振動(dòng)微錐孔式霧化器原理及冷卻應(yīng)用研究.pdf

1、本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：NO.51375227）的資助。霧化是將液體噴射進(jìn)入氣體介質(zhì)中，使之分散并碎裂成小顆粒液滴的過(guò)程。噴霧在我們的日常生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及醫(yī)療中都有大量的應(yīng)用。相對(duì)于傳統(tǒng)霧化器，振動(dòng)微錐孔式霧化器采用壓電陶瓷作為其驅(qū)動(dòng)源，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、霧化效率高、可以霧化高粘度液體、霧化液滴顆粒小且分布均勻等優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)微錐孔霧化器的研究主要偏向于性能和應(yīng)用的研究，對(duì)其霧化理論的研究卻較為缺乏。為了研究振

2、動(dòng)微錐孔式霧化器的霧化機(jī)理本文在分析液體在微錐孔中流動(dòng)過(guò)程的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了霧化器的工作原理，在此基礎(chǔ)上分析了霧化液滴的形成過(guò)程，并研究了霧化器在噴霧冷卻中的應(yīng)用。研究工作為振動(dòng)微錐孔式霧化器的優(yōu)化和改進(jìn)提供了一定的理論基礎(chǔ)。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.發(fā)現(xiàn)了振動(dòng)微錐孔式霧化器產(chǎn)生泵效應(yīng)的原理。首先利用坐標(biāo)變換的方法計(jì)算得到了微錐孔在周期性振動(dòng)中的體積變化規(guī)律，隨后在分析漸擴(kuò)/漸縮流動(dòng)的阻力特性的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了微錐孔內(nèi)產(chǎn)生的周期性容積變

3、化能夠驅(qū)動(dòng)流體產(chǎn)生單相流動(dòng)，將其稱之為動(dòng)錐角的泵效應(yīng)。為了驗(yàn)證動(dòng)錐角的泵效應(yīng)本文搭建了霧化試驗(yàn)平臺(tái)，分別對(duì)帶有錐形孔的霧化器和帶有直圓柱孔的霧化器進(jìn)行了霧化性能試驗(yàn)，同時(shí)研究了霧化器在不同諧振頻率下的霧化量。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)錐孔正向產(chǎn)生的霧化量遠(yuǎn)大于反向的霧化量而直圓柱孔的霧化量大小則與方向無(wú)關(guān)；霧化器的霧化量隨著布撒器的變形復(fù)雜程度增加而增加。試驗(yàn)現(xiàn)象證明了動(dòng)錐角泵效應(yīng)的存在。
　　2.計(jì)算了液體在微錐孔內(nèi)的漸擴(kuò)和漸縮流動(dòng)特性。聯(lián)合

4、解析方法和數(shù)值計(jì)算的方法分析了雷諾數(shù)、錐角、長(zhǎng)徑比和面積比等參數(shù)對(duì)流動(dòng)阻力系數(shù)的影響，計(jì)算結(jié)果表明：漸縮流動(dòng)的流動(dòng)阻力系數(shù)僅受錐角大小的影響，隨著錐角的增加而減?。粷u擴(kuò)流動(dòng)的流動(dòng)阻力系數(shù)的大小主要由錐角的大小決定，但是長(zhǎng)徑比和面積比同樣對(duì)流動(dòng)阻力系數(shù)有影響；增加錐孔角度可以增強(qiáng)動(dòng)錐角效應(yīng)。研究結(jié)果給霧化器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。
　　3.計(jì)算了霧化液滴的產(chǎn)生過(guò)程。首先利用線性不穩(wěn)定原理和張力波破碎理論計(jì)算了霧化液滴大小并和現(xiàn)有文獻(xiàn)

5、數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)主要的霧化理論都不適用于振動(dòng)微錐孔式霧化器；隨后利用邊界元法計(jì)算了霧化液滴的形成過(guò)程，發(fā)現(xiàn)霧化液滴形成的主要原因是微錐孔內(nèi)由布撒器振動(dòng)產(chǎn)生的周期性負(fù)壓對(duì)噴出液體的拖拽作用。最后研究了錐角大小、錐孔的壓力大小及頻率等因素對(duì)液滴形成的影響。該計(jì)算可以為霧化器的液滴控制提供理論指導(dǎo)。
　　4.實(shí)驗(yàn)研究了振動(dòng)微錐孔式霧化器的噴霧冷卻特性。噴霧冷卻由于其對(duì)流換熱系數(shù)大、溫度控制穩(wěn)定等特點(diǎn)而廣受應(yīng)用，而傳統(tǒng)的噴霧冷卻