在气流雾化制粉及喷射成形制坯技术中, 雾化喷嘴是使雾化介质获得高能、高速的核心部件, 也是对雾化效率及雾化过程稳定性起重要作用的关键部件 。高压气体经雾化喷嘴后转换成高速气流, 高速气流冲击低速的金属或合金液流柱, 使之雾化, 并且要求雾化成的液滴形状规则、尺寸细小及分布集中, 因此设计结构合理的雾化喷嘴是获得好的雾化效果的前提。
雾化喷嘴设计参数主要有雾化介质的种类和压力、雾化喷嘴气流出口截面积和喷射顶角等, 并有对雾化顶角从90度到30度之间每隔15度为一个变化值进行雾化铜合金粉的试验报道 。本文将通过雾化气流流动的理论进行分析以及研究环孔雾化喷嘴设计参数, 旨在为设计环孔雾化喷嘴提供相关理论计算。
雾化气流流动的理论分析
1、雾化气流沿流线流动的能量方程假设雾化介质为可压缩气流, 为方便讨论气流经过雾化喷嘴出口处的流速v1 , 将雾化器等效地示于图1。分别在雾化喷嘴空腔内和气体出口处选取截面A-A 和B-B , 且气流在雾化喷嘴空腔内AA处的压力为p 0 , 在B-B 处的压力为p , A t 为B-B 处的截面积。
压力为p o的气流经截面B-B 流入压力为p e 的环境, 当把这个过程的流动近似地看作连续( 即气流充满整个管道, 且管道不吸气也不漏气) 而且稳定流动, 并忽略位能及摩擦力所做的功时[ 11] , 那么气流沿流线流动的微分方程可表示为[ 12] :
dv2 / 2+ dp / p= 0 ( 1)
由于气流在环孔或环缝处的流动时间很短, 视
为绝热流动, 并考虑到气流的可压缩性( 气流密度常数) , 有 :
p / pk= 常数( 2)
将式( 2) 代入式( 1) 积分得到可压缩流体的能量方程( Bernoulli 方程) :
v21
/ 2= ( v 22
) / 2+ [ k/ ( k- 1) ] [ p 0 / 0- p / ] ( 3)
式中: k 为气流的压容比; v2 为AA 截面的雾化气体流速, m/ s; 0 为雾化喷嘴空腔内的气流在温度为T0 及压力为p 0 时的密度, kg/ m3。
2 、 环孔雾化喷嘴设计参数的分析
图2为环孔雾化喷嘴结构简图 , 在一个轴对称的环形高压气腔底部均布若干半径为R0 的喷孔, 喷孔轴线NF 与雾化喷嘴主轴线OF 的交角称为喷射顶角; 以OF 为对称轴的两喷孔中心距离D称为节圆直径。由此可知, 设计环孔雾化喷嘴时, 须研究和计算这些参数。
( 1) 依据对气流在雾化喷嘴内的流动分析以及气流运动方程及能量方程的联立求解, 得到了气流在雾化喷嘴出口速度及质量流率取得极大值时的解析表达式, 导出了环孔雾化喷嘴气流出口截面积与其空腔截面积及雾化压力的计算关系式。
( 2) 通过对雾化气流喷射参数的研究及环孔喷嘴设计参数的分析, 建立的从雾化喷嘴喷射出的气流流速与雾化喷嘴气流出口半径、喷射距离、喷射顶角及节圆直径的变化关系式, 为雾化喷嘴的设计计算提供了依据。
( 3) 提出了在环孔喷嘴上设置导液管护套, 可保障雾化喷嘴的同心度不发生偏差。
