荷電乙醇溶液的穩(wěn)定多股射流霧化特性研究

霍元平，李尤，張聰，詹水清，王貞濤，王軍鋒

(江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江，212013)

靜電噴霧是一種借助外加電場(chǎng)的靜電作用削弱毛細(xì)噴嘴流出射流的表面張力，并使液體發(fā)生破碎的霧化過(guò)程[1]。作為近年來(lái)電流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，與傳統(tǒng)機(jī)械霧化方法相比，靜電噴霧技術(shù)能生產(chǎn)大量粒徑細(xì)小、單分散性好、可控性強(qiáng)、沉積率高的荷電(微)液滴群，并且功耗更低[2]。憑借這些優(yōu)點(diǎn)，靜電噴霧技術(shù)被逐漸應(yīng)用于薄膜制備、質(zhì)譜分析、生物制藥、微型燃燒、微噴霧冷卻和空間微動(dòng)力推進(jìn)等眾多領(lǐng)域[3-8]，顯示出巨大的應(yīng)用潛能。19 世紀(jì)80 年代，RAYLEIGH[9]首次針對(duì)無(wú)電場(chǎng)作用下圓射流進(jìn)行了不穩(wěn)定性分析，并在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出理想條件下球形荷電液滴電應(yīng)力與表面張力平衡時(shí)的臨界荷電量，這一結(jié)果被稱為瑞利極限。TAYLOR[10]結(jié)合理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)量，率先建立了靜電霧化的基本理論模型，為電流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的研究奠定理論基礎(chǔ)。JOFFRE等[11]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)荷電射流的外加電壓增大到一定程度時(shí)，射流尖端的液體表面會(huì)逐漸變?yōu)閺澰碌男螤睿⒆罱K演變?yōu)榉€(wěn)定的圓錐狀，這一現(xiàn)象被稱之為泰勒錐。關(guān)于靜電霧化技術(shù)的相關(guān)研究大多聚焦于錐射流模式，該模式下的荷電噴霧能在穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)下產(chǎn)生性質(zhì)良好的細(xì)小霧化液滴群。但以往的研究表明，錐射流模式只存在于小范圍外加電壓和供給流量的工況下，且該模式下產(chǎn)生的液滴平均粒徑隨著供應(yīng)流量的增加呈現(xiàn)單調(diào)增大趨勢(shì)[12-13]。上述特性導(dǎo)致錐射流靜電霧化的液滴產(chǎn)量較低，實(shí)際操作也受運(yùn)行區(qū)間的限制，而無(wú)法滿足各種工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)際需求。多股射流模式作為靜電霧化中一種供應(yīng)流量較大的運(yùn)行模式在許多文獻(xiàn)中均有提及，并且為解決錐射流靜電霧化產(chǎn)率低的問(wèn)題提供了新的思路。NOYMER等[14]使用丙二醇作為工質(zhì)，在靜電霧化實(shí)驗(yàn)中對(duì)比分析了多股射流模式與錐射流模式的穩(wěn)定性和霧化特性，發(fā)現(xiàn)形成多股射流模式需要更高的外加電壓，且多股射流模式下產(chǎn)生的霧化液滴粒徑分布呈多分散性。RYAN等[15]研究發(fā)現(xiàn)，多股射流模式下存在與錐射流模式下相同的電流與流量的冪率關(guān)系。然而多股射流模式下的射流由于具有較強(qiáng)的不穩(wěn)定性，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的霧化狀態(tài)，使其應(yīng)用價(jià)值受限。值得注意的是，近年來(lái)有學(xué)者發(fā)現(xiàn)[16]，在特定的工況下，噴嘴尖端會(huì)偶爾出現(xiàn)均勻分布的穩(wěn)定多股射流，該現(xiàn)象被稱為“穩(wěn)定邊緣多股射流”。在多股射流模式的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間下，射流往往呈現(xiàn)出良好的霧化穩(wěn)定性，這一發(fā)現(xiàn)為解決多股射流模式下噴霧不穩(wěn)定的狀況提供了可能。生成噴霧液滴的尺度信息(液滴平均粒徑、單分散性等)的相關(guān)研究較少。

