針-板電極間靜電霧化微射流的動(dòng)力學(xué)特性

王貞濤, 陳永鐘, 孔 茜, 楊詩(shī)琪, 王其鍶, 岑旗鋼

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

霧化是指將液體通過(guò)外力破碎成細(xì)小液滴,并分散到周圍空氣介質(zhì)中的過(guò)程.根據(jù)外力類型的不同,將霧化分為壓力霧化、旋轉(zhuǎn)霧化、超聲波霧化及靜電霧化等類型[1-3].其中靜電霧化是指在靜電場(chǎng)作用下,液體與環(huán)境氣體間的界面上會(huì)產(chǎn)生積聚電荷,彎液面末端液體受電場(chǎng)力作用產(chǎn)生拉伸,在電剪切力作用下液體從彎液面頂點(diǎn)噴射而出,并在射流末端發(fā)生破碎,從而形成微液滴的過(guò)程[3].從荷電液滴瑞利極限的發(fā)現(xiàn)[4],到靜電霧化的初次試驗(yàn)研究[5],再到漏電介質(zhì)理論和可視化試驗(yàn)體系的建立,國(guó)內(nèi)外研究者采用理論、試驗(yàn)和數(shù)值方法對(duì)靜電霧化現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究,并得到了一些重要的學(xué)術(shù)成果[6].

靜電霧化中射流形態(tài)和霧化特性受到液體的表面張力、黏度、密度、電導(dǎo)率等物理屬性以及施加電壓、供應(yīng)流量等操作參數(shù)的影響,同時(shí)也會(huì)受到噴嘴與電極形式的影響.文獻(xiàn)[7-8]提出了高黏性、高導(dǎo)電性液體和低黏性、低導(dǎo)電性液體的液滴粒徑、霧化過(guò)程中電流-電壓關(guān)系以及錐射流模式下射流直徑等標(biāo)度律,進(jìn)一步為試驗(yàn)研究提供了理論支持.文獻(xiàn)[6]基于可視化試驗(yàn)手段獲得靜電霧化射流圖像,根據(jù)毛細(xì)管噴嘴出口處液體幾何形態(tài)和射流破碎成液滴的行為類型,將靜電霧化劃分為滴狀、紡錘、錐射流及多股射流等模式;根據(jù)噴嘴結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計(jì)的不同,分別采用單軸霧化、同軸霧化、多同軸霧化等靜電霧化技術(shù)及微流控靜電霧化裝置.在諸多霧化模式中,由于錐射流模式能夠產(chǎn)生高可控性、單分散性及高帶電性的荷電液滴,并且液滴尺寸通常能夠達(dá)到微米級(jí)甚至是納米級(jí),因此被廣泛應(yīng)用于功能材料制備、納米膠囊制備、生物質(zhì)譜分析、電噴霧冷卻、微尺度燃燒及多孔結(jié)構(gòu)催化劑制備等高新技術(shù)領(lǐng)域[9-14].

目前,關(guān)于靜電霧化過(guò)程中荷電液滴或射流的動(dòng)力學(xué)行為的研究主要涉及霧化模式演變過(guò)程中的力學(xué)分析、荷電液滴從彎液面脫離、演變及破碎特性,以及電邦德數(shù)對(duì)微射流不穩(wěn)定性(微射流的偏移和脈動(dòng)范圍)的影響[14-18].伴隨著可視化技術(shù)手段的應(yīng)用,數(shù)值求解法被更多地應(yīng)用于相關(guān)研究.研究者對(duì)靜電作用下的單液滴、高壓靜電場(chǎng)中的微液滴、衛(wèi)星液滴和毛細(xì)管噴嘴末端錐形彎液面的形成,以及錐射流的演變、射流末端破碎產(chǎn)生荷電液滴等過(guò)程進(jìn)行了預(yù)測(cè)[19-20].

