（机械制造及其自动化专业论文）mql气泡雾化喷嘴下游流场数值模拟.pdf

论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： m q l 气泡雾化喷嘴下游流场数值模拟 机械制造及其自动化 张敏 肖继明副教授 摘要 签名：邋 签名：耻塑 工业化进程的加快带来的环境污染已日趋严重。金属切削加工业作为重 要的工业领域，节能降耗，减小污染已迫在眉睫。本文针对金属切削加工中 广泛应用的传统冷却润滑方式，研究开发了新的冷却润滑方式和系统，以期 解决由此产生的污染问题。本课题具有重要的工程实际意义。 小量冷却润滑( m q l ) 不仅冷却润滑效果好，且不会污染环境，是一种 绿色冷却润滑方式。其中液体气泡雾化方式具有雾化质量高、耗液耗气量小、 工作压力低等特点，在金属切削加工中的应用受到广泛关注。 本文在进行大量分析研究的基础上设计了一套切削液气泡雾化系统，该 系统以压缩空气为动力，形成气泡两相流，使切削液产生雾化。依据这一原 理，设计了多孔气泡雾化喷嘴，并对其雾化特性进行了研究。 建立了雾化喷嘴结构的流体运动模型，采用两相流中描述颗粒运动的欧 拉拉格朗日法，利用f l u e n t 有限元软件对喷嘴的雾化特性进行了数值模 拟。分析结果表明雾化颗粒粒度与喷嘴口径近似呈正比关系，与气液流量比 近似呈反比关系；雾化颗粒流速与气液流量比和压缩空气压强成正比，与喷 嘴口径成反比，而切削液流率对雾化颗粒流速的影响较为复杂，在切削液流 率较小时，随着它的增大雾化颗粒流速增大，但当切削液流率达到一定值后， 雾化颗粒流速反而会减小，颗粒流速随着远离喷嘴口而逐渐减小；进一步用 正交分析获得在气液流量比o 2 、压缩空气压强0 4m p a 和切削液流率3g s 的条件下，雾化颗粒粒度最小。 此外，用所设计气泡雾化实验系统进行了初步实验，直观地观察了喷嘴 口径和切削液流率变化对雾化效果的影响，结果与数值模拟分析一致。表明 西安理工大学硕士学位论文 行气泡雾化喷嘴的设计和参数优化是一种有效的途径。 ；气泡雾化；雾化特性；数值模拟 西省教育厅专项科研基金( 0 5 j k 2 7 4 ) 的资助。 m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n n a m e ：m i nz h a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f j i m i n gx i a o a b s t r a c t s i g n a t u 阳：丝塑乡 s i g n a t u r e ： w i t hi n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t ，e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a sb e c o m e si n c r e a s i n g l ys e v e r e i t i sa l li m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c tt h a te n e r g ys a v i n ga n dd e c o n t a m i n a t i o ni nm e t a l c u t t i n gf i e l d s an e wl u b r i c a t i o nt e c h n i q u ea n ds y s t e mw a sd e v e l o p e dt os o l v et h ep o l l u t i o np r o b l e mw h i c h b e e nf r o mn o wc o o l i n g l u b r i c a t i o nm e t h o d sw i d e s p r e a du s e di nm e t a l c u t t i n go p e r a t i o n s i th a s i m p o r t a n te n g i n e e r i n gm e a n i n g m i n i m u mq u a n t i t yl u b r i c a t i o n ( m q l ) d o e sn o to n l yc o o l i n g 7 l u b r i c a t i o ne f f e c t sw e l l ，b u t a l s ou n a b l et op o l l u t e de n v i r o n m e n t l i q u i de f f e r v e s c e n ta t o m i z i n gh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i ct h a t