基于旋轉(zhuǎn)圓盤的霧化裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

彭超華，劉忠飛，倪培永，喜冠南，施衛(wèi)東

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

旋轉(zhuǎn)圓盤霧化器是一種利用離心力和液體黏性力，將盤上的稀薄液膜高速甩出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液體霧化的裝置.該種類型的霧化裝置不僅具有流量上限高、霧化質(zhì)量容易控制等優(yōu)點(diǎn)，還可以用于高黏度或非均質(zhì)液體的霧化[1]，因此圓盤霧化裝置廣泛應(yīng)用于食品加工、汽車噴漆、工業(yè)冶金以及農(nóng)業(yè)農(nóng)藥噴灑等行業(yè)[2-5]，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊.

關(guān)于圓盤霧化的機(jī)理，前人已做了大量的研究.MATSUMOTO等[6]通過(guò)試驗(yàn)研究總結(jié)了旋轉(zhuǎn)圓盤邊緣液體脫離圓盤的3種形態(tài)特征，這些特征主要取決于圓盤的轉(zhuǎn)速，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速較低時(shí)，液體以零星液滴的方式直接脫離圓盤；當(dāng)圓盤的轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提升后，圓盤邊緣的液體又會(huì)逐漸演變?yōu)橐褐约耙耗さ刃问矫撾x圓盤.隨著研究的深入，上述3種液體脫離形式可以概括為液體在霧化器上的崩解所導(dǎo)致.WESTERLUND等[7]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，圓盤上的液體崩解主要是由流體力學(xué)的不穩(wěn)定性而產(chǎn)生，由開爾文-亥姆霍茲和瑞利-泰勒不穩(wěn)定性使得圓盤上的液膜上產(chǎn)生了不穩(wěn)定波，在圓盤離心力的作用下，圓盤上較稠密的部分推向較輕的部分，進(jìn)而發(fā)生了崩解.

霧化液滴的直徑是評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)圓盤霧化器性能最直接的指標(biāo)，已有不少學(xué)者對(duì)此做了相應(yīng)的研究.SENUMA等[8]通過(guò)高速攝影技術(shù)，研究了旋轉(zhuǎn)霧化器邊緣液柱的霧化過(guò)程，研究發(fā)現(xiàn)由液柱破碎形成的液滴直徑呈現(xiàn)雙眾數(shù)粒度分布，且液體的表面張力對(duì)液滴的尺寸有較大的影響.AHMED等[9]通過(guò)對(duì)多種旋轉(zhuǎn)霧化裝置進(jìn)行對(duì)比研究后發(fā)現(xiàn)，在同等條件下，當(dāng)裝置的工況處于液柱模式下，其霧化形成的液滴更加均勻且尺寸更小.WILSON等[10]通過(guò)高速陰影成像技術(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)鐘霧化器進(jìn)行了研究，相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著霧化器轉(zhuǎn)速的提高，霧化器邊緣的液柱和分離的液滴尺寸均有明顯的減小.

上述研究的共同點(diǎn)是多集中于小型金屬材質(zhì)的圓盤霧化試驗(yàn)，圓盤表面為非特殊性的一般材質(zhì)，并且通過(guò)分離式供液系統(tǒng)對(duì)霧化裝置進(jìn)行供水，這樣的試驗(yàn)設(shè)置不但忽略了液體本身動(dòng)能對(duì)霧化效果的影響，而且減弱了液體在圓盤上進(jìn)一步加速的能力.文中將在前人研究基礎(chǔ)之上，通過(guò)改進(jìn)霧化裝置的供液系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種較大圓盤的霧化裝置，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究，考察該裝置的霧化效果，希望可以為進(jìn)一步揭示圓盤霧化裝置的機(jī)理提供依據(jù).

1 方案選擇與裝置設(shè)計(jì)

1.1 方案選擇與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)圓盤霧化裝置的功能需求和技術(shù)指標(biāo)，可確定立式和臥式2種方案，如圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)盤霧化裝置設(shè)計(jì)方案示意圖

對(duì)于立式方案，該轉(zhuǎn)置主要依靠反應(yīng)臺(tái)架接觸地面進(jìn)行支撐，其余配件有供水管路、封裝外殼、旋轉(zhuǎn)主軸、轉(zhuǎn)盤、鎖緊螺母、軸承座、皮帶輪以及電動(dòng)機(jī).電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶以及皮帶輪與主軸軟性連接，這樣的設(shè)計(jì)具有運(yùn)行平穩(wěn)、液滴分布均勻等優(yōu)點(diǎn).

