喷嘴雾化技术进展

喷嘴知识

摘要：喷嘴的雾化技术具有很广泛的应用领域，主要针对液态燃料的雾化，分别从其雾化机理、雾化方法、液雾的测试技术以及燃
油雾化的数值模拟技术等方面对雾化技术进行了简要的说明。

1 前言
雾化技术几乎已经涵盖所有的工业领域，如交通运输、农业生产，以及人民的日常生活，除了各种燃料（气体、液体和固体燃料）的燃烧外，雾化技术在非燃烧工
业如催化造粒、食品加工、粉末涂覆、农药喷洒方面等也有着广泛的应用。本文主要针对液态燃料的雾化技术进行简要的介绍。

2 液体的雾化机理学说所谓液体的雾化就是指在外加能量的作用下，液体在气体环境中变成液雾或其它小雾滴的物理过程。对于其雾化机理，已经有了多种解释，如空气动力干扰说，压力震荡说，湍流扰动说，空气扰动说，边界条件突变说等，现简要介绍如下1~3 。

2.1 空气动力干扰说

Castleman 最早提出了空气动力干扰说，他认为，由于射流与周围气体间的气动干扰作用，使射流表面产生不稳定波动。随速度增加，不稳定波所作用的表面长度越来越短，直至微米（ m）量级，射流即散布成雾状。

2.2 压力振荡说
压力振荡说是观察到液体供给系统压力振荡对雾化过程有一定影响。由此根据一般喷射系统中普遍存在压力振荡，因此认为它对雾化起重要作用。

2.3 湍流扰动说
湍流扰动说认为射流雾化过程发生在喷嘴内部，而流体本身的湍流度可能起着重要作用。也有人认为作为湍流管流运动的喷嘴内流体的径向分速度会在喷嘴出口处立即引起扰动，从而产生雾化。

2.4 空气扰动说
空气扰动说对湍流扰动说持相反态度，认为喷油系统内穴蚀现象所产生的大振幅压力扰动是产生雾化的原因。

2.5 边界条件突变说
边界条件突变说认为喷嘴出口处，液体的边界条件（内应力）发生突变；或者是层流射流突出失去喷嘴壁面约束，使截面内速度分布骤然改变而产生雾化。
上列五种喷嘴机理假说均有不足之处，甚至本身相互矛盾。大多数学者，如Bracco F V 等人1~2 对空气动力干扰说持支持态度。该种假说发展得比较充分，较好地
解释了低速射流分裂破碎原因，以此推理到高速射流，可以作为雾化的基本原因。目前国内外对燃油喷射雾化机理的研究主要从两方面进行：一是利用数值计算技术建立多种假说模型进行数值模化研究4~6 ；另一方面利用先进的光电测试技术去捕获雾化过程的细节，以便为某种或综合的假说提供支持。

3 雾化过程及方法
通过雾化，使液体燃料形成颗粒微小、尺寸均匀的液雾以增加液体燃料与助燃空气之间的接触面积，促进蒸发，从而使燃料得到充分有效地燃烧。而且雾化越细燃烧就越充分。通常液雾的喷射雾化过程分为三个阶段：一是液体在喷嘴内部流动阶段；二是液体喷出后由液柱分裂为雾滴的阶段；三是雾滴在气体中进一步破碎阶段。其中第二阶段是主要的，可以用空气动力干扰说解释。液体雾化方法也有多种多样，具有代表性的主要有机械雾化、介质雾化、特殊喷嘴雾化。

特殊喷嘴雾化

特殊喷嘴一般采用超声波、电磁场、静电作用等原理进行雾化。超声波雾化也称为超声振荡雾化，其雾化机理比较复杂，有关人士认为超声波雾化的原理是：超声波气流
进入谐振腔产生高频压力波，该波传到液体表面引起振动产生超声波，由振动振幅所造成的波峰把液滴从表面分离和破碎，随着超声波频率的增加雾化液滴越来越细，一般在超声波的振动频率作用下可获得几微米级的燃料雾滴10 。由于超声波的雾化性能一般要优于其它雾化方式，其雾化滴径较小（在100 m 以下），雾滴的均匀性也比较好，尺寸分布均匀指数为2，因此易实现低氧燃烧，从而减少烟气中的氮氧污染物的排放量。静电雾化主要应用于涂料雾化。在静电喷涂中，由于高压静电场的作用，涂料液滴会被分裂成细小的微粒，从而使涂料得到雾化。静电雾化在涂料雾化设备中总是与其他雾化方式联合使用。

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