l l i 曲a t o m i z i n gm a s s ，l i t t l el i q u i da n da i rc o n s u m p t i o na n dl o ww o r k i n gp r e s s u r e i t sa p p l i c a t i o n h a sb e e nr e g a r d e da b r o a di nm e t a l - c u t t i n go p e r a t i o n s as e to fe f f e r v e s c e n ta t o m i z i n ge q u i p m e n to fc u t t i n g - f l u i dw a sd e s i g n e db a s e do n al a r g e a m o u n to fa n a l y t i c a ls t u d y t h ee q u i p m e n tt a k e sc o m p r e s s e da i ra sp o w e rt of o r ma i rb u b b l e t w o p h a s ef l o wt oa t o m i z ec u t t i n g f l u i d a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e ，am u l t i a p e r t u r ea i rb u b b l e a t o m i z e rw a sd e s i g n e da n di t sa t o m i z i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r ei n v e s t i g a t e d t h ef l u i dm o t i o nm o d e lw a sb u i l ta b o u tt h es t r u c t u r eo fa t o m i z i n gn o z z l eb a s e do n e u l e r - l a g r a n g i a nm e t h o dw h i c hd e s c r i b e sp a r t i c l em o t i o ni nt w op h a s ef l o w , t h ea t o m i z i n g c h a r a c t e r i s t i co ft h en o z z l ew a ss i m u l a t e da n da n a l y z e dw i t hf l u e n tf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h er a t i ob e t w e e na t o m i z i n gp a r t i c l e ss i z ea n dn o z z l ed i a m e t e ri s a l m o s td i r e c t ，h o w e v e rt h er a t i ob e t w e e na t o m i z i n gp a r t i c l es i z ea n da i r - l i q u i dr a t i oi sa l m o s t i n v e r s e ；t h er a t i ob e t w e e na t o m i z i n gp a r t i c l ev e l o c i t ya n da i r - l i q u i dr a t i oi sa l m o s td i r e c t ，t h e r a t i ob e t w e e na t o m i z i n gp a r t i c l ev e l o c i t ya n dc o m p r e s s a i rp r e s s u r ei sa l s od i r e c t ，t h er a t i o 西安理工大学硕士学位论文 b e t w e e na t o m i z i n gp a r t i c l ev e l o c i t ya n dn o z z l ed i a m e t e ri si n v e r s e ，a n dt h ei n f l u e n c eo n a t o m i z i n gp a r t i c l ev e l o c i t yb yl i q u i df l o wr a t ei sr e l a t i v ec o m p l e x ，a t o m i z i n gp a r t i c l ev e l o c i t y i n c r e a s e sw i t hc u