（机械设计及理论专业论文）油雾发生器的理论及实验研究.pdf

1 t_ft at h e s i si nm e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y t h e t h e o r ya n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f o i lm i s tg e n e r a t o r b yj i al i b i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rc h e nj i a n w e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位敝储繇船 日飙圳晋纱合如f i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) i 学位论文作者签名：啧鼍默导师签名：1 仫 签字日期：郴 自、租 、 签字日期：卅似 i i 东北大学硕士学位论文 摘要 油雾发生器的理论及实验研究 摘要 油雾润滑是一种先进的润滑方式，与传统润滑方式相比，能够使设备达到高 效率、低故障、节能与环保运行。为了进一步发展不同类型的油雾润滑装置，本 课题引入了一种新型的油雾发生器气流式超声波油雾发生器。该油雾发生器 的雾化机理是超声波雾化，即利用空气射流通过谐振腔，喷射出高速气流，产生 高频率，高振幅的剧烈振动的超声波，同时通过附加液哨，来强化雾化的一种喷 雾技术，能得到更小的油雾颗粒。 本文简述了超声波雾化机理和超声波雾化喷嘴的研究进展情况，并介绍了几 种不同类型超声波雾化喷嘴的结构特点；通过研究分析超声波雾化喷嘴的结构和 加工工艺，设计了气流式超声波油雾发生装置；因为气流雾化喷嘴在工业应用中 较为广泛，所以结合现有的雾化喷嘴自行设计制造了二流外混式雾化喷嘴。为了 检测雾化器的雾化性能，特搭建了实验台；并在实验部分着重对气流式雾化喷嘴 进行测试。在实验研究过程中，以油雾粒径为衡量油雾发生器雾化效果的重要指 标，并选择压缩空气压力和针阀与喷孔的距离为气流雾化器雾化效果的最主要的 影响因素。通过j 下交实验，确定最佳雾化效果时的进气压力值和针阀顶端和喷口 ， 的距离值，同时确定哪个是最关键的影响因素。 除了雾化器本身的结构，液体的物理性质对雾化效果也有很大的影响。在数 学模型中可以定性的分析出表面张力和液体黏度对雾化效果的影响；通过在气流 雾化喷嘴基础上的实验，确定表面张力和黏度对雾化效果的影响，最后将理论分 析的结果和实验得出的结果做以比较。这对以后更加深入的研究雾化效果的影响 因素，提供了实验支持。 总之，本文对超声雾化喷嘴的设计具有一定的指导意义，但由于超声雾化机 理较复杂，有待于更深入的研究。 关键词：油雾润滑；气流超声波油雾发生器；超声雾化；气流雾化器；影响 因素；雾化效果；表面张力；黏度 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h e t h e o r ya n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fo i lm i s t j 1 o e n e r a t o r a b s t r a c t i nc o m p a r i s o nw i t ht r a d t i t i o n a ll u b r i c a t i o nm e t h o d ，o i lm i s tl u b r i c a t i o ni sm o r e a d v a n c e df o ri t sh i g he f f i c i e n c y , l o wm a l f a c t u i o na n dl i t t l ep o l u t i o nt oe n v i r o n m e n t f o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fv a r i o u st y p e so fo i lm i s tg e n e r a t o r ，a na b s o l u t e l yn e w o i lm i s tg e n e r a t o r , a i r - f l o w i n gt y p eo i lm i s tg e n e r a t o r , i si n t r o d u c e d i t sm e c h a n i s mo f a t o m i z a t i o ni su l t r a s o n i ca t o m i z a t i o n ，w h i c hd e p e n d so nt h ea i rj e t i n gi n t or