液體物理性質(zhì)對微孔壓電超聲霧化效果的影響

張建桃， 湯鎮(zhèn)安， 尹選春， 文 晟， 蘭玉彬

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣東廣州 510642； 2.國際農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)聯(lián)合實驗室，廣東廣州 510642；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州 510642； 4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程基礎(chǔ)教學(xué)與訓(xùn)練中心，廣東廣州 510642)

微孔壓電超聲霧化是一種新型的超聲霧化方式，它利用壓電驅(qū)動的方式使流體通過孔徑為微米級的微孔板而形成霧滴，具有霧滴粒徑均勻細(xì)小、霧化效率高、功率消耗低等優(yōu)點[1-3]。該技術(shù)已被用于諸多領(lǐng)域，如工業(yè)制造中常用的噴霧熱解[4]與噴霧冷卻[5]、醫(yī)療衛(wèi)生中的氣霧吸入治療[6]、日常生活的空氣凈化[7]等都涉及了微孔壓電超聲霧化，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域該霧化方式最近還被用于防治蟲害[8]。隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展和噴霧技術(shù)的完善，噴施作業(yè)在達(dá)到防治蟲害效果的同時，更應(yīng)注重保護(hù)環(huán)境和節(jié)約用水[9]，這對噴霧的精度及可控程度提出了更高的要求，而微孔壓電超聲霧化在這些方面有一定優(yōu)勢[10]。

由于農(nóng)藥制劑品種繁多，且物理性質(zhì)差異較大[11]，因此研究液體物理性質(zhì)對微孔壓電超聲霧化效果的影響，對將微孔壓電超聲霧化廣泛應(yīng)用到精細(xì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有極其重要的意義。近年來，為探究微孔壓電超聲霧化效果的影響因素，不同應(yīng)用領(lǐng)域的研究者分別采用理論分析、模擬仿真、試驗研究等方法進(jìn)行了大量的研究。Maehara等設(shè)計出一種霧化片直徑為80 μm的微孔壓電超聲霧化器，研究了微孔數(shù)量對霧化量的影響，得出霧化流量與微孔的數(shù)量成正比的結(jié)論[12]。王國輝等研制出一種用于霧化吸入治療的霧化器，并以水作為工作流體對該微孔壓電超聲霧化器進(jìn)行了測試，得出影響霧滴粒徑大小的主要因素為微孔霧化片的孔徑，探討了霧滴粒徑與驅(qū)動電壓和驅(qū)動頻率的關(guān)系[13]。Dhand等在微孔壓電超聲霧化在臨床應(yīng)用中，得出霧滴粒徑主要取決于霧化片中微孔直徑和驅(qū)動頻率的結(jié)論[14-15]。Shen研發(fā)了一種鈸形高功率微孔壓電超聲霧化器，實現(xiàn)了薰衣草油的霧化，證明了微孔壓電超聲霧化器可用于霧化高黏度流體[16]。Kiyama等用扭轉(zhuǎn)郎之萬型微孔超聲霧化器進(jìn)行試驗，得出霧化黏度較高的硅油須要用更大孔徑的霧化片[17]。Percin等設(shè)計出一種微孔出口朝下的壓電超聲霧化器，通過有限元分析霧滴形成過程，得出霧化片在最低階諧振頻率下形變最大[18]。在有關(guān)液體物理性質(zhì)對微孔壓電超聲霧化效果影響的研究當(dāng)中，Ghazanfari等用Aeroneb霧化器進(jìn)行液體物理性質(zhì)對霧化效果影響試驗，當(dāng)工作流體為濃度低于30%的甘油水溶液時，隨著黏度的增加，霧滴粒徑增大，霧化流量減??；當(dāng)工作流體為無水乙醇和硅油時，得出霧滴粒徑隨著表面張力的降低而減小[19]。Beck-Broichsitter等用聚乙烯醇等有機溶劑作為工作流體，當(dāng)工作流體動力黏度為0.9～1.2 cP 時，霧滴粒徑隨黏度的增加而減小，當(dāng)動力黏度大于 1.2 cP時，霧滴粒徑隨黏度的增加而逐漸增大[20]。液體表面張力對霧化流量的影響則少有詳細(xì)研究，Maehara等初步研究得到霧化流量與液體的表面張力成正比的結(jié)論，但在試驗中未考慮工作流體的黏度等其他液體物理性質(zhì)的變化[12]。另外，現(xiàn)有微孔壓電超聲霧化試驗所研究的液體動力黏度的范圍大都在1.00～2.74 cP之間，對較大黏度液體的霧化效果少有研究。綜上所述，目前，在液體物理性質(zhì)等因素對微孔壓電超聲霧化效果的影響方面缺乏系統(tǒng)的研究。因此，本研究搭建微孔壓電超聲霧化效果試驗系統(tǒng)，用純水、乙醇、聚山梨酯-80、甘油等配制出不同物理性質(zhì)參數(shù)的溶液，研究液體物理性質(zhì)等對微孔壓電超聲霧化效果的影響，以期為農(nóng)用微孔壓電超聲霧化器的研制提供參考。