截止目前，針對(duì)穩(wěn)定多股射流模式霧化形態(tài)演變、射流特性以及霧化液滴的尺度信息的研究鮮有報(bào)道，為此，本文作者借助顯微高速攝像技術(shù)和高速噴霧粒度分析系統(tǒng)，對(duì)穩(wěn)定多股射流模式下生成噴霧液滴的尺度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄，重點(diǎn)關(guān)注電壓開(kāi)關(guān)現(xiàn)象中噴霧液滴的平均粒徑及粒徑分布特征，獲得不同電邦德數(shù)和電韋伯?dāng)?shù)作用下，穩(wěn)定多股射流霧化特性的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法

圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置主要由電流體動(dòng)力學(xué)霧化系統(tǒng)與高速噴霧粒度分析測(cè)量系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。圖1中：Qv為供給流量；Do為毛細(xì)管通道直徑；Va為施加電壓；H，β，l和h分別為極間距、射流偏離角、霧化粒度測(cè)量點(diǎn)距離噴嘴出口的水平距離以及垂直距離。實(shí)驗(yàn)采用的工質(zhì)無(wú)水乙醇的物性參數(shù)如表1所示。本實(shí)驗(yàn)中的霧化發(fā)生器采用拋光不銹鋼平口毛細(xì)管-電極板結(jié)構(gòu)，毛細(xì)管下方一定距離H處同軸放置一個(gè)直徑為50 mm 的紫銅圓形板作為收集電極。為實(shí)現(xiàn)供給流量Qv的精確控制，將容量為20 mL醫(yī)用塑料注射器安裝于經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的KDS 100(KD Scientific Inc)型微流量注射泵上，并通過(guò)透明的耐壓軟管和魯爾接頭連接到毛細(xì)管。負(fù)高壓直流電源需連接到毛細(xì)管噴嘴上，通過(guò)設(shè)置不同電壓輸出值(控制精度±0.01 kV)以獲得強(qiáng)度不同的電場(chǎng)，并使得毛細(xì)管-電極板結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)管成為負(fù)極，電極板成為正極，構(gòu)成典型的針-板形式的非均勻電場(chǎng)。生成液滴尺度信息由高速噴霧粒度分析儀(Spraylink，珠海真理光學(xué)儀器有限公司)實(shí)時(shí)測(cè)量所獲得，測(cè)量的準(zhǔn)確度和重復(fù)性均優(yōu)于±0.5%(NIST可追溯乳膠標(biāo)準(zhǔn))，數(shù)據(jù)采集速率最高可達(dá)10 kHz(連續(xù)可調(diào))，激光發(fā)射器發(fā)射波長(zhǎng)為638 nm 的連續(xù)激光束，準(zhǔn)直光束直徑約為 20 mm。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的基礎(chǔ)上，利用無(wú)水乙醇的折射率通過(guò)算法來(lái)計(jì)算噴霧液滴的平均粒徑，實(shí)現(xiàn)噴霧全過(guò)程噴霧粒度變化跟蹤分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)為了獲得足夠的數(shù)據(jù)，將采樣頻率設(shè)置為2 次/s，每次實(shí)驗(yàn)的測(cè)量時(shí)間為15 s。同時(shí)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，穩(wěn)定多股射流的偏離角β均在45°附近，故各股射流霧化粒度的測(cè)點(diǎn)位置選擇為h=0.6 mm，l=0.6 mm。實(shí)驗(yàn)裝置中所有關(guān)鍵連接部位采用聚四氟乙烯材料進(jìn)行絕緣處理，所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)量?jī)x器均接地保護(hù)，確保了實(shí)驗(yàn)操作中的安全性。

表1 無(wú)水乙醇的物理性質(zhì)(環(huán)境溫度25℃)Table 1 Physical properties of absolute ethanol (ambient temperature 25℃)

圖1 靜電噴霧生成液滴尺度信息實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Real-time measurement system for electrosprayed droplet size information

本文重點(diǎn)關(guān)注發(fā)生電壓開(kāi)關(guān)現(xiàn)象的穩(wěn)定多股射流的霧化特性，而可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示并不是所有實(shí)驗(yàn)配置參數(shù)下均能夠發(fā)生電壓開(kāi)關(guān)現(xiàn)象，因此僅選擇部分能夠發(fā)生該現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)配置參數(shù)，如表2所示。對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下形成穩(wěn)定多股射流霧化的液滴尺度信息進(jìn)行測(cè)量，并據(jù)此分析不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)噴霧性能和霧化效果的影響及作用規(guī)律。

