盧濤, 柯順利, 朱明寬, 徐坤

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院, 鄭州 450001)

霧化吸入治療是治療呼吸系統(tǒng)相關(guān)疾病的重要方式,對(duì)于呼吸危重的患者,利用壓縮霧化器可以產(chǎn)生濕潤(rùn)的空氣,幫助患者濕滑氣道,可以避免因呼吸干燥而引起更多并發(fā)癥[1]。對(duì)于呼吸道疾病患者,壓縮霧化器可以對(duì)液體藥物進(jìn)行霧化,形成微小的藥物氣溶膠,通過(guò)呼吸道吸入,可以直接到達(dá)呼吸道病灶處,這樣不僅提高藥物的利用率,而且能夠加快患者自身吸收[2]。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都開(kāi)展了關(guān)于醫(yī)用壓縮霧化器霧化過(guò)程的研究,趙麟[3]通過(guò)Fluent軟件模擬了醫(yī)用鹽粉顆粒壓縮霧化器的霧化過(guò)程,分析了不同技術(shù)參數(shù)對(duì)固態(tài)鹽粉霧化效果的影響,確立了鹽粉霧化的主要性能指標(biāo)為鹽霧濃度均勻程度、出霧口鹽粉動(dòng)能和霧化速率。黃世帆等[4]利用Fluent仿真分析了醫(yī)用壓縮霧化器的工作原理,發(fā)現(xiàn)了藥液在霧化過(guò)程中是沿著液膜-液絲-液滴的流程逐漸霧化成液滴的。Ge等[5]對(duì)壓縮霧化器的工作過(guò)程進(jìn)行了軸對(duì)稱仿真分析,獲得幾何參數(shù)對(duì)霧化產(chǎn)物特性的影響。Heinrich等[6]利用VOF(volume of fluid)和LPT(lagrangian particle tracking)耦合方法,對(duì)液體霧化過(guò)程進(jìn)行了相對(duì)精確的模擬研究。Geertsen等[7]采用多種測(cè)量方法研究了不同噴嘴的霧化效果,分析了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)霧化產(chǎn)物的特性的影響。以上研究主要集中在藥液霧化后的速度和霧化過(guò)程中液滴是如何形成的,并沒(méi)有對(duì)霧化后的液滴直徑分布做出進(jìn)一步研究。然而,對(duì)于醫(yī)用壓縮霧化器,藥液霧化后的液滴粒徑有效范圍通常在1～10 μm范圍內(nèi);直徑為5～10 μm的液滴主要沉積在咽喉部,5 μm以下的液滴主要沉積在肺部和肺泡[8];因此研究藥液霧化后的液滴粒徑分布規(guī)律和提升5 μm以下的液滴粒徑占比,對(duì)于提升臨床霧化吸入治療效果具有重大意義。

為了優(yōu)化霧化效果,可以通過(guò)研究霧化器內(nèi)部氣液兩相流的情況來(lái)改善其霧化效果。數(shù)值模擬霧化過(guò)程采用的是計(jì)算流體程序Fluent中流體體積法-離散顆粒法(volume of fluid-discrete particle model,VOF-DPM)模型,VOF-DPM模型轉(zhuǎn)換機(jī)制提供了一種有效的解決方案。該方法使用VOF模型預(yù)測(cè)初次破碎和初始射流,并且在發(fā)生液滴破碎時(shí)使用DPM模型對(duì)離散液滴進(jìn)行二次破碎計(jì)算,轉(zhuǎn)換算法會(huì)自動(dòng)評(píng)估其從VOF到DPM模型過(guò)渡的資格。范海宏等[9]針對(duì)污泥霧化特征和操作參數(shù)對(duì)霧化效果的影響,采用VOF-DPM的方法,模擬污泥霧化過(guò)程分析了污泥霧化液滴的空間分布,通過(guò)多組數(shù)據(jù)對(duì)比得到了最優(yōu)粒徑分布的工作參數(shù)。高曉輝等[10]采用VOF-DPM的方法,對(duì)液體泄漏破碎形成的粒徑尺寸分布進(jìn)行模擬計(jì)算,驗(yàn)證了VOF-DPM 模型模擬液體泄漏破碎行為的適用性。Kuznetsov等[11]針對(duì)煤油向周圍環(huán)境噴灑的問(wèn)題,基于VOF-DPM 方法,模擬噴油器內(nèi)連續(xù)液體及破碎的液滴運(yùn)動(dòng),證明該模型可以準(zhǔn)確地確定兩相流的結(jié)構(gòu)。