1 霧化器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 微孔壓電超聲霧化器結(jié)構(gòu)

本試驗采用的微孔壓電超聲霧化器(圖1)由霧化片、棉棒、盛液容器等組成，微孔壓電霧化片(圖2)是該霧化器的核心部件，它由圓形的金屬片和黏附在金屬片中心的空心環(huán)狀壓電陶瓷片組成，金屬基片的直徑為20.00 mm，厚度為 0.15 mm；壓電陶瓷片的外徑為16.00 mm，內(nèi)徑為8.00 mm，厚度為0.80 mm，額定驅(qū)動頻率為113 kHz。微孔壓電霧化片的中心區(qū)域為微錐孔群，霧滴從該區(qū)域噴出，該區(qū)域分布著約600個微孔，微孔呈上小下大的錐喇叭狀，錐角為40°。

1.2 理論分析

當(dāng)在壓電陶瓷片上施加正弦交流電信號，壓電陶瓷片由于逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生機械振動，帶動金屬基片發(fā)生諧振。由于霧化片的邊緣被固定，中心區(qū)域的位移最大，微錐孔群位移顯著增加，工作流體隨著振動而加速。微錐孔群中的微孔發(fā)生形變，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運動或彎曲振動，從微孔下端進(jìn)入的液體在慣性力、表面張力、流體動力等的作用下從微孔上端擠出，從而達(dá)到噴霧效果。若液體在微錐孔受到的腔內(nèi)壓力能維持足夠長時間，而且能克服慣性和表面張力，霧滴就能連續(xù)噴出。參考現(xiàn)有文獻(xiàn)對霧化機理的推斷[21]，并結(jié)合實際的觀察，微孔壓電超聲霧化過程可以具體分為以下幾個階段：(1)金屬基片從上止點振動到下止點，微錐孔內(nèi)容積增大，腔內(nèi)壓力為正，工作流體向上流入容腔；(2)金屬基片從下止點向上彎曲振動，微錐孔內(nèi)容積減小，腔內(nèi)壓力為負(fù)，由于流體流動的慣性作用，容腔內(nèi)流體在極短的瞬間被擠壓向上，其中一部分急劇波動噴出形成粒徑較大的霧滴串，其余部分開始向孔內(nèi)回流；(3)回流流體沿著微錐孔內(nèi)壁移動，流體在孔內(nèi)部分逐漸變細(xì)，在多次往復(fù)運動中分別克服重力、回拉力及向外拉的表面張力，隨后斷裂形成霧滴脫離微孔，形成長尾并伴有微小的衛(wèi)星霧滴；(4)由于液體表面張力的作用，尾部霧滴加速追上頭部主體霧滴并融入其中，形成完整的霧滴，末端部分因過于細(xì)小，逐漸脫離并耗散在空氣中。

霧滴的平均粒徑[22]可以表示為

(1)

式中：k為修正因子；ν為霧滴從微孔噴出時的速度；D為霧化片孔徑；f為驅(qū)動頻率。k與液體的物理性質(zhì)如表面張力、黏度等有關(guān)；ν由聲壓、振幅等決定，即受驅(qū)動電壓影響。Brenn等依據(jù)該公式設(shè)計了一種金屬基片直徑為105 mm，有613個孔徑為41或76 μm微孔的壓電超聲霧化器，并初步研究了驅(qū)動頻率及驅(qū)動電壓對霧滴形成的影響[22]。