表2 穩(wěn)定多股射流霧化的實(shí)驗(yàn)配置參數(shù)Table 2 Experimental configuration parameters for stable multi-jet atomization

2 結(jié)果與討論

2.1 描述電流體動(dòng)力學(xué)射流霧化特性的量綱一參數(shù)

電場(chǎng)作用下荷電液滴的表面電荷密度是不均勻的，電荷會(huì)沿著電場(chǎng)力的方向遷移至液滴局部尖端區(qū)域。如果電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，液滴表面電荷分布將極其不均勻，這導(dǎo)致局部電荷聚集量率先達(dá)到瑞利極限，從而發(fā)生庫(kù)侖分裂破碎行為。靜電霧化過(guò)程中隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，依次會(huì)出現(xiàn)不同的霧化模式，其射流的演變特征及霧滴的運(yùn)動(dòng)軌跡等均呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。多股射流模式下的射流結(jié)構(gòu)有其特殊性，隨著毛細(xì)管出口處電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，由于較大的外加電壓與毛細(xì)管嘴處液體表面波擾動(dòng)的共同作用，電荷聚集使得液面的幾個(gè)局部區(qū)域先達(dá)到瑞利極限狀態(tài)，呈現(xiàn)出多股細(xì)小射流從液體彎月面噴射的現(xiàn)象。液體荷電后在外加電場(chǎng)作用下形成射流時(shí)，在射流噴射點(diǎn)處形成的圓錐體液面的受力中，慣性力的作用十分明顯[17]，同時(shí)液體的表面張力引起的毛細(xì)應(yīng)力抵消了液體圓錐體區(qū)域的電法向應(yīng)力，這使得慣性力、毛細(xì)應(yīng)力及靜電力之間的平衡對(duì)穩(wěn)定射流的形成至關(guān)重要[18]。這里引入了電韋伯?dāng)?shù)WeE和電邦德數(shù)BoE用于描述電流體動(dòng)力學(xué)霧化行為[19-20]，電韋伯?dāng)?shù)WeE表征電場(chǎng)作用下流體運(yùn)動(dòng)的慣性力與毛細(xì)應(yīng)力之比。

其中：ρ，K，Qv，σ及ε0分別為液體的密度、電導(dǎo)率、供給流量、表面張力及真空介電常數(shù)。

電邦德數(shù)BoE表征靜電力與毛細(xì)應(yīng)力之比。

式中：Va，Do及H分別為毛細(xì)管上的外加電壓、毛細(xì)管外徑及毛細(xì)管出口與接地極板之間的垂直距離。在電流體動(dòng)力學(xué)的研究中，可以采用上述分析得出的電韋伯?dāng)?shù)和電邦德數(shù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將各個(gè)參數(shù)對(duì)穩(wěn)定多股射流霧化特性的影響進(jìn)行統(tǒng)一描述，從而能在廣義上表征荷電霧化射流模式的運(yùn)行區(qū)間及射流發(fā)展規(guī)律。

2.2 電流體穩(wěn)定多股射流的形成及演變

圖2 所示為在給定實(shí)驗(yàn)配置參數(shù)下(Do= 420 μm，H=11 mm，Qv=30 μL/min)，隨外加電壓變化的不同股數(shù)射流霧化形態(tài)的演變過(guò)程。當(dāng)液體介質(zhì)從微通道出口流出時(shí)，外加電壓增大使得液體-氣體界面在電場(chǎng)作用下變形為一個(gè)圓錐體，一條細(xì)射流從其頂端噴射出，稱之為錐射流模式。從圖2(a)～(c)可知：當(dāng)外加電位從3.00 kV(出現(xiàn)穩(wěn)定錐射流狀態(tài))增加到3.40 kV(穩(wěn)定錐射流狀態(tài)即將消失)時(shí)形成的穩(wěn)定錐射流霧化形態(tài)的可視化圖像，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定運(yùn)行電壓區(qū)間為0.40 kV。由圖2(d)～(f)可以看出：繼續(xù)增大外加電壓直到3.90 kV時(shí)開(kāi)始形成多股射流，此時(shí)不止一條細(xì)射流從毛細(xì)管出口處形成的不規(guī)則液體彎月面的表面噴射出，這種多股射流模式一直持續(xù)到外加電壓達(dá)到4.30 kV，在此電壓區(qū)間內(nèi)，射流股數(shù)將隨著外加電壓的增大而增加(射流股數(shù)變化范圍為2～4 股)，所有射流均從液體彎月面上噴射出，稱為彎月面多股射流模式，由于不規(guī)則液體彎月面的波動(dòng)明顯，形成的多股射流霧化也極難達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)外加電壓進(jìn)一步增大到某一臨界值以后時(shí)，液體彎月面回縮至與毛細(xì)管出口端面齊平，所有射流均從毛細(xì)管出口外邊緣形成的短圓錐狀液體頂端噴射出，如圖2(g)中的毛細(xì)管端面放大圖所示，稱之為邊緣多股射流模式[18]，且射流股數(shù)會(huì)隨外加電壓的增大而增加，如圖2(g)～(j)所示。此外，當(dāng)外加電壓在4.50 kV(穩(wěn)定5 股射流形成)到 5.20 kV(穩(wěn)定8股射流即將消失)范圍內(nèi)形成穩(wěn)定多股射流模式，其穩(wěn)定運(yùn)行電壓區(qū)間為0.70 kV，這約為穩(wěn)定錐射流模式的2倍。