t t i n gf l u i dr a t ei n c r e a s i n gw h e nc u t t i n gf l u i dr a t ei sl e s s e r , b u ta t o m i z i n g p a r t i c l ev e l o c i t yi nr e v e r s ew h e nc u t t i n gf l u i dr a t ea r r i v ea ta nd e f i n i t ev a l u e ；w i t ht h ed i s t a n c e t on o z z l ei n c r e a s i n g ，a t o m i z i n gp a r t i c l ev e l o c i t yi sd e c r e a s i n g i ti sa c q u i r e st h a tm i n i m u m p a r t i c l es i z ew h e na i r - l i q u i dr a t i oi s0 2 ，c o m p r e s s - a i rp r e s s u r ei s0 4m p a a n dc u t t i n gf l u i dr a t e i s3g sb yo r t h o g o n a la n a l y s i s i na d d i t i o n ，t h ei n i t i a le x p e r i m e n to fe f f e r v e s c e n ta t o m i z i n ge q u i p m e n tw a si m p l e m e n t e d ， t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tn o z z l ed i a m e t e ra n dc u t t i n gf l u i dr a t eo nt h ea t o m i z a t i o ne f f e c tw a s o b s e r v e dd i r e c t l y t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h o s ea r ec o i n c i d e n tw i t hn u m e r i cs i m u l a t i o n a n a l y s i s ，a n di t i sa ne f f i c i e n ta p p r o a c ht od e s i g na n do p t i m i z ep a r a m e t e ro fe f f e r v e s c e n t a t o m i z e rw i t hn u m e r i cs i m u l a t i o nm e a n s k e yw o r d s ：m q l ；e f f e r v e s c e n ta t o m i z a t i o n ；a t o m i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db ys h a a nx ip r o v i n c ee d u c a t i o nd e p a r t m e n ts p e c i a lr e s e a r c h f u n d ( 0 5 j k 2 7 4 ) 目 录 目录 1 绪论1 1 1 本文研究的背景及意义1 1 2 绿色切削技术的研究现状3 1 3m q l 切削技术的研究现状5 1 4m q l 尚待深入研究的问题8 1 5 本文研究的主要内容9 2 液体雾化基本理论及喷嘴雾化技术1 l 2 1 液体雾化的基本理论1 l 2 1 1 液体雾化的基本过程1 1 2 1 2 液雾分布特性及测量技术1 3 2 2 喷嘴雾化技术1 8 2 3 气泡雾化喷嘴技术2 0 2 4 本章小结2 1 3m q l 气泡雾化系统设计2 3 3 1 系统方案分析2 3 3 2 系统设计2 4 3 3 雾化喷嘴设计2 4 3 3 1 设计思想2 5 3 3 2 喷嘴设计计算2 6 3 4 本章小结2 8 4 气泡雾化喷嘴下游流场建模2 9 4 1f l u e n t 软件简介2 9 4 2 两相流中颗粒运动的描述方法3 1 4 3f l u e n t 两相流数学模型3 2 4 3 1f l u e n t 软件中两相流模型的选择3 3 4 3 2 离散相颗粒轨道方程3 3 4 3 3 颗粒轨道计算步骤3 4 4 4 雾化喷嘴下游流场建模及边界条件设定3 5 4 5 本章小结3 6 5 气泡雾化喷嘴下游流场特性分析3 7 5 1 雾化特性的质量标准3 7 5 2 喷嘴参数及工况参数对雾化效果的影响3 8 5 2 1 雾化颗粒直径的因素影响3 9 5 2 2 雾化颗粒速度的因素影响3 9 西安理工大学硕士学位论文 5 2 3 工况参数对雾化颗粒直径的正交分析5 1 5 3 喷嘴雾化颗粒轨迹模拟图5 3 5 4 气泡雾化初步实验5 4 5 5 本章小结5 6 6 结论与展望5 7 6 1 本文的主要结论5 7 6 2 展望5 7 致谢5 8 参考文献5 9 攻读硕士学位期间发表论文6 2 第一章绪论 1 绪论 1 1 本文研究的背景及意义 人口增长、环境恶化、资源匮乏已成为当今世界人类共同面临的严峻问题。