射流過程中主液滴和伴隨液滴的形成與消除研究

趙若霖 吳晉湘 段潤澤 劉聯勝 田亮 姚子玉 段紅賓

摘要 射流過程中常有伴隨液滴的產生，伴隨液滴不僅浪費資源，而且對生產系統及環境都會造成一定的危害，尤其是制藥系統，所以有必要對射流過程中伴隨液滴的形成過程及消除方式進行研究。本文利用高速攝像對射流破碎過程中主液滴和伴隨液滴的運動進行研究，針對縱向擾動對射流過程中伴隨液滴的影響進行實驗研究。研究發現了滴針孔徑、甘油質量分數和液面高度對主液滴大小和伴隨液滴產生周期的影響，還研究了縱向擾動對射流過程中伴隨液滴與主液滴融合的影響，最終發現了在4種伴隨液滴的運動情況。

關 鍵 詞 射流過程;射流破碎;主液滴;伴隨液滴;縱向擾動

中圖分類號 O358? ? ?文獻標志碼 A

Abstract Satellite droplets are always produced in the process of liquid jet. Since satellite droplets not only wastes resources， but also cause certain harm to the production system and environment， especially the pharmaceutical system， it is necessary to study the formation process and elimination mode of satellite droplet in the process of liquid jet. In this paper， the motion of main droplet and satellite droplet in the process of jet breaking is studied by using high-speed camera technology， and the influence of longitudinal disturbance on the satellite droplet in the process of jet breaking is studied. The effects of needle aperture， glycerin mass fraction and liquid level on main droplet size and satellite droplet generation period are studied. This paper studies the influence of longitudinal disturbance on the fusion of the satellite droplet and the main droplet in the process of liquid jet， and finally finds four kinds of satellite droplet motions.

Key words jet process; breakup mechanism of the liquid jet; the main droplet; the satellite droplet; longitudinal disturbance

0 引言

射流是一種在自然界中隨處可見的現象，其廣泛應用于工農業及醫藥生產過程中。所謂射流，可以描述為流體依靠機械能從孔口、管口、狹縫射出并與周圍流體摻混在一起的一股流體流動。最早在1833年，Savart[1]就已經研究了射流破碎過程中液滴的產生，其觀察發現不管液體的運動方向和物性參數如何，由于射流周圍干擾變大，射流最終都會發生斷裂破碎為小液滴。

Vassallo和Ashgriz[2]通過使用高速攝影來觀察射流斷裂實驗，總結了射流斷裂的4種現象： 1）射流斷裂長度不穩定，形成大小不規則的液滴; 2）射流斷裂長度很短，不形成伴隨液滴; 3）射流斷裂長度中等，形成規律性的伴隨液滴; 4）較長的斷裂長度，周期性地形成液滴，伴隨液滴時有時無。Shi等[3]在研究液滴形成中，發現了由于黏度形成了斷裂附近連續的細長頸部（Neck）。

在很多實用科學和技術應用中，比如蒸餾、噴墨印刷、噴涂、中藥滴制工藝等過程也都遇到了伴隨液滴影響效率的問題。伴隨液滴的出現會使生產效率降低，浪費資源， 污染環境，嚴重時會使整個生產線停滯[4]。圖1為在實驗中用液態聚乙二醇（表面張力系數為50.43×10-3 N/m，黏度為800 mPa·s）產生伴隨液滴的過程圖，其中下方最大的液滴為主液滴，而主液滴后面液線斷裂后形成遠小于主液滴的液滴為伴隨液滴。

Harkins和Brown[5]研究發現在液體流速很小時，在重力作用影響下，液體射流的形成可分為兩個階段：成長階段和頸縮階段。成長階段時，孔口的液滴慢慢長大，液滴表面張力和重力之間的靜態平衡決定了液滴的體積，當液滴大小達到臨界值時，當液滴的重力超過了使液滴懸浮孔口的表面張力時，射流就到了頸縮階段。在頸縮階段，液體從液線中流出，液線拉長半徑縮小，在極限位置液線斷裂，通常會形成比主要液滴小很多的伴隨液滴。

關于伴隨液滴的研究，主要集中在伴隨液滴的形成機理，實際情況下，主液滴的形成并非單一穩定，常伴隨伴隨液滴的產生，而線性分析的方法并不能預測液滴斷裂位置處的形狀，因此必須采用非線性方法來研究。Lee[6]首先通過非線性模擬對伴隨液滴的形成過程進行了理論研究，發現液滴形成是一種典型的Rayleigh振動破碎，在破碎過程中會有伴隨液滴形成，韌帶越長形成伴隨液滴的概率和數量就會越多;Zhang和Stone[7]建立了低Re數流動下液體由毛細管滴入另一種不溶液體中液滴的形狀變化模型，并通過邊界積分法進行求解得到黏度比，Bo數和Ca數對破碎長度和液滴大小的影響規律，黏度比極小時，破裂時間和韌帶長度都非常短，這時伴隨液滴的數量非常少;韌帶長度隨著黏度的增加而相應地增加;還研究了慣性力、黏度、重力和表面張力對液滴破裂的影響，得到了液滴在形成到破裂階段液滴內部的速度和壓力等參數的變化，從本質上解釋了液滴的破裂機理。