隨著相關(guān)研究工作的進(jìn)一步深入,在錐射流模式中由于毛細(xì)管噴嘴末端射流形態(tài)及破碎行為的不同,錐射流模式進(jìn)一步劃分為軸對(duì)稱的扭結(jié)破碎模式和非軸對(duì)稱的鞭動(dòng)破碎模式.盡管靜電霧化的研究已經(jīng)取得了較為突出的進(jìn)展,但相關(guān)研究主要集中于破碎荷電液滴的行為及其尺寸分布、液滴的荷電量及霧化過(guò)程電流等參數(shù)的分析,而關(guān)于毛細(xì)管噴嘴末端射流在針-板電極裝置中的噴射速度、射流長(zhǎng)度、液滴形態(tài)以及非穩(wěn)態(tài)射流的可視化等方面的研究報(bào)道較少.

為此,筆者采用高速攝像技術(shù),研究不同施加電壓和供應(yīng)流量下靜電霧化射流的非穩(wěn)態(tài)破碎過(guò)程,并對(duì)脈動(dòng)錐射流、穩(wěn)態(tài)錐射流、多股射流及非穩(wěn)態(tài)射流等射流形態(tài)進(jìn)行分析和研究,探討射流長(zhǎng)度、射流破碎點(diǎn)位置等動(dòng)力學(xué)特性.

1 試驗(yàn)裝置

靜電霧化微射流動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1.

圖1 靜電霧化試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括注射泵、金屬毛細(xì)管噴嘴、靜電發(fā)生器、LED光源、高速數(shù)碼相機(jī)及計(jì)算機(jī)等.液體通過(guò)注射泵提供的動(dòng)力經(jīng)過(guò)金屬毛細(xì)管噴嘴噴出,在針-板電極間的靜電場(chǎng)作用下產(chǎn)生霧化.注射泵為浙江嘉善瑞創(chuàng)公司生產(chǎn)的RSP01-B型電子注射泵,最大線速度和最小線速度分別為65和1 μm/min,誤差為±5.0%.靜電發(fā)生器直接與金屬毛細(xì)管噴嘴相連,提供霧化所需電壓.邊長(zhǎng)為200 mm的方形銅板為接地電極,電場(chǎng)在金屬毛細(xì)管噴嘴和銅板之間產(chǎn)生.金屬毛細(xì)管型號(hào)為23G、27G、28G和30G,其對(duì)應(yīng)的內(nèi)徑分別為0.33、0.21、0.17和0.13 mm,對(duì)應(yīng)的外徑分別為0.63、0.40、0.35和0.31 mm.本試驗(yàn)中,筆者選擇了2種液體霧化介質(zhì),其物性參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 液體的物性參數(shù)

靜電霧化可視化圖像的捕捉和記錄由搭載顯微變焦鏡頭(NAVIRTAR 12-X)的高速數(shù)字?jǐn)z影機(jī)(Phantom V1611,最大捕捉幀數(shù)為105幀/s)完成,系統(tǒng)照明由持續(xù)LED冷光源提供.試驗(yàn)中拍攝設(shè)置幀數(shù)為104幀/s,時(shí)間間隔為100 μs,分辨率為768×768像素.試驗(yàn)中所有圖像均存儲(chǔ)后再進(jìn)行離線分析.為保證試驗(yàn)的安全性,所有設(shè)備采用接地方式,并用聚四氟乙烯材料進(jìn)行絕緣.實(shí)驗(yàn)室溫度為26 ℃,濕度為75%.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中通過(guò)高速數(shù)碼相機(jī)對(duì)丙二醇和正辛醇2種溶液在不同施加電壓及供應(yīng)流量下的霧化特性進(jìn)行了觀測(cè)和統(tǒng)計(jì),繪制了霧化模式發(fā)生范圍,如圖2所示,其中Q為供應(yīng)流量,U為施加電壓.對(duì)相同條件下兩者霧化形態(tài)進(jìn)行對(duì)比,丙二醇錐射流模式下的施加電壓范圍更大.