随着全球 经济一体化进程愈演愈烈，如何建立生产与资源环境相互协调的发展模式，如何减少浪费、 提高人力和机械资源的生产力、促进资源的合理配置己成为当今企业实现可持续发展所要 解决的首要问题。作为重中之重的机械制造行业正面临着全新的挑战。 在金属切削加工中使用切削液始于十八世纪后 期，当时金属切削加工只能以很低的速度进行。1 8 8 3 年，f m t a y l o r 1 j 发现将水浇注到切削区，可以有 效提高切削速度并清除切屑。后来随着对金属切削 加工质量要求的不断提高，又采用了动植物油作为 切削液。这种油能在金属表面形成比较牢固的吸附 膜，降低加工表面粗糙度，但它易氧化变质，使用 期限较短。在不断的生产实践中，人们又试着将脂 肪油跟矿物油掺合后作为一种混合油使用。后来， 含硫、氯、磷等有机化合物和其他添加剂的非活性 极压油和活性极压油应运而生。它们与金属起化学 反应，形成高熔点、低剪切强度的固体润滑膜，提 高了切削液在高温、高压下降低摩擦和抗烧结的能 力。随着切削速度的不断提高，切削温度不断升高， 油基切削液不能完全满足切削的要求，人们又开始 重视水的冷却作用，把油的润滑性能与水的冷却性 能结合起来，促使了乳化液的应用【2 l 。现在又发展 了低污染的切削液，如图1 1 所示。 目前大部分机械零件的切削加工，尤其是自动 化程度较高的数控机床、加工中心及自动生产线， i 1 8 8 3 年f m t a y l o r l 用水 除硫、氯、磷等有机化合物、 l 非活性极压油、活性极胍油 图1 1 切削液的发展 f i g 1 - 1d e v e l o p m e n to fc u t t i n gf l u i d 绝大部分都是以使用切削液的湿式加工方式为主。此外，对一些难加工材料( 如高硬度、 高强度和高粘性) 及一些特殊工序( 如钻削、铣削、磨削) 湿式加工仍是目前最有效的方 法之一。切削液作为湿式切削加工中重要的配套材料，在机械加工中的作用，如冷却、润 滑、清洗和防锈等是不可或缺的。在今后相当长的一段时间，使用切削液的湿式加工方法 仍将是金属切削加工中要用到的主要冷却方法。然而，随着切削液的广泛使用和人们对环 境保护及可持续发展意识的不断增强，使用切削液的种种弊端和负面影响( 图1 2 ) 也越 来越明显。 西安理工大学硕士学位论文 图1 - 2 切削液的负面影响 f i g 1 2d i s a d v a n t a g ei n f l u e n c eo fc u t t i n gf l u i d ( 1 ) 污染环境 传统的湿式切削加工是以大量资源消耗和投放废弃物为特征，切削液的参与比例很 大，如德国，1 9 9 7 年金属加工工业中所消耗切削液达8 0 万吨，且对加工过程中产生的三 废( 废气、废液、废屑) 采用末端治理技术，等到产生了废弃物和污染后再处理，使治理 污染的投入高，环保效果差。 切削液对环境的危害主要是其废液对水资源的污染问题。切削液主要分为油基和水基 两种，含有多种有毒化学成份。矿物油是切削液的主要成分之一，其生物降解性差，能长 期滞留在水和土壤中。美国环保局指出：油对水生物有急性致死毒性，也有长期亚急性致 死毒性，即不会导致生物死亡，但破坏其正常的生态。水中含油量超过1 0 p p m ( 百万分 率) ，就会使海洋植物死亡，含油3 0 0 p p m 可使淡水鱼死亡。就算排放的废液经过严格的 矿物油回收处理，其在水中的长期积累也不容忽视。此外，切削液的添加剂对环境的污染 也是多方面的，如常用作极压添加剂的短链氯化石蜡是海水污染物之一；在水基切削液中 常用磷酸钠作防锈剂，而研究证明，磷酸盐类化合物的直接排放严重污染环境，会使河流、 湖泊和海洋出现富营养化，出现蓝藻和赤潮。还有切屑中带有残存切削液的问题。切削液 或多或少总会存留在切屑上，大量堆积的切屑会污染土壤；切屑再生利用时切削液的有毒 有害成分也会污染环境1 3 j 。 ( 2 ) 危害人身健康 首先是对人体呼吸器官的危害，主要是在使用切削液时产生的油雾以及切削液散发的 气味。油基切削液在高速或重载切削条件下，产生高温化学反应，释放刺激性的有害气体 和油雾，燃点和黏度越低，烟雾就越大，污染越严重。 其次，切削液中的添加剂具有毒性。水基切削液为改善切削性能加入了各种添加剂， 如极压剂、防锈剂、防霉剂等。普通水基液含有数1 0 种不同的化学成份，而且在使用中 遇高温时会形成新的化合物，对人体健康危害较大。