噴嘴霧化技術的發展
更新時間：2013-04-23 點擊次數：6802
噴嘴的霧化技術具有很廣泛的應用領域，主要針對液態燃料的霧化，分別從其霧化機理、霧化方法、液霧的測試技術以及燃油霧化的數值模擬技術等方面對霧化技術進行了簡要的說明。
霧化技術幾乎已經涵蓋所有的工業領域，如交通運輸、農業生產，以及人民的日常生活，除了各種燃料（氣體、液體和固體燃料）的燃燒外，霧化技術在非燃燒工業如催化造粒、食品加工、粉末涂覆、農藥噴灑方面等也有著廣泛的應用。
液體的霧化機理學說
所謂液體的霧化就是指在外加能量的作用下，液體在氣體環境中變成液霧或其它小霧滴的物理過程。對于其霧化機理，已經有了多種解釋，如空氣動力干擾說，壓力震蕩說，湍流擾動說，空氣擾動說，邊界條件突變說等。
1.空氣動力干擾說Castlemanzui早提出了空氣動力干擾說，他認為，由于射流與周圍氣體間的氣動干擾作用，使射流表面產生不穩定波動。隨速度增加，不穩定波所作用的表面長度越來越短，直至微米（m）量級，射流即散布成霧狀。
2.壓力振蕩說壓力振蕩說是觀察到液體供給系統壓力振蕩對霧化過程有一定影響。由此根據一般噴射系統中普遍存在壓力振蕩，因此認為它對霧化起重要作用。
3.湍流擾動說湍流擾動說認為射流霧化過程發生在噴嘴內部，而流體本身的湍流度可能起著重要作用。也有人認為作為湍流管流運動的噴嘴內流體的徑向分速度會在噴嘴出口處立即引起擾動，從而產生霧化。
4.空氣擾動說空氣擾動說對湍流擾動說持相反態度，認為噴油系統內穴蝕現象所產生的大振幅壓力擾動是產生霧化的原因。
5.邊界條件突變說邊界條件突變說認為噴嘴出口處，液體的邊界條件（內應力）發生突變；或者是層流射流突出失去噴嘴壁面約束，使截面內速度分布驟然改變而產生霧化。
上列五種噴嘴機理假說均有不足之處，甚至本身相互矛盾。大多數學者，如BraccoFV等人對空氣動力干擾說持支持態度。該種假說發展得比較充分，較好地解釋了低速射流分裂破碎原因，以此推理到高速射流，可以作為霧化的基本原因。目前國內外對燃油噴射霧化機理的研究主要從兩方面進行：一是利用數值計算技術建立多種假說模型進行數值模化研究；另一方面利用先進的光電測試技術去捕獲霧化過程的細節，以便為某種或綜合的假說提供支持。
霧化過程及方法
通過霧化，使液體燃料形成顆粒微小、尺寸均勻的液霧以增加液體燃料與助燃空氣之間的接觸面積，促進蒸發，從而使燃料得到充分有效地燃燒。而且霧化越細燃燒就越充分。通常液霧的噴射霧化過程分為三個階段：一是液體在噴嘴內部流動階段；二是液體噴出后由液柱分裂為霧滴的階段；三是霧滴在氣體中進一步破碎階段。其中第二階段是主要的，可以用空氣動力干擾說解釋。
液體霧化方法也有多種多樣，具有代表性的主要有機械霧化、介質霧化、特殊噴嘴霧化。
1.機械霧化
機械霧化主要是靠燃油在壓力差作用下產生的高速射流使燃油得到霧化，它又可細分為直射式、離心式和旋轉式霧化。
直射式霧化和離心式霧化可統稱為壓力霧化。由于直射式主要依靠燃油的噴射達到霧化的目的，因此油壓的要求比較高，而且噴孔直徑越大霧化越粗，故噴孔直徑不能太大，流量調節范圍比較小。離心式霧化是利用高壓液體經旋流裝置產生的離心力產生液膜，被空氣破碎而霧化。離心式霧化的效果優于直射式霧化，但是它同樣需要較高的供油壓力，因此它們都不適合于霧化高粘性燃油。