上述研究采用VOF-DPM 方法可以精確得到液體噴射形態(tài)及液滴尺寸大小,目前該方法在醫(yī)用壓縮霧化器霧化效果數(shù)值模擬研究中應(yīng)用較少,因此現(xiàn)將采用VOF-DPM模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,以更準(zhǔn)確地模擬醫(yī)用壓縮霧化器的霧化效果。

1 醫(yī)用壓縮霧化器的結(jié)構(gòu)

1.1 霧化器結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)醫(yī)用壓縮霧化器的三維物理模型的實(shí)際流體流動(dòng)情況進(jìn)行研究分析,利用Solidworks建模軟件建立了如圖1所示的霧化器結(jié)構(gòu)圖。

1.2 工作原理

醫(yī)用壓縮霧化器主要采用的是文丘里結(jié)構(gòu),其工作原理如圖2所示。壓縮氣體從氣體通道1流入,噴嘴2處流出;由于噴嘴2急劇收縮,氣體從噴嘴2噴出時(shí),由于文丘里效應(yīng),噴嘴與液體通道之間會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓,在負(fù)壓的作用下藥液會(huì)通過(guò)液體通道向上噴出,噴出的藥液會(huì)在噴嘴處與高速氣流混合,氣液兩相初步混合后藥液在高速氣流的帶動(dòng)下撞擊破碎擋板進(jìn)行破碎,初步破碎后的藥液繼續(xù)在高速氣流的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng);此時(shí)液體表面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的不穩(wěn)性,這種不穩(wěn)定會(huì)使得液體表面的液膜撕裂導(dǎo)致液滴破碎,破碎后的液滴會(huì)受到剪切力,氣體壓力,液滴自身的液相壓力,液滴自身的表面張力、黏性力[12]的作用進(jìn)一步使得藥液破碎,最終變成極細(xì)的霧狀液滴向外部噴出。

圖2 工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the working principle

2 數(shù)值模擬設(shè)置

2.1 數(shù)值模型

2.1.1 控制方程

任何流體流動(dòng)問(wèn)題都必須滿足質(zhì)量守恒定律,按照質(zhì)量守恒定律,可以得出質(zhì)量守恒方程;氣體在流動(dòng)的過(guò)程中由于氣體出口部分急劇收縮,將會(huì)導(dǎo)致氣體在出口中將達(dá)到極高的速度,此時(shí)必須考慮氣體的壓縮性。將氣體設(shè)置為理想的可壓縮氣體。因此,霧化器霧化過(guò)程中使用了可壓縮流體的質(zhì)量連續(xù)性和 Navier-Stokes方程[13]。它的數(shù)學(xué)模型包含連續(xù)方程、動(dòng)量方程。

連續(xù)方程為

(1)

(2)

(3)

式中:ρm為混合相的密度;vm為混合相的體積平均速度;ρi為相i的密度;vi為相i的體積平均速度。

動(dòng)量守恒方程為

(4)

式(4)中:F為一個(gè)源項(xiàng),可被表面張力代替;v為混合相體積平均速度;P為壓強(qiáng);ρ為混合相密度;μ為混合相黏度;g為重力加速度。

2.1.2 破碎模型

破碎模型使用的是KH-RT(Kelvin-Helmholtz &Rayleigh-Taylor)[14]模型預(yù)測(cè),霧化過(guò)程中液滴在壓縮氣流中同時(shí)受到Kelvin-Helmhotz和Rayleigh-Taylor兩種不穩(wěn)定波的作用。該模型通過(guò)液體表面不穩(wěn)定波的擾動(dòng)來(lái)判斷液滴的破碎方式和破碎時(shí)間。破碎模型表達(dá)式為

(5)

(6)

式中:gt為液滴在軌跡方向上的加速度;σs表示混合相的表面張力系數(shù);ρ表示密度;ΩRT表示不穩(wěn)定波的頻率;τRT為液滴破碎時(shí)間;Cτ為破碎時(shí)間常數(shù),通常取1。