在霧化過程中，微孔內(nèi)的流體同時受到超聲振動的影響及微孔的邊界約束，當(dāng)前對微孔壓電超聲霧化原理一般用Plateau-Rayleigh不穩(wěn)定原理解釋[23]，當(dāng)液柱達(dá)到足夠的高度，自由液面變得不穩(wěn)定進(jìn)而被夾斷形成霧滴。如果表面張力波波長λ遠(yuǎn)小于微孔直徑D，霧滴將不能從微孔中噴出[22]，即

λ≥πD；

(2)

表面張力波波長可結(jié)合Kelvin方程[24]來計算，即

(3)

式中：λ為表面張力波波長；σ為工作流體的表面張力；ρ為工作流體的密度。

微孔霧化片的一面接觸液體，另一面接觸空氣，在2種不同介質(zhì)之間振動時會產(chǎn)生表面張力波。液體表面張力是促使液體表面收縮或抵抗液體表面伸張的力[25]，霧滴在脫離微孔的瞬間，表面張力的合力垂直于金屬基片指向霧滴內(nèi)部，與重力方向相反，即在霧滴向上噴射中起促進(jìn)作用。引入關(guān)于表面張力的無量綱數(shù)S[26]，其公式如下：

(4)

該無量綱數(shù)S是判定液體能否形成霧滴脫離霧化片的一個依據(jù)，霧滴從微孔噴出的條件為S≥1。

公式(4)忽略了工作流體的黏度在霧滴形成中的作用，在實際的霧化過程中會有黏滯能量耗散[27]。作用于液體的總能量在霧化過程中要克服黏滯能量耗散，克服表面張力，轉(zhuǎn)化為霧滴的動能以及改善霧化效果等。遵循能量守恒定律，黏滯能量耗散增加，可用于改善霧化效果的能量就會減少，因此較高的黏度會增加霧滴粒徑及減小霧化流量[28]。由于微孔壓電超聲霧化孔徑較小，因此黏度對霧滴粒徑的影響較大，引入表征黏度影響的無量綱數(shù)Re[22]，其公式如下：

(5)

式中：μ為工作流體的動力黏度；Re必須足夠大才可以保證霧滴從微孔中噴出，Re越小，黏滯力對霧滴的影響越明顯[29]，即黏度越大，對霧化效果的影響越顯著。

劉長庚等認(rèn)為霧滴粒徑由微孔大小、驅(qū)動能量、液體黏度、表面張力決定，并假設(shè)霧滴粒徑近似為微孔直徑大小，得到微孔壓電超聲霧化器在工作時的霧化流量Q[30]為

(6)

式中：n為霧化片上的微錐孔數(shù)目。

但該公式?jīng)]有考慮驅(qū)動能量、液體黏度、表面張力等對霧化流量的影響。

由上述理論分析可知，液體的物理性質(zhì)與霧滴形成條件相關(guān)，會影響霧滴粒徑和霧化流量，但具體的影響程度尚不清楚。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來看，還未見到有關(guān)液體物理性質(zhì)等因素對微孔壓電超聲霧化效果的影響的詳細(xì)研究及論述。

2 試驗系統(tǒng)及液體物理性質(zhì)等試驗因素水平的確定

2.1 試驗系統(tǒng)

