专利名称：一种平面液体层的雾化方法
技术领域：
本发明涉及液体雾化领域，具体涉及一种平面液体层的雾化方法，适用于平面狭缝喷嘴和空气助力平面狭缝喷嘴。
背景技术：
液体雾化技术应用非常广泛。喷雾的普遍应用主要有以下几个方面(1)日常生活淋浴，花园和草地的浇水，整理发型的发胶和摩丝，灭蚊蝇的喷药器和空气消毒、清洁器，空气加湿器，清洁街道的洒水车，喷雾作画，喷墨打印机等等；(2)医用雾化清痰器和挥发性麻醉剂的蒸发等；(3)生产和工艺流程雾化干燥(如咖啡和茶叶，药片糖衣，肥皂和清洁剂等)，雾化润湿，雾化冷却(如雾化池、塔、反应器等)，雾化反应(如吸收器、烘干器和汽车烤漆房)，粉末冶金，表面涂脂(如环氧树脂、聚脂类等)，泡沫和乳化剂的制取，汽车清洗喷头，制衣(包括表面处理、喷雾印染、纤维和绝缘材料的制作等)，半导体和计算机芯片的酸碱蚀刻等等；(4)农业给果树喷洒农药的喷雾器和农业灌溉等；(5)消防雾化后的水滴能够吸收更多的热量，从而有效地压制火势；(6)沥青雾化铺路(常表现为非牛顿流体)；(7)燃烧室燃油锅炉、柴油机、汽油机、燃气轮机、飞机发动机和火箭发动机的燃料雾化，在这些装置中，喷嘴的设计、制造精密度很高，雾化的大量小颗粒燃料液滴能够有效地增大燃料与助燃剂接触的表面积，使燃料蒸发迅速，充分与助燃剂混合，增强质量和热量的传递并燃烧完全，减少排放污染。
喷雾的原理是将液体通过喷嘴喷射进入气体介质中，使之分散并碎裂成小颗粒液滴的过程。液体从喷嘴喷出，形成表面波，首先碎裂成液片、液线或者大颗粒液滴，这一过程称为液体的一级雾化；液片、液线及大颗粒液滴在液体内、外力的作用下，进一步碎裂成细小的球形液滴，这一过程称为液体的二级雾化。一级雾化的效果直接影响二级雾化的质量。
喷嘴发生振动能够促进雾化效果，其设计理念最初来源于超声喷嘴，当液体流经一个快速振动的固体表面时，在固体表面就会形成一层波状液体薄膜，随着固体振动振幅的增大，液膜表面波的振幅也增大。当液膜表面波的振幅增大到一定值时，液膜表面波的顶部就会变得不稳定并碎裂，从固体表面喷射甩出大量细小的雾状液滴。超声喷嘴是一种电控喷嘴，雾化效果易于控制。它的最大优点是在很低的液体传输速率下能够获得极佳的雾化质量，液滴尺寸细小而均匀，最小直径仅为1-5微米。近年来超声喷嘴的应用领域不断扩大，如半导体和计算机芯片的酸碱蚀刻、雾化干燥、加湿器、医用清痰雾化器、制做药片糖衣和挥发性麻醉剂的蒸发等。超声喷嘴的局限是不能用于液体流动速率较高的场合，在55kHz频率下的最大液体流量仅为1.95ml/s，超过这个流量将会造成雾化质量的恶化。而平面狭缝喷嘴或空气助力平面狭缝喷嘴的大多数应用(如燃气轮机和燃油锅炉)却恰好属于较大流量范畴，不适合采用超声喷嘴技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平面液体层的雾化方法，适用于平面狭缝喷嘴和空气助力平面狭缝喷嘴，它能够克服现有超声喷嘴技术的不足，显著改善较大流量平面狭缝喷嘴和空气助力平面狭缝喷嘴的雾化质量。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现一种平面液体层的雾化方法，适用于平面狭缝喷嘴和空气助力平面狭缝喷嘴，其特征在于，上述喷嘴采用横向谐振方式，其谐振频率的确定分两种情况 情况一对于平面狭缝喷嘴，平面液体层喷射进入静止空气环境中，其一级雾化的碎裂行为符合对称波形(varicose)或非对称波形(sinuous)量纲一色散准则关系式