2.2 模型基本假設(shè)

液滴破碎是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,液滴碰撞是連續(xù)的,本文仿真模型假設(shè)。

(1)考慮氣體的壓縮性,將氣體設(shè)置為理想的可壓縮氣體。

(2)因?yàn)闅庖合嗝芏炔詈退俣炔钶^大,所以不考慮液滴對(duì)氣相流場(chǎng)的影響。

(3)氣液相流場(chǎng)對(duì)DPM(discrete phase model)離散相霧化無(wú)影響。

(4)氣體重力忽略不計(jì)。

2.3 模型簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分

從霧化器的工作原理可知,霧化效果主要與氣相速率和內(nèi)部噴口處形成液滴的結(jié)構(gòu)有關(guān),因此霧化仿真時(shí)重點(diǎn)關(guān)注氣相速率和內(nèi)部噴口處的結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行仿真建模時(shí),對(duì)霧化器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化;圖1中的氣壓調(diào)節(jié)通道6、出霧口7都是對(duì)霧化后的液滴路徑有關(guān),但是對(duì)產(chǎn)生液滴過(guò)程并沒(méi)有本質(zhì)的影響。最終仿真時(shí)只對(duì)噴嘴處形成液滴的區(qū)域進(jìn)行了仿真。

由于霧化現(xiàn)象是瞬態(tài)特征,為了確保計(jì)算的準(zhǔn)確性,減少因網(wǎng)格數(shù)量與質(zhì)量問(wèn)題而造成的數(shù)值誤差,采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)霧化器進(jìn)氣口通道、霧化流暢進(jìn)行劃分,在霧化器內(nèi)部氣液交匯區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,并對(duì)該區(qū)域采用了基于曲率的自適應(yīng)網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理以確保霧化的準(zhǔn)確性,網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.4 模型求解計(jì)算

計(jì)算模型采用VOF-DPM耦合模型,利用VOF模型對(duì)流體連續(xù)相進(jìn)行追蹤并預(yù)測(cè)流體的相邊界條件。藥液會(huì)在霧化器高速氣流的帶動(dòng)下撞擊破碎擋板進(jìn)行初步破碎,初步破碎后的藥液將繼續(xù)在高速氣流的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng),此時(shí)液體表面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的不穩(wěn)性,這種不穩(wěn)定使得液體表面的液膜撕裂導(dǎo)致液體破碎,液體破碎后形成的液滴,將根據(jù)等效直徑和球形度的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn),如果大液滴滿足轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn),形狀不規(guī)則的液體團(tuán)就會(huì)被轉(zhuǎn)換為球形液滴,離散的液滴由DPM 模型進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)霧化過(guò)程的瞬態(tài)特性,仿真特性采用非穩(wěn)態(tài)形式,非穩(wěn)態(tài)形式可以很好的追蹤霧化后的液滴顆粒;計(jì)算過(guò)程中為了提高收斂性的可靠程度,將監(jiān)視器殘差設(shè)為1×10-6,計(jì)算時(shí)間為1 s,時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-5s,最大迭代數(shù)為20。

初始條件參數(shù):計(jì)算域內(nèi)部的溫度設(shè)置為300 K,霧化杯壁面設(shè)置為光滑壁面,噴嘴直徑為0.5 mm,液體通道直徑為0.5 mm,氣體通道直徑5 mm。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證氣液模擬計(jì)算的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性,使用了三種不同的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行計(jì)算,網(wǎng)格總數(shù)分別為60萬(wàn)、100萬(wàn)、150萬(wàn);采用相同的初始條件,計(jì)算求得不同網(wǎng)格數(shù)量下,分別統(tǒng)計(jì)霧化1 s后霧化杯頂端處的粒徑分布,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

分析圖4可知,在同一條件下,使用不同網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行計(jì)算時(shí),計(jì)算結(jié)果差異很小;但是綜合考慮到計(jì)算精確度和霧化效果的準(zhǔn)確表達(dá),為了進(jìn)一步排除因?yàn)榫W(wǎng)格數(shù)量造成的結(jié)果差異,本文中數(shù)值模擬選用150萬(wàn)的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.4 Mesh independence verification