e s o n a n c e c a v i t y b e c a u s eo ft h er u s h i n ga i rw i t hh i g hv e l o c i t y , u l t r a s o n i cw a v eo fh i g h f f e q u a n e ya n dl a r g ea m p l i t u d ei sg e n e r a t e d i na d d i t i o n ，l i q u i dw h i s t l ei sd e s i g n e di n i t ss t r u c t u r ef o rt h em a g n i f i c a t i o no fu l t r a s o n i cw a v et h a ta i m st oa t o m i z eo i li n t o s m a l l e rd r o p l e t s a t o m i z a t i o nm e c h a n i s ma n dt h e d e v e l o p m e n to fu l t r a s o n i c a t o m i z e ri s i n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，s t r u c t u r e so fv a r i o u st y p e so fa t o m i z e ra r ep r e s e n t e d b a s e d o nt h e s et h e o r i e sa n de x p e r i e n c e ，an e wu l t r a s o n i co i lm i s ta t o m i z e ri sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d e x p e r i m e n tp l a t f o r mi sc o n s t r u c t e df o rt h em e a s u r e m e n to fa t o m i z e r s p e r f o r m a n c e a f t e r w a r d s ，t h ea i r - f l o w i n gt y p ea t o m i z e ri sc h o s e na st h ee x p e r i m e n t o b j e c tf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n i nt h ee x p e r i m e n t ，o i lm i s td i a m e t e ri ss e l e c t e da s t h em e a s u r e m e n ts t a n d a r da n dt h et w oe l e m e n t s ，a i rp r e s s u r ea n dt h ed i s t a n c eb e t w e e n t h ee n do fp i nv a l v ea n do u t l e t ，a st h ep r i m a r yi n f l u e n c e f i n a l l y , t h em o s ti n p o r t a n t i n f l u e n c ee l e m e n ta n dv a l u e so ft h et w oe l e m e n t sw h e na t o m i z e rp e r f o r m sb e s ta r e f i x e db yt h eo r t h o g o n a lm e t h o d b e s i d e st h es t r u c t u r eo fa t o m i z e r , p h y s i c a lc h a r a t e r i s t i c so fl i q u i dm e a n w h i l e c a nn o tb en e g l e c t e d i nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ei n f l u e n c ef r o ms u r f a c et e n s i o n a n dv i s c o s i t yc a nb ea n a l y z e dq u a l i t i v e l y t h ei n f l u e n c ec a na l s ob es h o w e db y e x p e r i m e n tu p o nl i q u i d sw i