针-板电极间静电雾化微射流的动力学特性

王贞涛, 陈永钟, 孔 茜, 杨诗琪, 王其锶, 岑旗钢

(江苏大学 能源与动力工程学院, 江苏 镇江 212013)

雾化是指将液体通过外力破碎成细小液滴,并分散到周围空气介质中的过程.根据外力类型的不同,将雾化分为压力雾化、旋转雾化、超声波雾化及静电雾化等类型[1-3].其中静电雾化是指在静电场作用下,液体与环境气体间的界面上会产生积聚电荷,弯液面末端液体受电场力作用产生拉伸,在电剪切力作用下液体从弯液面顶点喷射而出,并在射流末端发生破碎,从而形成微液滴的过程[3].从荷电液滴瑞利极限的发现[4],到静电雾化的初次试验研究[5],再到漏电介质理论和可视化试验体系的建立,国内外研究者采用理论、试验和数值方法对静电雾化现象进行了大量的研究,并得到了一些重要的学术成果[6].

静电雾化中射流形态和雾化特性受到液体的表面张力、黏度、密度、电导率等物理属性以及施加电压、供应流量等操作参数的影响,同时也会受到喷嘴与电极形式的影响.文献[7-8]提出了高黏性、高导电性液体和低黏性、低导电性液体的液滴粒径、雾化过程中电流-电压关系以及锥射流模式下射流直径等标度律,进一步为试验研究提供了理论支持.文献[6]基于可视化试验手段获得静电雾化射流图像,根据毛细管喷嘴出口处液体几何形态和射流破碎成液滴的行为类型,将静电雾化划分为滴状、纺锤、锥射流及多股射流等模式;根据喷嘴结构和器件设计的不同,分别采用单轴雾化、同轴雾化、多同轴雾化等静电雾化技术及微流控静电雾化装置.在诸多雾化模式中,由于锥射流模式能够产生高可控性、单分散性及高带电性的荷电液滴,并且液滴尺寸通常能够达到微米级甚至是纳米级,因此被广泛应用于功能材料制备、纳米胶囊制备、生物质谱分析、电喷雾冷却、微尺度燃烧及多孔结构催化剂制备等高新技术领域[9-14].

目前,关于静电雾化过程中荷电液滴或射流的动力学行为的研究主要涉及雾化模式演变过程中的力学分析、荷电液滴从弯液面脱离、演变及破碎特性,以及电邦德数对微射流不稳定性(微射流的偏移和脉动范围)的影响[14-18].伴随着可视化技术手段的应用,数值求解法被更多地应用于相关研究.研究者对静电作用下的单液滴、高压静电场中的微液滴、卫星液滴和毛细管喷嘴末端锥形弯液面的形成,以及锥射流的演变、射流末端破碎产生荷电液滴等过程进行了预测[19-20].

随着相关研究工作的进一步深入,在锥射流模式中由于毛细管喷嘴末端射流形态及破碎行为的不同,锥射流模式进一步划分为轴对称的扭结破碎模式和非轴对称的鞭动破碎模式.尽管静电雾化的研究已经取得了较为突出的进展,但相关研究主要集中于破碎荷电液滴的行为及其尺寸分布、液滴的荷电量及雾化过程电流等参数的分析,而关于毛细管喷嘴末端射流在针-板电极装置中的喷射速度、射流长度、液滴形态以及非稳态射流的可视化等方面的研究报道较少.

为此,笔者采用高速摄像技术,研究不同施加电压和供应流量下静电雾化射流的非稳态破碎过程,并对脉动锥射流、稳态锥射流、多股射流及非稳态射流等射流形态进行分析和研究,探讨射流长度、射流破碎点位置等动力学特性.

1 试验装置

静电雾化微射流动力学特性试验装置见图1.

图1 静电雾化试验装置

试验装置包括注射泵、金属毛细管喷嘴、静电发生器、LED光源、高速数码相机及计算机等.液体通过注射泵提供的动力经过金属毛细管喷嘴喷出,在针-板电极间的静电场作用下产生雾化.注射泵为浙江嘉善瑞创公司生产的RSP01-B型电子注射泵,最大线速度和最小线速度分别为65和1 μm/min,误差为±5.0%.静电发生器直接与金属毛细管喷嘴相连,提供雾化所需电压.边长为200 mm的方形铜板为接地电极,电场在金属毛细管喷嘴和铜板之间产生.金属毛细管型号为23G、27G、28G和30G,其对应的内径分别为0.33、0.21、0.17和0.13 mm,对应的外径分别为0.63、0.40、0.35和0.31 mm.本试验中,笔者选择了2种液体雾化介质,其物性参数见表1.