試驗于2017年3—5月在國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心農(nóng)業(yè)航空噴施霧化實驗室進(jìn)行，室內(nèi)溫度控制為22.7 ℃，濕度為64%。采用微孔壓電超聲霧化效果測試系統(tǒng)測量液體物理性質(zhì)等對微孔壓電超聲霧化效果的影響，該系統(tǒng)的工作原理如圖3-a所示，信號發(fā)生器產(chǎn)生的電信號經(jīng)功率放大器放大后，激勵壓電陶瓷片產(chǎn)生超聲振動，引起微孔壓電霧化片共振并產(chǎn)生形變，使得與微孔接觸的液體在慣性力、表面張力、流體動力等共同作用下從微孔板擠出。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出信號的頻率可以改變引起霧化片振動的驅(qū)動頻率；通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出信號的電壓幅值、功率放大器的放大倍數(shù)可以改變施加在霧化片上的驅(qū)動電壓幅值，示波器用于測量輸出信號的頻率和電壓幅值。霧滴粒徑大小采用激光粒度儀測量，用體積分布中值粒徑(D50)作為霧滴粒徑的指標(biāo)，當(dāng)每次試驗中觀察到連續(xù)穩(wěn)定的霧化效果時開始進(jìn)行持續(xù)1 min的記錄，并通過計算機統(tǒng)計分析出D50。霧化流量則采用精度為0.01 g的電子天平，通過稱量法測出試驗前后霧化裝置的質(zhì)量，測量時間為1 min；計算出工作流體的減少量，即為霧化流量。為獲得更為精確的結(jié)果，每組重復(fù)試驗連續(xù)進(jìn)行5次，記錄其霧滴粒徑及霧化流量，并求平均值。

微孔壓電超聲霧化效果試驗系統(tǒng)實物如圖3-b所示，主要由激光粒度儀(型號：DP-02，購自珠海歐美克儀器有限公司，量程為1～1 500 μm，重復(fù)性誤差小于3%)、微孔超聲霧化器、電子天平(型號：YP-B5002，購自上海光正醫(yī)療儀器有限公司，量程為0～500 g，精度為0.01 g)、試驗升降臺、信號發(fā)生器(型號：WF1948，購自日本株式會社NF回路設(shè)計，正弦波頻率量程為1×10-8～3×107Hz，精度為0.01 μHz；輸出電壓量程為-10～10 V，精度為0.1 mV，輸出阻抗為50 Ω)、功率放大器(型號：HSA4014，購自日本株式會社NF回路設(shè)計，量程為0～90倍，輸出阻抗為50 Ω)、示波器(型號：GDS 2204A，購自深圳市鼎陽科技有限公司，采樣率為200 M，實時采樣頻率為2 GSa/s，通道數(shù)為4，最大輸入電壓為300 V)、計算機(型號：E500-1098，購自清華同方股份有限公司)等組成。壓電超聲微孔霧化器放置于電子天平上方，具體位置為激光粒度儀的準(zhǔn)直激光發(fā)生裝置與信號采集裝置正中間、激光光束正下方5 cm處。試驗過程中可通過試驗升降臺微調(diào)霧化器與激光粒度儀的垂直高度差，目的是使霧柱分散臨界點在激光光束正中間，統(tǒng)一測量標(biāo)準(zhǔn)以確保試驗數(shù)據(jù)的可信度。

2.2 表面張力水平的確定

液體的物理性質(zhì)主要有密度、黏度、表面張力等，由于液體的可壓縮性極小，如果液體的其他物理性質(zhì)和外部環(huán)境不發(fā)生變化，液體的密度基本不會改變[31]。因此，本研究不考慮液體密度對霧化效果的影響，重點分析表面張力和黏度對霧化效果的影響。同時考慮到霧化片孔徑、驅(qū)動頻率、驅(qū)動電壓對霧化效果的影響較大，因此本研究選擇表面張力、黏度、霧化片孔徑、驅(qū)動頻率、驅(qū)動電壓等5個影響因素，并對5個影響因素進(jìn)行單因素試驗研究，分析這5個因素對微孔壓電霧化效果的影響。為測量表面張力對微孔壓電超聲霧化效果的影響，須要選擇幾種表面張力相差較大，而黏度相差很小的液體。在過去關(guān)于表面張力對微孔壓電超聲霧化效果影響的研究中，常選用乙醇及其水溶液作為主要的工作流體。如Mccallion等研究表面張力對超聲霧化效果的影響時，采用黏度均較低的純水、10%甘油水溶液、乙醇等作為工作流體，這3種溶液的動力黏度差異較大[32]。劉聯(lián)勝等用純水、50%乙醇水溶液及無水乙醇作為工作流體進(jìn)行霧化效果試驗[33]。本研究在環(huán)境溫度為22.7 ℃，濕度為64%時，用表面張力儀(型號：BYZ-101，購自上海方瑞儀器有限公司)測量幾種液體的表面張力，用旋轉(zhuǎn)黏度計(型號：NDJ-SS/8S，購自上海越平科學(xué)儀器有限公司)測量其動力黏度，發(fā)現(xiàn)乙醇水溶液的表面張力隨乙醇濃度的增大而減小，動力黏度則先增大后減小(表1)，純水、50%乙醇水溶液、乙醇的動力黏度差異較大，試驗結(jié)果受到動力黏度的干擾。在測量表面張力對霧化效果的影響的試驗中，為盡可能減小黏度對試驗結(jié)果的干擾，本研究選用4種不同濃度的聚山梨酯-80水溶液作為工作流體。聚山梨酯-80作為一種表面活性劑，可顯著改變水的表面張力，從表1中可以看出，不同濃度聚山梨酯-80水溶液的動力黏度變化較小，表面張力變化明顯。因此，本研究選用純水及0.000 005%、0.000 015%、0.000 025%、0.000 050% 聚山梨酯-80水溶液為工作流體，對應(yīng)的5個表面張力值作為該因素的水平值，研究表面張力對微孔壓電超聲霧化效果的影響。

