表面活性劑對二次霧化袋狀破裂特性的影響

吳炬暉,　章文斌,　趙　輝,　李偉鋒,　許建良,　劉海峰

(華東理工大學煤氣化及能源化工教育部重點實驗室,上海煤氣化工程技術研究中心,上海 200237)

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表面活性劑對二次霧化袋狀破裂特性的影響

吳炬暉,章文斌,趙輝,李偉鋒,許建良,劉海峰

(華東理工大學煤氣化及能源化工教育部重點實驗室,上海煤氣化工程技術研究中心,上海 200237)

以表面活性劑水溶液為液相介質、空氣為氣相介質,采用高速攝像機研究表面活性劑對二次霧化破裂性質的影響,重點闡述了破裂形變特征上的變化。研究結果表明:在形變特征方面,臨界膠束濃度(CMC)對二次霧化袋狀破裂形態(tài)有著重要影響,除了最大液滴直徑形變率(df,m/d0)基本不變,保持在1.64左右外,最大液環(huán)直徑形變率(dr,m/d0)、最大軸向生長率(lm/d0)、最大徑向生長率(hm/d0)和長寬比(lm/hm)等在表面活性劑質量分數(shù)小于CMC時均變化迅速,但在表面活性劑質量分數(shù)大于CMC后變化趨于平緩，dr,m/d0穩(wěn)定在4.16左右,lm/d0穩(wěn)定在6.36左右,lm/hm穩(wěn)定在1.53左右。

表面活性劑; 表面張力; 破裂形態(tài); 二次霧化; 液滴

液體霧化過程是將連續(xù)相、大體積的液體在氣體環(huán)境中轉變成離散相的液霧或其他更小液滴的物理過程[1],在化學、機械、航空、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護等各個領域都有廣泛的應用[2]。霧化過程有著如此的重要性,國內(nèi)外科學家對此進行了廣泛的理論和實驗研究[3-7]。通常霧化過程分成兩個階段,初次霧化和二次霧化。二次霧化根據(jù)韋伯數(shù)(We)大小依次劃分為:振蕩破裂、袋狀破裂、多模式破裂、剪切破裂和爆發(fā)式破裂。因為振蕩破裂模式進行緩慢,而且產(chǎn)生的液滴碎片尺寸不是很小,因此很多科學家忽略了振蕩破裂模式,把袋狀破裂作為二次霧化開始的標志,所以對袋狀破裂的研究顯得尤其重要。迄今為止,眾多學者已開展了很多關于二次霧化袋狀破裂的研究。在實驗研究方面：Chou等[8]較早采用了高速攝像對袋狀破裂初始液滴、液環(huán)、袋子等瞬時性質的實驗研究;Zhao等[9]研究了袋狀破裂生成的小液滴的尺寸和粒徑分布。在模擬研究方面：Jalaal等[10]用直接數(shù)值模擬(DNS)方法對袋狀破裂中液滴變形、分解、粒徑分布進行了研究;Sichani等[11]使用了一種新的模擬方法來研究液滴變形和二次破裂,該模型可以追蹤液滴變形和袋狀破裂,且臨界韋伯數(shù)(WeC)的預測值與實驗測量值之間的誤差約為20%。

表面活性劑在很低濃度時就能使水的表面張力顯著下降,但當濃度增加到一定值后,表面張力就不再下降或非常緩慢地下降。表面張力是霧化過程中的重要因素之一,目前,國內(nèi)外科學家關于表面張力對初次破裂影響的研究較多,而關于其對二次霧化影響的研究很少。Roché等[12]研究表明表面活性劑可以改變流體頸部在夾斷破裂時的稀化速率。有關表面張力對二次霧化影響的研究具有良好的科研前景和研究價值。

本文通過表面活性劑改變表面張力,研究了其對二次霧化袋狀破裂的影響,并重點闡述了表面活性劑溶液在破裂形變特征上的變化。

1　實驗設備及流程

1.1實驗流程

實驗流程如圖1所示,實驗裝置包括鼓風機、流量計、噴嘴、液滴生成器、高速攝像機。鼓風機產(chǎn)生的連續(xù)氣流經(jīng)過轉子流量計計量,然后由噴嘴噴出,形成一股連續(xù)穩(wěn)定的射流;實驗過程中通過液滴發(fā)生器產(chǎn)生大小均一的初始液滴,并在重力場作用下進入垂直作用的氣流場,液滴在受到氣動力后發(fā)生形變和破碎;整個液滴形變和破裂過程使用高速攝像機進行記錄,并通過ImageJ圖像處理軟件進行數(shù)據(jù)分析。

