喷雾式香水瓶喷雾原理与洗发精瓶子出水原理分析与比较

1、喷雾式香水瓶喷雾原理与洗发精瓶子出水原理简析与比较课程名称:流体力学指导老师swy姓 名：cyd 学 号:喷雾式香水瓶喷雾原理与洗发精瓶子出水原理简析与比较【摘要】本文就香水瓶和洗发水瓶的出水原理进行定性分析与比较，主要运用了压强理论、 伯努利方程、连续性方程，从器械构造及流体力学知识方面，较为详细地阐述了球压式喷嘴、 按压式喷嘴及普通手挤式喷嘴的出水原理及特点，并得出液体的粘稠度是决定出水方式的关键 因素这一结论。希望通过本文的分析，能帮助工程技术人员加深对相关出水原理的理解，为相 关工程方面问题的研究与解决做好铺垫。【关键字】香水瓶 洗发水瓶子 喷雾 出水 原理 球压式 按压式 手挤式 伯

2、努 利方程 连续性方程 流体力学 雾化Analysis and Comparison ofthe Spray of Perfume and the Outflow of ShampooAbstract The article discussed aboutthe analysis of thespray of perfume and the outflow of shampoo, and make a comparison between two different ways as well. The discussion involves the theory of pressure, Be

3、rnoulli equation, and the continuity equation, making an elaborate description of how the fluids come out and what is their characteristics in the aspects of mechanical structure and fluid mechanics, and additionally gets a conclusion that the viscosity of the fluid plays the key role in deciding th

4、e ways of outflow. The article aims at helping engineers and technisists get a deeper understanding of the reason of the outflow and get prepared for relevant research and invention.刖言香水瓶、洗发水瓶是我们生活中常见的物品，但关于它们的设计领域，我们却很少涉及。 在化妆品器械元件设计领域中，没有关于香水瓶、洗发水瓶瓶口的机械构造及出水原理介绍及 相对专业的理论分析。本文就香水瓶和洗发水瓶的出水原理进行定性分析与比

5、较，希望能填充 这方面空缺，为工程技术人员提供一个理论参照。喷雾式香水瓶喷雾原理香水是一种混合了香精油、固定剂与酒精的液体，用来让物体（通常是人体部位）拥有持 久且悦人的气味。由于过量的香水对人体不益，同时为了达到喷洒范围大，喷射均匀等良好的 效果，我们通常要求香水以雾状形式喷射。生活中常见的香水瓶有两种形式：一种是球压式喷 嘴，如图1；另一种是按压式喷嘴，如图2。两种喷嘴的喷雾原理不尽相同，本文将分别对两种 喷嘴结构原理进行阐述。图1图2图3如图4所示。其中管（1）为进气杆，球压式喷嘴1）喷嘴结构图3所示的是一种改进后的球压式喷嘴的组装示意图。其中伸降头（3）、锁头（4）等是为了防止香水在不

6、用的时候渗漏而设置，与喷雾原理无关，故在此不予以讨论。有图可见，球压式包括喷头（1）、座体（3）、外盖（5）、气囊（6）、汲水管（7）等构件所组成。使用时，挤压气囊，就会有香水喷出，松开后香水停止喷洒。2）物理模型将该香水喷头主要部分提取出来，转化为物理模型，右端为小孔嘴；管（2）为汲水管，下部插入液体（香水）中，（3）为通气管，用于平衡瓶子内 外压强。百度百科中国专利-国家知识产权局专利数据库，专利号200420107900.8，实用新型类，专利权属刘振富中国专利-国家知识产权局专利数据库，专利号02338732.7，外观设计专利类，专利权属香奈儿股份 有限公司由于下面的讨论中出现了对气流的