t ht h ed i f f e r e n tp h y s i c a lp a r a m e t e r s b yc o m p r i s i n gt h e o u t c o m e sf r o mb o t ht h e o r ya n de x p e r i m e n t ，t h et h e s i sc o m e st oaf i n a lc o n c l u s i o n t h i sc o n t r i b u t e sal o tt ot h eu n d e r s t a n d i n go fe l e m e n t st h a tc a ni n f l u e n c et h e a t o m i z a t i o n a l li na l l ，t h et h e s i sc a np l a yag u i d i n gr o l ei nu l t r a s o n i ca t o m i z e rd e s i g n t t t 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t h o w e v e r ，t h er e s e a r c hn e e d st ob ef u r t h e rc o n t i n u e dd u et om yl i m i t e de x p l o r a t i o n k e yw o r d ：o i lm i s tl u b r i c a t i o n ，a i r f l o w i n gt y p eu l t r a s o n i ca t o m i z e r ，u l t r a s o n i c a t o m i z a t i o n ，a i r - f l o w i n gt y p ea t o m i z e r ，i n f l u e n c ee l e m e n t ，a t o m i z a t i o np e r f o r m a n c e ， s u r f a c et e n s i o n ，v i s c o s i t y i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 课题背景及来源1 1 2 本课题的目的及意义5 1 3 本课题的主要工作一5 第2 章超声波雾化特性的研究7 2 1 超声波雾化机理7 2 1 1 空化8 2 1 2 空化阈值一9 2 1 3 气泡闭合时所产生激波的强度1 0 2 2 超声波雾化技术1 2 2 2 1 电声换能型超声雾化一1 2 2 2 2 流体动力型超声雾化1 5 2 3 气流式超声雾化器1 7 第3 章气流式雾化研究2 5 3 1 气流式雾化器的操作原理2 5 3 1 1 操作原理2 5 v 东北大学硕士学位论丈 目录 3 1 2 雾化机理2 5 3 1 3 气流式喷嘴的优缺点2 7 3 2 气流式喷嘴的结构2 7 3 2 1 二流体喷嘴2 7 3 2 2 三流式喷嘴2 8 3 3 气流式喷嘴的自行设计2 9 3 4f l u e n t 仿真3 1 第4 章液雾分布特性及测量技术3 3 4 1 液雾分布特性理论3 3 4 1 1 液滴分布尺寸表达式3 3 4 1 2 液滴平均尺寸表达式一3 5 4 2 液雾测量原理及设备3 5 4 2 1 粒子测量技术的发展3 5 4 2 2 激光散射测试技术3 6 4 2 3 激光散射测粒仪的基本结构3 7 4 3 油雾浓度测量一3 8 第5 章气流式雾化特性的实验分析4 1 5 1 实验台的设计4 1 5 2 实验设备的选取和安装4 1 5 3 实验研究4 3 5 3 1 主要因素对雾化效果的影响一4 4 5 3 2 正交实验4 7 v i 东北大学硕士学位论文目录 第6 章液体物理性质对雾化效果的影响5 1 6 1 概论51 6 2 液体粘性对雾化效果的影响5 l 6 3 液体表面张力对雾化效果的影响一5 5 第7 章结论与展望一5 9 参考文献一6 1 致谢6 5 v i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及来源 任何机械设计( 不论是设计连接件、机构还是设计机器) 都要考虑润滑问题。 如果不进行合理的润滑设计和实践。就会发生过度磨损，甚至提前失效，还会白 白降低设备的工作能力。此外，润滑的效率问题同样值得关注。据统计，全世界 生产能源的1 3 到1 2 损失在摩擦磨损上，世界能源总消耗的半数以上消费在各种 动力机械上。 节约能源、走可持续发展的道路已成为当今世界的主题，机械工业产品也正 朝着高效、节能、环保、自动化程度高和使用寿命长的方向发展。 作为产量和消耗量均列居世界第三的国家，我国在能源及润滑油节约方面有 广阔的市场。