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调速雾化器的特点
摘要
一种新型液滴发生器，或者也就是雾化器，能够生成单分散液滴流或多分散的喷雾, 特点是使用相位多普勒（phase-Doppler）风速测定和两个可视化技术。喷雾器包含一个压电驱动器，位于圆柱孔板内。与传统液滴发生器或雾化器不同，这个设备直接产生一个高振幅的速度受扰动的液体喷流。孔板有两种规格，一种是直径在34~98微米的圆孔，另一种是527x31微米的矩形孔。在低功耗模式下，圆孔雾化器产生一连串的单分散的水滴，液滴直径是喷射直径的1.5至3.4倍。在10-68khz的频率下，扩散系数在2.3至26倍。根据瑞利判据，可以推测在增加调制的情况下，液滴能够小于（已知的）最小的尺寸。液滴速度可调节范围广泛（ 4 - 26 m / s），可适用的液体雷诺数可以高达250。在高功率模式下，雾化器产生的多分散的水喷雾索特平均直径不到喷射的(当量)直径的一半。相比较而言，对于同样的喷雾，矩形孔板需要的驱动力更小。本雾化器对于基础研究和实际应用都很适合。
介绍
产生均匀，细小的液流技术，已经有很多应用。如：气溶胶校准标准、喷墨打印、雾化和燃烧的研究。用于这些应用的液滴生成技术由一个气动装置组成，该气动装置使液滴从毛细管的前端的流出，让静电力破坏液体表面，将之打破成小液滴喷射出去，机电振动毛细管诱发液体射流的瑞利不稳定性，形成雾滴，压电传感器将储液器中排出的液滴，利用旋转的狭缝，将液流机械切断形成雾滴。多分散的液体喷雾技术已经在各行业广泛的实用设备中得到应用。（例如：燃气涡轮和内燃机中的燃油喷雾燃烧技术、农业喷洒、喷雾反应器、吹风机、加湿器、涂料喷涂、消防喷雾、医药喷雾应用等等）
在实际生活中，在实践中，压力雾化器是最常见的类型。对于这种雾化器，常见的设计问题是如何在一定范围内获得良好的雾化效果。流量工作范围一般取决于低流量下的雾化效果和高流量时的极限压力。超声波雾化器利用用振动，在液体表面上产生波，打破液体形成液滴。虽然这种技术是雾化有利低流速，与同压力下的空气鼓风雾化喷雾剂相比液滴速度低：因此墨滴渗透进气流较少。
一种新颖的液滴发生器，基于高振幅速度调制的机构，已经研制成功。它可以使任一单分散的液滴阵列或多分散喷雾剂，取决于供给到压电驱动器的功率。最近，这网速度调制装置被耦合到一压力漩涡喷雾器在那里它提高了喷雾质量和调节比。本文报道通过多普勒相和测速仪光学观测，包括激光片平面显像技术，高振幅速度调制雾化器表征的结果。
调速雾化器
高振幅速度调制雾化器组件（图1），在别处详细描述的，由在横跨壳体两端的孔板的圆形外壳中的压电晶体的驱动。雾化器的直径和长度分别是26.4毫米、83.6毫米。引入中央通道的工作流体通过歧管分布在活塞的周围，从孔口排出。
图1：高振幅速度调制雾化器示意图
目前雾化器的模型包含四个功能要素：
(1)接收电信号并将其转换为纵向机械运动的压电传感器，
(2)能放大由换能器产生的运动的机械结构，
(3)能将该放大后的机械运动转换为工作流体中压力扰动的泵。
(4) 和能产生可由压力扰动的液体流的孔口。
该雾化器整体机械结构为圆柱型组合体，换能器和活塞通过中空螺栓固定在基座。
雾化器的机械结构设计为可在特定的共振频率产生较大机械震动的谐振器。在这些谐振中，换能器产生的运动在活塞的端部被放大，因为机械结构的整体长度是换能器的总厚度几倍。
此外，压电换能器的电流和电压是这些谐振频率的同位相，因而能量损失最小。活塞周围的狭窄通道，由外壳和端板限定，构成了泵。不同于那些具有可在操作频率谐振歧管的超声雾化器，在该装置中的泵不具有在操作频率的共振。
此雾化器有两种操作模式：低功率（瑞利破碎Rayleigh breakup）和高功率 。在低功耗模式下，压电换能器仅建立毛细管流的周期性不稳定的边界条件，促使圆柱状流体破碎成单分散滴流。
在高功率模式中，具有充足能量的液体的速度调制可以通过各种方式产生表面扰动，从而破碎成喷雾（例如，圆形或方形柱，平片，以及圆锥形片）不像常规的瑞利破碎单分散的液滴发生器和那些使用机械振动喷嘴的常规超声波雾化器，该雾化器直接产生高幅速度扰动的液体流。
除了所有液体从相同的喷雾喷出，此雾化器的雾化机制是类似于冲击射流雾化的。对于流体喷射的部分，相对速度不同的液体在喷射过程中产生碰撞，这会对流体产生径向速度扰动从而雾化。总之，液滴发生器或雾化器都能够在很大范围内的调制频率形成雾化。
雾化器组件安装在三向位移检测台上，检测台上装有精度达5微米的数显磁秤。