Zhang等[8-9]對影響主液滴和伴隨液滴的形成參數進行了研究，研究發現流體黏度高時，單個液滴越容易形成，韌帶長度和伴隨液滴的數目也隨之增加;同時還研究了電場對主液滴和伴隨液滴形成的影響，結果發現，隨著電場強度的增加，初級液滴體積較小，而韌帶長度和直徑及伴隨液滴的體積都有相應的增加。以上的研究主要集中在伴隨液滴的形成機理，而對于如何減少伴隨液滴的研究相對較少。

本文通過設計搭建射流試驗臺，選擇不同濃度的甘油水溶液作為實驗液體，分析了液面高度、甘油質量比和滴針孔徑對主液滴大小的影響，研究了不同工況下伴隨液滴的產生情況和運動情況，以及通過縱向擾動來消除伴隨液滴的方法。

1 實驗材料、裝置與方法

本實驗使用甘油和蒸餾水的混合溶液作為不同黏度的實驗液體。溶液的黏性系數利用DV2T黏度計測定，表面張力系數利用SCA20接觸角測量儀測定。實驗中使用的不同質量分數甘油蒸餾水混合液的黏度系數和表面張力系數可見表1。

通過本次對甘油水溶液的測量數據可以推導出其黏度系數、表面張力系數的經驗公式，其經驗公式為：

式中：μ為不同甘油質量分數溶液的黏度系數;σ為不同甘油質量分數溶液的表面張力系數;X為甘油水溶液中甘油質量分數。黏度系數經驗公式在甘油質量分數小于0.7時較為準確。

實驗裝置如圖2所示。信號發生器能夠產生頻率范圍在0～3 kHz的正弦信號，產生的信號經由信號放大器放大后傳入激振器中，激振器可以產生不同頻率的縱向擾動使連接桿帶動滴針噴口振動。本實驗使用聚光燈通過毛玻璃進行均光作為背景光，使用奧林巴斯i-SPEED型高速攝像儀對射流過程進行拍攝，其能采集最大頻率為150 kHz，本次實驗圖像采集頻率為3 kHz。其中，信號發生器型號選用SA-SG030;信號放大器型號選用SA-PA010;激振器型號選用SA-JZ005T電動式激振器;液體罐和滴針噴口通過硅膠軟管連接，滴頭噴口選擇了3種規格標準不銹鋼點膠針頭，其流道長度均為25 mm，內徑分別為2.5、1.4、0.6 mm。

本實驗擾動頻率選取指標值為0、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000 Hz。液體高度是液體罐中液面高度與滴針噴口出口的高度差，其能反映滴針噴口處的液體出口壓力，本系列試驗中選取高度30、35、40、45、50 cm。

本系列實驗中滴針選擇3種規格標準不銹鋼點膠針頭，型號分別為11G、15G、20G，其流道長度均為25 mm內徑D分別為2.5、1.4、0.6 mm。

2 實驗結果與分析

通過圖像表征的方式研究了液面高度、甘油質量分數和滴針孔徑對主液滴大小的影響，研究了不同工況下伴隨液滴的產生情況和運動情況以及通過縱向振動來消除伴隨液滴。

2.1 射流過程中主液滴大小

通過處理實驗數據，液面高度為50 cm，縱向擾動擾動頻率為300 Hz情況下的數據如圖3a）所示，可以看出其余條件不變的情況下，射流過程中主液滴直徑與甘油質量分數成正相關，而在相同的甘油質量分數下，滴針孔徑越大射流過程中得到的主液滴直徑也越大。選取工況為擾動頻率為300 Hz，甘油質量分數為50%，經過對比該工況下的數據我們可以得出在不同滴針孔徑下不同液面高度對射流過程中主液滴大小的影響。通過圖3b）可以發現在其余條件不變的情況下，射流過程中主液滴直徑與液面高度成正相關，而在相同的液面高度下，滴針孔徑越大射流過程中得到的主液滴直徑也越大。

2.2 射流過程中伴隨液滴產生情況

滴針孔徑對產生伴隨液滴時液體的甘油質量分數范圍有影響，如表2中所示標注對勾的表示在該情況下有伴隨液滴產生。滴針孔徑直徑為0.6 mm時，在質量分數為70%及以上時才會有伴隨液滴產生，但是在90%質量分數時由于管徑細黏度大，液體基本不滴落;在滴針孔徑直徑為1.4 mm時，在質量分數為50%及以上時才會有伴隨液滴產生;在滴針孔徑為2.5 mm時，在質量分數為40%及以上時才會有伴隨液滴產生。因此，滴針孔徑大小對產生伴隨液滴的甘油質量分數范圍有影響，滴針孔徑0.6 mm時甘油質量分數范圍最小，滴針孔徑為2.5 mm時，甘油質量分數范圍最大。

