液－液两相自然射流形成液滴的影响因素

2014-10-09于如军王发刚

河北能源职业技术学院学报 2014年2期

刘超，于如军，王发刚

(1.昌乐县劳动技工学校，山东昌乐 262400;2.山东理工大学，山东淄博 255049)

液体射流进入气体中的断裂机理研究和实际应用已取得了很大的进展。天津大学开发的喷射造粒技术应用于粒状烧碱的生产已取得成功。金属均匀液滴束流技术也已应用到金属粉末的生产中。液－液两相射流分散形成液滴的理论及应用研究，远落后于液－气体系。研究两液相体系中射流断裂形成液滴对丰富射流断裂机理具有一定的理论意义。

1.射流断裂行为

液体自小孔喷嘴流出，进入到较大空间时继续流动形成射流。流速从零开始慢慢增大，射流速度较小，进入介质后速度可忽略，液滴在喷嘴口积累。随着液体的流入以及流速的增加，由于惯性作用，射流液柱将发生表面弯曲，当速度达到足以克服表面张力时，液滴从弯曲处断裂形成液滴。

试验以油为射流相，水为介质，观察了无外加扰动条件下喷嘴射流断裂形成液滴的过程。喷嘴参数如表1。随着流速逐渐增加，射流液柱断裂形成液滴分为滴流阶段、滴带流阶段、稳定流阶段和合并流阶段。滴流过程:此时流速小，形成的液滴较大且间隔大，射流长度为0，如图1(a);随着流速的增加，射流进入滴带流状态:流速的增加使断裂的液滴获得的净速度增加，在惯性作用下，形成一大一小的液滴状态，射流长度接近于0，如图1(b);流速继续增加，射流进入稳定流阶段，此时射流断裂形成的液滴大小一致、间隔均匀，如图1(c);射流流速继续增加，进入合并流阶段，液柱流动紊乱，连续段波动明显，后产生的液滴净加速度大，追赶上前边断裂的液滴而产生合并现象，液滴大小不一且分布杂乱，如图1(d－e)。

图1 自然射流断裂过程

2.孔径对粒径的影响

液体由圆孔呈柱状流出，根据吉布斯自由能判断，在等温等压条件下，液体会向着表面积减小的方向变化，断裂后的液体呈球形。对断裂形成的液滴直径，进行理想状态假设:

表1 喷嘴参数

(1)圆孔为光滑的直孔。

(2)液体流动状态为稳定流。

(3)液柱的断裂只受表面能的作用。

(4)液体处于微重力状态。

(5)断裂后的液滴呈标准球形。

以稳定流状态从半径为r 的圆孔流出的液相，会形成与圆孔直径相同的液柱，并进入进入介质环境，最终断裂形成液滴。

假定其断裂长度l，则液柱表面积为Ac=2πrl，断裂后收缩成球形的液滴的半径为，液滴表面积为Ab=4πR2，Ab＜Ac是断裂发生的必要条件，则生成的液滴的半径，稳定流状态下射流断裂产生的液滴半径至少是圆孔半径的1.5 倍，因此要获得一定大小的液滴，须选择合适孔径的喷嘴。

试验观察了孔径对液滴粒径的影响。孔径增大，射流液柱的周长越长，断裂形成的液滴越大。从图2的孔径－粒径曲线可以看出:在流速为1.20m/s 和0.8m/s 时，液滴的平均粒径随着孔径的增大而增大，且都大于孔径的1.5 倍，约为孔直径的2－5 倍;0.8m/s 流速下的曲线高于1.20m/s 的，表明相同的孔径下，流速较小的液柱断裂形成的液滴粒径较大。

图2 孔径对平均粒径的影响

3.流速对液滴粒径的影响

图3 是2#喷嘴在不同流速下的平均粒径分布及射流长度曲线。从曲线可得出当流速为0.35m/s 时，射流的断裂状态处于滴流阶段，此时流速较小，液滴直径较大(A 点);当流速达到0.69m/s 时，由于流速的增加，液柱断裂的时间缩短，所形成的液滴的平均直径急剧减小(AB 段)，在0.69－1.39m/s 内平均粒径随流速的增加而平缓的减小(BC 段);当流速继续增大，在1.39－2.42m/s 时，液滴的平均粒径随流速的增加而缓慢增大(CD 段)，主要原因是液滴间产生了合并现象。C 点为液滴直径变化的转折点，对应射流长度曲线上的E 点，E 点前射流长度随流速的增加而增加，E 点后射流长度随流速增加先减小后增大，E点后的射流长度过长，射流液柱不易断裂，流速过大，断裂的液滴极易产生合并，无法得到稳定的均匀液滴，E 点为射流长度变化的转折点。射流长度也是影响液滴粒径的因素。图4 为1－5#喷嘴的流速－粒径曲线，从图中可看出，液滴的平均粒径随流速的增加先明显减小，而后进入一段平稳状态，随后缓慢增大。