超声雾化器的实用设计：几种雾化器结构的实验测试外文翻译资料

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超声雾化器的实用设计：几种雾化器结构的实验测试

摘要

超声雾化可以产生均匀的雾滴。超声雾化在具体的应用中（如空气加湿、药物输送、雾化燃烧等）对雾滴的大小、喷雾的形状、喷雾的速度以及液体的流量都有特定的要求。驱动频率和液体本身的性质是影响平均液滴直径和液滴分布范围的主要因素。为了获得所需的雾滴尺寸，物理和统计模型被用于设计专门的雾化器或者预测喷雾特性。初始雾滴速度主要由输入功率来确定。雾化流量则受到雾化器活性表面面积的限制。目前的工作的重点是使雾化流量最大化。为了改变驱动声波的参数以及最大化喷雾器活性表面积，设计了几个雾化器的几何形状。测试包括菲莫夫朗和费衍射粒度分布测量。在不改变雾滴特征参数的情况下对每一个特定的形状的超能雾化器进行测试，研究它们的最大流量。考虑到操作条件和雾滴的质量，为了提高超声雾化器的设计的灵活性，将本次测试与过去的理论和实验结果相结合。一个完整的雾化器设计将包括全部的喷雾特性，液滴平均直径和分布范围，以及初始速度和最大流量的设计。

1.简介

超声波雾化器可以提供微小的雾滴（典型的平均直径=20mu;m），且具有特别小的雾滴分布范围和非常低的喷雾速度（典型的轴向平均液滴速度v=1m/s）。因其具有能耗低（4 W）和无堵塞的良好特质，超声雾化技术非常适用于空气加湿，气溶胶（药物或香水）制备，薄涂层喷涂等。

在过去的几年时间里，人们对超声雾化进行了深入的理论研究 [1-4]。基于稳定性研究，人们推导出了预测平均雾滴直径的公式[1]。此外喷雾完整的特征（液滴尺寸分布）通过随机算法的方式（最大熵形式（MEF））达到了[2]。与此同时，涉及多种流体的实验测试确定了液体性质对雾滴质量的影响[3]。

与雾滴的理论特性相关的参数是雾化器的谐振频率和液体属性。一般情况下，雾滴的大小不受流量的影响，但液体雾化流量有个上限值，流量大于这个上限值时液体将不能雾化。为了增加上限流量（流量太低适用于空气加湿），将对若干个修改过的雾化器进行实验。第一个是通过改变超声雾化器的形状（球形或圆锥形）或增加超声雾化器的整体尺寸从而改变雾化表面积。第二个是通过增加超声振幅从而使雾滴克服液体表面膜张力。

现在的雾化理论都没有涉及到超声雾化器尺寸的大小和谐振表面积的大小。超声雾化器尺寸大小和谐振表面积大小的改变会不会影响雾滴的平均直径和雾化分布范围呢？

为了回答这个问题，并找到最有效的的方式来增加最大流量，我们做了一个实验。改变超声雾化器的结构和输入的超声波，在最大流量下测量雾滴的平均直径和雾滴分布尺寸的标准偏差。实验结果可用于改善雾滴理论值并设计最适当的最大流量的超声雾化器。

符号含义

2.超声雾化：前沿技术

一个典型的超声波雾化器（如图1）是由夹紧元件和机械变幅杆中间夹着两个压电陶瓷圆环组成的。在活性谐振表面上（变幅杆的尖端）会形成一个很薄的液体膜。当接近共振频率的方波抵达液体的表面时，这些不稳定因素会驱 图1 超声雾化器

动液体形成波（称为法拉第波）。法拉第波形的理论研究被广泛应用于低频振动板的研究。

在达到共振频率之前，波的振幅不断增大，当达到共振时，雾滴将从波峰脱离出来。这个如图2所示的规律的方形波将产生几乎尺寸均匀的雾滴，雾滴的直径与波长紧密相关。

图2 在液体粉碎之间给超声雾化喷头前端施加方波

超声波雾化需要经过两个过程：首先方波在液体膜表面上不断形成，然后，当达到共振时，振幅的增长导致雾滴从波峰脱离出来。雾滴的平均直径遵循如下的物理规律：首先，使用稳定性分析[1]计算方波的尺寸参数，然后由振荡膜和脱离出来的雾滴[3]的质能守恒算出雾滴的平均直径。在实际计算中，计算方波波长使用修正公式修[3,6]