如常用效果较好的防锈剂是亚硝酸钠， 亚硝酸盐类化合物可以使人体中毒，长期接触会致癌。作为杀菌剂使用的苯酚类物质毒性 也很大。 三是对人体皮肤的危害。常用作极性添加剂的氯化合物润滑性能好，但刺激人们的皮 2 第一章绪论 肤和眼睛；甲醛类化合物对人体刺激也很大，使眼睛流泪，且能致癌。矿物油、表面活性 剂的脱脂作用，或因防腐杀菌剂的刺激性以及无机盐、有机胺等碱性物质的作用，均会使 皮肤干燥、裂口、红肿而发生皮炎。 美国g e n e r a lm o t e r 汽车公司通过专门的综合调查，对直接接触切削液的机床操做工、 不直接接触切削液的装配工和从未在机床上工作过的三类人群进行了比较，结果发现机床 操做工患呼吸系统疾病，如咳嗽、呼吸困难、慢性支气管炎、鼻炎的较多1 4 j 。 ( 3 ) 增加生产成本 德国v d m a 和日本精密工程协会的研究表明，由于切削液的供给、保养、处理设备 的折旧等费用，以及切削加工中采用切削液所引起环保的相关费用，约占零件制造成本的 1 2 - - 一1 7 ( 图1 3 ) ；磨削加工中切削液的费用甚至高达制造成本的3 0 左右。由于这些 费用包含在间接费用之中，因而常常被低估。据测算，如果金属切削加工中2 0 的采用 于式切削，总的制造成本可降低1 6 。存在着降低产品成本的巨大潜力1 5 j 。 7 8 哆扣8 5 的其它费用 图1 - 3 传统加工中的费用组成 f i g 1 - 3 c o s tc o m p o s i t i o ni nt r a d i t i o n a lm a c h i n i n g 由此可见，切削液的负面问题显然和可持续发展思想格格不入，许多国家已制定了严 格的工业排放标准，限制切削液的使用。因此，本文要从切削液的用量入手，研究开发新 的冷却润滑方法。 1 2 绿色切削技术的研究现状 绿色切削技术是一种充分考虑环境和资源问题的加工技术，它要求在整个加工过程 中做到对环境的污染最小和对资源的利用率最高。目前国内外对绿色切削的研究主要集中 在干式切削和半干式切削两个方面。 a 干式切削 干式切削【6 4 1 是指在切削加工中不使用切削液的加工方法，它从源头上消除了切削液 带来的一系列负面影响。 干式切削的实施，并不是简单地停止使用切削液，还包括对机床、工件，特别是刀具 在内的整个工艺系统进行全面的考虑。由于干式切削具有比湿式切削高的切削温度，要实 现干式切削，要求刀具材料必须具有高的红硬性、耐磨性、热韧性和热化学稳定性，且切 西安理工大学硕士学位论文 屑、工件和刀具间的摩擦系数要尽量的小，刀具结构要便于排屑，刀具强度和冲击韧性要 高；机床应尽可能是超高速切削机床，并配有吸尘、排屑装置【舯】。对于工件而言，其材 质的热特性是决定是否适宜干式切削的重要因素。一般说来，材料的熔点越高，热传导系 数和膨胀系数越小越适于干式切削；大质量l l d , 质量工件越适于干式切削。 美国l e b l o n dm a k i n o 公司用陶瓷刀具和c b n 刀具对铸铁进行高速干式切削的结果表 明，高速切削时，产生的热量聚集于刀具前部，使切削刃附近工件材料达到红热状态，屈 服强度明显下降，材料去除率显著提高【l 们。 b 半干式切削 基于干式切削对刀具、机床和工件的上述特殊要求，完全的干式切削应用范围很窄， 而传统的湿式切削又有诸多的不足，若将两者合理地结合，既可满足加工要求又可使与切 削液的相关费用降低，这就是介于干式切削与湿式切削之间的半干式切削【】。目前使用 的半干式切削方法主要有：低温风冷切削、液氮冷却切削和小量润滑切削m q l ( m i n i m u m q u a n t i t yl u b r i c a t i o n ) 。图1 4 所示为目前主要的绿色切削技术。 图1 4 主要绿色切削技术 f i g 1 - 4m a j o rg r e e nc u t t i n gt e c h n i q u e ( 1 ) 低温风冷切削 低温风冷切削是采用一1 0 一5 0 0 c 的冷风强烈冲刷加工区的一种方法( 如图1 5 ) 。 它可以显著均匀地降低加工区的温度，有效地抑制刀具磨损，提高刀具寿命，改善加工表 面质量。若在冷风中供给微量润滑油，则改善效果更为明显。目前常用的介质有空气、 n 2 ( 有液氮蒸发和常温氮气冷却到所需温度两种方式) 和c 0 2 ( 干冰蒸发) 等【2 彤】。 4 1 0 5 0 的 图1 5 低温风冷 f i g 1 - 5 g a sc o o l i n gi nl o w t e m p e r a t u r e 曰 第一章绪论 ( 2 ) 液氮冷却切削 液氮冷却切削是采用液氮使工件、刀具或切削区处于低温冷却状态而进行切削加工， 利用材料的低温脆性，使其在韧性降低、塑性减小的情况下完成切屑与工件的分离( 如图 1 6 ) 【1 4 】。 利用材料的 低温脆性 图1 - 6 液氮冷却 f i g 1 6l i q u i dn i t r o g e nc o o l i n g 曰 ( 3 ) m q l 切削 m q l 切削是将压缩空气与少量的切削液混合后，喷射到切削区，对刀具和工件进行 冷却润滑( 如图1 7 ) 。