圖2 電流體動(dòng)力學(xué)射流霧化形成及演變過(guò)程Fig.2 Visualization of formation and evolution of electrohydrodynamic jet atomization

無(wú)水乙醇靜電霧化中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)特且有趣的現(xiàn)象。在某些實(shí)驗(yàn)配置條件下，毛細(xì)管出口邊緣處噴射的穩(wěn)定多股射流的數(shù)量隨著外加電壓的增大而連續(xù)增加，即在外加電壓連續(xù)變化的區(qū)間內(nèi)形成的穩(wěn)定射流股數(shù)也連續(xù)變化的獨(dú)特演變行為，稱之為電壓開(kāi)關(guān)現(xiàn)象。一般認(rèn)為，對(duì)于較大的供應(yīng)流量(Qv≥30 μL/min)條件下才能出現(xiàn)穩(wěn)定射流股數(shù)在5～8股范圍內(nèi)完整變化的穩(wěn)定多股射流模式，同時(shí)又要滿足毛細(xì)管徑不易過(guò)大，控制在Do＜700 μm。當(dāng)實(shí)驗(yàn)配置參數(shù)為Do=420 μm，H= 11 mm，Qv=50 μL/min時(shí)，發(fā)生電壓開(kāi)關(guān)現(xiàn)象的電壓區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定多股射流霧化形態(tài)隨電壓的變化如圖3所示。在此現(xiàn)象中，穩(wěn)定射流股數(shù)連續(xù)轉(zhuǎn)變過(guò)程出現(xiàn)極窄的不穩(wěn)定射流電壓區(qū)間可以忽略，這意味著存在一個(gè)較寬的電壓區(qū)間(由5～8 股射流的穩(wěn)定運(yùn)行電壓區(qū)間組成)，此區(qū)間內(nèi)的多股射流都是穩(wěn)定運(yùn)行的，這種情況下對(duì)比錐射流的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。而在不能發(fā)生電壓開(kāi)關(guān)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)配置參數(shù)下，具有不同射流股數(shù)的多股射流模式的穩(wěn)定運(yùn)行電壓區(qū)間會(huì)相對(duì)較窄且不是接續(xù)變化，這導(dǎo)致多股射流的穩(wěn)定運(yùn)行極易受外界因素干擾，此時(shí)多股射流的穩(wěn)定性并不理想，因此，研究具有電壓開(kāi)關(guān)現(xiàn)象的穩(wěn)定多股射流霧化特性極具應(yīng)用價(jià)值。

圖3 電壓開(kāi)關(guān)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)不同外加電壓下的穩(wěn)定多股射流形貌Fig.3 Morphology of stable multi-jet at different applied voltages while the voltage switching phenomenon occurs

2.3 穩(wěn)定多股射流模式下電邦德數(shù)對(duì)液滴平均粒徑及粒徑分布的影響

由于靜電霧化實(shí)驗(yàn)主要發(fā)生于氣液兩相流動(dòng)系統(tǒng)中，因此本文中采用索特平均直徑對(duì)霧化液滴平均粒徑進(jìn)行表征。索特平均直徑是所有測(cè)量液滴的總體積與總表面積的比值，其定義式如下[21]：