式中 I＝2(1-k2ξ2)3/2(4) 式(1)中
中的“-”号表示喷射液体层气液交界面表面波为对称波形(varicose)，“+”号表示喷射液体层气液交界面表面波为非对称波形(sinuous)，ξ为液体层碎裂点的扰动振幅； 式(2)-(4)中，k为波数，在液体层碎裂点，即为液体层碎裂的最不稳定频率；ξ0为喷嘴出口处的初始扰动振幅，取ξ0＝0.01；P为环境气体压力与喷射压力之比； 为液流韦伯数，其中a为平面狭缝喷嘴的出口半厚度(m)，ρl为液体密度(kg/m3)，Ul为液体喷射流速(m/s)，σl为液体表面张力(N/m)；Rel＝aUl/vl为液流雷诺数，其中vl为液体运动学粘度(m2/s)；Regc＝ac/vg，其中c为声速(m/s)，vg为环境气体运动学粘度(m2/s)；Re1g＝aUl/vg；γ为环境气体的绝热指数，对于双原子气体(如空气)取γ＝1.4；为液流欧拉数，其中Pl为液体层喷射压力；Lb为量纲一液体层碎裂长度；其它参数为Bj＝(ikξj+1)exp(ik+ikξj)，Cj＝(ikξj-1)exp(-ik-ikξj)，
其中j＝l对应液体参数，j＝g对应环境气体参数；为液体层碎裂点表面波的液相扰动振幅；为液体层碎裂点表面波的气相扰动振幅；式中带有上标“-”的参数为有量纲参数，没有上标的参数为量纲一参数，下同。
令平面液体层上下气液交界面处的量纲一扰动振幅ξ的绝对值相等，且等于1，求取的波数k即为平面狭缝喷嘴的横向谐振频率； 情况二对于空气助力平面狭缝喷嘴，平面液体层喷射进入空气助力环境中，其一级雾化的碎裂行为符合任意波形量纲一色散准则关系式 式中θ为液体层表面波上下气液交界面的相位角。
式(6)-(10)中，ξ1为液体层表面波上气液交界面的扰动振幅，ξ2为液体层表面波下气液交界面的扰动振幅；为液体层一侧空气助力气流的马赫数，为液体层另一侧空气助力气流的马赫数；Ug1为液体层一侧空气助力气流的流速(m/s)，Ug2为液体层另一侧空气助力气流的流速(m/s)；Reg1＝aUg1/vg为液体层一侧空气助力气流的雷诺数，Reg2＝aUg2/vg为液体层另一侧空气助力气流的雷诺数；为液体层一侧气液基流流速比，为液体层另一侧气液基流流速比；Ud1＝1-U1为液体层一侧气液基流流速差，Ud2＝1-U2为液体层另一侧气液基流流速差；其它参数为Bl＝(ikξl1+1)exp(ik+ikξl1)，Cl＝(ikξl1-1)exp(-ik-ikξl1)，Dl＝(ikξl2+1)exp(-ik+ikξl2)，El＝(ikξl2-1)exp(ik-ikξl2)，其中为液体层一侧碎裂点表面波的液相扰动振幅，为液体层另一侧碎裂点表面波的液相扰动振幅； Bg＝(ikξg1+1)exp(ik+ikξg1)，Cg＝(ikξg1-1)exp(-ik-ikξg1)，Dg＝(ikξg2+1)exp(-ik+ikξg2)，Eg＝(ikξg2-1)exp(ik-ikξg2)，其中为液体层一侧碎裂点表面波的气相扰动振幅，为液体层另一侧碎裂点表面波的气相扰动振幅；为液体层一侧碎裂点表面波的气相圆频率，为液体层另一侧碎裂点表面波的气相圆频率； 令平面液体层上下气液交界面处的量纲一扰动振幅ξ1与ξ2的绝对值不相等，但绝对值的相加之和等于2，求取的波数k即为空气助力平面狭缝喷嘴的横向谐振频率。