3.2 額定常溫工況下的噴霧特性

為了研究藥液在霧化流場(chǎng)中的霧化特性,計(jì)算了額定常溫工況下的噴霧特性,氣體出口速度為15 m/s的正常工作狀態(tài)下的發(fā)展過(guò)程如圖5所示。從圖5中可以看出,被高速氣流產(chǎn)生的負(fù)壓帶動(dòng)上來(lái)的藥液,撞擊到破碎擋板進(jìn)行初步破碎,撞擊破碎產(chǎn)生的藥液液滴在高速氣流的作用下會(huì)具有一定的初速度,通過(guò)對(duì)比可以看出,大粒徑液滴由于自身重力的原因,初速度值相對(duì)較小,從而導(dǎo)致大粒徑液滴主要分布在噴嘴附近和噴霧外緣區(qū)域,而小粒徑液滴從大液滴中破碎后會(huì)繼續(xù)向噴霧上游區(qū)域發(fā)展。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),霧化腔內(nèi)部逐漸進(jìn)入穩(wěn)態(tài),粒徑較小的液滴從出口噴出。

進(jìn)一步分析了額定常溫工況下藥液霧化過(guò)程中不同時(shí)刻藥液液滴的速度變化情況,如圖6所示。從圖6中可以看出藥液進(jìn)入霧化器內(nèi)部時(shí),撞擊破碎擋板后藥液速度減小,并且以一定的角度向四周噴射,霧化后的液滴和氣體在霧化腔內(nèi)部形成漩渦氣流,渦流會(huì)引起液滴表面出現(xiàn)剪切力和離心力,使得藥液在霧化腔內(nèi)部充分霧化。

圖5 不同時(shí)刻的霧化液滴分布云圖Fig.5 Cloud map of atomized droplet distribution at different times

圖6 不同時(shí)刻的藥液速度云圖Fig.6 Cloud diagram of the speed of the liquid at different times

3.3 氣體流速對(duì)霧化效果的影響

為探究氣體流速對(duì)藥液的霧化效果影響,選用15、18、21、24 m/s的氣體出口速度進(jìn)行模擬計(jì)算,計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為1 s。

圖7所示為1 s時(shí)刻不同氣體出口流速霧化腔內(nèi)部藥液液滴速度云圖,通過(guò)對(duì)比可以看出,氣體出口處氣體流速越大,被吸上來(lái)藥液的初速度也隨之增大,從而進(jìn)一步提升藥液霧化后液滴的速度,藥液霧化后液滴的動(dòng)能也隨之增大。

圖8為分析霧化1 s內(nèi)的霧化杯頂端處的液滴直徑分布圖,經(jīng)過(guò)多組仿真數(shù)據(jù)得出10 μm以下的粒徑占比達(dá)到98%左右,所以圖8和表1只對(duì)0～10μm的粒徑分布占比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。結(jié)合表1和圖8可以明確地看出,隨著壓縮空氣出氣口速度的增大,霧化杯頂端處液滴直徑在5 μm以下的占比在增大。在壓縮空氣出口速度為15、18、21、24 m/s時(shí),直徑小于5 μm的液滴的百分比分別為51.79%、54.09%、59.18%、63.74%。引起這一現(xiàn)象主要有兩個(gè)原因:一是由于氣體出口速度的增加,文丘里結(jié)構(gòu)喉部處的真空度就會(huì)隨之增加,進(jìn)一步就會(huì)引起被吸入的藥液量增加,那些被氣體帶動(dòng)的具有較高初速度的液體將會(huì)產(chǎn)生較小的液滴。二是由于氣體流速的增加,液滴在霧化腔內(nèi)部將會(huì)受到更大的漩渦氣流、離心力和剪切力從而使得藥液霧化的更加充分,直徑小于5 μm的液滴占比也會(huì)相應(yīng)的增加。

圖7 不同氣體出口速度下藥液速度云圖Fig.7 Cloud diagram of the speed of the liquid under the outlet speed of different gases

圖8 霧化杯頂端處的液滴直徑分布Fig.8 Droplet diameter distribution at the tip of the atomizing cup

