劉 超，于如軍，王發(fā)剛

(1.昌樂縣勞動(dòng)技工學(xué)校，山東 昌樂 262400;2.山東理工大學(xué)，山東淄博 255049)

液體射流進(jìn)入氣體中的斷裂機(jī)理研究和實(shí)際應(yīng)用已取得了很大的進(jìn)展。天津大學(xué)開發(fā)的噴射造粒技術(shù)應(yīng)用于粒狀燒堿的生產(chǎn)已取得成功。金屬均勻液滴束流技術(shù)也已應(yīng)用到金屬粉末的生產(chǎn)中。液－液兩相射流分散形成液滴的理論及應(yīng)用研究，遠(yuǎn)落后于液－氣體系。研究?jī)梢合囿w系中射流斷裂形成液滴對(duì)豐富射流斷裂機(jī)理具有一定的理論意義。

1.射流斷裂行為

液體自小孔噴嘴流出，進(jìn)入到較大空間時(shí)繼續(xù)流動(dòng)形成射流。流速?gòu)牧汩_始慢慢增大，射流速度較小，進(jìn)入介質(zhì)后速度可忽略，液滴在噴嘴口積累。隨著液體的流入以及流速的增加，由于慣性作用，射流液柱將發(fā)生表面彎曲，當(dāng)速度達(dá)到足以克服表面張力時(shí)，液滴從彎曲處斷裂形成液滴。

試驗(yàn)以油為射流相，水為介質(zhì)，觀察了無外加擾動(dòng)條件下噴嘴射流斷裂形成液滴的過程。噴嘴參數(shù)如表1。隨著流速逐漸增加，射流液柱斷裂形成液滴分為滴流階段、滴帶流階段、穩(wěn)定流階段和合并流階段。滴流過程:此時(shí)流速小，形成的液滴較大且間隔大，射流長(zhǎng)度為0，如圖1(a);隨著流速的增加，射流進(jìn)入滴帶流狀態(tài):流速的增加使斷裂的液滴獲得的凈速度增加，在慣性作用下，形成一大一小的液滴狀態(tài)，射流長(zhǎng)度接近于0，如圖1(b);流速繼續(xù)增加，射流進(jìn)入穩(wěn)定流階段，此時(shí)射流斷裂形成的液滴大小一致、間隔均勻，如圖1(c);射流流速繼續(xù)增加，進(jìn)入合并流階段，液柱流動(dòng)紊亂，連續(xù)段波動(dòng)明顯，后產(chǎn)生的液滴凈加速度大，追趕上前邊斷裂的液滴而產(chǎn)生合并現(xiàn)象，液滴大小不一且分布雜亂，如圖1(d－e)。

圖1 自然射流斷裂過程

2.孔徑對(duì)粒徑的影響

液體由圓孔呈柱狀流出，根據(jù)吉布斯自由能判斷，在等溫等壓條件下，液體會(huì)向著表面積減小的方向變化，斷裂后的液體呈球形。對(duì)斷裂形成的液滴直徑，進(jìn)行理想狀態(tài)假設(shè):

表1 噴嘴參數(shù)

(1)圓孔為光滑的直孔。

(2)液體流動(dòng)狀態(tài)為穩(wěn)定流。

(3)液柱的斷裂只受表面能的作用。

(4)液體處于微重力狀態(tài)。

(5)斷裂后的液滴呈標(biāo)準(zhǔn)球形。

以穩(wěn)定流狀態(tài)從半徑為r 的圓孔流出的液相，會(huì)形成與圓孔直徑相同的液柱，并進(jìn)入進(jìn)入介質(zhì)環(huán)境，最終斷裂形成液滴。

假定其斷裂長(zhǎng)度l，則液柱表面積為Ac=2πrl，斷裂后收縮成球形的液滴的半徑為，液滴表面積為Ab=4πR2，Ab＜Ac是斷裂發(fā)生的必要條件，則生成的液滴的半徑，穩(wěn)定流狀態(tài)下射流斷裂產(chǎn)生的液滴半徑至少是圓孔半徑的1.5 倍，因此要獲得一定大小的液滴，須選擇合適孔徑的噴嘴。