式中：N為測(cè)量液滴的總數(shù)；Di為某一特定測(cè)量位置處液滴的直徑；ni為直徑Di的液滴的數(shù)量；D32為索特平均直徑，通常被用作評(píng)價(jià)噴霧性能及霧化效果的重要參數(shù)。

圖4 所示為在特定工況(Do=420 μm，H= 11 mm，Qv=30 μL/min)下電邦德數(shù)對(duì)穩(wěn)定霧化射流生成液滴粒徑分布的影響。圖4(a)～(d)所示分別為隨電壓升高，穩(wěn)定多股射流股數(shù)NSJ在5～8 股的情況下生成液滴的尺度信息。從圖4(a)～(d)可見(jiàn)：在穩(wěn)定多股射流模式下，霧化生成液滴粒徑主要分布于3～8 μm，且粒徑在4～6 μm的液滴占總體積約70%，這表明生成液滴具有良好的單分散性，且該霧化模式穩(wěn)定性高。在不同射流股數(shù)NSJ的穩(wěn)定多股射流模式下，生成液滴粒徑分布均十分接近，如圖4(e)所示，其液滴粒徑為5 μm，而體積分布峰值在23%左右。從圖4(f)可見(jiàn)：8 μm左右液體粒徑的累計(jì)體積分布達(dá)到100%，表明液體霧化后幾乎沒(méi)有生成大液滴，這也是霧化質(zhì)量較高的信號(hào)。綜上所述，可以認(rèn)為，在固定的幾何參數(shù)配置下，通過(guò)改變電壓而導(dǎo)致穩(wěn)定多股射流股數(shù)NSJ發(fā)生連續(xù)變化時(shí)，生成霧滴的粒徑分布幾乎不發(fā)生改變，且霧化質(zhì)量保持穩(wěn)定，即電邦德數(shù)變化對(duì)穩(wěn)定多股射流模式下的粒徑分布影響甚微，這表明可以將電壓開(kāi)關(guān)現(xiàn)象中不同穩(wěn)定股數(shù)的射流結(jié)構(gòu)看作具有同一噴霧性能的霧化模式，其霧化穩(wěn)定性在實(shí)際工程應(yīng)用中能得到更好的控制。

圖4 電流體動(dòng)力學(xué)霧化在穩(wěn)定多股射流模式下產(chǎn)生液滴的粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of droplets produced by electrohydrodynamic atomization in a stable multi-jet mode

當(dāng)電韋伯?dāng)?shù)一定時(shí)，電邦德數(shù)的改變會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不同的靜電霧化模式，而各個(gè)模式下產(chǎn)生液滴的尺度特征也不盡相同。圖5所示為電邦德數(shù)與生成液滴平均粒徑的關(guān)系。從圖5可知：隨著電邦德數(shù)增大，射流模式會(huì)從錐射流模式發(fā)展為多股射流模式，而生成霧滴的平均粒徑由穩(wěn)定錐射流模式下的6～7 μm 先呈增大趨勢(shì)，主要是由于繼續(xù)增加電邦德數(shù)，錐射流模式會(huì)先突變到不穩(wěn)定多股射流模式，霧化液滴的單分散性變差，粒度突然增加；隨后不穩(wěn)定多股射流模式突變到穩(wěn)定多股射流模式時(shí)，單分散性變好，粒度降低；在接下來(lái)的一段電邦德數(shù)區(qū)間，多股射流穩(wěn)定運(yùn)行，屬于穩(wěn)定多股射流階段，此時(shí)霧滴平均粒徑變化不明顯，液滴粒徑維持在4～5 μm，可以看出穩(wěn)定多股射流模式下產(chǎn)生液滴的平均粒徑僅為穩(wěn)定錐射流模式下的2/3。這是由于單位流體在穩(wěn)定多股射流模式下的荷電量較高，由瑞利極限破碎理論可知，這種模式下破碎的強(qiáng)度要比前者的高，產(chǎn)生破碎子液滴的平均粒徑要更細(xì)小。此外，在相對(duì)較高的電韋伯?dāng)?shù)(WeE=141.25)下形成穩(wěn)定多股射流模式所產(chǎn)生液滴的平均粒徑仍比在相對(duì)較低的電韋伯?dāng)?shù)條件(WeE=84.75)下形成穩(wěn)定錐射流模式所產(chǎn)生液滴的平均粒徑更小。這表明電穩(wěn)定多股射流模式下不僅可以提高電流體動(dòng)力學(xué)霧化流量，而且還可以產(chǎn)生比穩(wěn)定錐射流模式下更細(xì)小的液滴。