采用本发明的方法，只需简单地对平面狭缝喷嘴和空气助力平面狭缝喷嘴增加横向谐振装置，调整谐振频率，就能够克服现有超声喷嘴技术的不足，显著改善大流量平面狭缝喷嘴和空气助力平面狭缝喷嘴雾化质量。
图1为具有横向谐振功能的雾化装置结构示意图，喷嘴为平面狭缝喷嘴或空气助力平面狭缝喷嘴。
具体实施例方式 平面狭缝喷嘴和空气助力平面狭缝喷嘴有许多重要应用场合，发明人发现对于上述喷嘴施加一定频率的横向谐振，即谐振方向垂直于喷嘴喷射射流方向，能够显著改善其一级雾化质量。平面狭缝喷嘴是指喷嘴只有一个矩形出口，喷射出的液体射流为平面液体层的喷嘴；空气助力平面狭缝喷嘴是指喷嘴具有三个平行排列的矩形出口，中心喷口喷射出的液体射流为平面液体层，两侧喷口喷射出的气体射流为平面气体射流层的喷嘴。
目前，对射流碎裂机理的研究最成功的理论是液体射流表面波稳定性分析方法，该方法分为线性稳定性分析和非线性稳定性分析。本发明的原理基于非线性纳维-斯托克斯(N-S)控制方程稳定性分析方法，推导出液体层喷射的量纲一色散准则关系式，它能够进行液体层碎裂过程稳定性分析，计算碎裂点的最不稳定频率，并以此最不稳定频率作为横向谐振频率，促进液体层的碎裂，改善一级雾化的效果和质量。
本发明的平面液体层的雾化方法，适用于平面狭缝喷嘴和空气助力平面狭缝喷嘴，上述喷嘴采用横向谐振方式，根据量纲一色散准则关系式确定液体层碎裂最不稳定频率，即谐振频率，分两种情况 (一)对于平面狭缝喷嘴，平面液体层喷射进入静止空气环境中的对称波形(varicose)或非对称波形(sinuous)量纲一色散准则关系式
式中 I＝2(1-k2ξ2)3/2(4) 式(1)中
号中的“-”号表示喷射液体层气液交界面表面波为对称波形(varicose)，“+”号表示喷射液体层气液交界面表面波为非对称波形(sinuous)，ξ为液体层碎裂点的扰动振幅； 式(2)-(4)中，k为波数，在液体层碎裂点，即为液体层碎裂的最不稳定频率；ξ0为喷嘴出口处的初始扰动振幅，取ξ0＝0.01；P为环境气体压力与喷射压力之比； 为液流韦伯数，其中a为平面狭缝喷嘴的出口半厚度(m)，ρl为液体密度(kg/m3)，Ul为液体喷射流速(m/s)，σl为液体表面张力(N/m)；Rel=aUl/vl为液流雷诺数，其中vl为液体运动学粘度(m2/s)；Regc＝ac/vg，其中c为声速(m/s)，vg为环境气体运动学粘度(m2/s)；Re1g＝aUl/vg；γ为环境气体的绝热指数，对于双原子气体(如空气)取γ＝1.4；为液流欧拉数，其中Pl为液体层喷射压力；Lb为量纲一液体层碎裂长度；其它参数为Bj＝(ikξj+1)exp(ik+ikξj)，Cj＝(ikξj-1)exp(-ik-ikξj)，
其中j＝l对应液体参数，j＝g对应环境气体参数；为液体层碎裂点表面波的液相扰动振幅；为液体层碎裂点表面波的气相扰动振幅。式中带有上标“-”的参数为有量纲参数，没有上标的参数为量纲一参数，下同。