對(duì)于臥式方案，該轉(zhuǎn)置主要依靠反應(yīng)箱體接觸地面進(jìn)行支撐，其余配件有供水管路、反應(yīng)外殼、旋轉(zhuǎn)主軸、轉(zhuǎn)盤、鎖緊螺母、聯(lián)軸器以及電動(dòng)機(jī).電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與主軸剛性連接，這樣的設(shè)計(jì)具有傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).

考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工以及裝配等因素的限制，本研究最終選用立式方案.

考慮安全性、成本等多方面因素，文中采用外接220 V電源對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電，電動(dòng)機(jī)額定輸出功率為750 W，最高轉(zhuǎn)速2 800 r/min，額定電流1.79 A，額定扭矩2.3 N·m.根據(jù)文獻(xiàn)[10]所述，液滴從圓盤上脫落后的直徑取決于圓盤的轉(zhuǎn)速和圓盤的直徑大小，因此欲使分離的液滴達(dá)到微米級(jí)別，則液滴在圓盤分離的邊緣線速度須達(dá)到50 m/s以上.

R=v/ω,

(1)

ω=2πn,

(2)

式中：R為圓盤半徑；v為圓盤的邊緣線速度,m/s;ω為圓盤的角速度,rad/s;n為圓盤的轉(zhuǎn)速,r/s.聯(lián)立兩式，可得圓盤的半徑約為0.18 m，同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)冗余，取主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的傳動(dòng)比為1.0∶1.2,圓盤的半徑為0.2 m.設(shè)計(jì)的圓盤霧化裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)：質(zhì)量為90 kg，裝置尺寸為0.72 m×0.72 m×0.75 m，轉(zhuǎn)速為0～2 800 r/min，圓盤直徑為0.4 m，傳動(dòng)方式為帶傳動(dòng).

1.2 虛擬總裝配

通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[11]，基于邊設(shè)計(jì)邊校核的原則，完成相應(yīng)的主軸設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及軸承和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件的選型等工作.在三維設(shè)計(jì)軟件中，按照自上而下、先內(nèi)后外、先難后易的原則進(jìn)行整體裝配，并對(duì)裝置的裝配效果以及合理性進(jìn)行檢查，避免零部件之間的互相干涉[12].裝置的整體裝配和爆炸視圖如圖2所示.

圖2 轉(zhuǎn)盤霧化裝置三維模型示意圖

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與圖像處理

2.1 霧化測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3為轉(zhuǎn)盤霧化裝置霧化示意圖.

圖3 轉(zhuǎn)盤霧化裝置霧化示意圖

本裝置通過(guò)旋轉(zhuǎn)的圓盤利用離心力對(duì)盤上的液膜進(jìn)行霧化，這一過(guò)程中包括：蓄水桶通過(guò)泵經(jīng)管路向主軸內(nèi)供水，然后軸內(nèi)的水經(jīng)軸身開孔溢到圓盤上，主軸通過(guò)與電動(dòng)機(jī)的聯(lián)動(dòng)，將圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而利用離心力將圓盤上的液膜甩出，形成霧化的水滴.軸孔在圓盤上方3 mm處，軸孔半徑為3 mm，在軸身對(duì)稱開孔.其中圓盤霧化這一過(guò)程如圖3所示.

為了對(duì)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)霧化裝置的霧化效果進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了如圖4所示的霧化效果測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng).裝置包括200 W的鹵素?zé)簟⑿钏?、泵、供水管路、試?yàn)臺(tái)架、高速相機(jī)、相機(jī)支撐架.試驗(yàn)中的高速相機(jī)型號(hào)為FASTCAM Mini UX50緊湊型高感光CCD相機(jī)，最高支持1 280×1 024像素，分辨率為10 μm模式下連續(xù)每秒拍攝2 000幀.每次試驗(yàn)開始后高速相機(jī)拍攝的圖片在相機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)，試驗(yàn)結(jié)束后通過(guò)有線傳輸至控制電腦.圖5 為根據(jù)示意圖搭建的實(shí)際霧化測(cè)量系統(tǒng).