若按传统的经验推算，我国的节能潜力折石油可达上千力吨，仅从 改进机械设备润滑、采用节能润滑技术，同时搞好机械设备的润滑维护、减少摩 擦磨损、提高机械效率、减少修理次数、延长耐用期限而问接获得的经济效益， 引用美国按直接节能价值的5 倍计算，则每年可能增加的经济效益约4 0 0 亿元。由 此可见，在我国正确地使用润滑剂和先进的润滑方法，进行机械设备的合理润滑 并以最大限度地减少摩擦阻力、降低机械磨损，节省动力能源和延长设备使用寿 命方面应倍受关注。 随着润滑行业的不断发展，目前我国应用较为广泛的润滑方式有稀油润滑、 干油润滑。众所周知：稀油润滑结构复杂、设备占用空间大、安装及维护不便、 耗油量大、易造成浪费、污染周围介质( 水及乳化液) 、投入成本较高；干油润滑 因润滑脂氧化又不能及时排出轴承座，在轴承座内易结为颗粒块加剧滚子和轴承 内、外圈的磨损，难以保证润滑效果，而且耗油量大，其油脂的溢出又产生大量 脏物难以处理而污染环境( 包括水及乳化液) ，更换备件的费用及加工费用较高； 同时由于机械应用的范围越来越广泛，特别是应用于复杂、恶劣的环境及要求重 载、高速的情况下，这样就给设备润滑的管理和维护带来了一定的困难和问题， 使传统的润滑方式不能满足设备新的润滑要求，这就促使目前世界上广泛采用的 一种先进集中润滑方式的诞生一油雾润滑【2 m 】。 油雾润滑最晚在5 0 年代初出现在欧洲，自从年代这种以压缩空气做能源的 润滑方式的优越性逐渐得到了确认，国外的润猾设备制造商设计、制造并改进了 1 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 油雾发生器及其配套装置，制定出油雾系统没计和操作规则。润滑油制造商专门 研制了能适应各种载荷和环境的雾化用油，使这种技术在冶会、矿山、石油化工、 汽车、造纸、纺织、机床等工业中获得了广泛应用，包括电机也不是油雾润滑的 禁区。实践证明，只要用其它方式得到满意润滑的地方，几乎都可以用这种润滑 方式有效地取代。因此油雾润滑引起了广泛地重视。 油雾润滑作为一种新型高效能的润滑方式，在现实生产中还没得到普及，但 油雾润滑方式较其他润滑方式，具有下列独特的优点【6 , 7 , 1 1 】： ( 1 ) 油耗大幅度减少大量减少轴承失效，延长使用寿命，减少维护费用； ( 2 ) 油雾能随压缩空气弥漫到所需要润滑的摩擦部位，可得到良好而均匀的润 滑效果； ( 3 ) 压缩空气比热小、流速高，很容易带走摩擦所产生的热量，从而大大降低 了摩擦副的工作温度。对高速滚动轴承，可以提高极限转速和延长寿命。根据有 关资料介绍，采用油雾润滑的滚动轴承，平均可提高寿命约4 0 ； ( 4 ) 易于实现集中和自动控制及远距离输送； ( 5 ) 较稀油循环润滑系统结构简单轻巧，占地面积小，动力消耗低，维护管理 方便，易于实现自动控制，成本低； ( 6 ) 由于油雾具有一定的压力，因此可以起到良好的密封作用，避免了外界的 杂质、水分等侵入摩擦副。如冷轧带钢轧机，使用乳化液进行工艺润滑时，轧辊 轴采用油雾润滑，可以有效地防止乳化液渗入轴承箱腐蚀轴承。 ( 7 ) 系统原件都是高稳定性原件，系统可靠性高，见图1 1 。 时网年 图1 1 油雾润滑和非油雾润滑情况下及其故障率对比 f i g 1 1t h ef a u l tr a t ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ec o n d i t i o n o fo i lm i s tl u b r i c a t i o na n dt h a to fn oo i lm i s tl u b r i c a t i o n 由于油雾润滑有着以上优点，使得油雾润滑方式作为一种先进的润滑方式有 一2 o 诹依托：毫鲰给撒m潍瓤 嘏裕经衽 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 了很广范的应用。在于石化、冶余、纺织、机械等众多领域，可对滚动轴承、滑 动轴承、齿轮、链轮、滑动面等多种摩擦副中发挥了重要作用。 油雾润滑方式与传统的滴油润滑，飞溅润滑，油池润滑，油环、油链及油轮 润滑，油绳、油挚润滑，机械强制送油润滑，压力循环润滑，脂润滑等传统润滑 方式相比，是一种新型的、连续的、稀油集中式润滑方式，是一种借助于管道引 来的干燥、清洁的空气，通过利用引射原理制成的雾化器将润滑油雾化成颗粒度 非常小的、能够悬浮在空气中的油颗粒，空气与这种油颗粒的混合物即油雾，油 雾再通过输送管道输送到润滑部位就能起到润滑的作用【6 j 。 ，谝一 图1 2 油雾润滑设备现场工作图 f i g 1 2w o r k i n gp h o t o g r a g ho fo i lm i s t l u b r i c a t i o ne q u i p m e n t 油雾润滑装置以压缩空气作为动力，使油液雾化，即产生一种像烟雾一样的 干燥油雾，然后经管道输送到润滑部位。