应用于平面狭缝喷嘴的谐振频率，依据平面液体层喷射进入静止空气环境中的对称波形或非对称波形量纲一色散准则关系式确定。令平面液体层上下气液交界面处的量纲一扰动振幅ξ的绝对值相等，且等于1。根据试验观察，平面液体层喷射进入静止空气环境中的表面波形为对称波形或非对称波形。当量纲一扰动振幅ξ的绝对值相等，且等于1时，表面波形线才会相交，而表面波形线相交就意味着液体层的碎裂。在此前提下，编制数值计算程序，取波数k作为循环变量，步长为1。根据非线性稳定分析推导的平面液体层喷射进入静止空气环境中的量纲一色散准则关系式进行数值计算，使量纲一色散准则关系式左右两侧平衡，循环计算终止时的波数k即为平面液体层喷射进入静止空气环境中一级雾化碎裂点的最不稳定频率。
(二)对于空气助力平面狭缝喷嘴，平面液体层喷射进入空气助力环境中的任意波形量纲一色散准则关系式 式中θ为液体层表面波上下气液交界面的相位角。
式(6)-(10)中，ξ1为液体层表面波上气液交界面的扰动振幅，ξ2为液体层表面波下气液交界面的扰动振幅；为液体层一侧空气助力气流的马赫数，为液体层另一侧空气助力气流的马赫数；Ug1为液体层一侧空气助力气流的流速(m/s)，Ug2为液体层另一侧空气助力气流的流速(m/s)；Reg1＝aUg1/vg为液体层一侧空气助力气流的雷诺数，Reg2＝aUg2/vg为液体层另一侧空气助力气流的雷诺数；为液体层一侧气液基流流速比，为液体层另一侧气液基流流速比；Ud1＝1-U1为液体层一侧气液基流流速差，Ud2＝1-U2为液体层另一侧气液基流流速差；其它参数为Bl＝(ikξl1+1)exp(ik+ikξl1)，Cl＝(ikξl1-1)exp(-ik-ikξl1)，Dl＝(ikξl2+1)exp(-ik+ikξl2)，El＝(ikξl2-1)exp(ik-ikξl2)，其中为液体层一侧碎裂点表面波的液相扰动振幅，为液体层另一侧碎裂点表面波的液相扰动振幅； Bg＝(ikξg1+1)exp(ik+ikξg1)，Cg＝(ikξg1-1)exp(-ik-ikξg1)，Dg＝(ikξg2+1)exp(-ik+ikξg2)，Eg＝(ikξg2-1)exp(ik-ikξg2)，其中为液体层一侧碎裂点表面波的气相扰动振幅，为液体层另一侧碎裂点表面波的气相扰动振幅；为液体层一侧碎裂点表面波的气相圆频率，为液体层另一侧碎裂点表面波的气相圆频率。
应用于空气助力平面狭缝喷嘴的谐振频率，依据平面液体层喷射进入空气助力环境中的任意波形量纲一色散准则关系式确定。令平面液体层上下气液交界面处的量纲一扰动振幅ξ1与ξ2的绝对值不相等，但绝对值的相加之和等于2。根据试验观察，平面液体层喷射进入空气助力环境中的表面波形为非线性的任意波形。当平面液体层上下气液交界面处的量纲一扰动振幅ξ1与ξ2的绝对值的相加之和等于2时，表面波形线才会相交，而表面波形线相交就意味着液体层的碎裂。令量纲一扰动振幅ξ1与ξ2的绝对值不相等是因为在我们的试算中，如果ξ1与ξ2的绝对值相等则会造成计算的溢出，无法得到具体的波数值；而且根据试验观察，非线性的表面波形在绝大多数情况下不会在y坐标0点相交。在此前提下，编制数值计算程序，取波数k作为循环变量，步长为0.01。根据非线性稳定分析推导的平面液体层喷射进入空气助力环境中的量纲一色散准则关系式进行数值计算，使量纲一色散准则关系式左右两侧平衡，循环计算终止时的波数k即为平面液体层喷射进入空气助力环境中一级雾化碎裂点的最不稳定频率。