7、分析，因此，首先要确定该气流的可压缩性。在工程问 题中，通常将低速流动的气体看作不可压缩流体，将高速流动的气体看作可压缩流体。对于速 度大小，在空气动力学中，通常用马赫数（Mach number）来度量。马赫数是速度与当地声速的 比值。由实践表明，当马赫数的v 0.3，即当速度k v 340 x0.3 = 102m/s时，气流被划分为 低速气流。这时，我们可以认为该气流是不可压缩流体，可以不用考虑其密度的变化以及热力 学关系，运用不可压缩流理论对其进行分析。虽然由气囊喷出的气流速度较大，但较0.3的马赫数来说，该速度仍较小，属低速气流， 因此，之后的讨论可以从按不可压缩流理论对香水喷嘴进行分析

8、。后文中所提到的所有“高速 气流均指小于0.3马赫数以下的相对高速气流。这是使用连续性方程及伯努利方程的必要前 提。下面将运用伯努利能量方程与连续性方程对该模型进行流体力学知识分析。a）出水原理一一伯努利方程图4假设管（1）中以恒定的流量输入空气，管（1）中的 气体状态稳定，。由于管（1）右端为尖嘴口，管口直径很 小，根据连续性方程AV = A V n V 江- 1 12 2A d 2可知，在管（1）出口处，管（2）的上端M位置，将 会产生横向的高速气流。由伯努利方程z + L + 竺=constY2g可知，在同一流线上，能量守恒。由于位置的气流速度v很大，可知该位置的动能很大， 而位置势能较

9、之前无变化，故而M处的压能远小于N处压能，即M处压强远小于N处压强。虽 然N处的气体也有一定压强，但由于其速度不太大，可假定N处压强约等于大气压强，与瓶子 溶液上方U处压强一样大。那么，由之前的分析可以知道M处压强远小于大气压强，同时也远 小于U处压强。因此，容器中的液体被压入汲水管并上升至管（2）出口。b）雾化原理流体上升到（2）管出口处后，被高速流动的气体吹散成雾状，并随气体喷射出去。水滴雾国防科工委“十五”规划教材力学空气与气体动力学引论第15页，共576页，李凤蔚主编，宋 文萍、杨永、李杰、桑为民编，2007年5月第一版，西北工业大学出版社化的过程如图5一图7所示。图5图6图7高速流动

10、气体将液体吹散可以该雾化模型来定性分析。假设A是一个水平方向静止大水滴， 由于表面张力作用呈现球形，如图5。首先，假定水滴为刚体，不会变形。当高速流动的气体吹到水滴表面时，= 0处气流的水平速度变为0，由伯努利方程可知，所有动能转化为压能，O而0 0时，气流受到阻碍绕流，虽然水平速度变小，但大于0，即动能部分变为压能，0越大，O速度变化量越小，转化来的压能也越小。可见，在水滴的表面压强分布不均，0=0处压强最大，随0增大，压强减小。pdA数元左祖图摭元正视图由于水滴并非刚体，当表面作用有压力时会发生形变。 首先考虑水滴上某个表面微元dA，其表面作用有压强p，此 时液体会通过变形如图8所示，使表

11、面张力产生的合力与压 力平衡，因此有sdl - cos a = pdA。由公式可见，当压力增大时，由于s、dl、dA都是定值，水滴只能通过减小角度来达到表面的平衡。当p很大时，该角度会变得很小。现在我们考虑整个水滴的情况。如果水滴左表面压力均布或相 差不大时，由于水滴的形状与受力对称，故水滴左表面任何一处变 形相同，则水滴仍保持球形，并在压力的作用下，做向右运动。而 当水滴左表面作用有分布不均的压力时，由于压力大的地方变形大， 压力小的地方变形小，则水滴会发生变形。由于来流是高速气流， 所以当水滴直径较大时，高速气流在水滴表面产生的压力相差较大， 水滴变形剧烈，如图6所示。由于对称性，从M-M