自1 8 9 2 年狄塞尔首先将直射式喷嘴用于 柴油机，19 0 2 年出现离心式喷嘴将雾化效果进一步改善之后，人们对大量的雾化 方法进行了试验与理论研究。常见的几种方法有【1 4 啪】： ( 1 ) 直射式压力式雾化：压力式雾化的工作机理是：将液体在压力的作用 下通过小孔喷出，实现压力势能向动能的转换，从而获得相对于周围气体较高的 流动速度，通过气液之问强烈的剪切作用来实现液体的雾化。液体的雾化过程实 际上是液体的压力与液体的表面张力和粘滞力之间相互竞争的过程，液体的表面 张力试图使液体保持球形( 此时液滴的表面能最小) ，液体的粘滞力则阻碍液体的 变形，而当外力作用足以克服表面张力和液体粘滞力时，液体就会破碎成许多液 滴。这些液滴是不稳定的，在周围气流的作用下，又会发生再次雾化，进而破碎成 - 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 更小的液体颗粒。从能量角度分析，在雾化过程中，雾化介质的动能和压力势能 主要耗散在两个方面，一个是克服液体变形的粘滞力，即粘性耗散功；另一个是 克服阻碍液体表面积增大的表面张力，即表面能的变化量。其余的部分则主要转 化为液雾的动能和克服流动过程中的机械损耗。该类型的喷嘴常见的有：柴油机 喷嘴、平头喷嘴、离心喷嘴等形式。这种喷嘴主要应用于柴油机和航空发动机的 动力室上。 ( 2 ) 超声雾化：功率超声是超声学的一个重要分支，主要研究大功率和高 强度超声的产生、强超声在媒质中的传播规律、强超声和物质的相互作用，是以 物理、机械振动、电子、材料等学科为基础的高新技术之一。超声波雾化是利用 超声波的作用来加强液体的分解和雾化，是功率超声的一个重要应用。随着科学 技术的长足进步，人类从来没有停止探索的脚步。在机械雾化、介质雾化( 蒸汽或 空气等) 、机械+ 介质雾化、气泡雾化等的基础上积极摸索开发更高效、更经济、 更适用的雾化技术。2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初以来，超声雾化作为一项新型雾 化技术逐渐引起人们的关注【2 引。 目前，超声波雾化技术已广泛应用于各个行业，如：在食品加工与检测中， 利用超声能量对大米进行抛光；在医疗行业，利用超声波进行中药萃取；在煤炭 行业，利用超声波雾化水溶液降尘；在石油化工行业，利用超声波雾化燃油，促 进燃烧等。经大量实验研究结果表明：超声波雾化器的雾化性能要优于其它类型 的雾化器，其雾化粒径较小，雾化液滴的均匀性较好，在工业上的应用方面己显 示出它独特的优点，显示了巨大生命力【3 0 】【3 。 ( 3 ) 气动雾化：气动雾化是利用气体介质与液体介质之间的相互挤压、加 速或剪切作用，将液体碎裂成丝条和大的液滴，最后破碎成小液滴。通常认为实 现液体雾化的最有效途径即提高液体与周围空气之间的相对速度。一般情况下， 相对速度越高，液滴的平均直径越小。所以常将低速运动的液体置于相对高速运 动的气体介质中，该类型的雾化喷嘴常见的有：气动雾化喷嘴、气体辅助雾化喷 嘴、气爆雾化喷嘴、气泡雾化喷嘴等形式。 ( 4 ) 旋转式雾化：旋转式雾化是工程上应用较多的一种雾化技术。其雾化 器或雾化喷嘴的工作原理是：利用旋流器，使油液高速旋转并流向中心，从雾化 喷口喷出。在这一整个过程中，如果略去油液的粘性，油液将始终遵循动量矩守 恒及能量守恒。当油液刚进入时，旋流半径较大，油的流速较低，动能较小。但 压力能较大，油压较高；当越靠近中心，旋流半径越小，因遵循动量矩守恒，故 油液的流速变得越大，即动能增大，同时因遵循能量守恒，此时的压力能变得越 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 小，油压变得越低。从喷口喷出的油液具有轴向速度和切向速度，在高速向外喷 出的同时，还在高速的旋转。这样油液在离开喷口后立即扩散，形成一个伞状油 膜。从而从雾化器喷口喷出的液体速度较高，且流动是紊流，内部无数分子团在 各个方向做不规则的运动，使油膜破碎，并且出e l 处的油液是旋转的，使紊流脉 动加强，进一步促使油液雾化。速度越高，液体紊流脉动越强烈，油膜就会破碎 成更细小的油滴，雾化液滴直径更小，雾化质量越高。该类型的雾化喷嘴常见的 有：旋流雾化喷嘴、旋杯式喷嘴等形式【2 5 ，26 1 。 1 2 本课题的目的及意义 本课题的主要研究目的是研发新型的油雾发生器。气流式超声波雾化是一种 新型高效能的超声处理技术之一，随着功率超声的不断发展，已有着广泛的应用， 如：超声雾化降尘技术，超声雾化燃烧喷嘴，超声波加湿器等。因此，本课题研 发的新型油雾器将利用超声波雾化技术。它有别于文氏效应，是利用高速气流与 谐振腔共振，产生高频率，高振幅的剧烈振动的超声波，同时应用液哨来强化雾 化的一种喷雾技术。气流式雾化器是在工业中应用较为广泛的一种雾化装置，它 结构简单，稳定可靠。