设定量纲一色散准则关系式左右两侧平衡的判据为当量纲一色散准则关系式左侧的数值计算值小于或等于某一预设的公差时，计算终止。此时的波数k即为液体层碎裂点的最不稳定频率。
参照图1，为适用于本发明的具有横向谐振功能的雾化装置，由输液管1、谐振控制器2、谐振装置3、喷嘴4组成，其中喷嘴4为平面狭缝喷嘴或空气助力平面狭缝喷嘴，谐振装置3采用电磁或机械谐振。喷射过程中，谐振控制器2根据控制指令，使谐振装置3产生特定频率的横向振动，对喷嘴4进行横向激振。特定频率的横向振动能使流经喷嘴的液体产生谐振，从而促使液膜分裂、破碎，提高液体一级雾化效果。
实施例1 采用宽厚比为20的平面狭缝喷嘴，进行平面水层的理论数值计算和碎裂试验。水射流喷射压力为0.4MPa，流速为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s，环境气体为静止空气，预设计算公差为10-4。根据非线性稳定性推导的平面液体层喷射进入静止空气环境中的量纲一色散准则关系式数值计算得到的射流碎裂点最不稳定频率为18Hz。应用18Hz亚声速频率点设计谐振频率，并采用横向谐振模式进行试验。无谐振(0Hz)平面狭缝喷嘴和应用理论计算亚声速谐振频率(18Hz)对平面狭缝喷嘴进行横向谐振的试验结果比较见附表1，液体层的碎裂长度缩短了24-61％，效果显著。
表1 谐振平面狭缝喷嘴对静止空气环境中水射流碎裂长度的影响
实施例2 采用宽厚比为20的空气助力平面狭缝喷嘴，进行空气助力平面水层的理论数值计算和碎裂试验。水射流喷射压力为0.4MPa，流速为1m/s、5m/s，水层两侧空气助力的流速分别为0m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s，预设计算公差为10-4。根据非线性稳定性推导的平面液体层喷射进入空气助力环境中的量纲一色散准则关系式数值计算得到的射流碎裂点最不稳定频率为36Hz。应用36Hz亚声速频率点设计谐振频率，并采用横向谐振模式进行试验。无谐振(0Hz)空气助力平面狭缝喷嘴和应用理论计算亚声速谐振频率(36Hz)对空气助力平面狭缝喷嘴进行横向谐振的试验结果比较见附表2，液体层的碎裂长度缩短了21-44％，效果显著。
表2 谐振空气助力平面狭缝喷嘴对空气助力环境中水射流碎裂长度的影响
权利要求
1、一种平面液体层的雾化方法，适用于平面狭缝喷嘴和空气助力平面狭缝喷嘴，其特征在于，上述喷嘴采用横向谐振方式，其谐振频率的确定分两种情况
情况一对于平面狭缝喷嘴，平面液体层喷射进入静止空气环境中，其一级雾化的碎裂行为符合对称波形(varicose)或非对称波形(sinuous)形量纲一色散准则关系式
式中
I＝2(1-k2ξ2)3/2 (4)
式(1)中“
”号中的“-”号表示喷射液体层气液交界面表面波为对称波形(varicose)，“+”号表示喷射液体层气液交界面表面波为非对称波形(sinuous)，ξ为液体层碎裂点的扰动振幅；