圖1　實驗流程示意圖Fig.1　Sketch of experimental arrangement

1.2實驗條件

本文是在標準大氣壓下,以表面活性劑溶液(使用超純水和表面活性劑配置)和空氣分別作為液相和氣相介質,研究了表面活性劑對二次霧化袋狀破裂性質的影響。雖然黏度對霧化過程有著非常重要的影響,其對二次破裂的影響研究也較多[13-16],但經(jīng)測量本文中添加w≤1%的表面活性劑后溶液黏度變化不大,因此不考慮黏度的影響。

實驗用噴嘴結構示意圖如圖2所示,依靠該噴嘴產(chǎn)生一個穩(wěn)定的氣流場,液滴進入流場后在氣動力作用下發(fā)生二次破裂,液滴下落位置距離噴嘴出口距離約為10 mm。本文使用了Photron Fastcam SA2高速攝像機,配合使用Nikon 24-85 mmf/2.8-4D AF Zoom鏡頭來捕捉實驗圖像。實驗中高速攝像機的參數(shù)為:幀數(shù)3 000 fps,曝光時間50 μs,分辨率1 024×1 024。相機垂直放置于袋子拉伸和破裂平面,焦點對準噴嘴射流中心線。運用ImageJ圖像處理軟件對高速攝像儀拍攝的圖片進行分析。

圖2　二次霧化噴嘴結構示意圖(單位:毫米)Fig.2　Atomizer configuration of secondary breakup(Unit:mm)

本文以十二烷基苯磺酸鈉(SDBS，化學式為C18H29NaO3S，相對分子質量348.48,化學純)為表面活性劑,配制不同質量分數(shù)的表面活性劑水溶液測量其表面張力并進行二次霧化袋狀破裂實驗。臨界膠束濃度(CMC)是指表面活性劑分子結合形成膠束的最低質量分數(shù)，它是表面活性劑的一個非常重要的性質,表面活性劑的一些物理和化學性質在臨界膠束濃度前后會發(fā)生突變[17]。當表面活性劑質量分數(shù)小于CMC時,溶液中表面活性劑分子以單體形式存在并分布在氣液界面；當表面活性劑質量分數(shù)增加時,氣液界面吸附量也增加,直至氣液界面布滿表面活性劑分子；當表面活性劑質量分數(shù)繼續(xù)增加將在溶液內(nèi)部不斷形成膠束,但表面張力不再發(fā)生變化[18]。因此,當表面活性劑質量分數(shù)超過CMC時表面張力趨于穩(wěn)定。實驗中表面張力通過上海方瑞儀器有限公司生產(chǎn)的QBZY系列界面張力儀進行測量,結果如圖3所示。由圖3可以看出,當水中含有極少量表面活性劑時,表面張力(σ)迅速下降;當表面活性劑質量分數(shù)大于0.1%時，表面張力變化趨于平緩,不再有明顯的降低。由此可以得到,本實驗條件下SDBS的臨界膠束濃度為0.1%。本文中氣體速度ug取15.7 m/s。

圖3　表面張力隨表面活性劑質量分數(shù)的變化關系Fig.3　Variation of surface tension with mass fraction of surfactant

2　結果與討論

2.1概述

自單一液滴進入高速流場的瞬間開始,在連續(xù)高速氣流的作用下,液滴不斷發(fā)生變形直至破裂?？v觀袋狀破裂過程,有4個主要階段:液滴變形、袋子生長、袋子破裂以及液環(huán)破裂。圖4所示為袋狀破裂過程實驗圖像。

圖4(a)～圖4(i)分別為初始時刻t0，以及初始時刻各增加4，7.33,9,10,10.67,12,12.33,14 ms時(t1～t8時刻)的實驗圖像。圖4(a)～4(c)為液滴變形階段。通過伯努利方程可以知道,球形液滴在迎著氣流方向上產(chǎn)生一個邊界層分離點,在背面發(fā)生邊界層脫離。分離點前后產(chǎn)生的壓力差使得液滴發(fā)生變形,中心變薄。在變形階段的最后時刻(圖4(c)),液滴變形程度達到最大,此時變形直徑(df)則相應地達到最大值(df,m)。圖4(d)～4(e)為袋子生長階段,當球形液滴在變形過程最后階段變成圓盤狀后,液滴迎風方向受到的氣動力增大,向背風方向擠壓。當環(huán)境氣流的氣動力持續(xù)增加,直至氣動力大于表面張力,氣動力占絕對優(yōu)勢,表面張力已經(jīng)難以抑制液滴變形,使得圓盤狀的液滴中心變薄,向背風方向鼓出氣球狀液膜。在氣動力的持續(xù)作用下,氣球狀袋子越吹越大。圖4(f)～4(h)為袋子破裂階段,袋子底部先開始破裂生成大量細小液滴,隨后不斷向液環(huán)處破碎,直至袋子全部破碎(圖4(h))。圖4(i)為液環(huán)破裂階段,液環(huán)在氣流的影響下發(fā)生擾動失穩(wěn)并破裂生成粒徑較大的液滴。