m q l 技术可以大大减少刀具、工件及切屑间的摩擦，起到抑制温 升，减少刀具磨损，防止粘结和提高工件加工质量的作用。它使用的切削液很少，且大部 分被蒸发，这就使切削液量大大减少，随之处理费用也大幅下降，不但提高了加工效率， 而且不会对环境造成污染【1 5 1 7 】。 压缩空气 微量切削液 图l - 7m q l 切削 f i g 1 - 7 m i n i m u mq u a n t i t yl u b r i c a t i o nc u t t i n g 以上三种切削，以低温风冷和液氮冷却所需装置条件复杂，且存在较多技术难题，应 用范围受到了极大限制，而m q l 则没有这些问题，其供给系统简单易实现，体积小易于 布局，应用前景广阔。 1 3m o l 切削技术的研究现状 目前，m q l 切削技术主要用于对铸铁、钢和铝合金进行钻孔、铰孔和攻丝加工，以 及各种材料的深孔钻削和铝合金的端面铣削等。表1 1 所列为m q l 技术及与其它冷却技 术结合的一些应用实例( 1 8 - 2 3 1 。 西安理工大学项士学位论文 表1 一lm q l 技术应用实例 t a b 1 1 m q lt e c h n o l o g ye x a m p l e sa p p l i c a t i o n 加工材料加工方法润滑方式切削液及用量使用效果 铣削 2 0 m l h 铝合金m q l 比浇注式效果好。 ( 较高速、高进给) 植物油 铣削 3 0 m l h ( 速度 0 ，射流是稳定的，不会发生破碎；而当射流受到对称扰动 时，e 0 ，扰动幅度会被放大，最终导致射流的破碎。破碎后液滴的直径为： d = 1 8 9 d ( 2 6 ) w e b e r 进一步发展了r e y l e i g h 的理论，提出对于无粘性液体射流，破碎的最佳扰动波 长为： b = 2 n d ( 2 7 ) 而对于粘性射流，破碎的最佳波长为： 2 励卜器j 亿功 h a e n l e i n 3 3 1 利用实验手段验证了w e b e r 理论的正确性，并进一步提出液体射流破碎的 四种模式： ( 1 ) 液滴的形成不受气流的影响，而仅受表面张力的影响，即r e y l e i g h 破碎模式。 1 2 第二章液体雾化基本理论及喷嘴雾化技术 破碎是由于扰动使得射流表面形成轴对称振荡波，该波动在表面张力作用下振幅不断增 大，最终导致液柱的断裂和破碎。 ( 2 ) 液滴的形成主要受气体流动和表面张力的影响，即第一类风生破碎模式( f i r s t w i n d i n d u c e db r e a k u pr e g i m e ) 。由于液体射流与气体之间的相互作用增强了表面张力的 作用，使液柱表面各点的曲率发生变化，造成液柱内部压力分布不均，并迫使液体向曲率 半径大的方向流动，从而导致射流的破碎。 ( 3 ) 液滴的形成主要受射流表面波长的影响，即第二类风生破碎模式( s e c o n d w i n d i n d u c e db r e a k u pr e g i m e ) 。破碎是由于射流在气动力作用下，在表面形成非稳态增 长的小波长( 正弦扰动波) ，最终导致射流破碎。在此过程中表面张力对扰动的增长起抑 制作用，即阻碍了射流的破碎。 ( 4 ) 射流的完全破碎模式，即雾化模式( a t o m i z a t i o nr e g i m e ) 。液体射流在喷嘴出 口就发生破碎，形成直径很小的液体颗粒群。至今，人们对于这种破碎模式的具体机理和 原因还没有完全研究清楚，一般认为是液气相互作用形成的压力波造成的，同时气液之间 的相会剪切也是原因之一。 2 1 2 液雾分布特性及测量技术 a 液雾尺寸分布特性 ( 1 ) 液滴尺寸分布表达式 液体被雾化后的液滴群一般由大小不等的液滴颗粒组成，为了描述和评定液滴群的雾 化质量和表示其雾化特性，需要一个既可以表示颗粒直径大小又可以表示不同直径颗粒的 数量或质量的表达式，即所谓的液滴尺寸分布表达式。现在普遍应用的液滴分布表达式都 是经验公式，至今还没有从理论上得到能够详细描述液体颗粒分布的表达式。对于液滴尺 寸分布的描述一般有以下四种形式【3 4 】： 数量积分分布：大于( 或小于) 给定直径d 。的液滴数n 占液滴总数n 。的百分数， 称为液滴的数量积分分布，用n n 。表示。 重量积分分布：大于( 或小于) 给定直径d ；的液滴重量w ( 或容积v ) 占液滴总 重量w j ( 或容积v o ) 的百分数，称为液滴的重量积分分布，用形w o ( 或v r o ) 表示。 液滴数量的微分分布：在直径范围d ；d ( d ，) 2 内，液滴数量的增量d n 占液滴总 数n 。的百分数，称为液滴数量的微分分布，用d n n o d ( d , ) 表示。 