2.2 圖像后處理算法設(shè)計(jì)

圓盤在旋轉(zhuǎn)霧化的過(guò)程中，從圓盤邊緣分離出來(lái)的液體包括了韌帶和液滴，而韌帶則在后續(xù)空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能進(jìn)一步分離成多個(gè)較小的液滴[13].為了研究霧化裝置的實(shí)際效果，需要對(duì)霧化的液滴粒徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì).采用MATLAB軟件處理試驗(yàn)圖像，圖像的處理過(guò)程如圖6所示.圖7為圖像處理效果，高速相機(jī)拍攝的霧化原始圖像如圖7a，首先通過(guò)圖像運(yùn)算刪除原始背景，然后通過(guò)中值濾波消除噪點(diǎn)，并增強(qiáng)對(duì)比度，如圖7b，緊接著通過(guò)設(shè)定合適的閾值將圖像二值化，如圖7c，考慮到韌帶在分離過(guò)程中會(huì)存在和液滴黏結(jié)的狀況，可認(rèn)為該狀態(tài)的韌帶和液滴并未完全分離，因此在實(shí)際圖像處理中，可采用八鄰域連接原則縫補(bǔ)閉合圖形，如圖7d，最后在處理完的圖像上提取圖像輪廓的周長(zhǎng)P和面積A，計(jì)算液滴的粒徑：

圖6 圖像處理流程圖

圖7 圖像處理

d=4×A/P.

(3)

3 有限元校核與霧化試驗(yàn)測(cè)試

3.1 有限元校核

將圓盤霧化裝置的三維模型導(dǎo)入ANSYS workbench軟件中進(jìn)行力學(xué)校核.考慮到裝置的復(fù)雜性，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，減少計(jì)算量，可對(duì)三維模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化.

六面體網(wǎng)格具有可控性好、有效節(jié)點(diǎn)多的特點(diǎn)[14]，但是考慮到模型中部分結(jié)構(gòu)不規(guī)則，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格難以保證網(wǎng)格正交性，因此在模型的網(wǎng)格劃分中，采取六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格相結(jié)合的方法進(jìn)行處理.模型中零部件的接觸面默認(rèn)綁定接觸，劃分網(wǎng)格后的模型如圖8所示.

圖8 網(wǎng)格劃分

經(jīng)ANSYS有限元軟件運(yùn)算，得出圓盤霧化裝置的整體應(yīng)變(total deformation, TD)云圖和整體應(yīng)力(equivalent stress, ES)云圖，如圖9,10所示.

圖9 整體應(yīng)變?cè)茍D

一般取45#鋼屈服強(qiáng)度極限的0.5～0.8為其最大許用應(yīng)力.圖9,10的分析結(jié)果表明，裝置在施加載荷后其應(yīng)力主要集中在皮帶輪的連接處，最大應(yīng)力約為13.6 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力.通過(guò)查閱裝置的應(yīng)變計(jì)算結(jié)果可知，裝置在施加載荷后，圓盤為最大變形的零部件，最大變形量約為0.13 mm，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在臺(tái)架焊接了電動(dòng)機(jī)基座側(cè)的支撐部位變形較小，可見通過(guò)設(shè)計(jì)類似加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)可以顯著減小裝置的整體變形能力.通過(guò)以上的有限元靜力學(xué)校核可知裝置在尺寸的設(shè)置以及材料的選擇上均是合理的.

圖10 整體應(yīng)力云圖

3.2 霧化試驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證裝置的霧化效果，采用圖4，5所示的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了霧化測(cè)量試驗(yàn).根據(jù)文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)論可知，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速是產(chǎn)生不同液滴直徑的主要參數(shù)，文獻(xiàn)中通過(guò)雙向方差分析，發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速對(duì)液滴霧化直徑大小的貢獻(xiàn)率在96%以上.基于此，同時(shí)也為了更加清晰細(xì)致地考察轉(zhuǎn)盤霧化裝置的機(jī)理和性能，試驗(yàn)中取裝置的轉(zhuǎn)速分別為200，400，600，800 r/min，轉(zhuǎn)速間隔為200 r/min，同時(shí)取泵的流量為640 L/h.圖11為不同轉(zhuǎn)速下裝置的霧化效果.