考慮到較高的氣體流速會(huì)對(duì)病患喉部帶來(lái)刺激引起患者不適,最優(yōu)的霧化氣體流速為21 m/s,在此流速下,藥液霧化后5 μm以下的粒徑占比相對(duì)較高。

3.4 液體通道寬度對(duì)霧化效果的影響

設(shè)置氣體出口速度為15 m/s,分別對(duì)液體通道寬度為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mm進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖9所示為1 s時(shí)刻不同液體通道寬度霧化腔內(nèi)部藥液速度云圖。從圖9中可以看出隨著液體通道寬度的增加,藥液速度增大,液滴的動(dòng)能也隨之增大。

表1 液滴直徑分布表Table 1 Droplet diameter distribution table

圖10為分析霧化1 s內(nèi)不同液體通道寬度霧化杯頂端處液滴直徑分布圖,從圖10中可以看出隨著液體通道寬度的增加,液滴直徑分布開(kāi)始變的相對(duì)分散,液滴直徑10 μm以上的占比開(kāi)始逐漸增加,液滴直徑在5 μm以下的占比在逐漸減小。經(jīng)分析可知,隨著液體通道寬度的增加,被負(fù)壓吸上來(lái)的藥液量就會(huì)增加(這是希望看到的結(jié)果),但是會(huì)導(dǎo)致藥液在撞擊破碎擋板時(shí)不能完全破碎,產(chǎn)生的大直徑液滴顆粒占比就會(huì)增多,將會(huì)影響霧化效果(這是不希望看到的結(jié)果)。液體通道寬度太小的話,雖說(shuō)能夠充分的進(jìn)行撞擊破碎,但是被負(fù)壓吸上來(lái)的藥液量會(huì)減少,將會(huì)降低霧化速率。

通過(guò)分析液體通道寬度對(duì)霧化效果的影響可知,在液滴動(dòng)能方面,隨著液體通道寬度的增加,藥液霧化后液滴的動(dòng)能隨之增大;但是在5 μm以下的粒徑占比方面,通道寬度的增加,液滴直徑在5 μm以下的占比在逐漸減小,并且液滴直徑10 μm以上的占比開(kāi)始逐漸增加,因此綜合藥液霧化后液滴動(dòng)能和5 μm以下的粒徑占比兩方面考慮,最優(yōu)霧化效果的液體通道寬度為0.5 mm。

圖10 不同液體通道寬度下的霧化杯頂端處粒徑分布圖Fig.10 Particle size distribution at the tip of the atomizing cup at different liquid channel widths

3.5 破碎擋板形狀對(duì)霧化效果的影響

破碎擋板是壓縮霧化器的核心部件之一,其對(duì)霧化效果具有重要影響;因此,本文研究了破碎擋板形狀對(duì)霧化效果的影響;并且對(duì)破碎擋板形狀進(jìn)行了優(yōu)化。破碎擋板形狀改進(jìn)前后對(duì)比如圖11所示,破碎擋板形狀由原來(lái)的長(zhǎng)方體改為圓柱與圓錐結(jié)合的錐型體。

圖12所示為同一條件下,改進(jìn)破碎擋板前后霧化腔內(nèi)部藥液速度云圖,通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),藥液在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,由原來(lái)的90°直接撞擊擋板,變?yōu)楝F(xiàn)在的60°從側(cè)面撞擊,改進(jìn)后霧化腔內(nèi)部藥液速度有了提升。這樣不僅能夠提升霧化速率,而且藥液霧化后液滴的動(dòng)能也會(huì)有所提升,使得藥液能夠更好的抵達(dá)呼吸道病灶處。

圖11 破碎擋板形狀改進(jìn)前后對(duì)比圖Fig.11 Comparison of the broken baffle shape improvement before and after

圖12 霧化杯改進(jìn)前后藥液速度云圖Fig.12 Atomization cup improvement before and after the liquid speed cloud diagram