表1 液体的物性参数

静电雾化可视化图像的捕捉和记录由搭载显微变焦镜头(NAVIRTAR 12-X)的高速数字摄影机(Phantom V1611,最大捕捉帧数为105帧/s)完成,系统照明由持续LED冷光源提供.试验中拍摄设置帧数为104帧/s,时间间隔为100 μs,分辨率为768×768像素.试验中所有图像均存储后再进行离线分析.为保证试验的安全性,所有设备采用接地方式,并用聚四氟乙烯材料进行绝缘.实验室温度为26 ℃,湿度为75%.

2 试验结果与分析

试验中通过高速数码相机对丙二醇和正辛醇2种溶液在不同施加电压及供应流量下的雾化特性进行了观测和统计,绘制了雾化模式发生范围,如图2所示,其中Q为供应流量,U为施加电压.对相同条件下两者雾化形态进行对比,丙二醇锥射流模式下的施加电压范围更大.

图2 2种液体不同雾化模式发生范围

2.1 脉动锥射流

在可视化试验中,随着施加在电极上的电压增加,即U>Uonset1时,液滴由滴状和纺锤模式进入脉动锥射流模式[21].此时,Uonset1计算式[21]如下:

Uonset1=[D0γφ/(2ε0)]0.5ln(8L/D0),

(1)

式中:Uonset1为第一临界电压,即雾化由滴状或纺锤模式转变为脉动锥射流模式时的电压;φ为Harkins关联系数;D0为毛细管喷嘴外径;γ为液体的表面张力系数;ε0为真空介电常数;L为针-板电极之间的间距.

雾化过程中射流脉动喷射造成由带电液滴形成的喷雾电流脉动.脉动锥射流发生于稳态锥射流模式之前,其特点是电压或流量未达到形成稳态锥射流的最小参考值.显然脉动锥射流的形成条件及其在空间电场中运动特性可用于研究液滴尺寸和射流运动状态的控制.本节展示了试验中通过高速摄影机获得的丙二醇和正辛醇的典型脉动锥射流模式下的射流形态,如图3所示.

图3 不同液体的典型脉动锥射流模式

由图3a可知:丙二醇溶液呈现典型脉动射流,脉动射流以长液丝的形态与弯液面分离;液丝在静电场中运动一段距离后,由于扭结非稳态破碎形成诸多微液滴,并且伴随卫星液滴的产生;卫星液滴脱离毛细管喷嘴,以一定速度沿径向运动.由图3b可知:正辛醇溶液呈现脉动锥射流模式;在施加电压为2.9 kV、供应流量为25.0 mL/h条件下,由于未能形成稳态的锥射流,弯液面被不断拉长;但在弯液面顶端仍有细微的射流产生,射流末端和丙二醇相似,以扭结非稳态破碎形成细小的液滴;随着弯液面液体体积持续增加,在弯液面底部逐渐形成液滴,并与新的弯液面之间形成液桥;当液滴在重力与电场力作用下克服了液体表面张力时,毛细管喷嘴末端的纺锤形液团脱离弯液面,向接地端运动,此时,主液滴尾部的液丝发生夹断,并收缩成次液滴,称为卫星液滴.

2.2 稳态锥射流

当施加电压增加到Uonset2时,雾化呈现稳态锥射流模式.在稳定的锥射流模式下,由于操作参数和液体物性参数的差异,在泰勒锥顶释放出的微射流呈现出不同的射流形态.此时,Uonset2计算式[21]如下:

Uonset2=[D0γ/(2ε0)]0.5ln(4L/D0),

(2)

式中:Uonset2为第二临界电压,通常也记作Um,为稳态锥射流发生的最小参考电压.

扭结非稳态破碎和鞭动非稳态破碎模式下的射流状态如图4所示.