圖2 2種液體不同霧化模式發(fā)生范圍

2.1 脈動(dòng)錐射流

在可視化試驗(yàn)中,隨著施加在電極上的電壓增加,即U>Uonset1時(shí),液滴由滴狀和紡錘模式進(jìn)入脈動(dòng)錐射流模式[21].此時(shí),Uonset1計(jì)算式[21]如下:

Uonset1=[D0γφ/(2ε0)]0.5ln(8L/D0),

(1)

式中:Uonset1為第一臨界電壓,即霧化由滴狀或紡錘模式轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)錐射流模式時(shí)的電壓;φ為Harkins關(guān)聯(lián)系數(shù);D0為毛細(xì)管噴嘴外徑;γ為液體的表面張力系數(shù);ε0為真空介電常數(shù);L為針-板電極之間的間距.

霧化過(guò)程中射流脈動(dòng)噴射造成由帶電液滴形成的噴霧電流脈動(dòng).脈動(dòng)錐射流發(fā)生于穩(wěn)態(tài)錐射流模式之前,其特點(diǎn)是電壓或流量未達(dá)到形成穩(wěn)態(tài)錐射流的最小參考值.顯然脈動(dòng)錐射流的形成條件及其在空間電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)特性可用于研究液滴尺寸和射流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制.本節(jié)展示了試驗(yàn)中通過(guò)高速攝影機(jī)獲得的丙二醇和正辛醇的典型脈動(dòng)錐射流模式下的射流形態(tài),如圖3所示.

圖3 不同液體的典型脈動(dòng)錐射流模式

由圖3a可知:丙二醇溶液呈現(xiàn)典型脈動(dòng)射流,脈動(dòng)射流以長(zhǎng)液絲的形態(tài)與彎液面分離;液絲在靜電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)一段距離后,由于扭結(jié)非穩(wěn)態(tài)破碎形成諸多微液滴,并且伴隨衛(wèi)星液滴的產(chǎn)生;衛(wèi)星液滴脫離毛細(xì)管噴嘴,以一定速度沿徑向運(yùn)動(dòng).由圖3b可知:正辛醇溶液呈現(xiàn)脈動(dòng)錐射流模式;在施加電壓為2.9 kV、供應(yīng)流量為25.0 mL/h條件下,由于未能形成穩(wěn)態(tài)的錐射流,彎液面被不斷拉長(zhǎng);但在彎液面頂端仍有細(xì)微的射流產(chǎn)生,射流末端和丙二醇相似,以扭結(jié)非穩(wěn)態(tài)破碎形成細(xì)小的液滴;隨著彎液面液體體積持續(xù)增加,在彎液面底部逐漸形成液滴,并與新的彎液面之間形成液橋;當(dāng)液滴在重力與電場(chǎng)力作用下克服了液體表面張力時(shí),毛細(xì)管噴嘴末端的紡錘形液團(tuán)脫離彎液面,向接地端運(yùn)動(dòng),此時(shí),主液滴尾部的液絲發(fā)生夾斷,并收縮成次液滴,稱為衛(wèi)星液滴.

2.2 穩(wěn)態(tài)錐射流

當(dāng)施加電壓增加到Uonset2時(shí),霧化呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)錐射流模式.在穩(wěn)定的錐射流模式下,由于操作參數(shù)和液體物性參數(shù)的差異,在泰勒錐頂釋放出的微射流呈現(xiàn)出不同的射流形態(tài).此時(shí),Uonset2計(jì)算式[21]如下:

Uonset2=[D0γ/(2ε0)]0.5ln(4L/D0),

(2)

式中:Uonset2為第二臨界電壓,通常也記作Um,為穩(wěn)態(tài)錐射流發(fā)生的最小參考電壓.

扭結(jié)非穩(wěn)態(tài)破碎和鞭動(dòng)非穩(wěn)態(tài)破碎模式下的射流狀態(tài)如圖4所示.