液滴重量的微分分布：在直径范围d ；d ( d ，) 2 内，液滴重量( 或容积) 的增量d w ( 或d y ) 占液滴总重量w o ( 或总容积v o ) 的百分数，称为液滴重量的微分分布，用 d i , v w o d ( d , ) 或d 矿r o d ( d , ) 表示。 以上分布的典型曲线如图2 2 所示。由于理论上还不能找出这些分布的具体形式，因 此只能依靠经验来建立经验公式，大量的实验结果证明，其数量微分分布大体可以用下式 表示： 西安理工大学硕士学位论文 型l ：口d , , e - t d 7 d ( 4 ) 式中：a 、b 、r f l 、n 都是常数，由实验确定。 ( 2 9 ) 图2 2 液滴尺寸分布曲线 f i g 2 - 2d r o ps i z ed i s t r i b u t i n gc u r v e 大多数研究者所提供的喷嘴雾化尺寸分布表达式都是基于式( 2 9 ) 得到的。较为著 名的有： r o s i n r a m m l e r 分布：其表达式为 月：旦：当：1 一p 一耖( 2 1 0 ) 、 7 式中：肛一滴径小于d i 的液滴重量( 或容积) 占液滴总重量( 或总容积) 的百分数； d 特征直径，指重量( 或容积) 分布中( 1 - r ) = l e 所对应的滴径； n _ 颗粒均匀度指数，该值越大表示颗粒直径越均匀。 n u k i y a m a t a n a s a w a 分布：该分布比较适用于对于直流喷嘴雾化颗粒进行描述，其 数量微分分布表达式为 黑：口彳e x p ( 一叫) ( 2 1 1 ) d ( 4 ) 一 、 其中，b 、n 用试凑法求出。 对数正态分布：其表达式为 一d r ：车( 万2 y 2 )(212)jr_ e x p ( oy 1 2 7 = =j【z a y、刀 式中，y = i n ( d d o ) ，j 为实验常数。 ( 2 ) 液滴平均尺寸分布表达式 实际的液雾中液滴尺寸大小不一，为了分析问题的方便，采用了平均液滴尺寸的概念。 平均液滴尺寸的定义是一个假想均匀尺寸的喷雾，它在某些方面的特征参数( 或特性) 与 实际不均匀喷雾的相同，这个假想均匀喷雾的液滴尺寸称为平均尺寸。平均液滴直径常用 1 4 第二章液体雾化基本理论及喷嘴雾化技术 的有质量中间直径( m m d ) 和索太尔( s a u t e r ) 平均直径，常以s m d 或d 蛇表示。质量 中间直径定义为在这直径之上或之下的液滴质量是5 0 ；索太尔平均直径的物理意义为 液雾内全部液滴的总体积与总表面积的比值，用公式表示为： r 一刃删 泐- d 3 ：2 莆丽 q _ 3 乜 b 液雾测量技术及设备 ( 1 ) 液雾测量技术概述 进行任何一项实验研究，都离不开测量技术的支持。测量技术的先进与否，代表了 实验研究水平的高低。在喷嘴雾化特性诸参数中，最为难测量的是雾化后的液滴尺寸和尺 寸分布，而这两个参数又是衡量喷嘴雾化特性优劣的不可缺少的指标。因此，喷嘴雾化特 性的实验研究实际上主要是围绕发展和提高液滴尺寸及其分布的测量技术而展开的。数十 年来，己经出现了多种测量液滴尺寸及其分布的方法，综合而论，可分为接触式和非接触 式测量两大类，如图2 3 所示。 冻结法 接触式 涂层 印痕法 液雾测量技术 激光散射、 衍射测量技 术 普通 照相 法 非接触式 引憎i i 黜 全息照相测 雾技术 激光干 涉相位多 普勒测雾 技术 三维激光 相位多 普勒测 雾技术 图2 3 液雾测蕈技术 f i g 2 3 l i q u i d - m i s tm e a s u l et e c h n i q u e 早期的测量技术多属于接触式，如冻结法和涂层印痕法【3 2 1 。 冻结法是将加热融化的石蜡液体喷入到一个相对低温的环境中，于是喷出的液体 被迅速冷却，凝固成大小不等的颗粒，将这些颗粒收集，然后通过照相或光学显微技术测 量以上颗粒的直径，并按照不同的尺寸分组计算或称量，得到液雾群的平均直径和尺寸分 布。 涂层印痕法则是将涂有氧化镁等胶质涂层材料的取样板置于喷雾场中，通过测量 液滴在取样板上留下的印痕来确定颗粒直径和尺寸分布。另外，早期还发展有一些非接 触式的测量方法，如普通照相法、光扫描法、闪光照相法等1 2 9 】。但由于以上方法存在技 术上的种种缺陷，没有得到普遍的应用。二十世纪6 0 年代激光器的出现，特别是激光技 l s 西安理工大学硕士学位论文 术与高度灵敏、高频相的光电检测技术和电子计算机数据处理相结合的系统出现以后，非 接触式测量技术进入了一个新纪元。 近年来，激光测雾技术的发展主要在以下几个方面： 利用粒子散射、衍射原理发展的激光散射、衍射测量技术； 利用激光全息原理发展的全息照相测雾技术； 利用激光干涉多普勒测速原理的相位多普勒测速、测雾技术； 三维激光相位多普勒l d v a p v ( l a s e rd o p p l e ra n da d a p t i v ep h a s e d o p p l e r ) 方法。 