12、截面将水滴截开，只考虑上半水滴，如图9所示。此时水滴受到空气对其压力P （向上 为正），水滴内部压力Pw（向上为正），以及水滴的表面张力S （向下 为正），当水滴处于平衡状态时满足方程，S = P + P。由于压强梯度，空气对水滴的合力竖直方向的分力向上，水滴内部压力向上，故有P0；P 0。当压强梯度很大时，P很大，表面张力S不足以平衡空气对水滴的作用力时，水滴被撕裂，形成小水滴，如图7。这样的过程循环往复，直至水滴直径很小，水滴表面的压 力梯度很小，形变减小，水滴的表面张力足以与空气压力梯度平衡，水滴不再撕碎，雾化过程 终止。上面的分析仅考虑了压强的作用，未考虑气流对水滴的切应力作用。若进一

13、步定性考虑切 应力作用，我们知道，由于气流沿水滴表面绕流，则在竖直方向上，切向力方向与压强梯度形 成的合力在同一个方向，故切应力会加遽雾化效果。另外，上述内容也未考虑空气流体绕流后 在水滴背面产生涡旋从而加速水滴破碎的可能性。按压式喷嘴1）喷嘴结构如图10是某按压式喷嘴的组装图。由喷嘴、按压头、压缩杆（活塞）、底座工作室、底座 构成。剖面结构简图如图图11所示，其底座工作室中包括压缩杆下的活塞，活塞座，弹簧，止 回阀（圆珠）等关键部件。其中活塞为开口活塞，通过与活塞座连接，达到当压缩杆向上运动 时，工作室对外敞开，向上运动时，工作室封闭的效果。气动化元件及系统设计第260页，共566页，北方工

14、业大学流体传动与控制教研室、济南华能气动 元器件公司合作编著，机械工业出版社，1996年8月第一版图10图112）物理模型绘制按压式香水喷嘴的剖面简图如图12,其中各部件为封盖及小孔喷嘴（1）,压缩杆（2） （3）,活塞座（5），弹簧（8），止回阀（6）（圆珠），汲水管（10）等关键部件。下面将运用流 体力学知识，通过对机械构造的分析来解释这种喷嘴的出水原理。在此之前，首先要明确该问 题中，液体是不可压缩流体，气体符合体积缩小，压强增大原理。a）出水原理一一机械构造分析排气过程：假设起始状态下，底座工作室中无液体。按下按 压头，压缩杆带动活塞，活塞推动活塞座下移，弹簧被压缩，工作 室中体积压缩

15、，气压增大，止水阀封住汲水管上端口。由于活塞与 活塞座并非完全封闭，气体挤开活塞与活塞座的间隙，使其分离， 气体逃逸。吸水过程：排气后，松开按压头，压缩的弹簧被释放，推动活 塞座上移，活塞座与活塞间的间隙闭合，并推动活塞以及压缩杆一 起向上移动。工作室中体积增大，气压减小，近似真空，使得止水 阀打开容器内液面上方的气压将液体压入工作室，完成吸水过程。出水过程：原理同排气过程。不同的是，此时，工作室中已充 满液体。当按下按压头后，一方面，止水阀封住汲水管上端，防止图12液体从汲水管回到容器中去；另一方面，由于液体（不可压缩流体）受挤压，液体将冲开活塞中国专利-国家知识产权局专利数据库，专利号98

16、246941.1，实用新型类，专利权属陈乐玲中国专利-国家知识产权局专利数据库，专利号201020000867.4，实用新型类，专利权属宁波圣捷喷 雾泵有限公司 HYPERLINK /allanhmy/blog/item/83cf1f395b07ebfbb211c785.html /allanhmy/blog/item/83cf1f395b07ebfbb211c785.html与活塞座的间隙，流入压缩管。并从喷嘴中出来。b）雾化原理一一连续性方程当流体从压缩管流到喷口管道，并从小孔喷嘴中喷出时，由于液体是不可压缩流体，因此 应用连续性方程（定性分析）AV = A V n V 泛-1112 2A