测试用的流体是含有少量添加剂的水（含量最高为1.4%），添加剂的主要作用是保持液体无腐蚀性和无菌。（测得的液体表面张力是69.4dyn/cm）
图2是实验装置框图。在供应罐输出压缩空气，挤压液体流向雾化器。有流体的供应线路中有两个过滤器：一个0.8微米的高容量灰尘深度过滤器用于过滤在流体中的大部分颗粒；一个3微米的膜过滤器，用于过滤没有过滤掉的纤维。
在启动雾化器之前，开启冲洗阀，使过滤后的流体通过供应管线进行冲洗。在雾化器下方，有一个大收集器用于收集喷出的液体（收集器：45厘米直径times;60厘米高）。试验线路中有一吸气管路，将气流导入收集器，用于防止液滴向后漂流。
图2：实验装置图
调速系统包括一个信号发生器（Wavetek公司22），功率放大器（天龙公司的POA-2200），匹配变压器，以及一对压电换能器。电压与频率成正弦函数关系的交流电施加在压电换能器的中心电极两端，从而产生的晶体响应的峰 - 峰电流。这两个信号都使用示波器（泰克公司的2205）进行测量。
技术特点
为了观察滴流或喷雾，本实验使用两种照明方式：频闪背光和连续波激光片。背光对于微滴流或雾化过程的阴影可视化有极大的优点的，而激光片是适合于喷雾的平面断层可视化。对于平面的可视化，使用氩离子激光器（相干伊诺200，输出：23瓦）发射激光，通过布拉格光栅（IntraAction AOM-355）和函数发生器（惠普3314A）产生脉冲照射。利用35毫米的相机在直角方位记录来自液滴的散射光。（0.1毫米厚）
墨滴直径和速度是由双组分相位多普勒测速仪（Aerometrics），它包含一个光学发射系统、光学接收系统，和一个计数器类型处理器。使用相同的氩离子激光（典型输出功率：0.3〜0.6 W）为光源。在激光发射口前布置一个光束控制器，其中包含彩色分离器，分束器，旋转光栅，和一个500毫米焦距的聚焦透镜。墨滴直径和轴向速度分量是由514.5纳米束测定的径向分量被488纳米光束测定。旋转光栅频率偏移的每一对不同波长的激光束中的一（变量）频率以形成移动条纹之一，进而，以避免定向歧义。液滴直径和轴向速度分量是由514.5纳米梁测定，和径向分量由488纳米梁测定。旋转光栅频率的频率偏移的每对不同波长的激光束中的一个，以形成移动条纹，进而，以避免定向歧义
在514.5纳米和488纳米梁的计算边缘间距分别为6.7和6.2微米。束腰直径在梁交叉是大约200微米。从液滴的散射光用一个在偏离轴线30Prime;，正向散射模式495纳米，f为10的聚光透镜检测。在每个位置的样本数通常为5000，除其中数据速率下降显著的喷雾外围区域。
结果与讨论
A.光学观测
图3：a和b是背光照片；c和d是喷流和喷雾的激光频闪照片
图3示出了微滴流的背光频闪和平面的可视化的照片。此时液滴以0.131克/秒的速度从直径dj为98微米的圆孔中喷射而出。
图3（a）体现了在低功率模式的单分散液滴形成机制。这个过程（即，瑞利破碎）是由于小振幅速度扰动，液滴圆周不断增大，在表面张力作用下，达到激励频率时崩解。图3（b）和3（c）体现了雾化器在低功率到高功率转变时的雾化过程中速度调制变化。图3（b）（a）对比，揭示了在相同的距离内，通过在喷嘴处的轴向速度调制造成液流的径向扰动，从而实现了喷射雾化的工作原理。
图3（d）示出了在高功率模式的喷雾的剖视图。液滴在喷嘴（底表面凹入6.35毫米;参见图1）出喷出，立即大范围扩散，实现雾化。在曝光时间（0.5ms）内，液滴轨迹在中心区域的长度较长与周边的。表明在中心区域液滴有更高的速度。在图中，还出现在大面积的涡流，这可能是由于液滴引起的空气流不稳定造成的。
B.液滴直径与速率
图4：墨滴直径和速度分量的时间直方图。
图4是雾化器在低功率和高功率模式下，液滴直径（d）、液滴轴向（ud）和径向速度（vd）的直方分布表。使用的喷嘴直径(dj)是34mu;m，流速（Qj）是0.018g/s。从图4（a）中可以看出，雾化器在低功率下，液滴在距离嘴孔60mm的时候，液滴直径是圆孔直径的2倍多一点，飞行速度保持不变（径向速度为0m/s）。与此相比，如图4（b），在高功率模式下，液滴在距离喷嘴20mm处已经大范围分散，其算数平均直径（D10=()=6.1mu;m注：di是第i个液滴的直径；N是总样本数）和索特平均直径（）均小于喷射直流液滴。液滴直径的分散导致了其轴向和径向速度的分散分布。
图5：单分散液滴直径算数平均值和轴向速度平均值曲线
