噴嘴霧化特性及其機理研究進展

李欣疏 孫鵬堯

摘要：總結分析了噴嘴的相關霧化機理和實驗研究方法，單一的研究方式具有局限性，采用多種研究方式同時進行驗證。

關鍵詞：霧化機理;液滴;實驗

一、引言

能源在人類社會發展過程中具有推動發展和夯實基礎的作用，它所帶來的巨大經濟效益關系著一個國家的發展與進步。在社會經濟的各個方面都離不開能源，小到民用、運輸和工農業，大到軍事國防，均需要消耗大量的能源。盡管我國太陽能、風能等新能源的開發利用已經取得顯著進展，技術水平有了很大提高，且發展潛力巨大，在未來有可能會替代礦物燃料，但是新能源現階段仍滿足不了社會發展的需求。故當前的首要任務就是減少礦物燃料的浪費率，但實際執行起來卻存在諸多問題。

二、霧化機理

目前為止有關霧化機理研究現狀，不論國內還是國外的研究人員所得出的理論紛繁復雜，至今沒有統一的理論，經得住推敲的理論可分為以下幾種：湍流擾動學說、空氣擾動學說、氣動霧化機理、氣泡霧化機理、壓力震蕩學說、邊界條件突變學說。其他未得到驗證的理論在這里不做討論。

（一）氣動霧化機理

小霧滴外表面的張力可以將霧滴的形狀保持不變，如果要將霧滴破碎至物化狀態，可以引入氣相介質流充分破壞霧滴的內外平衡，這是由于氣相介質流的作用使液滴駐點壓力大于霧滴的表面張力。

（二）氣泡霧化機理

氣泡霧化可以將霧化介質（氣體）引入到液相介質內，這樣氣相和液相介質將充分的在混合室內混合，這種混合流具有相對高的穩定性，這時氣泡會剪切和擠壓液相介質，導致連續的液相介質在噴出的過程中被撕拉至膜狀和絲條狀，這是所謂的第一次霧化;為了讓膜狀和絲條狀的液相介質離散狀態更好，噴嘴出口附近的內壓和外壓差值變化明顯，利用壓差未完全霧化的液膜將得到進一步為霧化。

（三）壓力震蕩學說

在液體供給系統中，由于壓力的存在會使整個供給系統存在微小或較大的震動，這種震蕩某種程度上會對霧化過程產生推動的作用。工業生產中的一般噴射系統中普遍存在著壓力震蕩，因此認為它在某種程度上對霧化起到了一定的輔助作用。

（四）湍流擾動學說

對于噴嘴的霧化過程有些研究學者認為產生于噴嘴的內部，這與認為產生于外部的學者正好相反，認為產生于內部的原因則是湍流強度的重要作用。這些研究學者認為噴嘴內部的湍流強度將會擾亂流質徑向方向的速度。

（五）空氣擾動學說

與湍流擾動學說恰恰相反的使空氣擾動學說，在射流霧化的過程中存在穴蝕現象，他將產生的較大振幅的壓力擾動足以引起霧化。

（六）邊界條件突變學說

流體在流經噴嘴出口時邊界條件將產生驟變，近壁面的層流液體驟然失去壁面約束，使得該截面內的速度分布突然變更而產生的霧化。

以上幾種學說均具有一定的片面性，不夠全面具體，甚至有些學說之間是相互矛盾的。由于穩定的無內穴供油以及層流射流均能產生霧化，因此大多數專家學者都支持空氣動力干擾學說。該種學說發展的比較充分，可以明確地解釋低速射流分裂破碎的原因，進而推理到高速射流，它被廣泛認為成噴嘴霧化的基本原因，受到了一眾學者的推崇。對于噴嘴霧化的導致因素存在很多，在探索霧化過程的過程中無法像經典理論一樣推導。多種霧化機理導致了建模的多元化，針對不同的射流過程可以選擇相適應的霧化機里。

三、霧化實驗

在數值模擬軟件還未普及化的年代主要依靠實驗進行研究，而現如今的實驗研究更多的是為了驗證一些噴霧的宏觀特性與微觀特征。在測量技術的選擇問題上，需要考慮的因素有很多，如測量目的、裝置的使用要求和設備的市場價格等來衡量。

（一）激光粒度儀

該儀器主要依靠激光束進行測量，激光束會測量估算光柱內液滴的粒徑均值以及液滴是如何分布的具體情況。由于他的測量原理，同等實驗條件下測量的粒徑以及分布狀態可能存在很大差別。光的衍射現象為激光粒度儀做理論支撐，噴射過程中液滴會穿梭于激光柱，這時霧滴的表面就會對光進行衍射，而霧滴粒徑與光的衍射角度成反比，當液滴越大，衍射光的角度越小，當液滴越小，衍射光的角度越大。在射流過程中，多種粒徑的液滴在激光束間快速流過，被衍射的光將分散于不同位置，從而將霧滴的粒徑大小參數化。具有相同粒徑的液滴被激光束照射，衍射光會落在同一位置，光的強度由于疊加而出現增強，所以，光的明暗信息可以準確反映出液滴粒徑所占百分比，從而將霧滴的粒徑分布狀態參數化。

（二）激光多普勒測試技術

同樣是應用激光技術，使用激光多普勒測粒儀的被測液滴流穿越激光束的過程中將引發干涉條紋的波動，發出信號，通過及時處理信號幾乎可以同時顯示液滴流速和粒徑。

四、結論

對于噴嘴的物化特性和機理的研究，單一的研究方式存在一定的局限性，大多采用多種研究方式同時進行驗證。

參考文獻

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