial air inlet velocity increases,the spray shape tends to diverge fi rst.But when the air inlet velocity increases to be greater than the axial velocity of the spray droplets,the spray shape tends to gather.Therefore,in addition to changing the applied voltage,liquid fl ow rate or electrode pattern,controlling the air inlet velocity to a ff ect the spray velocity fi eld can be an efficient way to control the electrospraying.

cone-jet,electrospraying,droplet velocity,spray shape

O361.4

A doi：10.6052/0459-1879-17-226

2017–06–20 收稿，2017–09–27 錄用,2017–09–27 網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表.

1)國(guó)家自然科學(xué)基金(51776077,51376066),廣州市科技計(jì)劃(201707010071)和內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(K2016-01)資助項(xiàng)目.

2)甘云華，教授，主要研究方向：荷電噴霧多相流，微尺度燃燒，微通道傳熱.E-mail:ganyh@scut.edu.cn

甘云華，江政緯，李海鴿.錐射流模式下乙醇靜電噴霧液滴速度特性分析.力學(xué)學(xué)報(bào),2017,49(6):1272-1279

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