圖5 不同電韋伯?dāng)?shù)下電流體動(dòng)力學(xué)霧化產(chǎn)生液滴的平均粒徑隨電邦德數(shù)的變化Fig.5 Variation of average size of droplets produced by electrohydrodynamic atomization with electric Bond number at different electric Weber numbers

2.4 穩(wěn)定多股射流模式下電韋伯?dāng)?shù)對(duì)液滴平均粒徑及粒徑分布的影響

圖6所示為電韋伯?dāng)?shù)影響下穩(wěn)定多股射流模式生成液滴粒徑的變化趨勢(shì)。從圖6可見(jiàn)：當(dāng)電韋伯?dāng)?shù)增加時(shí)，穩(wěn)定多股射流模式下產(chǎn)生的液滴平均粒徑呈現(xiàn)線性增大的趨勢(shì)，圖6中的黑色虛線給出了穩(wěn)定多股射流模式下生成液滴的平均粒徑與供應(yīng)流量間的標(biāo)度律。該規(guī)律與錐射流模式下的情況類似，但穩(wěn)定多股射流模式能在更高的供應(yīng)流量下形成，且霧化生成的液滴平均粒徑與低供應(yīng)流量下錐射流霧化液滴粒徑相當(dāng)，這表明穩(wěn)定多股射流模式在保證液滴尺度的前提下能實(shí)現(xiàn)更大的供給流量和液滴產(chǎn)率。圖7所示為在穩(wěn)定多股射流模式下，不同電韋伯?dāng)?shù)工況下生成液滴的平均粒徑隨電邦德數(shù)的變化。從圖7可見(jiàn)：在給定電韋伯?dāng)?shù)下，生成液滴的平均粒徑會(huì)隨電邦德數(shù)增大而略微減小。而隨著電韋伯?dāng)?shù)增大，液滴的平均粒徑會(huì)增大，與圖6 中所表現(xiàn)出的線性關(guān)系吻合。這表明，在穩(wěn)定多股射流模式下，電韋伯?dāng)?shù)對(duì)生成液滴粒徑的影響占據(jù)主導(dǎo)作用，而電邦德數(shù)的改變幾乎不影響液滴的平均粒徑。

圖6 穩(wěn)定多股射流模式下生成液滴的平均粒徑隨電韋伯?dāng)?shù)的變化Fig.6 Variation of average size of droplets generated under a stable multi-jet mode with electric Weber number

圖7 不同電韋伯?dāng)?shù)下穩(wěn)定多股射流霧化生成液滴的平均粒徑隨電邦德數(shù)的變化Fig.7 Variation of average size of droplets generated by stable multi-jet electrohydrodynamic atomization with electric Bond number at different electric Weber numbers

穩(wěn)定多股射流模式下的電壓開(kāi)關(guān)現(xiàn)象中，射流股數(shù)NSJ變化對(duì)生成液滴的尺度特征影響甚微，這里選擇NSJ=8時(shí)的穩(wěn)定多股射流為研究對(duì)象，以分析電韋伯?dāng)?shù)對(duì)液滴粒徑分布的影響。圖8(a)所示為當(dāng)電韋伯?dāng)?shù)較小時(shí)，穩(wěn)定8股射流產(chǎn)生的液滴粒徑分布。從圖8(a)可見(jiàn)，此時(shí)液滴體積分布峰值小于20%。圖8(b)～(d)所示為電韋伯?dāng)?shù)增大時(shí)液滴的粒徑分布圖像，可見(jiàn)圖中體積分布峰值均大于20%。這說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，電韋伯?dāng)?shù)的增大能提升生成液滴的單分散性。圖8(e)和(f)中給出的液滴體積分布圖和累計(jì)體積分布圖也表明，電韋伯?dāng)?shù)較大時(shí)，液滴單分散性更好，液滴粒徑分布也更為接近。

圖8 不同電韋伯?dāng)?shù)下穩(wěn)定8股(NSJ=8)電流體動(dòng)力學(xué)射流霧化生成液滴的粒徑分布Fig.8 Particle size distribution of droplets produced by stable 8 jets (NSJ=8) electrohydrodynamic atomization at different electric Weber numbers