17、d 2可见，由于喷嘴口很小，若按压顺畅（即在压缩管中具有一定流速）则当液体从小孔中流 出时，液体流速很大，也就是说，此时的空气相对液体有一很大的流速，相当于高速气流冲击 水滴的问题。因此之后的雾化原理分析与球压式喷嘴完全相同，空气将大水滴冲击成小水滴， 一步步细化水滴。同时，高速流动的液体也会带动喷嘴口附近的气体流动，使得喷嘴口附近气体的速度变大， 压强变小，形成局部的负压区。从而，使周围空气掺入到液体中，形成气液混合体，使液体产 生雾化效果。洗发精瓶子出水原理分析完香水的出水原来后，我们来分析洗发精的出水原理。市场上的洗发精瓶子通常有两 种出水方法，一种是普通挤压式出水，如图13，另一种类似

18、于上述第二种香水出水方式，按压 式出水。由于前者原理较简单，后者与香水类似，故对于洗发精瓶子出水原理只做简单分析。当我们要使用洗发水时，我们将瓶子倾倒过来，由于洗发水的粘稠度很大，洗发水缓慢地 流至瓶口，洗发液在瓶口处，而空气在瓶底。当洗发液的瓶子出水口较小时，洗发液表面张力 能与欲下落的洗发液的重力平衡，而使洗发液难以仅靠重力作用下落。这时，我们需要挤压瓶身，是容器体积变小。由于洗发水为不可压缩流体，因此挤压后， 空气所占的体积变小，压强变大，大于大气压强，将粘稠的洗发水挤压出瓶口。按压式出水按压式出水洗发精的按压头物理构造与按压式香水的类似，不同之处在于洗发精的按压头 的整个构造都较香水瓶

19、的大很多，特别是出口，香水瓶的出口细如尖针，而洗发水的出口通常 为3 4毫米左右的孔口。按压式出水洗发精的出水原理也同香水一样，都是通过机械方式改变按压头底座空心工作 室的压强，从而达到吸液与出液的效果。与香水不同的是，当洗发水从孔口中出来时，并不是以水雾的形式，而是以粘稠液体的形 式缓慢地流出。香水出水与洗发精出水比较香水出水与洗发精出水方式在原理方面有很多相通之处，但又有很多不同之处。下面将对 两种出水方式进行比较。首先，对香水、洗发精本身的液体特性及期望的出水效果、出水方式进行比较。液体种类粘度（分子内聚力）可压缩性出水效果要求出水状态出水方式香水小不可压缩均匀、细、范围大雾状球压式喷嘴

20、按压式喷嘴洗发精大不可压缩集中、大量液体状挤压瓶式可见，根据人们的不同需要，香水与洗发精有不同的出水状态：香水要求为雾化状态，而 洗发精是普通液体状的。但我们更要关注到，洗发精与香水这两种流体本身性质的不同。香水 的粘稠度很小，而洗发精的粘性很大。也就是说洗发精的分子内聚力较香水的大得多。而液体 本身的特性决定了他们能否以期望的状态出水。下面从着重从液体粘度方面对液体的出水状态 及出水方式进行阐述。出水状态液体粘度决定了香水有条件以雾化方式出水，而洗发水则没有雾化出水的良好条件。我们 从两个角度来分析原因。1）液体流速由于洗发精的粘度大，在相同外力作用下，洗发精的速度改变慢，速度小。虽然有连续性 方程可以看到速度与管道直径的平方成反比。但由于洗发精的粘度大，流速小，在管道狭小的 地方容易造成堵塞，洗发精难以从小孔出来，从而导致挤压困难，而非产生高速流体，从而产 生雾化效果。而洗发水的粘度小，则阻滞力小，为产生高速流体创造了良好条件。2）雾化原理我们知道雾化效果跟液体的表面张力有关。由于洗发精的液体粘度很大，即洗发精的内聚 力很大，表面张力很大。这意味着即使流速很大，洗发精很难发生雾化。而相反，由于香水的 粘度小，表面张力小，