如圖4a）所示，在液面高度為50 cm時，其他條件不變的情況下，隨著甘油水溶液中甘油質量分數的增加，伴隨液滴產生周期會增加，考慮到液體隨著甘油質量分數的增加，黏度在不斷的增加;得出由于黏度的增加，伴隨液滴產生周期會變長。

選取甘油質量分數為70%的甘油水溶液數據進行分析，圖4b）可以發現液面高度和伴隨液滴產生周期成負相關，隨著液面高度的增加，伴隨液滴產生周期越來越短，即伴隨液滴滴落的頻率越高。對比不同的滴針孔徑，滴針孔徑和伴隨液滴產生周期成負相關，滴針孔徑越小伴隨液滴的產生周期越大。

2.3 縱向擾動情況下射流過程中伴隨液滴消除情況

選擇滴針孔徑為2.5 mm，液面高度為50 cm，甘油質量分數在40%及以上的情況，分析縱向擾動對伴隨液滴運動產生的影響。圖5a）表示縱向擾動促使伴隨液滴與主液滴融合的過程。在射流過程中由于重力的影響下，液線被拉長最終斷裂，在斷裂時部分液線中液體破碎成伴隨液滴，由于施加了縱向擾動，在某特定頻率下伴隨液滴會擁有更大的初速度，在下落過程中會與主液滴相遇并融為一體。如圖5b）所示，表示在不施加縱向振動時，隨液滴跟隨主液滴同步下落的過程。

在實驗過程中，觀察發現除了上述的兩種情況外，在縱向擾動的情況下還出現了另外兩種情況，分別是圖6a）中伴隨液滴和上方孔口處液滴融合和圖6b）伴隨液滴與主液滴碰撞后反彈。如圖6a）中所示，在某特定縱向擾動擾動頻率下，液線破碎形成的伴隨液滴被液線破碎后回彈的液體提供了一個向上的初速度，最終伴隨液滴會和上部滴針孔口處的液體相遇并融為一體。如圖6b）中所示，在某特定縱向擾動頻率下，液線破碎形成的伴隨液滴下落過程中與主液體碰撞，但是兩者沒有相融反而是造成伴隨液滴反彈后減速，這樣在下落的過程中伴隨液滴將無法與主液滴融合。

分析滴針孔徑為2.5 mm，液面高度為50 cm時，甘油質量分數為40%及以上時，擾動頻率和甘油質量分數對伴隨液滴運動情況的影響可以繪制表3，分別用情況1、2、3、4表示圖5a）、圖5b）、圖6a）、圖6b）的伴隨液滴運動情況，該工況下伴隨液滴運動情況為1即在表中標1，情況2、3、4同理。

根據表3可以發現，在實驗液體具有不同的甘油質量分數時，不同縱向擾動頻率對伴隨液滴的運動情況影響也各不相同。在表3中可以觀察發現在表格右邊2列均為情況2，即當液體中甘油質量分數在80%及以上時，施加頻率在1 000 Hz以下的縱向擾動時均不能改變伴隨液滴的運動情況，即1 000 Hz及以下的縱向擾動對其沒有明確影響。當液體質量分數在40%～70%時，可以發現情況1主要發生在對角線位置和左下方一小片區域，即在該區域工況下，伴隨液滴能很好的和主液滴融合起到消除伴隨液滴的效果。在液體甘油質量分數在40%和50%縱向擾動頻率在500～900 Hz會出現情況4，其中質量分數50%時情況4出現的頻率范圍大于質量分數40%時的頻率范圍。而情況2只出現在液體甘油質量分數40%時的不震動和200 Hz擾動的情況下及質量分數70%時的100 Hz情況下。當液體甘油質量分數在40%時，不震動的情況下會出現情況2和情況3交替進行。

3 結論

本文通過實驗方法探究了縱向擾動對射流破碎過程中伴隨液滴運動的影響，并得出以下主要結論：

1）在射流過程中，滴針孔徑、甘油質量分數和液面高度對主液滴大小成正相關。其中在一定范圍內，孔徑影響最大。

2）在射流過程中，滴針孔徑在2.5 mm時能夠產生伴隨液滴的甘油質量分數范圍最大，滴針孔徑在1.4 mm時范圍次之，滴針孔徑在0.6 mm時范圍最小。射流過程中有伴隨液滴時，伴隨液滴產生周期和甘油質量分數成正相關，與滴針孔徑和液面高度成負相關。

3）通過實驗發現，射流破碎過程中在存在伴隨液滴的情況下，伴隨液滴的運動情況有4種，分別是伴隨液滴與主液滴相遇融合，伴隨液滴和上方滴針孔口處液體融合，伴隨液滴和主液滴同步下落不相遇，伴隨液滴碰撞主液滴后反彈。伴隨液滴運動的4種情況出現存在一定的規律性，在甘油質量分數80%以上時，低于1 000 Hz的縱向擾動對伴隨液滴的運動情況沒有影響。

參考文獻：

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