图5是单分散液滴的直径的算数平均值（D10）和轴向速度平均值（Ud）在不同喷口大小和激振频率下随压力变化的曲线。液滴距离喷嘴口60mm。总的来说，在固定的驱动频率下，液滴的直径和速度随着压力的增大而增加，并且，液流的流速也随之增大。根据质量守恒定律，可以推测出在固定的压力（或者流量）下，液滴的直径会随着驱动频率的增加而变小，而且液滴的扩散大小也会随之减小。基于质量守恒定律，与液滴分散范围与喷口直径的比值（ lambda;/dj）在2.3~26的范围相匹配的液滴直径与喷口直径比（D10/dj）在1.5~3.4范围内。在喷口直径98微米，频率40khz，压力10psi，直径比Ｄ10/Dj=1.5，范围直径比lambda;/dj=2.3的环境下，根据瑞利对于小扰动的理论，可以推测出如果扰动的波长的比喷口的周长的大，毛细液流会在波幅的下半部分的扰动加剧，这与液滴与喷口直径比大于1.6相对应。因此，通过用较大的振幅信号驱动，现有的液滴发生器能够产生一个直径小于瑞利的最低标准约11％的液滴。（即，体积减少29％）除此之外，可以通过调节供给压力，液滴速度回产生大范围的变化，至少是原来的三倍。液滴的高雷诺数（Rej [=UdD10/va]=50 to 250;va:空气粘度）、高速度喷射（Ud在4~26m/s）对于液滴对流蒸发与燃烧的研究极为有利，对于液滴的空气渗透技术的实际应用也很有帮助。因此，如果雾化器使用含有许多直径相同的小孔的平板，并且，液滴轨迹是由静电充电电极随机打偏的话，此雾化器就能够产生具有高液滴流速的单分散喷雾。此外，如果平板上的孔直径是不相同的，那么它有可能产生一个已知的粒度分布的喷雾。
图6：a高功率模式D10和D32分布图
B高功率模式轴向和径向速度分布图
Vp-p=1100V，Ip-p=160mA，x=40mm，dj=98mu;m
图6至图9是液滴在不同雾化条件下，液滴的直径的算术平均值和索特平均值，以及其平均轴向速度分量和径向速度分量的径向分布图。由于个别液滴直径的液滴在喷雾中广泛分布，在扩散过程中雾滴在时间上的变化又受到外部因素的影响，比如：喷雾周围的自然通风条件，液滴的平均直径呈现出相当大的分散。在一般情况下，液滴索特平均直径的分散范围比算术平均直径要大。这是由于索特平均直径D32相比于算数平均直径对于液滴体积更敏感，更受偶发大体积液滴出现的影响。此外，除了这些分散的数据点，在液滴剖视图中还观测到一些不对称液滴，尽管它们在喷雾中不显得特别。对于目前出现的情况，一个主要的原因在于孔之间的差别，这是由于制造的精度不够造成的。通过显微镜观察，这些孔相对于雾化器的轴线有些许倾斜，从而造成了雾化过程中液滴的不对称分布。尽管可以用精确地制造的孔板得到液滴直径的更对称的剖视图，但是本文中提出总的趋势不会改变。
如图6，孔径98mu;m，压力286kpa，流速0.0131g/s，所述算术平均直径在中心区域为很小（小于10微米），并朝着周边区域（大约30微米）增加，从雾化效果上类似于压力雾化器。从喷雾可以观测出恒存在液滴的索特平均直径比算数平均直径大的现象。不过，无论是液滴索特平均粒径还是其轴向速度分量在中心线附近存在特有的波峰。由算数平均值在中心线处没有显出波峰，可以推测出，波峰是由在中心区域高速喷流的大液滴造成的，其能显著影响D32的大小。然而，在整个喷雾范围中，索特平均直径还是小于喷射液滴直径的一半。
如图7，压力668kpa，流速0.198g/s。在高压力下，算数平均值和索特平均值都变得小了，绝大部分小于30微米，大约是嘴口直径的三分之一。中心区域液滴的轴向速度分量变大了。由于高压存在，喷雾范围直径变窄，大液滴数目减少，从而，液滴的索特平均直径曲线与算数平均值曲线比低压力（参见图6）更接近。显然，更高的供给压力能够促使雾化器更好的雾化。平均相对较高的液滴速度对于液滴在空气中雾化有更好的促进作用。
如图8，喷口直径34mu;m，压力276kpa，流量0.018g/s，对于低压力下更小的喷口直径，索特平均直径也小于喷口直径。索特平均直径不超过20微米，即大约是喷口直径的一半大小。由于液滴在喷出后迅速失去了动力，其轴向速度（Ud）很小，即便是在其轨道的20mm以内。因此，喷雾对于那些能够导致剖面图中显示的不对称分布的外部因素更加敏感。但是需要注意的是，用以产生从34mu;m孔的喷射雾化所需的驱动功率要比从98mu;m的孔喷射雾化低了一个数量级。这种细微喷雾对于那些需要用来
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