雾化技术第一章

2012-5-20
河北工业大学能源与环境工程学院
文献1：平行剪切流中液滴的变形与破碎
1、颈部破碎
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2、顶端破碎
3、毛细不稳定破碎
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子液滴平均直径与剪切气动力的关系
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气流中液滴的受力分析
在稳定气流中，球状液滴主 要受气动力、表面张力和粘性力 的作用；如果气动力足够大，就 可以克服表面张力与粘性力的抑 制作用，使液滴变形、破碎。对 于低粘度液体，若忽略粘性力的 影响，根据作用在液滴上的气动 力与表面张力的平衡关系式 ：
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雾化就是利用喷嘴将液体燃料破碎为细小颗粒 的过程，其目的是增加蒸发表面积，强化燃料与 助燃空气的混合，从而保证燃料迅速、完全的燃 烧。 雾化是一个纯粹的物理过程，是外力与液体本 身的表面张力和粘性力之间相互竞争的结果，是 一个耗功过程。表面张力总是试图使液体保持最 小的表面积，而粘性力则抑制液体的变形；只有 当外力足以克服表面张力与粘性力时，液体才会 变形、破碎成为液滴颗粒。而大液滴是不稳定的， 在环境气流作用下，会继续变形、破碎，该过程 称为二次雾化过程；只有当液滴直径满足一定的 条件时，才会稳定下来，不再破碎。
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第一章 单个液滴的破碎过程
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自然状态下液滴为什么呈球状？ 自然状态下液滴为什么呈球状？
表面张力使液滴保持最小的表面积， 球状液滴具有最小的表面能 粘性的作用使液滴抵抗几何形状的变 形，使之趋于稳定
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液滴在气动力作用下会发生振荡，这也是液滴破碎 的因素之一，其振荡频率为：
ω =
2
2σ n ( n + 1)( n − 1)( n + 2 )
π 2 d 3 ρl ( n + 1) + ρ g n
可见，振荡频率近与液体表面张力、密度以及气流密度 有关，而与粘性无关，其中n是振荡模数。 对于稳定气流中的液滴，n=2，若忽略气流密度，则作 用于液滴表面的切应力可以写为：
力的平衡：
∂ 2ξ ± Pl − Pg − 2 µl ±σ =0 2 ∂y ∂x
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∂vg
ξ = ξ0 exp (ϖ t )
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曹建明等利用线形不稳定理论研究平面液膜破碎过程发 现：1、当粘性液膜进入不可压缩气体介质时，液膜表面的 非对称表面波将主导液膜的破碎，并且越接近湍流，液膜越 容易破碎。2、当粘性液膜进入可压缩气体介质时，依然是 非对称波形表现得更不稳定，且马赫数越大，表面波增长率 越有显著增大，因此气体的可压缩性将加速液膜破碎。 York提出了平面液膜射流破碎时间与长度的关联式：
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1、平面液膜破碎 对平面液膜射流的研究结果显示，低黏度液膜更易于破 碎成为液片，高粘度液膜则易于碎裂成为液线。并且，黏度越 低，所形成的小颗粒液滴越多，这说明液体粘性对液膜破碎具 有明显的影响。
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平面液膜不稳定性分析 连续液膜在周围气体扰动作用下，将形成表面波，表面波 的不稳定性将导致液膜破碎。如图，表面张力将阻碍液膜表面 的变化，将凸起部分推回原位置，但气流扰动将促使液膜表面 变形，并推动液膜向下游方向移动。
tb = 1
ϖ max
a ul a ln ; Lb = ln 2ξ 0 ϖ max 2ξ 0
Arai等根据试验结果拟合的破碎长度关联式为：
Lb = 0.123a 0.5We −0.5 Re0.6
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2、环状液膜破碎
雾 化 技 术
研究生课程 S13C0102
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用途
药物喷洒 喷雾燃烧
喷雾干燥
医疗
表面喷涂
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液体燃料燃烧的特点
1859年，得雷克首先利用钻探的方法开采石油， 随着提炼技术的提高，液体燃料开始在工业中的应 用日趋广泛。19世纪末20世纪初，内燃机的发明使 液体燃料开始得到大规模应用，人们才开始对液体 燃料的燃烧机理、燃烧过程进行研究。
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第三章 液膜的破碎过程
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针式喷嘴、扇形喷嘴、平流喷嘴、旋流喷嘴、转杯喷嘴或 预成膜喷嘴出口会形成不同截面形状的液膜。液膜的破碎过程 主要受流动特性、气液物理性质等影响；液膜在气体扰动作用 下，在表面形成表面振动波，波幅逐渐放大并于顶端破碎成为 液线、带或者环，这一阶段称为初次雾化，然后上述线、环继 续破碎成为小液滴。
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液体燃烧的特点
1、是在蒸汽状态下的燃烧：由于液体燃料的汽化温度比着火温 度低得多，因此在着火之前已经蒸发汽化，所以液体燃料燃烧实质上 是油气与空气的燃烧反应。因此蒸发过程对于液体燃料的燃烧起着决 定性作用，加强蒸发汽化是强化液体燃料燃烧的主要手段。 2、液体燃料的燃烧具有扩散燃烧的特点。一般情况下，液体燃 料燃烧时反应速度很快，相对来说，蒸发汽化与扩散混合却慢得多， 因此属于扩散燃烧。 3、液体燃料需要先雾化后燃烧。液体燃料的燃烧很大程度上取 决于其蒸发与扩散速度，而蒸发速度与热交换情况、物性以及表面积 有关。1mm液滴，燃尽时间约为1s；若雾化成10微米颗粒，表面积增 大100倍，燃烬时间仅为10-4 s。 4、不同温度下，液体燃料具有不同的分解特性。氧气充足，烃 类氧化成为甲醛，易于燃烧；氧气不足，裂解析出碳黑，不易燃。因 此液体燃料要尽量避免高温缺氧燃烧。
破碎照片显示：小液滴随气 流运动，并有液滴合并现象 袋装破碎模式在低We数下出 现
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液滴初始直径184微米， 出口4毫米距离后，液滴 平均直径为93微米
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液滴破碎距离减小、 径向动量减小很快