2.2液滴變形階段的形變特征

圖5示出了初始液滴直徑隨溶液中表面活性劑質量分數(shù)的變化。隨著表面活性劑質量分數(shù)的增加,初始液滴直徑(d0)呈逐漸減小的趨勢。當表面活性劑質量分數(shù)小于CMC時,d0下降迅速;當表面活性劑質量分數(shù)大于CMC時,d0趨于平穩(wěn),與圖3所示表面張力變化趨勢類似。

圖6所示為最大液滴直徑形變率(df,m/d0)隨表面活性劑質量分數(shù)的變化情況,可見,對于實驗范圍內(nèi)不同質量分數(shù)的表面活性劑溶液，液滴的df,m/d0基本不變,保持在1.64左右。

2.3袋子生長階段的形變特征

2.3.1液環(huán)形變特征圖7所示為最大液環(huán)直徑形變率(dr,m/d0)隨表面活性劑質量分數(shù)的變化情況,由圖7可知,dr,m/d0隨表面活性劑質量分數(shù)的增大而增大。而且,當表面活性劑質量分數(shù)小于CMC時,dr,m/d0增大迅速,當表面活性劑質量分數(shù)大于CMC時增大變緩,最終趨于平穩(wěn),穩(wěn)定在4.16左右。將數(shù)據(jù)擬合得到經(jīng)驗公式

(1)

式(1)中dr,w表示水的最大液環(huán)直徑,擬合公式(1)的相關系數(shù)為0.92。

2.3.2袋子形變特征圖8所示為最大徑向生長率(hm/d0)隨表面活性劑質量分數(shù)的變化情況?？梢奾m/d0隨質量分數(shù)增大而增大。而且,當溶液中表面活性劑質量分數(shù)小于CMC時，hm/d0增長迅速,當表面活性劑質量分數(shù)大于CMC時hm/d0增長變緩。

圖4　袋狀破裂過程實驗圖像(w=0.5%)Fig.4　Experimental image of bag breakup (w=0.5%)

圖5　初始液滴直徑隨表面活性劑質量分數(shù)的變化Fig.5　Variation of diameters of parent drop with mass fraction of surfactant

圖9所示為最大軸向生長率(lm/d0)隨表面活性劑質量分數(shù)的變化情況。由圖9所得,袋子在破裂之前，lm/d0也有隨表面活性劑質量分數(shù)增大而增大的趨勢,而且當表面活性劑質量分數(shù)小于CMC時,lm/d0增長迅速,當表面活性劑質量分數(shù)大于CMC時趨于穩(wěn)定，水的最大軸向生長率(lw/d0)為3.48,lm/d0穩(wěn)定在6.36左右。將數(shù)據(jù)進行擬合,得到經(jīng)驗公式

圖6　最大液滴直徑形變率隨表面活性劑質量分數(shù)的 變化曲線(虛線部分為水)Fig.6　Variation of maximum droplet diameter deformation rate with mass fraction of surfactant(short dash line shows water)

(2)

式(2)中l(wèi)w表示水的最大軸向直徑,擬合公式(2)的相關系數(shù)為0.95。

圖7　最大液環(huán)直徑形變率隨表面活性劑質量分數(shù)的 變化曲線Fig.7　Variation of maximum liquid ring diameter deformation rate with mass fraction of surfactant

圖8　最大徑向生長率隨表面活性劑質量分數(shù)的 變化曲線Fig.8　Variation of maximum radial growth rate of bag with mass fraction of surfactant

圖9　最大軸向生長率隨表面活性劑質量分數(shù)的 變化曲線Fig.9　Variation of maximum axial growth rate of bag with mass fraction of surfactant

圖10所示為最大長寬比(lm/hm)隨表面活性劑質量分數(shù)的變化情況。由圖10可知,純水的長寬比(lw/hw)為1.05,接近球形,lm/hm隨表面活性劑質量分數(shù)的增大呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢,穩(wěn)定在1.53左右,即當表面活性劑質量分數(shù)小于CMC時,軸向拉伸較快,當表面活性劑質量分數(shù)大于CMC時袋子長寬比趨于不變。將數(shù)據(jù)進行擬合,得到經(jīng)驗公式