霧化器破碎擋板結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后,氣相出口速度分別為15、18、21、24 m/s的情況下;霧化杯改進(jìn)前后頂端處粒徑分布如圖13所示。通過(guò)對(duì)比改進(jìn)前后粒徑分布統(tǒng)計(jì)圖,可以發(fā)現(xiàn)在同一外部條件下,霧化杯結(jié)構(gòu)改進(jìn)后5 μm以下的粒徑分布分別為59.89%、62.56%、65.69%、68.25%,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比,相比原來(lái)5 μm以下的粒徑比例提升5%～7%。模擬結(jié)果表示改進(jìn)后的霧化杯結(jié)構(gòu)能夠有效的增大5 μm以下的粒徑比例。經(jīng)分析可知,改進(jìn)破碎擋板形狀后,提升了藥液與破碎擋板的接觸面積,從而使得藥液撞擊破碎的更加充分,進(jìn)一步降低霧化后的液滴直徑;改進(jìn)破碎擋板形狀后,藥液在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,由原來(lái)的90°直接撞擊擋板,變?yōu)楝F(xiàn)在的60°從側(cè)面撞擊,這一變化將會(huì)減小藥液因撞擊破碎擋板而造成的動(dòng)能損失,增大藥液霧化后液滴的動(dòng)能。

在對(duì)破碎擋板形狀改進(jìn)時(shí)主要考慮了藥液霧化后液滴的動(dòng)能和液滴直徑在5 μm以下的占比這兩個(gè)方面。目前的藥液破碎擋板是長(zhǎng)方體,藥液從液體通道噴出的時(shí)候會(huì)以90°的方式,直接撞擊破碎擋板,這樣就會(huì)造成大量的動(dòng)能損失,原來(lái)的長(zhǎng)方體破碎擋板也沒(méi)有完全覆蓋在液體通道3的正上方,這就會(huì)導(dǎo)致有少量的液體不能完全撞擊到破碎擋板,藥液不能夠充分霧化;經(jīng)過(guò)以上分析,將原有的長(zhǎng)方體破碎擋板進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化為圓柱與圓錐結(jié)合的錐型體。圓柱的直徑與液體通道3外壁的直徑相同如圖11(b)所示,這樣優(yōu)化后的破碎擋板就能完全覆蓋在液體通道3的正上方;即可以滿足藥液完全撞擊破碎擋板,錐型體結(jié)構(gòu)又可以降低藥液因撞擊破碎擋板而造成的動(dòng)能損失。

4 結(jié)論

為了提升醫(yī)用壓縮霧化器霧化效果,通過(guò)VOF-DPM的方法,借助有限元分析軟件Fluent,分別研究了醫(yī)用壓縮霧化器噴嘴結(jié)構(gòu)、氣體流速和液體通道寬度等對(duì)藥液霧化后液滴的動(dòng)能和粒徑分布的影響,得出以下結(jié)論。

圖13 霧化杯改進(jìn)前后霧化杯頂端處的液滴直徑分布圖Fig.13 Droplet diameter distribution at the top of the atomizing cup before and after the atomization cup is improved

(1)在霧化過(guò)程,大粒徑液滴主要分布在噴嘴附近和噴霧外緣區(qū)域,小粒徑液滴從大液滴中破碎后會(huì)繼續(xù)向噴霧上游區(qū)域發(fā)展,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),霧化腔內(nèi)部逐漸進(jìn)入穩(wěn)態(tài),粒徑較小的液滴從出口噴出。

(2)霧化器在原有結(jié)構(gòu)上,增大氣相速率,在一定程度上能夠提升霧化杯頂端處液滴直徑在5 μm以下的占比,隨著氣相速率的增大,藥液霧化后液滴動(dòng)能也會(huì)有所提升;最優(yōu)的霧化氣體流速為21 m/s。

(3)其他條件不變的情況下,改變液體通道寬度。隨著液體通道寬度的增加,被吸上來(lái)的藥液量有所增加,液相速度增大,藥液霧化后液滴的動(dòng)能也隨之增大;但是霧化杯頂端處液滴直徑在5 μm以下的占比有所降低,粒徑分布也會(huì)變的相對(duì)分散;最優(yōu)霧化效果的液體通道寬度為0.5 mm。

(4)對(duì)霧化器內(nèi)部的破碎擋板形狀優(yōu)化后發(fā)現(xiàn),其他條件不變的情況下,錐型破碎擋板結(jié)構(gòu),不能夠提升藥液霧化后液滴動(dòng)能;而且能將霧化杯頂端處液滴直徑在5 μm以下的占比,在原來(lái)的基礎(chǔ)上提升5%～7%。