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喷嘴雾化技术的发展
更新时间：2013-04-23      阅读：6867
    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。
    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。
    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。
    1.空气动力干扰说Castlemanzui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.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。
    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。
    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。
    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BraccoFV等人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；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。
    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。
    1.机械雾化
    机械雾化主要是靠燃油在压力差作用下产生的高速射流使燃油得到雾化，它又可细分为直射式、离心式和旋转式雾化。
    直射式雾化和离心式雾化可统称为压力雾化。由于直射式主要依靠燃油的喷射达到雾化的目的，因此油压的要求比较高，而且喷孔直径越大雾化越粗，故喷孔直径不能太大，流量调节范围比较小。离心式雾化是利用高压液体经旋流装置产生的离心力产生液膜，被空气破碎而雾化。离心式雾化的效果优于直射式雾化，但是它同样需要较高的供油压力，因此它们都不适合于雾化高粘性燃油。
    旋转式雾化大体上分为旋转体型和旋转喷口型两大类，而旋转体形又分为转杯式和旋盘式8。转杯式雾化是将燃油喷入圆锥形转杯的前端，借助高速旋转的转杯将燃油展成薄膜，由“离心力喷雾”和“速度喷雾”的综合作用而雾化燃油。在国内主要应用于工业炉和锅炉上。同理，旋盘式雾化是依靠高速旋转的圆盘来雾化燃油，它目前主要应用于喷雾干燥领域。小型燃气轮机的折流燃烧器上采用的离心甩油盘是典型的旋转喷口雾化，它的雾化质量主要是高速旋转产生的巨大离心力作用在贴壁燃油具有*当量压强，使甩出的燃油径向速度特别高。
    2.介质雾化
    介质雾化根据介质不同又可分为蒸汽雾化、空气雾化，根据雾化方式的不同又分为气动雾化和气泡雾化。
    气动雾化依靠一定压力的气体（压缩空气或蒸汽）形成高速气流，使气体与燃油之间形成很高的相对速度以达到雾化的目的。其优点是可以在较低的供油压力下获得良好的雾化效果，在使用高粘度燃油时仍然可以获得较高的雾化质量，并且工作状况可以在较大的范围内调节。
    气泡雾化是20世纪80年代初由A.H.Lefebvre9提出的一种新型气动雾化方式，它是把压缩空气以某种适当的方式注入到液体中，并使两者在喷嘴混合室内形成稳定的泡状两相流动，在离开喷嘴出口极短的距离内由于气泡内外压差的剧烈变化，促使它急剧膨胀直至破裂，从而将包裹在其周围的液膜进一步破碎成为更加细微的液雾颗粒。由于气泡雾化的耗气量少、雾化质量高、雾化效果基本不受出口直径影响，因此比较适合雾化重、渣油等高粘度液体燃料。
    3.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。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100m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。
    在液体雾化试验中，对于流场中雾滴群的测试，不但要测量其尺寸分布，而且要测量其空间分布、速度等。因此宜采取不干涉流场及喷雾场的方法来直接测量运动中的雾滴群特征。在不干涉测量对象的方法中，使用zui广泛的是光学法。随着激光、微电子及计算机技术的飞速发展和广泛应用，人们开发了许多新的光学测试技术，如激光全息测雾技术、激光散射测雾技术、激光相位多普勒测雾技术等非接触式的测量方法等，都具有不干扰流场、时间和空间分辨率高的优点，实现了喷雾测量的三维性和实时性，为深入研究喷嘴提供了强有力的测试手段。
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