在现有的文献和已应用的雾化器基础上，自行设计雾化装 置并对其性能进行测试，对生产实践有着直接、积极的作用。 1 3 本课题的主要工作 为了研发一种新型油雾发生器气流式超声波油雾发生器，本课题所做的 工作主要有： ( 1 ) 通过查阅国内外超声波雾化资料，并对超声波雾化机理进行分析研究 后，设计了气流式超声波油雾发生器：并为了了解所设计的超声波油雾发生器的 雾化性能，特搭建了超声波油雾发生器实验台。 ( 2 ) 在现有的文献和已应用的气流式雾化喷嘴的基础上，自行设计制造了 二流外混式油雾发生器，并对其效果进行了f l u e n t 仿真。 ( 3 ) 为了对生产实践有直接的贡献，选取气流式油雾发生器做为实验对象。 在对气流式油雾发生器进行实验研究过程中，以油雾粒径为超声波油雾发生器雾 化效果的衡量指标，通过初步试验检测了气流式油雾发生器的雾化效果：经分析 各影响因素对超声波油雾发生器雾化效果的影响后，选择压缩空气压力和针阀顶 端和喷口的距离为影响所设计的二流外混式气流油雾发生器雾化效果的最主要因 素，从而进行了主要因素对雾化效果的影响试验和正交试验。 - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 4 ) 通过对主要因素对雾化效果的影响实验的数据分析，讨论了压缩空气 压力和针阀顶端和喷口问的距离对雾化效果的影响，同时通过分析证交试验的实 验数据，确定了影响气流式油雾发生器雾化效果的最重要的因素和两主要影响因 素的最佳工作参数；进而调节了影响超声波油雾发生器的主要影响因素，优化了 超声波雾化器的实验系统，从而使整个系统达到最佳的雾化效果。 ( 5 ) 通过对雾化颗的雾化过程粒建立理论模型，可以看出液体的黏度和表 面张力都是影响雾化水平的重要因素。在已有的实验台基础上对不同黏度和具有 不同表面张力的液体进行雾化实验测试。最后得出黏度和表面张力对雾化效果的 影响的具体结论，进而验证了理论模型的f 确性。 6 东北大学硕士学位论文第2 章超声波雾化特性的研究 第2 章超声波雾化特性的研究 2 1 超声波雾化机理 超声学是声学的一个分支，它主要研究超声的产生方法和探测技术( 包括显 示) ；超声在各介质中的传播规律；超声和物质的相互作用包括在微观尺度的相互 作用；以及超声的众多应用。超声是指频率高于2 1 0 4 h z 的声音。一般来说，人 耳是听不见频率高于2 1 0 4h z 的声音的。当然这个频率界限是粗略的，只是个概 数【。 超声雾化是利用超声能量使液体形成微细雾滴的过程。超声使液体雾化有两 种方式：一种是处于振动表面的薄液层在超声振动作用下激起毛细重力波。 当振动面的振动幅度增大时，液体被空化，液体内部形成空腔或气泡，当声强或 声压幅值大到一定程度，气泡或空腔溃灭，液滴从驻波峰上飞出而成雾。超声波 雾化过程如图2 1 所示。 图2 1 超声波雾化过程 f i g 2 1t h ep r o c e s so f u l t r a s o n i ca o m i z a t i o n 雾滴直径大小与振动频率及液体的物理参数有关。雾滴直径d 可由下式计 算： ( 等声 ( 2 ) 其中：r 为液体的表面张力系数，p 为液体的密度，厂为声振动频率，口= 0 3 。 由上式可将，改变频率可方便地控制液滴的直径大小。雾化直径大小分布比 较均匀，这是超声雾化的优点之一。 另一种雾化方式是超声喷泉成雾。所用的频率为兆赫级。在液体的一定深度 东北大学硕士学位论文第2 章超声波雾化特性的研究 用强超声朝液面辐射而形成喷泉，雾化。这种雾化机理还不完全清楚，不少人是 用超声空化和毛细波的共同作用来解释。 2 1 1 空化 空化是指液体中气泡或空腔的产生、增长和随后迅速破灭的现象。本来在液 体中要拉丌某一区域使其形成空腔或气泡需要很高的压力，因此是很困难的。但 是在液体中往往存在有很多的空化点( 常称为空化核) ，这些空化核可以是由于热 波动产生的空气泡、外来的微小物质使液体形成断点、为表面膜所阻止的溶解气 体、为宇宙射线和其它天然辐射所电离的质点，当有超声波存在时，则容易在这 些点拉开而产生空化j 。 若空化是由超声波引起的，就称为超声空化。当足够强的超声波作用于液体 媒质时，且交变声压大于液体静压力，则在声压的负压相中，负压的峰值不但可 抵消静压力，还可以在液体中形成局部性的负压作用区，当这一负压足以克服液 体分子之间的结合力时，液体将被拉断而形成空腔，即产生空化气泡。液体中出 现的大量的气泡将随超声振动而逐渐生长和涨大，然后突然崩溃和分裂。气泡迅 速溃灭时在气泡内产生高温高压，并且由于气泡周围的液体高速冲入气泡，从而 在气泡附近的液体中产生强烈的局部激波，也形成了局部的高温高压。从而使液 体破碎成细微的小颗粒，从而成雾 2 9 , 3 0 】。 对于纯净的液体，由于分子的内聚力很大，所以理论强度很高，纯水在2 0 0 c 下的理论强度约为3 2 5 0k g m 2 。设想用声波的作用把液体分子拉丌，则声强要达 到3 7 x 1 0 6w m 2 。