表1 乙醇、聚山梨酯-80水溶液的物理特性

2.3 黏度水平的確定

為研究黏度對微孔壓電超聲霧化效果的影響，須要選擇幾種動力黏度相差較大，而表面張力相差很小的液體。在環(huán)境溫度為22.7 ℃，濕度為64%時，由表2可知，純水及10%、20%、30%、40%、50%、60%甘油水溶液隨著濃度的增加，在動力黏度增加的同時，表面張力的變化較小，適合用于研究黏度對霧化效果的影響。本研究將10%、20%、30%、40%、50%甘油水溶液的動力黏度值作為黏度水平值，研究黏度對微孔壓電超聲霧化效果的影響。

表2 甘油溶液的物理特性

2.4 其他工況水平的確定

按一定梯度增加或減小霧化片孔徑、驅(qū)動頻率、驅(qū)動電壓等作為這3個試驗因素的水平值。霧化片孔徑選用5～19 μm，梯度為2 μm；驅(qū)動頻率選用105～160 kHz，梯度為 5 kHz；驅(qū)動電壓選用15～80 V，梯度為5 V。

綜上所述，對5個試驗因素設(shè)置的相應(yīng)水平如表3所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 表面張力對微孔壓電超聲霧化效果的影響

固定微孔壓電超聲霧化器的驅(qū)動頻率為113 kHz，驅(qū)動電壓幅值為35 V，選用孔徑為6、7、8、9、10 μm的霧化片，分別用純水及0.000 005%、0.000 015%、0.000 025%、0.000 050% 聚山梨酯-80水溶液進(jìn)行5組試驗，測量并記錄動力黏度相近的工作流體在不同表面張力下的霧滴粒徑和霧化流量，根據(jù)試驗結(jié)果繪制液體表面張力與霧滴粒徑的關(guān)系。由圖4可知，在液體動力黏度和其他試驗因素幾乎不變的條件下，霧滴粒徑隨著液體表面張力的增加而增大。由圖5可知，霧化流量隨著液體表面張力的增加而增大，此趨勢在霧化片孔徑為10 μm時尤為明顯，對應(yīng)記錄的試驗結(jié)果中，體積中徑最大值與最小值相差7.22 μm，霧化流量最大值與最小值相差0.45 g/min。試驗結(jié)果與Maehara等所得結(jié)論[12，19]一致。由公式(3)可知，液體表面張力越大，表面張力波越大，霧滴越能在空氣中維持更大的粒徑后再被夾斷。在霧化過程階段(4)中，液體表面張力增大促使更多的霧滴融合，形成更大的霧滴。若表面張力較小，末端部分就更容易脫離在空中飄散，使平均粒徑減小。同時在霧滴脫離微孔的瞬間，表面張力的合力垂直于金屬基片指向霧滴內(nèi)部，與重力方向相反，即在霧滴向上噴射中起促進(jìn)作用。表面張力越大，單位時間內(nèi)有越多的霧滴向上噴出，因此霧化流量較大。