雾滴平均直径是

从以上可以看出，超声雾化液滴的特性取决于谐振波参数（频率）和液体的特性（表面张力、密度）。这种分析不包含液体流量，事实实验也表明，液体流量不会影响液滴尺寸大小。

液体雾化有一个上限流量，超过这个值将不能雾化。这可以通过以下理由解释说：超声雾化依赖于波增长和波峰碎裂，液膜厚度的增加，使阻尼对波的增长的阻碍和共振幅值的限制越来越大。

为了全面的描述喷雾的特征，在基于理论雾滴直径和雾滴类型的基础上，MEF[7]被用于计算雾滴直径概率分布。

雾滴是一组非均匀的液滴，按直径的大小可以分成n个等级。为了确定雾滴属于哪个大小范围，制定了一个标准。如果这个标准的依据是某个直径等级内的雾滴数量（数量分布），那么，雾滴的分布概率就具有统计学意义。该MEF指出，当给出关于统计的一些信息进程（例如，给定雾滴的平均直径），最佳的概率分布可以通过利用这些信息最大化获得信息熵

对于超声波雾化系统，该守恒定律（质能守恒定律）用于两种液体体积：在共振喷头表面的液膜体积和等量的雾滴的体积

概率分布的形式取决于能量守恒中的参数k。k值是超声雾化的函数式，可能非常难确定。超声雾化涉及到波的振幅和液体膜高度，两者都是难以精确估算的，因为它们取决于液体流量。实验测试可以有效的得到k值，在必要的时候，还可以得到k值与流量之间的联系。

图3所示，在超声雾化喷头为50kHz共振频率下对MEF和测量值的分布进行了比较。

图3 MEF通过超声雾化器的喷雾预测液滴尺寸的概率分布

3.实验设计

这些实验的目的是在不影响雾滴质量的情况下通过优化设计使超声雾化器的流量达到最大值。

三种类型的设计变量已进行调查：改变整个超声雾化器的比例，通过改变雾化喷头前端的形状改变谐振表面积，通过增加压电元件的数量来提高共振幅值的大小。所测试的设计变化总结在表1中。

表1 改良雾化器设计的测试

因此，实验设计将包括两个层面上的三个变量因素。最简单的筛选设计是全因子设计[8]。在两个层次保持其它变量因素不变的情况下对每一个变量因素进行测试。两个层次三个变量因素的测量次数是次，n是变量因素的个数。由于每次测试代表不同的雾化器的设计，采用了全变量因素设计检测手段意味着要测试八个不同的雾化器。出于对成本的考虑，优先选择少的设计变量个数。把三个变量的相互关联综合在一起考虑就可以估计总的影响。现在，实验就不会产生相互关联的变量了。雾化器尺寸的改变不会影响通过改变压电元件数量得到的实验结果，所以，相互关联性就可以忽略了。

只要通过四个实验就可以估计出三个变量因素里面哪个是主要的影响因素。实验设计和相应的测试雾化器在表2中给出。

表2 部分实验设计和对应的雾化器

为了判别随机测量误差，对雾化器P1和P4进行的重复试验，所有的测量将随机重复进行。对于流量测量所观察到的绝对不确定性是0.11times;10-6立方米/秒。各变量因素对最大流量的影响是通过统计学分析进行评估的。谐振表面积（喷头前端）的变化，雾化器尺寸的变化和波幅的变化对实验结果的影响被总结在表3中。

表三 测得的最大流量和改变雾化器结构引起的统计影响

对于不同的变量因素，总的实验影响是从标准-1到标准 1的偏差。例如，如果我们改变雾化器尺寸的大小使其从-1变到 1，那么我们可以得到0.84立方米/秒的最大流量的改进。

结果显示，整体雾化器的尺寸和波幅显然是重要的参数。雾化器尺寸增加50％会使最大流量增加74%，采用四个压电元件设计（使表面波振幅提高到两倍）也将使最大流量提高44%。

这些影响是累积的，所以最大流量可以通过设计较大的雾化器尺寸和使用四个压电元件获得。

另一方面谐振表面积对最大流量的影响很小。面积增加一倍只能使最大流量增加11%。当谐振表面积增加时人们预测可以得到较好的结果，但是，液膜的延展受到通孔的大小的阻碍。

当改变整个雾化器的尺寸时谐振表面积和通孔的尺寸都会增加。如果出于成本或小型化的考虑，我们需要设计一个小的雾化器流速增加，我们应该考虑通过增加通

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