图4 扭结和鞭动非稳态破碎模式下的射流状态

根据射流破碎的形态可以将射流破碎分为扭结非稳态破碎、鞭动非稳态破碎和枝状破碎.由于枝状破碎通常发生在流量较大时,因此笔者只探讨前2种典型的破碎模式.图4a和b为典型的扭结非稳态破碎模式下的射流.射流直径与液滴粒径之间的关系[22]如下:

d/djet=(3k/2)1/3,

(3)

式中:d为液滴粒径;djet为射流直径;k是受液体黏性影响的经验系数.

由于稳态锥射流模式下射流破碎模式的不同,获得了2种典型的稳态射流状态(见图4a和d).在扭结非稳态破碎模式下,静电雾化产生的液滴尺寸较为均匀(见图4a).图4b中,液滴分裂后,2个液滴之间的液桥快速断裂,并收缩形成卫星液滴.卫星液滴在电场作用下可垂直于射流弹出,并在极短时间内蒸发.图4c为扭结非稳态破碎向鞭动非稳态破碎的过渡状态,可见在射流末端出现了较为明显的射流摆动,并且发现摆动幅度与流量有关.在稳态锥射流发生的范围内,随着流量增加,摆动逐渐增强.当流量增加到足够大时,射流末端摆动十分强烈,形成典型的鞭动非稳态破碎模式,如图4d所示.图4d展示的是射流末端产生螺旋转动或摇摆后发生的破碎状态,主液滴由于惯性较大,主要聚集在毛细管喷嘴轴向位置,而获得更大轴向加速度的次液滴将主要聚集在雾化区域边缘.在此种模式下,从图4c和4d可以发现,液滴粒径更加细小,但是也会产生一定的液滴尺寸不均匀.

在静电雾化试验中,射流破碎长度不仅受到供应流量的影响,同样也受到施加电压的影响.图5为2种典型流量下,丙二醇溶液的射流破碎长度Lb随施加电压变化的情况.

图5 丙二醇射流长度随电压的变化

射流破碎长度随着电压的增加呈较为平缓的增长趋势.这是因为在固定的流量下,随着电压的增加,射流表面的电场强度不断增加,从而使切向电应力增大,射流速度增加,射流长度可以保持一定程度的增加.当电压过大时,且扰动也逐渐增加,会增加射流破碎的几率.在流量为20.0 mL/h,电压约为3.5 kV时,毛细管喷嘴末端出现银弹锥射流模式.该模式下射流起始端长度更长.当电压继续增加时,射流长度会略有减少,然后逐渐增加,呈现缓慢增加的趋势.

2.3 非稳态锥射流

非稳态锥射流模式主要包括分叉射流、非稳态多股射流、振荡锥射流和旋转锥射流.随着施加电压的增加,当电压超过形成稳态锥射流雾化模式的电压范围时,射流失稳,并朝着混乱的雾化模式发展.试验中,发现液体表面张力和黏性过大时,不宜形成稳态锥射流的溶液也能在一定流量及电压范围内,获得非稳态射流雾化模式.图6为振荡锥射流和旋转锥射流的状态.图6a中,去离子水振荡锥射流模式下,射流不再保持竖直稳定的流动,开始向边缘振荡,射流直径小于毛细管喷嘴外径.长射流从弯液面倾斜射出后,与弯液面脱离,在静电场作用下破碎成微液滴.然后,新的振荡锥射流形成,并开始下落形成循环.在静电雾化试验装置中,末端射流的振荡会引起悬置金属毛细管的晃动,加剧雾化过程的不稳定性.图6b中,甲酰胺溶液旋转锥射流模式下,毛细管喷嘴末端弯液面向下明显拉伸.射流在电场中发生钟摆式的规则摆动,弯液面尺寸有明显变化.不规则液团与弯液面分离之后,连接两者的液丝在即将断裂的初期发生旋转扭结.

图6 振荡锥射流与旋转锥射流状态

当电场强度超出一定值时,出现多股射流.此时弯液面趋于平缓,多股射流从金属毛细管喷嘴的边缘射出,射流直径通常为十几微米.当射流从弯液面射出一段时间后,在空间电场中,由于液体黏性引起的曲张作用,发生不稳定性的破碎,产生微液滴.由于射流数量较多,破碎后产生的液滴弥散在毛细管喷嘴下端,形成雾化区域.随着电压进一步增加,电剪切应力逐渐增大,多股射流的股数不断增多.由于供应流量保持稳定,每一股射流速度加快,且射流直径减小.