这是很难实现的。但实验表明，液体的空化阈值要比理论值小得 多，估计水的实际强度不会超过几百个大气压。这种现象一般可用稳定气泡核学 说来解释。空化首先是从液体中强度薄弱的地方开始，这些地方由于热起伏或其 他物理原因出现一些很小的蒸气气泡，或者那罩原来就有溶解在液体中的空气泡 ( 成为核) 。于是在声压负压的作用下，气泡核膨胀而产生空化。一定状态下，空 化核只能以一定大小存在于液体中，气泡大的就浮出液面，太小在静压力的压缩 下就溶于液体中。 以水为例，设静水压力为r ，蒸气压为只，表面张力为丁，而空化核的丌始 半径为r ，在等温核绝热过程下，水的强度p 为： p = 一p + 二 ， tv 3 3 ( 2 2 ) 由上式可见，液体强度降低的原因是液体中存在小气泡核，气泡核的半径, d o 8 - 东北大学硕士学位论丈 第2 章超声波雾化特性的研究 越大，则该处液体的强度越弱，如果气泡核的半径r 很小，要是液体空化就需要 更强的负外压才能发生。 产生气泡核的可能原因有：液体中的热起伏，液体字运动过程中混入气体， 此外激光脉冲核高能粒子也能引起气泡核。 超声波空化过程中，使液体产生空化。 2 1 2 空化阈值 使液体空化的最低声强或声压幅值称空化阈。设液体的静压力为昂，交变声 压幅值为乞，则只有艺 p 0 时才能出现负压。负压超过液体强度时才能形成空化。 因此空化阈尸可由下式表示 只= 昂一只+ 焘 ， ( 2 3 ) 可见，空化阈值随不同液体而不同；对于同一种液体，不同的温度、压力、 空化核半径及含气量，空化阈值也不同。液体含气量越少，空化阈越高。例如在 1o k h z 以下，自来水的空化阈是0 5 a t m 左右，除气后空化阈是1 5 a t m 左右。空化阈 随液体的静压力增加而增加。此外空化阈还与液体的粘滞性有关，液体的黏度越 大，空化阈也越高。 表2 1 不同液体的空化阂值及对应的其他物理参数 t a b l e2 1c a v i t a i o nr e s h h o l do fv a r i o u sl i q u i d sa n d t h ec o r r e s p o n d i n gp h y s i c a lp a r a m e t e r s 一9 一 东北大学硕士学位论文 第2 章超声波雾化特性的研究 对同一种液体，其空化阀值与温度、静压力、含气量、含杂质程度等因素有 密切关系。另外，即使在液体状况均相同的情况下，空化阀值还随照射声波的频 率、波形参数而变化，空化阀值随超声频率的升高而增高。因此，影响超声空化 的主要因素与声学参数和液体媒质的物理化学性质有关p 。具体如下： ( 1 ) 声强。声强越高，空化越强烈。但声强达到一定值后，空化趋于饱和。 ( 2 ) 频率( 厂) 。频率越高，空化阀值越高，也就是说要产生声空化，频率 越高，所需要的声强越大。如表2 2 。 ( 3 ) 液体媒质的温度。温度升高液体的表面张力系数和粘滞系数会下降， 因而空化阀值下降，使得空化易于产生；但温度升高，蒸汽压会降低空化强度。 ( 5 ) 粘滞系数( 7 7 ) 。粘滞系数大的液体难于产生空化，而且传播损失也加 大。 ( 7 ) 表面张力。液体表面张力大，空化强度高，但不易产生空化。 ( 8 ) 蒸汽压( p 。) 。蒸汽压力低，空化阀值高，产生的空泡少，但空泡闭 合时产生的冲击力大。反之，蒸汽压高，易于空化，但空化强度降低。 ( 9 ) 液体中所含的气体的种类。气体的比热容越大，空化强度越高。因此， 使用双原子气体要比使用单原子气体更易空化。 表2 2 不同频率对应的空化阈值 t a b l e2 2c a v i t a t i o nt h r e s h o l do fl i q u i d sw i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c yv a l u e s 2 1 3 气泡闭合时所产生激波的强度 设液体不可压缩，忽略气泡中的气体，则气泡的收缩速度为【3 1 】： 1 0 一 东北大学硕士学位论文第2 章超声波雾化特性的研究 v = ( 2 4 ) 式中尺。为气泡膨胀的最大时的半径。由上式可见，当r 收缩到零时，收缩速 度趋近于无穷大。这显然是不可能的，因为上式没有考虑到介质的吸收，而且气 泡压缩到很小时，绝热假设不成立，受压缩时温度会升高，形成温度梯度而产生 热损失。所以上式是近似的，但说明收缩速度随半径的减小越来越大。 r a y l e i g h 做过简化计算，求得气泡完全闭合所需要的时问约为 f = 0 9 1 5 r , ( p p o ) 2 ( 2 5 ) 在大气压力下，一直径为0 1m m 的气泡的闭合时间为5 , u s ，比声周期小得多。 r a y l e i g h 并且给出，当气泡被压缩到r 时，距离1 5 8 7 r 出的压力最大，可达到 p m 。