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自相似的压力雾化喷雾
H.Hinterbichler，H.Steiner和G.Brenn
Institute of Fluid Mechanics and Heat Transfer, Graz University of Technology, Inffeldgasse 25/F, 8010 Graz, Austria
（2019年9月13日收到;2020年1月27日修订;2020年1月29日接受）
摘要：
对各种压力液体雾化产生的喷雾进行了实验研究，显示出液相和气相的自相似流场。在距雾化器孔口径向和轴向, 不同距离处的喷雾中进行相位多普勒测量。基于边界层理论对气体流场进行理论描述，揭示了一个由液相射入气态环境的动量传递驱动的自相似速度场。还发现液滴相的动量损失是自相似的，这是可以预料的，但以前在文献中没有表现出来。两相流场的解析自相似描述与实验数据非常吻合。
关键词：气溶胶/雾化多相流液滴
1.简介
自然现象中有很多喷雾的现象，例如海浪和降雨，许多工业生产过程以及日常生活的设施中。由于为工艺目的而生产的喷雾剂，需要在气态环境中对大批量液体进行可控雾化，所以长期以来，人们对雾化和喷雾的研究投入了强大的科研力量。喷雾燃烧，喷雾干燥和喷雾涂层，农作物喷雾和医用喷雾等应用已得到并仍在广泛研究中（Lefebvre＆McDonell2017）。纳米技术的最新发展使工程化的纳米颗粒可以在消雾器性喷雾产品中使用，例如防水喷雾和身体护理产品（例如发胶和除臭剂），以增强所需的效果（Kessler2011）。然而，人们对这种含有纳米颗粒的喷雾剂的吸入及由此产生的健康风险知之甚少（Quadros和Marr，2010年，2011年）。为了评估喷雾液体中纳米颗粒物含量对健康的危害，本研究旨在通过实验调查和模拟消雾器压力雾化的流场，以深入了解液滴在大气中的传输情况。
自相似性是许多流动和运输过程中众所周知的现象，不考虑长度或时间尺度（Brenn2017）。一个著名的例子是Schlichting（1933）对单相浸没式圆形射流流场的自相似解，并通过实验得到了很好的验证（Wygnanski＆Fiedler1969;Hussein，Capp＆George1994）。从文献中也可知喷雾中的自相似现象。例如，Li＆Shen（1999）和Ariyapadi，Balachandar＆Berruti（2003）在空气辅助雾化中显示出自相似的平均轴向下落速度曲线。或者，将喷雾建模为具有可变密度的自相似单相射流，从而得到与单相情况相似的定标变量（Shearer，Tamura＆Faeth1979;Faeth1983;Panchagnula＆Sojka1999）。Wu等（1984年）研究了柴油型消雾器，并得出了自相似的轴向速度曲线，该曲线位于远离喷雾出口的下游，其中液滴和气相被认为处于动态平衡状态。Soltani等人(2005)在液-液同轴涡旋雾化器的喷雾中发现了归一化的平均液滴速度和归一化的索特平均直径的自相似区域。
在喷射火焰中，Karpetis和Gomez(1999)显示了蒸发源项的自相似性。Russo amp; Gomez（2006）在浮力主导的层状喷射火焰中显示了自相似的轴向速度曲线。Kourmatzis, Pham amp; Masri(2015)报道了在喷雾出口附近(从喷口下游约为喷雾直径的1至10倍)的非反应喷雾和湍流喷雾火焰中，两个不同的落差等级0lt;dlt;10 micro;m和40lt;dlt;50 micro;m的自相似轴向速度曲线。此外，它们还显示了从最小液滴（0lt;dlt;10 micro;m）的运动中推断出的自相似湍流强度。
基于对流场几个特征的自相似假设，Cossali（2001）开发了一个一维模型来预测气体进入非蒸发全锥喷雾的夹带率。Dhivyaraja等人的最新实验研究（2019），显示了在特定横截面中平均液滴速度，索特平均直径，液体通量和液滴直径的概率密度函数（PDF）的动态相似性（喷雾孔下游的19个喷雾直径处），压力旋流式雾化器在各种不同流量条件下产生的喷雾之间的差异。对于理论描述，作者使用了单相射流的相似坐标（Schlichting1933），并通过引入恒定的喷雾几何参数对其进行了修改。
基于流场几个特征的自相似性假设，Cossali（2001）开发了一个一维模型来预测气体夹带进入非蒸发全锥形喷雾的速率。Dhivyaraja等(2019)最近的一项实验研究表明，在一定截面(喷雾孔口下游19个喷雾直径)内，压力-涡流雾化器产生的喷雾在宽广的不同流动条件下，其平均液滴速度、索特平均直径、液体体积通量和液滴直径的概率密度函数(PDFs)具有动态相似性。在理论描述上，作者采用了单相射流的相似性坐标(Schlichting 1933)，并通过引入一个恒定的喷雾几何参数进行修改。
在上面讨论的许多研究中，液体和气体同时注入，导致两相之间的滑移可以忽略不计。因此，液体和气体动量流速的截面平均值保持近似恒定，验证了单相喷射的自相似性(George 1989)。在本工作中，我们重点研究单相流体压力雾化的喷雾流场，其中气相的运动完全是由液相的动量传递引起的。因此，通过每一个喷雾截面的液体动量传输速率随着与雾化器孔口距离的增加而降低，而气相则获得动量。
作为与本研究相关的雾化器类型，研究了与消雾器罐一起使用的，带有偏心液体供应的压力雾化器。产生的喷雾剂的质量流量是许多家用喷雾剂的数量级倍。检查了两种在不同流动条件下的两种液体的喷雾。通过相位多普勒风速计（PDA）在距雾化器孔口不同距离的横截面中测量喷雾流中液滴的大小和两个速度分量。在喷雾的这些区域中，流场表现出从液相到气相的动量传递。
本论文的组织如下：第2节给出了实验方法和所用材料的概述。第3节给出了实验结果。在第4节中，得出了两相流速场的自相似描述。根据边界层理论，解释了液相和气相之间的动量传递，最后以结论收尾。
图1 (a)实验装置和(b)带有喷雾截面的PDA光学器件。
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PDA参数 |
喷雾1 |
喷雾2 |
喷雾3 |
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散射角ϕ |