圖4 扭結(jié)和鞭動(dòng)非穩(wěn)態(tài)破碎模式下的射流狀態(tài)

根據(jù)射流破碎的形態(tài)可以將射流破碎分為扭結(jié)非穩(wěn)態(tài)破碎、鞭動(dòng)非穩(wěn)態(tài)破碎和枝狀破碎.由于枝狀破碎通常發(fā)生在流量較大時(shí),因此筆者只探討前2種典型的破碎模式.圖4a和b為典型的扭結(jié)非穩(wěn)態(tài)破碎模式下的射流.射流直徑與液滴粒徑之間的關(guān)系[22]如下:

d/djet=(3k/2)1/3,

(3)

式中:d為液滴粒徑;djet為射流直徑;k是受液體黏性影響的經(jīng)驗(yàn)系數(shù).

由于穩(wěn)態(tài)錐射流模式下射流破碎模式的不同,獲得了2種典型的穩(wěn)態(tài)射流狀態(tài)(見(jiàn)圖4a和d).在扭結(jié)非穩(wěn)態(tài)破碎模式下,靜電霧化產(chǎn)生的液滴尺寸較為均勻(見(jiàn)圖4a).圖4b中,液滴分裂后,2個(gè)液滴之間的液橋快速斷裂,并收縮形成衛(wèi)星液滴.衛(wèi)星液滴在電場(chǎng)作用下可垂直于射流彈出,并在極短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā).圖4c為扭結(jié)非穩(wěn)態(tài)破碎向鞭動(dòng)非穩(wěn)態(tài)破碎的過(guò)渡狀態(tài),可見(jiàn)在射流末端出現(xiàn)了較為明顯的射流擺動(dòng),并且發(fā)現(xiàn)擺動(dòng)幅度與流量有關(guān).在穩(wěn)態(tài)錐射流發(fā)生的范圍內(nèi),隨著流量增加,擺動(dòng)逐漸增強(qiáng).當(dāng)流量增加到足夠大時(shí),射流末端擺動(dòng)十分強(qiáng)烈,形成典型的鞭動(dòng)非穩(wěn)態(tài)破碎模式,如圖4d所示.圖4d展示的是射流末端產(chǎn)生螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)或搖擺后發(fā)生的破碎狀態(tài),主液滴由于慣性較大,主要聚集在毛細(xì)管噴嘴軸向位置,而獲得更大軸向加速度的次液滴將主要聚集在霧化區(qū)域邊緣.在此種模式下,從圖4c和4d可以發(fā)現(xiàn),液滴粒徑更加細(xì)小,但是也會(huì)產(chǎn)生一定的液滴尺寸不均勻.

在靜電霧化試驗(yàn)中,射流破碎長(zhǎng)度不僅受到供應(yīng)流量的影響,同樣也受到施加電壓的影響.圖5為2種典型流量下,丙二醇溶液的射流破碎長(zhǎng)度Lb隨施加電壓變化的情況.

圖5 丙二醇射流長(zhǎng)度隨電壓的變化

射流破碎長(zhǎng)度隨著電壓的增加呈較為平緩的增長(zhǎng)趨勢(shì).這是因?yàn)樵诠潭ǖ牧髁肯?隨著電壓的增加,射流表面的電場(chǎng)強(qiáng)度不斷增加,從而使切向電應(yīng)力增大,射流速度增加,射流長(zhǎng)度可以保持一定程度的增加.當(dāng)電壓過(guò)大時(shí),且擾動(dòng)也逐漸增加,會(huì)增加射流破碎的幾率.在流量為20.0 mL/h,電壓約為3.5 kV時(shí),毛細(xì)管噴嘴末端出現(xiàn)銀彈錐射流模式.該模式下射流起始端長(zhǎng)度更長(zhǎng).當(dāng)電壓繼續(xù)增加時(shí),射流長(zhǎng)度會(huì)略有減少,然后逐漸增加,呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì).