表3 試驗因素水平值

3.2 動力黏度對微孔壓電超聲霧化效果的影響

固定微孔壓電超聲霧化器的驅(qū)動頻率為113 kHz，選用孔徑分別為5、9、13 μm的霧化片，分別用10%、20%、30%、40%、50%甘油水溶液進(jìn)行試驗。在預(yù)備試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)霧化片孔徑小于9 μm，驅(qū)動電壓幅值為35 V時，50%甘油水溶液無法出霧，但當(dāng)驅(qū)動電壓幅值增加到50 V后得到明顯改善，因此固定驅(qū)動電壓幅值為50 V。由圖6可知，當(dāng)霧化片孔徑為5 μm時，隨著動力黏度的增大，粒徑變化不明顯。從另外2組試驗數(shù)據(jù)所繪制的點線圖可以發(fā)現(xiàn)它們有共同的變化趨勢，即隨著動力黏度的增大，霧滴粒徑也逐漸增大，霧化片孔徑越大趨勢越明顯。當(dāng)霧化片孔徑為13 μm時，比較當(dāng)霧化動力黏度為1.32、7.78 cP時2種液體的體積中徑，兩者相差8.54 μm。由圖7可知，從圖中的3條關(guān)系線同樣可以發(fā)現(xiàn)相同的變化趨勢，即霧化流量隨著動力黏度的增大而減小，當(dāng)霧化片孔徑為13 μm，動力黏度從1.32 cP增大到1.94 cP時，霧化流量明顯減小。

上述試驗結(jié)果中，動力黏度與霧化流量關(guān)系與Ghazanfari等所得結(jié)論[19]一致，動力黏度對霧滴粒徑影響的結(jié)論與之不同，但與Beck-Broichsitter等所得結(jié)論[20]一致。結(jié)合分析認(rèn)為這與試驗選用霧化片孔徑有關(guān)，Ghazanfari在試驗中僅選用了孔徑為5 μm的霧化片，如“1.2”節(jié)理論部分階段(2)中提到的急劇噴出的霧滴很少，大部分液體要回流到孔內(nèi)，如階段(3)中所述經(jīng)過多個周期逐漸變細(xì)直至可從微錐孔噴出，由此延長了霧化時間，這也能解釋霧化流量隨動力黏度增加而減小。由霧化片孔徑為5 μm的動力黏度與粒徑關(guān)系曲線可證實微錐孔大小對高動力黏度流體霧化所得霧滴粒徑的限制，本試驗采用了更大孔徑的霧化片以減小該限制。在較大孔徑的霧化片中，急劇噴出的霧滴所占比例增加，霧化流量較大，這可從圖7中霧化片孔徑為13 μm的曲線中低黏度部分的斜率變化看出。隨著動力黏度增加，黏滯能量耗散增加，因為驅(qū)動電路提供的霧化能量一定，可用于細(xì)化霧滴的能量就會減少，液體變細(xì)周期縮短，即霧滴粒徑增大。

3.3 霧化片孔徑對微孔壓電超聲霧化效果的影響

固定驅(qū)動電壓幅值為50 V，驅(qū)動頻率為113 kHz，工作流體分別選取純水、40%甘油水溶液、60%甘油水溶液。由圖8、圖9可知，在保持其他影響因素不變的前提下，霧滴粒徑和霧化流量均隨霧化片孔徑的增大而增大。3種不同黏度的工作流體之間霧滴粒徑相差不大，但3種不同黏度的工作流體之間霧化量相差較大。即黏度對霧化流量的影響比對霧滴流量的影響要明顯得多。在驅(qū)動電壓幅值為50 V，頻率為 113 kHz 的條件下，霧化片孔徑增大到11 μm時，可霧化出60%甘油水溶液，表明加大霧化片微孔直徑是實現(xiàn)黏度大的液體霧化的有效途徑之一。60%甘油水溶液在霧化片孔徑為11、13 μm條件下的霧化流量很小，特別是在11 μm條件下，會發(fā)生堵塞情況，持續(xù)噴霧時間無法到達(dá)1 min，測得霧化流量僅有0.02 g/min，不足以分析出霧滴的體積中徑，因此圖8中60%甘油水溶液曲線上只記錄到4個數(shù)據(jù)。當(dāng)繼續(xù)加大霧化片孔徑，霧化流量會有明顯提高。以上趨勢符合理論分析中霧滴粒徑公式(1)，且與王國輝等所得結(jié)論[13]一致，表明霧化片孔徑是影響霧滴粒徑的主要因素，同時直接影響霧化流量的大小。