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在不稳定表面波及表面张力作 用下，液滴迅速破碎，瑞利-泰 勒波形作用强烈。出口4毫米 后，破碎过程基本完成。
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陆游的《斋居记事》中记载：“书灯勿用铜盏，惟瓷 盏最省油，蜀中有夹瓷盏，注水于盏唇窍中，可省油之 半。”他还在《老学庵笔记》中，对这种省油灯的省油原 理作了详细说明：“《宋文安公集》中有省油灯盏诗。今 汉嘉有之，盖夹灯盏也。一端作小窍，注清冷水于其中， 每夕一易之，寻常盏为水所灼而燥，故速干。此独不然， 其省油几半。”
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在燃烧物理学中，通常将燃烧划分为扩散燃烧、动力燃烧及 扩散-动力燃烧三种类型。当化学反应速率比传热传质速率大得 多时，燃烧过程主要取决于传热或者传质速率，这种燃烧称为扩 散燃烧；相反，如果燃烧系统内存在强烈的搅拌混合作用，或者 传热、传质速率远远高于化学反应速率，以至于系统内的浓度场、 温度场总是均匀的，此时燃烧过程主要取决于化学动力学因素， 这种燃烧称为动力燃烧。介于上述两种状况之间的燃烧过程称为 扩散-动力燃烧。有时，根据燃料与氧化剂相态，也可将燃烧划 分为均相燃烧与非均相燃烧。若燃料与氧化剂相态相同，则为均 相燃烧；若燃料与氧化剂处于不同的相态，则为非均相燃烧，又 称异相燃烧。 在液体燃料燃烧过程中，由于燃料与氧化剂属于不同的相态， 因此属于非均相燃烧；一般情况下，液体燃料燃烧过程中，其化 学反应速率较扩散速率及传热速率大得多，因此这个燃烧过程属 于非均相的扩散燃烧。
µl Oh = 0.5 (ρlσd )
Oh数表征了液体粘性力与表面张力之比，该无量纲数 的大小反映了雾化过程中粘性力与表面张力对液滴破 碎的影响程度。
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考虑粘性修正后的液滴临界破碎条件可以写为：
Wecrit = Wecrit + 14Oh
−
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液滴速度的实验关联
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袋 状 破 碎 液 滴 轨 迹
袋底液膜破碎 后颗粒快速随 横向气流运动
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液滴的表面剥离破碎与完全破碎规律
Sung Wook Park, Breeakup and atomization characteristics of mono-dispersed diesel droplets in a crossflow air stream, International Journal of Multiphase flow, 2006,p807-822
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
脉冲摄像、脉冲阴影、高速摄像
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即使在很高的雷诺数 下，射流表面依然光滑， 这说明横向交叉射流气动 力的作用要远远大于射流 初始扰动的作用。
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袋 的 形 成 ： 气 动 力 作 用
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Cd
πd 2 1
4 2
ρ aU R 2 = πdσ

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ρ aU R 2 d 8 = σ Cd
定义：
ρ aU a 2 d We = σ
其物理意义为作用于液滴表面的气动力与表面张力之比。 因此无粘液滴的临界破碎条件可以写作
Wecrit
8 = Cd
τ = µ lϖ =
4 µl πd
σ d ρl
可见粘性同样对作用于液滴表面的切应力具有影响， 因此液滴破碎过程应予液体粘性足够的考虑
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实际流体都是有粘的，尤其是重油、渣油等液体燃 料更是高粘度流体，并且大量的实验结果显示，液体粘度 对于液滴的破碎和液体的雾化过程具有相当显著的影响。 因此，为了考虑液体粘滞性的影响，在液滴破碎临界条件 中又引入了另外一个无量纲Ohnesorge数，定义为：
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液滴破碎模式 （Liu 和Reitz）
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液滴的袋状破碎模式与规律
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C,L.Ng, Bag breakup of nontuebulent liquid jets in crossflow, International Journal of Multiphase Flow, 2008,p241-259
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Lenard 和 Hochschwender分别研究了自由下落的大液滴和 小液滴在稳定气流中的破碎，利用高速摄影技术揭示了在不同 气流作用下液滴的破碎主要具有以下三种模式：1、当液滴处于 平行或旋转气流中，球形液滴首先被压扁，成为椭球形，然后 破碎； 2、当液滴处于平行双曲线形或库特流形气流中时，球 形液滴首先被拉伸成雪茄形状，然后破碎； 3、当液滴处于不 规则气流中时，在液滴上会形成突起的褶皱部分，它逐渐与本 体分离，形成大量微小颗粒，此即表面剥离式破碎模式。
袋底液膜的破 碎：当袋发展到与 气流同向时，袋底 液膜已经很薄，并 被径向拉伸，破碎 成许多小液滴。
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袋口液环的破碎： 在袋底液膜破碎之后， 袋口液环形成液线，并 在各个方向破碎成稍大 的颗粒。
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液滴平均直径的实验关联
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实验条件：PDPA
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不同We数下液滴的变形速率
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不同We数下液滴的破碎模式
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