(3)

擬合公式(3)的相關系數(shù)為0.71。

圖10　最大長寬比隨表面活性劑質量分數(shù)的變化曲線Fig.10　Variation of maximum length-width ratio of bag with mass fraction of surfactant

前文已經(jīng)提到,當表面活性劑質量分數(shù)大于臨界膠束濃度(CMC)時,開始形成膠束。當表面活性劑質量分數(shù)小于CMC時,溶液中表面活性劑分子以單體形式存在并分布在氣液界面,當表面活性劑質量分數(shù)增加時,氣液界面吸附量也增加,直至氣液界面布滿表面活性劑分子。表面活性劑分子繼續(xù)增加，將在溶液內(nèi)部不斷形成膠束,但表面張力不再發(fā)生變化。液體表面張力是抑制液滴二次破裂的一個重要因素[19],在袋子生長階段,表面活性劑質量分數(shù)小于CMC時,隨著表面活性劑質量分數(shù)增加,表面張力迅速下降,在表面張力這一重要阻力減小的情況下,袋子在氣動力作用下軸向和徑向拉伸程度變大,所以出現(xiàn)圖8和圖9中最大軸向和徑向生長率隨質量分數(shù)增大而增大的趨勢。當表面活性劑質量分數(shù)大于等于CMC時,表面張力趨于不變,而且氣動力也不變,因此參數(shù)變化趨于平緩,變化不大,如圖5,圖7～圖10中,表面活性劑質量分數(shù)大于CMC后各參數(shù)變化趨于平緩。

3　結　論

(1) 臨界膠束濃度(CMC)對二次霧化袋狀破裂形態(tài)有著重要影響。當水中含有極少量表面活性劑時,表面張力迅速下降；當表面活性劑質量分數(shù)大于0.1%時表面張力變化趨于平緩,不再有明顯的降低,由此得到本實驗條件下SDBS臨界膠束濃度為0.1%。

(2) 液滴變形階段:隨著表面活性劑質量分數(shù)增大,初始液滴直徑d0呈逐漸減小的趨勢。而且,當表面活性劑質量分數(shù)小于CMC時d0下降迅速,當表面活性劑質量分數(shù)大于CMC時d0趨于平穩(wěn)。變形直徑的最大形變率(df,m/d0)基本不變,保持在1.64左右。

(3) 袋子生長階段:最大液環(huán)直徑的形變率(dr,m/d0),最大軸向生長率(lm/d0)和最大徑向生長率(hm/d0),最大長寬比(lm/hm)均出現(xiàn)隨著表面活性劑質量分數(shù)增加而增大的趨勢,形變率在表面活性劑質量分數(shù)小于CMC時變化迅速,在大于CMC后變化趨于平緩。dr,m/d0穩(wěn)定在4.16左右,lm/d0穩(wěn)定在6.36左右,lm/hm穩(wěn)定在1.53左右。

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Influence of Surfactant on Secondary Atomization in the Bag Breakup Regime

WU Ju-hui,ZHANG Wen-bin,ZHAO Hui,LI Wei-feng,XU Jian-liang,LIU Hai-feng

(Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education,Shanghai Engineering Research Center of Coal Gasification,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

The influence of surfactant on secondary atomization in the bag breakup regime of surfactant solution was studied experimentally by high-speed camera using aqueous surfactant solution as liquid medium and atmosphere as gas medium.The change of deformation and time characteristics were elaborated.The results showed that,in the aspect of deformation characteristics,as a crucial parameter of surfactant,the critical micelle concentration (CMC) has an important effect on secondary atomization;all deformation parameters like maximum dimensionless rim diameters (dr,m/d0),radial length (lm/d0),axial length (hm/d0),length-width ratio (lm/hm) of bag changed fast except that the largest droplet diameter deformation rate kept about 1.64 when the surfactant concentration was below the CMC.However,the variation of these parameters turned to be steady when the surfactant concentration exceeded the CMC.dr,m/d0stabilized at about 4.16,lm/d0stabilized at about 6.36,andlm/hmstabilized at about 1.53.

surfactant; surface tension; morphology; secondary atomization; liquid droplet

A

1006-3080(2016)03-0329-06

10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.03.006

2015-11-13

國家自然科學基金資助項目(U1402272);上海自然科學基金資助項目(15ZR1409500);中央高?；究蒲袠I(yè)務費(WB1514074,WB1514076)

吳炬暉(1991-),男,浙江紹興人,碩士生,主要從事多相流氣液霧化方向研究。

通信聯(lián)系人：劉海峰,E-mail:hfliu@ecust.edu.cn

TQ022.4