3.4 驅(qū)動頻率對微孔壓電超聲霧化效果的影響

固定驅(qū)動電壓幅值為50 V，選擇純水、0.000 050%聚山梨酯-80水溶液、50%甘油水溶液等作為工作流體，霧化片孔徑選用9 μm。由圖10可知，3條線有相似的變化趨勢，即在105～160 kHz范圍內(nèi)霧滴粒徑隨著驅(qū)動頻率的增大先增大后減小。當(dāng)工作流體為50%甘油水溶液時，最大的霧滴體積中徑為24.49 μm，此時對應(yīng)的驅(qū)動頻率為110 kHz；當(dāng)工作流體為純水和0.000 050%聚山梨酯-80水溶液時，體積中徑均在驅(qū)動頻率為115 kHz時測得最大值，分別為19.86、15.82 μm。由圖11可知，在不同驅(qū)動頻率的影響下，霧化流量先增大后減小。驅(qū)動頻率對霧化流量的影響比對霧滴粒徑的影響更明顯。霧化流量達(dá)到峰值所對應(yīng)的驅(qū)動頻率與霧滴粒徑達(dá)到峰值時基本吻合。當(dāng)工作流體為50%甘油水溶液、純水、0.000 050%聚山梨酯-80水溶液時，最大霧化流量分別為0.52、1.71、0.42 g/min。綜上所述，驅(qū)動頻率對霧滴粒徑與霧化流量的影響具有相同的變化規(guī)律，均為先增大后減小，且兩者達(dá)到峰值時所對應(yīng)的頻率非常接近。

本研究中霧滴粒徑與驅(qū)動頻率的關(guān)系與Maehara等得出的規(guī)律[12]是一致的。結(jié)合理論分析認(rèn)為，當(dāng)驅(qū)動電壓一定時，輸入功率也一定，即用于霧化的能量一定。在達(dá)到諧振頻率前，隨著驅(qū)動頻率的增大，振型逐漸變得復(fù)雜且無規(guī)律，導(dǎo)致壓電超聲振動的能量利用率減小，結(jié)合其工作原理，產(chǎn)生形變的利用率也隨之降低，霧滴粒徑增大。達(dá)到諧振頻率后，如公式(1)中的趨勢，驅(qū)動頻率越大，霧滴粒徑越小?？傮w上，驅(qū)動頻率呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)驅(qū)動頻率接近微孔壓電超聲霧化器的諧振點時能夠最有效地進(jìn)行工作，因此隨著驅(qū)動頻率的增大，霧化流量先增大后減小，在諧振頻率點達(dá)到峰值。

3.5 驅(qū)動電壓對微孔壓電超聲霧化效果的影響

固定微孔壓電超聲霧化器的驅(qū)動頻率為113 kHz，工作流體選取純水、0.000 050%聚山梨酯-80水溶液、60%甘油水溶液等。在預(yù)備試驗中選用孔徑為11 μm的霧化片，當(dāng)工作流體為60%甘油水溶液時，將電壓幅值增加到30 V可觀察到大顆粒液體黏附在霧化片上，不能形成霧滴噴出，當(dāng)驅(qū)動電壓增加到45 V時開始出霧，增加到60 V時霧化流量明顯提高，但霧化片迅速發(fā)熱致使用于吸附液體的棉棒變形，停止出霧。分析認(rèn)為使用孔徑≤11 μm的霧化片在霧化60%甘油水溶液時容易堵塞，造成短路現(xiàn)象，不宜進(jìn)行試驗。因此所選霧化片孔徑定為13 μm，進(jìn)行重復(fù)試驗。由圖12可知，在25～80 V的電壓幅值影響下，其中純水與0.000 050%聚山梨酯-80水溶液的霧滴粒徑隨著電壓幅值的升高先增大后減小，峰值對應(yīng)的電壓幅值約為70 V。60%甘油水溶液的霧滴粒徑有同樣的趨勢，峰值所對應(yīng)的電壓幅值在50 V附近。由圖13可知，電壓幅值對霧化流量的影響趨勢與對霧滴粒徑的影響類似，3種液體的霧化流量均隨著電壓的增大呈先增大后減小的趨勢。這是因為隨著驅(qū)動電壓的增加，功率增大，壓電陶瓷環(huán)片形變增大，使金屬基片及錐形微孔形變也增大，霧滴粒徑和霧化流量增大。同時驅(qū)動電壓增加直接使振幅增大，從而提高霧滴從微孔噴出時的速度，符合公式(1)的規(guī)律。當(dāng)驅(qū)動電壓達(dá)到一定值時，微孔的形變達(dá)到極限，霧化流量最大，稱為霧化最大電壓。當(dāng)驅(qū)動電壓超過霧化最大電壓時，由于空化作用，霧滴粒徑和霧化流量反而逐漸減小，該趨勢與Maehara等所得結(jié)論[12]一致。