= 昂43 ( 鲁) 3 ( 2 6 ) 根据上式估算，局部压力可达千个大气压，由此足以看出空化能产生巨大作 用的原因。 如果考虑气泡内含有气体且泡内压强为q ( 包括蒸气和扩散进去的气体的总 压强) ，则得到气泡收缩速度为 y = 信告代r 代, , , - 3 - 1 ) - 圳2 厂q 面c 箬一参， i c 2 川 其中y 为气体的等压比热和等容比热的比值。 气泡在闭合过程中，在气泡附近的压强只，为： 一昂= 圭争 言c 3 川，万z q + ( z - 4 ) p o j 3 2 4 r 4 p o ( z - 1 ) - 各_ ic z 7 叼 ( 2 8 ) 式中z = ( 等) 3 ，7 = ；。可见，气泡在闭合的过程中，气泡压缩到最小半径 时，产生的压强最大。气泡原来半径越大，闭合半径越小，则激波压力也越强。 实际上，气泡半径的最大值凡决定于声压振幅p m 和频率，p m 越大，如也越 大；而频率较低时，周期更长，气泡能膨胀到相当大并闭合，于是所产生的激波 更强。但是当声波频率比气泡的谐振频率高时，则气泡难以闭合产生空化。 气泡在声场的作用下会进行振动，但不一定会发生气泡闭灭。当声波的频率 小于气泡的谐振频率时才会使气泡闭灭，而当声波频率超过气泡的谐振频率时， 东北大学硕士学位论文第2 章超声波雾化特， 生的研究 气泡进行复杂的振动，但不能使气泡闭灭。 气泡的谐振频率决定于气泡原始半径r 及液体的静压力p o 以及其他物理常 数。谐振频率大致可由下式计算： 厶2 去居c p o + 等 亿9 ， 其中y 是比热比； r 是液体的表面张力； p 是液体密度。 以大气压力下的水为例，p o = 1 0 5n m 2 ，y = 1 4 ，p = lk g m 3 ，可求得不同气 泡半径r 时的气泡谐振频率： 表2 3 不同气泡半径下气泡的谐振频率 t a b l e2 3r e s o n a n c ef r e q u e n c yo fb u b b l ew i t hd i f f e r e n tr a d i u s 设液体不可压缩，液体中有一气泡，半径为r ，气泡所在液体中静压为r ， 超声声压为正弦变化：己s i n c o t ，则可以求得气泡的运动方程为 r 窘鼍3d 优r ) 2 + 小一e ms i n c o t - 只+ 一2 t 百r o ) 3 ( h + 刭一o ( 2 1 0 ) 式中所用符号与前面式子相同。解这个方程，可求出在不同初始条件下气泡 的增长和闭合运动。 2 2 超声波雾化技术 超声波是指不为人耳所听见的声波，是一种在弹性介质中的机械振荡，在媒 质中传播时会产生一系列效应，如力学效应：热效应、化学效应和生物效应等。 2 0 世纪3 0 年代，利用超声波的作用来加强液体的分解和雾化的试验研究就已经丌 始了。目前，超声波雾化技术已在各个行业得到了广泛的应用，按照产生超声波 声源的不同，超声波雾化技术可分为两大类：一类是电声换能型，它是利用电能 转换成声能的电声换能器产生超声波；另一种是流体动力型，以流体为动力源， 利用高速气体或液体来产生超声波3 0 1 。 2 2 1 电声换能型超声雾化 电声换能型超声波雾化技术是利用换能器将高频电磁振荡转化为液体的机 - 1 2 东北大学硕士学位论文 第2 章超声波雾化特性的研究 械振荡，使液体破碎成雾，其雾化形式主要有两种：一种是换能器在液体中辐射 强超声，通过薄透声膜辐射到液体中，而在液面产生喷泉状雾化，这是典型的超 声加湿器原理；另一种是液体流至超声聚能器表面，并形成薄液层，液层在超声 振动作用下激起表面张力波，当振动面的振幅达到一定值时，液滴即从波峰上飞 出而形成雾化。该雾化器的核心部件是功率超声发生器，其示意图如图2 2 所示， 它是由超声振动系统和供给其电能的超声频电功率源一起构成的，其中超声振动 系统又包括换能器、变幅杆( 变幅器和聚能器) 等。其工作原理是利用超声换能 器的作用将超声频电能转换成超声振动的机械能，并通过变幅杆进行振幅放大和 聚能后再传输到工具头，对液体媒质进行超声雾化【3 0 】。图2 3 为电声换能型超声波 雾化器，其雾化原理是：油液从振子振幅低的部分进入，从喷嘴自玎端振幅大的中 心部分喷出。当液体从进液管进去到达喷嘴自仃端时，受表面张力以及亲合力的作 用，形成一层薄膜后在超声波作用下被雾化。 图2 2 电声型超声波发生器示意图 f i g 2 2u l t r a s o n i cg e n e r a t o ro fe l e c t r o a c c o u s t i c - t y p e 液体 图2 3 电动式超声波雾化喷嘴图 f i g 2 3u l t r a s o n i ca t o m i z a t i o no fe l e c t r o a c c o u s t i c - t y p e 目前，根据换能器类型的不同，广泛应用的雾化器有两类2 9 】： ( 1 ) 压电晶体超声波喷嘴。该雾化器是利