式(2)-(4)中，k为波数，在液体层碎裂点，即为液体层碎裂的最不稳定频率；ξ0为喷嘴出口处的初始扰动振幅，取ξ0＝0.01；P为环境气体压力与喷射压力之比；为液体韦伯数，其中a为平面狭缝喷嘴的出口半厚度(m)，ρl为液体密度(kg/m3)，Ul为液体喷射流速(m/s)，σl为液体表面张力(N/m)；Re1＝aUl/vl为液流雷诺数，其中vl为液体运动学粘度(m2/s)；Regc＝ac/vg，其中c为声速(m/s)，vg为环境气体运动学粘度(m2/s)；Re1g＝aUl/vg；γ为环境气体的绝热指数，对于双原子气体(如空气)取γ＝1.4；为液体欧拉数，其中Pl为液体层喷射压力；Lb为量纲一液体层碎裂长度；其它参数为Bj＝(ikξj+1)exp(ik+ikξj)，Cj＝(ikξj-1)exp(-ik-ikξj)，
，
，其中j＝l对应液体参数，j＝g对应环境气体参数；为液体层碎裂点表面波的液相扰动振幅；为液体层碎裂点表面波的气相扰动振幅；式中带有上标“-”的参数为有量纲参数，没有上标的参数为量纲一参数，下同。
令平面液体层上下气液交界面处的量纲一扰动振幅ξ的绝对值相等，且等于1，求取的波数k即为平面狭缝喷嘴的横向谐振频率；
情况二对于空气助力平面狭缝喷嘴，平面液体层喷射进入空气助力环境中，其一级雾化的碎裂行为符合任意波形量纲一色散准则关系式
式中θ为液体层表面波上下气液交界面的相位角。
式(6)-(10)中，ξ1为液体层表面波上气液交界面的扰动振幅，ξ2为液体层表面波下气液交界面的扰动振幅；为液体层一侧空气助力气流的马赫数，为液体层另一侧空气助力气流的马赫数；Ug1为液体层一侧空气助力气流的流速(m/s)，Ug2为液体层另一侧空气助力气流的流速(m/s)；Reg1＝aUg1/vg为液体层一侧空气助力气流的雷诺数，Reg2＝aUg2/vg为液体层另一侧空气助力气流的雷诺数；为液体层一侧气液基流流速比，为液体层另一侧气液基流流速比；Ud1＝1-U1为液体层一侧气液基流流速差，Ud2＝1-U2为液体层另一侧气液基流流速差；其它参数为Bl＝(ikξl1+1)exp(ik+ikξl1)，Cl＝(ikξl1-1)exp(-ik-ikξl1)，Dl＝(ikξl2+1)exp(-ik+ikξl2)，El＝(ikξl2-1)exp(ik-ikξl2)，其中为液体层一侧碎裂点表面波的液相扰动振幅，为液体层另一侧碎裂点表面波的液相扰动振幅；Bg＝(ikξg1+1)exp(ik+ikξg1)，Cg＝(ikξg1-1)exp(-ik-ikξg1)，Dg＝(ikξg2+1)exp(-ik+ikξg2)，Eg＝(ikξg2-1)exp(ik-ikξg2)，其中为液体层一侧碎裂点表面波的气相扰动振幅，为液体层另一侧碎裂点表面波的气相扰动振幅；为液体层一侧碎裂点表面波的气相圆频率，为液体层另一侧碎裂点表面波的气相圆频率；
令平面液体层上下气液交界面处的量纲一扰动振幅ξ1与ξ2的绝对值不相等，但绝对值的相加之和等于2，求取的波数k即为空气助力平面狭缝喷嘴的横向谐振频率。
全文摘要
本发明涉及液体雾化领域，具体涉及一种平面液体层的雾化方法，适用于平面狭缝喷嘴和空气助力平面狭缝喷嘴，上述喷嘴采用横向谐振方式，其谐振频率为运用量纲一色散准则关系式确定的平面液体层喷射一级雾化碎裂最不稳定频率。
文档编号B05B1/02GK101417271SQ20081023236
公开日2009年4月29日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者曹建明, 蹇小平, 强 高, 磊 王, 陈志伟, 张秋霞, 李雪莉, 明 罗, 朋 刘, 苏海东, 陈文凤 申请人:长安大学