50◦ |
50◦ |
50◦ |
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喷束半张角 |
1.386◦ |
1.386◦ |
1.386◦ |
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P12阶段因素 |
2.231◦ micro;mminus;1 |
2.373◦ micro;mminus;1 |
2.367◦ micro;mminus;1 |
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P13阶段因素 |
0.870◦ micro;mminus;1 |
1.028◦ micro;mminus;1 |
1.026◦ micro;mminus;1 |
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d测量范围 |
到 298 micro;m |
到 251 micro;m |
到 251 micro;m |
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mu;l测量范围 |
minus;63.8 to 63.8 msminus;1 |
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nu;l测量范围 |
minus;20.2 to 20.2 msminus;1 |
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表1.PDA系统的几何参数和测量范围 |
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2.实验方法和材料
本研究的目的是探索加压喷雾可能的自相似特性。实验装置如图1（a）所示。喷雾安装在双轴横向系统上，允许在消雾器中进行径向和轴向导航。测量技术采用PDA。一台连续波氩离子激光器（Coherent Innova 90C-3）作为双组分DANTEC PDA系统的光源。透射光学器件将两对波长为488纳米和514.5纳米的激光束聚焦在相吻合的探针体积中（见图1b）。 测量轴向和径向速度分量ul和vl，以及通过探头体积的液滴直径d。表1列出了PDA系统的几何参数和喷雾中测量的液滴特性的测量范围。如图1(b)所示，我们假设消雾器是轴向对称的。因此，在每个横截面上，测量点被放置在一个单一的径向轴上。我们以较高的空间分辨率覆盖这条径向轴线的一半，但我们只在轴线的另一半上放置几个测量点，以验证轴对称性的假设。为了保证光谱喷雾特性的统计可靠性，即使在样本数较少的概率密度函数部分，也在每个采样点测量了100 000滴液体的参数特性。喷雾边缘被定义在径向位置，在该位置，水滴检测频率为当前横截面中最大水滴检测率的5%，或小于300Hz。在PDA测量中，液滴直径的典型验证率在60%到85%之间。在靠近喷雾出口的测量位置，验证率为50%，因为在密集喷雾区域，PDA的单粒子约束被违反的概率比在更稀的区域高。
图2.(a)雾化器的子午截面的照片和(b)相应的液体流过雾化器的示意图。
喷雾是由一个单相压力雾化器产生的，其供液方式为离轴供液，就像消雾器类喷雾罐使用的那样，其孔径约为Dor＝0.4毫米。图2(a)为雾化器的径向剖面照片，图2(b)为液体通过雾化器的流动路径简图。由于偏轴进料，液体以角动量喷出，导致喷雾角大于平口雾化器。然而，由离轴进给引起的液片速度的方位角分量比轴向分量小得多。结构板运动的可视化高速移动显示下游的径向运动。以往的文献研究表明，即使对于具有较强方位角进液速度的压力漩涡雾化器，雾化器内部的漩涡流在距离喷雾出口较小的下游距离内转化为径向运动(Schmidt等，1999)。所产生的液滴的相应方位速度分量对其轴向和径向速度分量可忽略不计（Dafsari，Vashahi amp; Lee，2017 Jedelsky等，2018）。测试液体从一个加压罐中提供给雾化器，压力高达6mpa。因为本研究需要测量大数据样本，所以罐体应有足够长操作时间的压力承受能力。
在给定的内部雾化器几何形状和给定的气体环境中，单相液体雾化过程由通过雾化器孔的特征液体速度uor、雾化器孔的长度标度Dor以及液体的动态粘度、密度和表面张力控制，分别为micro;l、rho;l和sigma;。这五个相关参数涉及三个基本维度，由两个非维度组表示，它们可以被表示为
式中，喷雾出口处的平均轴向体积速度uor根据液体体积流量和孔口横截面得出。两个无量纲数表征了雾化过程和结果。它们的值用于设置实验中喷涂过程的特性。本文研究了三种不同韦伯数和奥内佐格数对的喷雾。表2列出了实验参数、液体性质以及由此产生的Weber和Ohnesorge值。对于喷雾1和喷雾2，在不同的流量下使用水作为试验液体，从而产生相同的Ohnesorge数，但不同的Weber数。对于喷雾3，使用乙醇质量含量为10 %的乙醇水溶液。喷雾3的Ohnesorge数超过其他两个喷雾的Ohnesorge数，同时调整喷雾3的质量流量，使Weber数等于喷雾2的值。液体流量的数值是一个与消雾器有关。所有实验均在20plusmn;1℃的温度下进行。在喷雾孔下游10到13个横截面上测量喷雾特性。
图3. (a)喷雾1、(b)喷雾2和(c)喷雾3的瞬间照片。这些图像是用高速摄像机拍摄的，帧率为每秒10 000帧，曝光时间为307 000 -1每帧，长度为5毫米。
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喷雾1 |
喷雾2 |
喷雾3 |
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液体质量流量ml (g /s) |
2.00 |
2.92 |
2.45 |
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密度rho;l (kg/m3) |
lt;
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