图7为2种液体的非稳态多股射流状态.图7a显示了正辛醇多股射流交替和分叉的状态,随着电压升高呈现非稳态多股射流模式(图7b);图7c为丙二醇溶液射流的非稳态多股射流的瞬态图像.

图7 2种液体的非稳态多股射流状态

2.4 射流动力学特性

金属毛细管喷嘴末端的弯液面在表面电荷累积至某一数值时,由圆形转变为锥形.液锥在电场力作用下向下拉长,拉长后的液锥顶点电荷密度急剧增大,当超出一定临界值时,会形成射流从锥顶点射出,并释放电荷来维持液锥形态的相对稳定.文献[8]利用能量守恒定律(瞬间电能与动能之间的守恒),根据W～IΔV(W为瞬态电能,I～Kλ2Ez,即ΔV～Ezl),获得电能与动能的关系式,即

Kλ2Ez2l～ρv3λ2,

(4)

式中:λ为径向特征长度;K为液体的电导率;l为泰勒锥长度;ΔV为沿泰勒锥长度方向的电势差;Ez为z方向上的电场强度,Ez～(γ/ε0l)1/2;v为射流初次喷射速度,v～v0,其中特征速度v0=(γK/ρε0)1/3;ρ为液体的密度.以此获得了从锥形弯液面处初次形成射流速度的参考值[4].通过式(4),计算得到了正辛醇和丙二醇的射流初次喷射速度分别为6.113和2.548 m/s.

通过对比以上获得的初次喷射速度值,可以明显看出在静电场中切向电场力加速了微射流的流动,同时也明显减小了液体的射流直径,所以高强电场对射流起到了加速作用.对于给定的施加电压(3.0 kV),在正辛醇和丙二醇脉动锥射流模式中,射流初次喷射速度v与供应流量Q关系曲线如图8所示.

图8 2种液体射流初次喷射速度与供应流量关系曲线

由于针-板电极间电场强度从金属毛细管喷嘴向板电极(接地端)方向逐渐衰减,液滴脱离弯液面后在空间电场中作变加速运动,因此主要测量射流从弯液面尖端初次喷射过程中的喷射速度.随着流量增加,射流初次喷射速度明显增大,且在相同试验条件下,正辛醇的射流速度明显高于丙二醇.以电能和动能瞬态平衡(W～IΔV)条件下获得的射流初次喷射速度作为理想条件下参考值,在实际试验中射流初次形成的速度还受到气流剪切力、电极布置及极间距等相关参数的影响.

稳态射流破碎长度也是射流破碎动力学的重要参数.图9显示了在流量为15.0 mL/h、施加电压为4.0 kV下,丙二醇溶液射流破碎位置随时间变化的情况,其中时间间隔为0.1 ms.

图9 丙二醇射流破碎位置随时间变化的情况

造成这种破碎点位置波动的主要原因是静电场中射流破碎末端出现诸多小液滴相连的液滴串,而连接这些液滴的液丝会无规律地在液滴串之间发生断裂,这种随机性造成了破碎点无规律分布.通过数据点的统计和分析发现,丙二醇破碎点主要集中在量纲一的破碎长度(射流破碎长度Lb与毛细管喷嘴外径D0之比)约等于12的位置.

3 结 论

静电雾化射流的形态、稳定性及其破碎动力学特性等与液体的物性参数以及施加电压、供应流量等操作参数紧密相关,通过试验研究和分析,得出了如下结论.

1)确定了2种液体产生滴状、纺锤、锥射流、多股射流等典型雾化模式时的供应流量、施加电压范围,并给出了其破碎的瞬时形态.

2)随着供应流量与施加电压的增加,稳态锥射流逐渐发生扰动,并向分叉射流、多股射流和摆动射流等非稳态模式转变.

3)通过研究静电雾化锥射流破碎的射流动力学特性可知,其射流初始喷射速度接近喷射速度理论值,射流喷射速度随流量的增加而增加.射流破碎长度随时间变化而改变,破碎点主要集中于量纲一的破碎长度约等于12的位置.