2.5 穩(wěn)定多股射流模式下液滴粒徑的均勻性分析

為了定量分析電流體動(dòng)力學(xué)霧化在穩(wěn)定多股射流模式下運(yùn)行產(chǎn)生液滴的粒徑分散情況，采用了各個(gè)穩(wěn)定股數(shù)射流霧化產(chǎn)生液滴平均粒徑的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)進(jìn)行衡量，其定義式如下：

式中：dk為液滴的平均粒徑；為所有霧化射流產(chǎn)生液滴的平均粒徑；n為射流的總數(shù)量[22]。本文針對(duì)發(fā)生電壓開(kāi)關(guān)現(xiàn)象時(shí)的穩(wěn)定多股射流進(jìn)行研究，射流股數(shù)NSJ為5～8 股，幾何參數(shù)設(shè)置為Do=420 μm，H=11 mm，獲取了不同電韋伯?dāng)?shù)下生成液滴粒徑的RSD隨電邦德數(shù)的數(shù)變化的關(guān)系，如圖9所示。從圖9可知：在各個(gè)工況下，生成液滴平均粒徑的RSD均小于10%，這表明穩(wěn)定多股射流霧化生成的液滴粒徑均勻性幾乎不受實(shí)驗(yàn)參數(shù)影響，意味著穩(wěn)定多股射流的每股細(xì)小射流都可看作性質(zhì)相同的單股射流，這些細(xì)小射流均勻分布于毛細(xì)管口邊緣，并以短圓錐狀的形式從穩(wěn)定的彎月面上噴射出。此外，在給定電韋伯?dāng)?shù)下，生成液滴平均粒徑的RSD幾乎不隨電邦德數(shù)變化而發(fā)生改變，這說(shuō)明在穩(wěn)定多股射流模式下，生成液滴平均粒徑的RSD不隨射流股數(shù)的變化而發(fā)生改變且均小于10%，說(shuō)明在穩(wěn)定多股射流模式的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，生成的霧化液滴具有粒徑均一，霧化均勻的優(yōu)勢(shì)。

圖9 不同電韋伯?dāng)?shù)下穩(wěn)定多股射流霧化液滴平均粒徑的RSD隨電邦德數(shù)的變化Fig.9 Variation of relative standard deviation of average droplet size of stable multi jet atomization with electric Bond number at different electric Weber numbers

3 結(jié)論

1) 給定電韋伯?dāng)?shù)條件下，不同射流股數(shù)NSJ的穩(wěn)定多股射流模式，其生成液滴粒徑的體積分布與液滴粒徑均十分接近，即在維持穩(wěn)定多股射流模式運(yùn)行的電邦德數(shù)區(qū)間內(nèi)霧滴的粒徑分布基本保持一致，表明可以將電壓開(kāi)關(guān)現(xiàn)象中不同穩(wěn)定股數(shù)的射流結(jié)構(gòu)看作具有同一噴霧性能的霧化模式，霧化穩(wěn)定性高。

2) 穩(wěn)定多股射流模式下產(chǎn)生液滴的平均粒徑僅為相同電韋伯?dāng)?shù)條件下穩(wěn)定錐射流模式的2/3，電韋伯?dāng)?shù)對(duì)生成液滴粒徑的影響占據(jù)主導(dǎo)作用，其生成霧滴的平均粒徑與電韋伯?dāng)?shù)之間是單調(diào)遞增的關(guān)系，同時(shí)電韋伯?dāng)?shù)較大時(shí)，液滴單分散性更好，液滴粒徑分布也更為接近。

3) 在高電韋伯?dāng)?shù)下(WeE=141.25)形成的穩(wěn)定多股射流模式，其霧化生成的液滴粒徑比低電韋伯?dāng)?shù)下(WeE=84.75)錐射流霧化液滴粒徑更小，表明穩(wěn)定多股射流模式在保證液滴粒徑的前提下能實(shí)現(xiàn)更大的供給流量和液滴產(chǎn)率。此外，在穩(wěn)定多股射流模式下，生成液滴平均粒徑的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不隨射流股數(shù)的變化而發(fā)生改變且均小于10%，意味著穩(wěn)定多股射流的每股細(xì)小射流都可看作性質(zhì)相同的單股射流且具有良好的單分散性。