旋轉式霧化大體上分為旋轉體型和旋轉噴口型兩大類，而旋轉體形又分為轉杯式和旋盤式8。轉杯式霧化是將燃油噴入圓錐形轉杯的前端，借助高速旋轉的轉杯將燃油展成薄膜，由“離心力噴霧”和“速度噴霧”的綜合作用而霧化燃油。在國內主要應用于工業爐和鍋爐上。同理，旋盤式霧化是依靠高速旋轉的圓盤來霧化燃油，它目前主要應用于噴霧干燥領域。小型燃氣輪機的折流燃燒器上采用的離心甩油盤是典型的旋轉噴口霧化，它的霧化質量主要是高速旋轉產生的巨大離心力作用在貼壁燃油具有*當量壓強，使甩出的燃油徑向速度特別高。
2.介質霧化
介質霧化根據介質不同又可分為蒸汽霧化、空氣霧化，根據霧化方式的不同又分為氣動霧化和氣泡霧化。
氣動霧化依靠一定壓力的氣體（壓縮空氣或蒸汽）形成高速氣流，使氣體與燃油之間形成很高的相對速度以達到霧化的目的。其優點是可以在較低的供油壓力下獲得良好的霧化效果，在使用高粘度燃油時仍然可以獲得較高的霧化質量，并且工作狀況可以在較大的范圍內調節。
氣泡霧化是20世紀80年代初由A.H.Lefebvre9提出的一種新型氣動霧化方式，它是把壓縮空氣以某種適當的方式注入到液體中，并使兩者在噴嘴混合室內形成穩定的泡狀兩相流動，在離開噴嘴出口極短的距離內由于氣泡內外壓差的劇烈變化，促使它急劇膨脹直至破裂，從而將包裹在其周圍的液膜進一步破碎成為更加細微的液霧顆粒。由于氣泡霧化的耗氣量少、霧化質量高、霧化效果基本不受出口直徑影響，因此比較適合霧化重、渣油等高粘度液體燃料。
3.特殊噴嘴霧化
特殊噴嘴一般采用超聲波、電磁場、靜電作用等原理進行霧化。
超聲波霧化也稱為超聲振蕩霧化，其霧化機理比較復雜，有關人士認為超聲波霧化的原理是：超聲波氣流進入諧振腔產生高頻壓力波，該波傳到液體表面引起振動產生超聲波，由振動振幅所造成的波峰把液滴從表面分離和破碎，隨著超聲波頻率的增加霧化液滴越來越細，一般在超聲波的振動頻率作用下可獲得幾微米級的燃料霧滴。由于超聲波的霧化性能一般要優于其它霧化方式，其霧化滴徑較小（在100m以下），霧滴的均勻性也比較好，尺寸分布均勻指數為2，因此易實現低氧燃燒，從而減少煙氣中的氮氧污染物的排放量。
靜電霧化主要應用于涂料霧化。在靜電噴涂中，由于高壓靜電場的作用，涂料液滴會被分裂成細小的微粒，從而使涂料得到霧化。靜電霧化在涂料霧化設備中總是與其他霧化方式聯合使用。
在液體霧化試驗中，對于流場中霧滴群的測試，不但要測量其尺寸分布，而且要測量其空間分布、速度等。因此宜采取不干涉流場及噴霧場的方法來直接測量運動中的霧滴群特征。在不干涉測量對象的方法中，使用zui廣泛的是光學法。隨著激光、微電子及計算機技術的飛速發展和廣泛應用，人們開發了許多新的光學測試技術，如激光全息測霧技術、激光散射測霧技術、激光相位多普勒測霧技術等非接觸式的測量方法等，都具有不干擾流場、時間和空間分辨率高的優點，實現了噴霧測量的三維性和實時性，為深入研究噴嘴提供了強有力的測試手段。
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