2.3 非穩(wěn)態(tài)錐射流

非穩(wěn)態(tài)錐射流模式主要包括分叉射流、非穩(wěn)態(tài)多股射流、振蕩錐射流和旋轉(zhuǎn)錐射流.隨著施加電壓的增加,當(dāng)電壓超過(guò)形成穩(wěn)態(tài)錐射流霧化模式的電壓范圍時(shí),射流失穩(wěn),并朝著混亂的霧化模式發(fā)展.試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)液體表面張力和黏性過(guò)大時(shí),不宜形成穩(wěn)態(tài)錐射流的溶液也能在一定流量及電壓范圍內(nèi),獲得非穩(wěn)態(tài)射流霧化模式.圖6為振蕩錐射流和旋轉(zhuǎn)錐射流的狀態(tài).圖6a中,去離子水振蕩錐射流模式下,射流不再保持豎直穩(wěn)定的流動(dòng),開(kāi)始向邊緣振蕩,射流直徑小于毛細(xì)管噴嘴外徑.長(zhǎng)射流從彎液面傾斜射出后,與彎液面脫離,在靜電場(chǎng)作用下破碎成微液滴.然后,新的振蕩錐射流形成,并開(kāi)始下落形成循環(huán).在靜電霧化試驗(yàn)裝置中,末端射流的振蕩會(huì)引起懸置金屬毛細(xì)管的晃動(dòng),加劇霧化過(guò)程的不穩(wěn)定性.圖6b中,甲酰胺溶液旋轉(zhuǎn)錐射流模式下,毛細(xì)管噴嘴末端彎液面向下明顯拉伸.射流在電場(chǎng)中發(fā)生鐘擺式的規(guī)則擺動(dòng),彎液面尺寸有明顯變化.不規(guī)則液團(tuán)與彎液面分離之后,連接兩者的液絲在即將斷裂的初期發(fā)生旋轉(zhuǎn)扭結(jié).

圖6 振蕩錐射流與旋轉(zhuǎn)錐射流狀態(tài)

當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超出一定值時(shí),出現(xiàn)多股射流.此時(shí)彎液面趨于平緩,多股射流從金屬毛細(xì)管噴嘴的邊緣射出,射流直徑通常為十幾微米.當(dāng)射流從彎液面射出一段時(shí)間后,在空間電場(chǎng)中,由于液體黏性引起的曲張作用,發(fā)生不穩(wěn)定性的破碎,產(chǎn)生微液滴.由于射流數(shù)量較多,破碎后產(chǎn)生的液滴彌散在毛細(xì)管噴嘴下端,形成霧化區(qū)域.隨著電壓進(jìn)一步增加,電剪切應(yīng)力逐漸增大,多股射流的股數(shù)不斷增多.由于供應(yīng)流量保持穩(wěn)定,每一股射流速度加快,且射流直徑減小.

圖7為2種液體的非穩(wěn)態(tài)多股射流狀態(tài).圖7a顯示了正辛醇多股射流交替和分叉的狀態(tài),隨著電壓升高呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)多股射流模式(圖7b);圖7c為丙二醇溶液射流的非穩(wěn)態(tài)多股射流的瞬態(tài)圖像.

圖7 2種液體的非穩(wěn)態(tài)多股射流狀態(tài)

2.4 射流動(dòng)力學(xué)特性

金屬毛細(xì)管噴嘴末端的彎液面在表面電荷累積至某一數(shù)值時(shí),由圓形轉(zhuǎn)變?yōu)殄F形.液錐在電場(chǎng)力作用下向下拉長(zhǎng),拉長(zhǎng)后的液錐頂點(diǎn)電荷密度急劇增大,當(dāng)超出一定臨界值時(shí),會(huì)形成射流從錐頂點(diǎn)射出,并釋放電荷來(lái)維持液錐形態(tài)的相對(duì)穩(wěn)定.文獻(xiàn)[8]利用能量守恒定律(瞬間電能與動(dòng)能之間的守恒),根據(jù)W～I(xiàn)ΔV(W為瞬態(tài)電能,I～Kλ2Ez,即ΔV～Ezl),獲得電能與動(dòng)能的關(guān)系式,即

Kλ2Ez2l～ρv3λ2,

(4)

式中:λ為徑向特征長(zhǎng)度;K為液體的電導(dǎo)率;l為泰勒錐長(zhǎng)度;ΔV為沿泰勒錐長(zhǎng)度方向的電勢(shì)差;Ez為z方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度,Ez～(γ/ε0l)1/2;v為射流初次噴射速度,v～v0,其中特征速度v0=(γK/ρε0)1/3;ρ為液體的密度.以此獲得了從錐形彎液面處初次形成射流速度的參考值[4].通過(guò)式(4),計(jì)算得到了正辛醇和丙二醇的射流初次噴射速度分別為6.113和2.548 m/s.