所有这些技术目前都随着测量元件和计算机技术的迅速发展而日益完善，可满足对雾 化特性试验研究和工程测量的需要。 ( 2 ) 激光多普勒效应【3 5 】 当激光照射到相对运动的物体上时，被物体散射( 或反射) 的光的频率将发生改变， 这种现象称为光的多普勒效应。相应地，将散射( 或反射) 的光的频率与光源光频率的差 值称为多普勒频移。 如同声波的多普勒效应一样，光源与物体相对运动时也具有多普勒效应。但是在激光 器出现以前，要得到频谱窄、能量集中的光源是不容易的。激光作为一种新型光源的出现 为利用光波的多普勒效应创造了条件。 在激光多普勒测速仪中，依靠运动微粒散射光与照射光之间光波的频差( 或称频移) 来 获得速度信息。这里存在着光波从( 静止的) 光源_ ( 运动的) 微粒_ ( 静止的) 光检测 器三者之间的传播关系。 当一束具有单一频率的激光照射到一个运动微粒上时，微粒接收到的光波频率与光源 频率会有差异，其增减的大小与微粒运动速度以及照射光与速度方向之间的交角有关。如 果用一个静止的光检测器( 如光电倍增管) 来接收运动微粒的散射光，那么观察到的光波 频率就经历了两次多普勒效应。 多普勒总频移量的关系式可以推导如下：设光源为o ，运动微粒p 和静止的光检测 器s 之间的相对位置如图2 4 所示。照射光的频率为厶，粒子p 的运动速度为u 。根据 相对论变换公式，经多普勒效应后粒子接受到的光波频率为： 1 - 盟 ，一， j j0 c ( 2 1 4 ) 式中：入射光单位向量： c 介质中光的传播速度。 当u c 时，可得近似式 ：五f l 一堕1 ( 2 1 5 ) c 这就是在静止的光源和运动的粒子条件下，经过一次多普勒效应的频率关系式。 1 6 第二章液体雾化基本理论及喷嘴雾化技术 o u o 图2 _ 4 光源、微粒和光检测器的相对位置 f i g 2 4 r e l a t i v ep o s i t i o n0 1 1l a m p - h o u s e 。p a r t i c l ea n di n s p e c t o r s 运动的微粒被静止的光源照射，就如同一个新的光源一样向四周发出散射光。当静止 的观察者( 或光检测器) 从某一方向上观察粒子的散射光时，由于它们之间又有相对运动， 接受到的散射光频率又会同粒子接受到的光波频率不同，其大小为： i ， z ：1 1 + 堕1 ( 2 1 6 ) c 式中：乞粒子散射光的单位向量。括号中取正号是因为选择向量由粒子朝向光检测器。 将式( 2 1 5 ) 代入( 2 1 6 ) ，在u c 条件下忽略高次项，可得到经历两次多普勒效 应后的频率关系式： z ：五ll + 刿i ( 2 1 7 ) l f j 它与光源频率之间的差值叫做多普勒频移厶，即 厶= z 一石= l u ( 巳- e 0 ) i ( 2 1 8 ) 式中：名介质中的激光波长。如果粒子是在空气中，通常可用真空中的波长九代替。 由式( 2 1 8 ) 可见，如果已知光源，粒子和光检测器三者之间的相对位置，只能确定 速度u 在( 乞一) 方向上的投影大小。显然，单有一种固定的相对位置是不可能确定平面 速度向量的。 在许多情况下，速度的方向常常是已知的( 如风洞、管流) 。要是将入射光、散射光 和粒子速度方向布置成图2 5 中那样，就可以得到最简单形式的多普勒频移表达式： 厶：挚娑i u ，l ( 2 1 9 ) ，d2 _ _ 一lr l 佯 式中：玑速度u 在】，轴的分量； k 入射光和散射光向量间夹角之半角。 只要k 角和波长兄给定，多普勒频移与速度就成线性关系。 1 7 西安理工大学硕士学位论文 一x 图2 - 5 特定光源、微粒和光检测器的相对位置 f i g 2 5 r e l a t i v ep o s i t i o no ns p e c i a ll a m p - h o u s e p a r t i c l ea n di n s p e c t o r 2 2 喷嘴雾化技术 目前，液体的雾化基本上都是由雾化喷嘴( 含混合器) 来实现的，因此，为了液体雾 化技术的发展和应用，已开发了各种形式的雾化喷嘴，以满足不同场合的应用。但尽管形 式各异，其雾化过程的物理本质是相同的。即先将液体扩展成很薄的液膜或很细的射流， 如通过特定设计的流路( 窄缝、槽或小孔) 展成膜或细射流，或通过旋流使液体在金属表 面延展变薄，或由金属盘或旋杯做高速旋转运动带动液体展成薄膜，然后利用各种扰动， 或在运动中由于动力的作用，使液膜或射流失稳，进而碎裂成丝条和大的液滴，最后破碎 成小液滴p 6 l ，如图2 6 所示。 1 8 周围空气之间的 相对速度 获得大的相对速度的方法 液体雾化的物理本质 图2 石传统喷嘴雾化方法 f i g 2 - 6 a t o m i z a t i o nm e t h o d so ft r a d i t i o n a ln o z z l e 第二章液体雾化基本理论及喷嘴雾化技术 通常认为实现液体雾化的最有效途径是提高液体与周