圖11 不同轉(zhuǎn)速下圓盤霧化效果

從圖11可看出，當(dāng)圓盤的轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)液體在圓盤的邊緣以液柱的形式脫離，根據(jù)液柱后續(xù)進(jìn)一步分離的狀況，從液柱上分離出來(lái)的水滴較為圓潤(rùn)且直徑較大，同時(shí)觀察到，在圓盤的表面未形成液膜，這主要是因?yàn)楫?dāng)前圓盤轉(zhuǎn)速較低，而此時(shí)盤上液體的黏性力較大，使得其仍黏附在表面而未完全崩解.當(dāng)圓盤的轉(zhuǎn)速提升到400 r/min時(shí)，液體從圓盤邊緣脫離的方式發(fā)生了較大的變化，主要體現(xiàn)為液柱效應(yīng)的減弱.如圖11b可以明顯看出由于轉(zhuǎn)速的提升，圓盤整體的離心力變大，使得盤上形成了膜，而液體從邊緣脫離時(shí)已無(wú)法凝結(jié)成1個(gè)完整的液柱，而是從膜上離散為多個(gè)較小的液柱，此時(shí)從小液柱上脫落的液滴直徑明顯減小，且呈現(xiàn)出大小分布不均勻的特征.隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步的提升，圓盤的離心力顯著變大，這使得液體的黏性力不再起主導(dǎo)作用，由圖11c，d中可以看出，圓盤表面的膜厚度明顯減小，且同時(shí)圓盤邊緣的液柱已無(wú)法觀察到，而圓盤霧化的液滴明顯更為均勻.

圖12 各轉(zhuǎn)速下圓盤霧化平均粒徑

隨著圓盤轉(zhuǎn)速的提升，其霧化液滴的粒徑明顯減小.由各轉(zhuǎn)速下粒徑的分布圖可以看出，轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，液滴的粒徑多集中于1 000～2 500μm，而在轉(zhuǎn)速達(dá)到400 r/min后，液滴的粒徑分布多集中在1 000μm以下，且隨著轉(zhuǎn)速的提升，小粒徑部分的占比也隨之提升，粒徑分布的峰值明顯左移，這表明了轉(zhuǎn)速的提升使得液滴霧化得更為均勻，這也與上文中的可視化試驗(yàn)結(jié)果相符合.同時(shí)值得注意的是，本裝置的霧化液滴粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果也顯示出了明顯的雙眾數(shù)分布特征.另外，從霧化的平均粒徑統(tǒng)計(jì)圖來(lái)看，液滴的粒徑從低轉(zhuǎn)速下的1 240μm減小到中高轉(zhuǎn)速下的688μm，分析結(jié)果表明，裝置的整體霧化效果隨著轉(zhuǎn)速的增加而有了顯著的提升.

圖13 各轉(zhuǎn)速下圓盤霧化粒徑分布

4 結(jié) 論

文中基于高速陰影成像和MATLAB圖像處理技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的圓盤霧化裝置進(jìn)行了研究，并得到如下結(jié)論：

1) 基于ANSYS workbench 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的圓盤霧化裝置進(jìn)行了校核.計(jì)算結(jié)果表明，裝置的最大變形量為0.13 mm，最大應(yīng)力為13.6 MPa，所選設(shè)計(jì)方案與材料均能通過(guò)檢驗(yàn).

2) 通過(guò)對(duì)裝置進(jìn)行實(shí)際霧化試驗(yàn)，檢驗(yàn)了裝置的霧化能力.試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著圓盤轉(zhuǎn)速的提升，液體脫離圓盤邊緣的液柱效應(yīng)會(huì)逐漸減弱，同時(shí)，液體在圓盤上的黏性力作用也逐漸減弱，進(jìn)而使得圓盤上成膜.

3) 通過(guò)圖像識(shí)別算法對(duì)霧化的粒徑進(jìn)行了量化統(tǒng)計(jì).統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，隨著圓盤轉(zhuǎn)速的提升，液滴霧化的粒徑從1 240 μm減小到688 μm，同時(shí)液滴在較小粒徑部分的分布更加集中，這說(shuō)明了裝置的霧化效果隨著轉(zhuǎn)速的增加而顯著提升.

4) 對(duì)比于前人對(duì)于小型圓盤霧化試驗(yàn)的研究結(jié)果，采用較大直徑的圓盤進(jìn)行高速霧化試驗(yàn)更容易獲得直徑較小的液滴，但在霧化均勻性上略顯不足.此外，關(guān)于流量改變對(duì)霧化器性能的影響值得進(jìn)一步研究.