通過(guò)對(duì)比以上獲得的初次噴射速度值,可以明顯看出在靜電場(chǎng)中切向電場(chǎng)力加速了微射流的流動(dòng),同時(shí)也明顯減小了液體的射流直徑,所以高強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)射流起到了加速作用.對(duì)于給定的施加電壓(3.0 kV),在正辛醇和丙二醇脈動(dòng)錐射流模式中,射流初次噴射速度v與供應(yīng)流量Q關(guān)系曲線如圖8所示.

圖8 2種液體射流初次噴射速度與供應(yīng)流量關(guān)系曲線

由于針-板電極間電場(chǎng)強(qiáng)度從金屬毛細(xì)管噴嘴向板電極(接地端)方向逐漸衰減,液滴脫離彎液面后在空間電場(chǎng)中作變加速運(yùn)動(dòng),因此主要測(cè)量射流從彎液面尖端初次噴射過(guò)程中的噴射速度.隨著流量增加,射流初次噴射速度明顯增大,且在相同試驗(yàn)條件下,正辛醇的射流速度明顯高于丙二醇.以電能和動(dòng)能瞬態(tài)平衡(W～I(xiàn)ΔV)條件下獲得的射流初次噴射速度作為理想條件下參考值,在實(shí)際試驗(yàn)中射流初次形成的速度還受到氣流剪切力、電極布置及極間距等相關(guān)參數(shù)的影響.

穩(wěn)態(tài)射流破碎長(zhǎng)度也是射流破碎動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù).圖9顯示了在流量為15.0 mL/h、施加電壓為4.0 kV下,丙二醇溶液射流破碎位置隨時(shí)間變化的情況,其中時(shí)間間隔為0.1 ms.

圖9 丙二醇射流破碎位置隨時(shí)間變化的情況

造成這種破碎點(diǎn)位置波動(dòng)的主要原因是靜電場(chǎng)中射流破碎末端出現(xiàn)諸多小液滴相連的液滴串,而連接這些液滴的液絲會(huì)無(wú)規(guī)律地在液滴串之間發(fā)生斷裂,這種隨機(jī)性造成了破碎點(diǎn)無(wú)規(guī)律分布.通過(guò)數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn),丙二醇破碎點(diǎn)主要集中在量綱一的破碎長(zhǎng)度(射流破碎長(zhǎng)度Lb與毛細(xì)管噴嘴外徑D0之比)約等于12的位置.

3 結(jié) 論

靜電霧化射流的形態(tài)、穩(wěn)定性及其破碎動(dòng)力學(xué)特性等與液體的物性參數(shù)以及施加電壓、供應(yīng)流量等操作參數(shù)緊密相關(guān),通過(guò)試驗(yàn)研究和分析,得出了如下結(jié)論.

1)確定了2種液體產(chǎn)生滴狀、紡錘、錐射流、多股射流等典型霧化模式時(shí)的供應(yīng)流量、施加電壓范圍,并給出了其破碎的瞬時(shí)形態(tài).

2)隨著供應(yīng)流量與施加電壓的增加,穩(wěn)態(tài)錐射流逐漸發(fā)生擾動(dòng),并向分叉射流、多股射流和擺動(dòng)射流等非穩(wěn)態(tài)模式轉(zhuǎn)變.

3)通過(guò)研究靜電霧化錐射流破碎的射流動(dòng)力學(xué)特性可知,其射流初始噴射速度接近噴射速度理論值,射流噴射速度隨流量的增加而增加.射流破碎長(zhǎng)度隨時(shí)間變化而改變,破碎點(diǎn)主要集中于量綱一的破碎長(zhǎng)度約等于12的位置.