純水與0.000 050%聚山梨酯-80水溶液的霧化起始電壓約為15 V，60%甘油水溶液的霧化起始電壓為25 V，這是因為微孔壓電超聲霧化需要輸入足夠大的輸入功率提供能量形成霧滴并噴出，霧化黏度越大的液體所需的輸入功率越大。改變驅(qū)動電壓就是改變輸入功率的有效方法，這表明增大輸入功率很可能是實現(xiàn)黏度稍大的液體通過微孔壓電超聲霧化的一個途徑。另一方面，純水與0.000 050%聚山梨酯-80水溶液在電壓幅值達(dá)到80 V時仍能出霧，而60%甘油水溶液在電壓幅值為70 V時幾乎觀察不到有霧滴形成。綜上分析可知，在微孔壓電超聲霧化中，動力黏度大的液體，霧化起始電壓更高，霧化最大電壓更低。液體的動力黏度越大，霧化所需的功率越大。

4 結(jié)論

本研究搭建了一個微孔壓電超聲霧化效果測試系統(tǒng)，研究了液體物理性質(zhì)等對微孔壓電超聲霧化效果的影響，重點探究液體的表面張力、黏度及各種工況對超聲霧化的霧滴粒徑和霧化流量的影響規(guī)律，最終得到以下結(jié)論：在液體黏度相近，霧化片孔徑、驅(qū)動頻率、驅(qū)動電壓相同的條件下，霧滴粒徑和霧化流量均隨著液體表面張力的增大而增大。在液體表面張力相近，其他工況參數(shù)相同的條件下，動力黏度越大，霧滴粒徑越大，霧化流量越小。在液體表面張力、黏度、驅(qū)動頻率及驅(qū)動電壓恒定的情況下，霧滴粒徑和霧化流量均隨孔徑的增大而明顯增大。當(dāng)工作流體為60%甘油溶液時，孔徑≤9 μm 的霧化片無法出霧，孔徑≥11 μm的霧化片有霧滴形成。在液體表面張力、黏度、霧化片孔徑及驅(qū)動電壓恒定的情況下，霧滴粒徑和霧化流量隨著驅(qū)動頻率的增大呈先增大后減小的趨勢，霧化流量達(dá)到峰值所對應(yīng)的驅(qū)動頻率與霧滴粒徑達(dá)到峰值時基本吻合。在液體表面張力、黏度、霧化片孔徑及驅(qū)動頻率恒定的情況下，霧滴粒徑和霧化流量隨著驅(qū)動電壓幅值的升高先增大后減小。液體的動力黏度越大，霧化所需的輸入功率越大，霧化起始電壓更高，提高驅(qū)動電壓有助于霧化黏度較大的液體。

本研究通過單因素試驗研究了液體物理性質(zhì)等因素對霧化效果的影響，為農(nóng)用微孔壓電超聲霧化器的研發(fā)提供了參考依據(jù)。由于液體的表面張力、黏度、密度等物理性質(zhì)難以同時調(diào)節(jié)，沒有進(jìn)行多因素試驗，不能進(jìn)行各因素對霧化效果影響的相關(guān)性分析。后續(xù)將從理論分析、數(shù)值計算等角度進(jìn)一步研究液體物理性質(zhì)等對微孔壓電超聲霧化效果的影響。