試驗(yàn)觀察了孔徑對(duì)液滴粒徑的影響?？讖皆龃?，射流液柱的周長(zhǎng)越長(zhǎng)，斷裂形成的液滴越大。從圖2的孔徑 －粒徑曲線可以看出:在流速為1.20m/s 和0.8m/s 時(shí)，液滴的平均粒徑隨著孔徑的增大而增大，且都大于孔徑的1.5 倍，約為孔直徑的2－5 倍;0.8m/s 流速下的曲線高于1.20m/s 的，表明相同的孔徑下，流速較小的液柱斷裂形成的液滴粒徑較大。

圖2 孔徑對(duì)平均粒徑的影響

3.流速對(duì)液滴粒徑的影響

圖3 是2#噴嘴在不同流速下的平均粒徑分布及射流長(zhǎng)度曲線。從曲線可得出當(dāng)流速為0.35m/s 時(shí)，射流的斷裂狀態(tài)處于滴流階段，此時(shí)流速較小，液滴直徑較大(A 點(diǎn));當(dāng)流速達(dá)到0.69m/s 時(shí)，由于流速的增加，液柱斷裂的時(shí)間縮短，所形成的液滴的平均直徑急劇減小(AB 段)，在0.69－1.39m/s 內(nèi)平均粒徑隨流速的增加而平緩的減小(BC 段);當(dāng)流速繼續(xù)增大，在1.39－2.42m/s 時(shí)，液滴的平均粒徑隨流速的增加而緩慢增大(CD 段)，主要原因是液滴間產(chǎn)生了合并現(xiàn)象。C 點(diǎn)為液滴直徑變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，對(duì)應(yīng)射流長(zhǎng)度曲線上的E 點(diǎn)，E 點(diǎn)前射流長(zhǎng)度隨流速的增加而增加，E 點(diǎn)后射流長(zhǎng)度隨流速增加先減小后增大，E點(diǎn)后的射流長(zhǎng)度過長(zhǎng)，射流液柱不易斷裂，流速過大，斷裂的液滴極易產(chǎn)生合并，無法得到穩(wěn)定的均勻液滴，E 點(diǎn)為射流長(zhǎng)度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。射流長(zhǎng)度也是影響液滴粒徑的因素。圖4 為1－5#噴嘴的流速－粒徑曲線，從圖中可看出，液滴的平均粒徑隨流速的增加先明顯減小，而后進(jìn)入一段平穩(wěn)狀態(tài)，隨后緩慢增大。

圖3 2#噴嘴流速－粒徑曲線及射流長(zhǎng)度曲線

圖4 1－5#噴嘴流速 －粒徑曲線

4.孔徑及流速對(duì)射流長(zhǎng)度的影響

圖5 為3－5#噴嘴的孔徑－射流長(zhǎng)(度曲線，從曲線中可觀察到射流射流長(zhǎng)度隨流速的變化:

圖5 孔徑－射流長(zhǎng)度曲線

(1)前期隨流速的增加而增加。

(2)中期產(chǎn)生突變，隨流速的增加而減小。

(3)后期隨流速的增加而增加。3#、4#、5#噴嘴的突變點(diǎn)分別為A、B、C 三點(diǎn)，孔徑越大，射流前期階段越長(zhǎng)，能斷裂成均勻液滴的范圍越大。

5.結(jié)論

(1)根據(jù)液滴形成狀態(tài)不同，射流斷裂分為滴流階段、滴帶流階段、穩(wěn)定流階段和合并流階段四個(gè)階段，穩(wěn)定流階段能形成粒徑均勻的液滴。

(2)液滴的平均粒徑隨孔徑的增大而變大。

(3)液滴粒徑隨流速的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

(4)自然射流長(zhǎng)度隨流速的增加呈現(xiàn)先增加后減小而后又增加的趨勢(shì)，且孔徑越大，射流前期階段越長(zhǎng)，能斷裂成均勻液滴的范圍越大。

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