基于Hartmann哨超声喷嘴的雾化特性研究

介绍了一种基于Hartmann哨的超声雾化喷嘴。通过激光粒度分析仪对喷嘴的雾化特性进行了实验研究,分析了不同气压对雾滴索特平均直径(SMD)、雾化角和用水量的影响。对喷嘴加装了中心杆,对比了有无中心杆对于雾滴SMD的影响。研究表明:随着气压的增大,雾滴SMD显著减小,雾化角增大,而气压在0.5 MPa时两者达到极值并趋于稳定;喷嘴加入中心杆,并在气压达到一定值后,雾滴SMD有了明显的减小,最小雾滴SMD可以达到12μm;在气压为0.5 MPa,用水量最少,雾化效果最佳。

供气压力对流体型超声喷嘴雾化特性及降尘效率的影响

为了掌握供气压力对流体型超声雾化喷嘴雾化特性及降尘性能的影响,借助自主研发的煤矿井下喷雾降尘实验平台,对流体型超声雾化喷嘴流量、雾化特性及降尘性能进行了实测。实验所涉及的喷嘴雾化特性参数包括雾化角、射程、雾滴粒径等,降尘性能采用全尘降尘效率和呼吸性粉尘降尘效率进行评价。实验结果表明:随着供气压力的增大,喷嘴空气流量呈幂函数形式增大,而水流量呈指数函数形式下降,气液体积流量比不断增大;喷嘴雾化角和雾滴粒径随着供气压力的增大而逐渐缩小,而雾滴速度和射程则表现为随供气压力增大而逐渐增大的趋势;对于本次实验所选取的供水压力,供气压力由0.2 MPa增加至0.7 MPa,喷嘴空气流量约增加100 L/min,水流量约降低1.3 L/min,雾化角和雾滴粒径分别约减小75°和60μm,而雾滴速度和射程分别约增加7.5 m/s和210 cm。喷嘴全尘降尘效率和呼吸性粉尘降尘效率均随着供气压力的增大呈现先增加后减小的变化规律,并在某一个供气压力下获得最高值。供水压力p_(L)不同,获得最高降尘效率所对应的供气压力p_(air)亦不同,喷雾降尘效果较优的气水压力组合有1号(p_(L)=0.2 MPa,p_(air)=0.3 MPa),2号(p_(L)=0.3 MPa,p_(air)=0.4 MPa)和3号(p_(L)=0.4 MPa,p_(air)=0.5 MPa)。煤矿现场应采用以上气水压力组合,既可获得较为理想的雾滴粒径,同时能以较低的耗水量获得较高的降尘效率。

基于分段近似方法的超声雾化喷嘴振动系统设计

为解决超声雾化喷嘴振动系统某些组成段细杆无简单解析解的设计问题,提出分段近似的模拟计算方法,并对超声雾化喷嘴的振动系统进行设计。利用力电类比方法,基于常见的纵向振动变截面细杆的四端网络,通过对无简单解析解的变截面细杆进行分段近似,建立振动系统的整体传输矩阵,进而实现超声雾化喷嘴振动系统的设计分析。采用不同的模拟精度,以单段指数形、圆锥形、悬链形实心及空心半波长变幅杆和圆锥圆柱形、指数圆柱形、悬链圆柱形的实心及空心半波长复合变幅杆为例,对模拟计算结果与理论结算结果进行比较分析。对比分析表明,模拟计算结果能正确地反映理论计算数值,分段近似的模拟计算方法,可以解决无简单解析解的变截面细杆纵向振动的设计问题。利用基于四端网络传输矩阵的分段近似模拟计算方法对超声雾化喷嘴的振动系统进行设计计算,制造的超声雾化喷嘴工作正常,达到设计目标。

基于CFD的超声激振喷嘴雾化特性数值模拟研究

为了进一步提高超声激振喷嘴内部的湍流效果和提高喷嘴雾化效率,通过设置碰撞壁和振荡腔的结构对现有的超声喷嘴进行改进。利用哈特曼流体声波发生器原理,建立超声激振喷嘴雾化模型,利用CFD流体动力学仿真软件模拟喷嘴内部的流场,以喷距和碰撞壁角度两个主要参数对喷嘴出水口速度的影响。结果表明:通过分析喷嘴内部速度和压力流场云图发现喷嘴内部振荡腔和碰撞斜壁的设计会使喷嘴内部产生空化涡旋,空化涡旋内空化气泡的溃灭会增强流体的扰动,增强喷嘴内部流体的湍流的效果,增强喷嘴雾化的效果加强喷嘴内部流体的扰动效果,提高喷嘴的雾化效率;喷嘴射流速度随进口压力的增加表现出明显的增大趋势,射流速度对喷距的增加表现出明显的增加趋势,相比较之下碰撞壁角度对射流速度的影响不明显,经分析确定参数喷距L=1 mm,碰撞壁为60°时超声激振喷嘴雾化效果最好。

基于CFD的超声雾化喷嘴内部流场特性模拟

为了提高喷嘴的雾化效果,将超声理论应用到液体射流雾化中,建立超声雾化喷嘴内部流场特性的数值模型,并运用流体仿真软件CFD模拟不同射流压力下喷嘴内部速度场的分布情况。数值计算结果表明:超声波明显增强了喷嘴内部速度分布,增强了湍流效果,进而提高了液体的雾化能力。沿着喷嘴内部轴线方向,速度呈先增大后减小的抛物线变化趋势;随着液滴射流压力的增加,内部速度和湍流效果得到加强,这为超声雾化喷嘴的设计提供了良好的理论基础。通过比较其它类型的喷嘴,超声喷嘴的雾化效率明显增强了很多,这说明超声波应用于喷嘴雾化领域是可行的。

矿用降尘超声雾化喷嘴模态与谐响应分析

设计了一种谐振频率为18 kHz的超声雾化喷嘴。采用有限元分析进行模态分析和谐响应分析。通过对超声喷嘴的前10阶模态进行分析,获得其纵向振动的谐振频率为18 290 Hz。通过谐响应分析,获得其雾化圆盘、法兰盘及喷嘴前端面的频率-纵振位移曲线,频率为18 290 Hz时的工作应力图和总体变形图。分析得出,喷嘴在雾化圆盘处达到最大振幅4.6×10-6 m;法兰盘处振幅为5.5×10-9 m,与雾化圆盘的振幅相比,法兰盘处振幅非常小;在变幅杆的圆弧过渡处应力和变形达到最大。模拟结果显示出的纵向谐振频率18 290 Hz与理论值18 kHz十分接近,验证了设计的合理性和正确性。

流体动力式超声波喷嘴雾化特性的实验研究

根据超声波雾化机理和经过反复试验，研制了流体动力式超声波雾化喷嘴。分析了流体动力式超声波雾化的原理与特点，分别用水和180号重油作为介质对喷嘴雾化特性进行了实验，测试了不同雾化空气压力、液体压力条件下沿喷嘴轴向的粒径分布，并对雾化特性进行了理论分析。用水作为雾化介质时，雾化粒径在实验条件下基本保持在10—16μm；用180号重油作为雾化介质时，即使在入口温度50℃的低温下，雾化粒径在实验条件下亦保持在10-15μm范围内，证明该喷嘴对重油有良好的雾化效果，具有较大的应用价值。

矿井降尘超声雾化喷嘴空化流动特性仿真研究

基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法,应用自动生成网格技术,采用两相流混合流体完整空化湍流模型;对矿用Hartmann型超声雾化喷嘴的管流型空化进行非定常数值模拟研究。模拟结果揭示超声雾化喷嘴管流型空化发生机理和空化泡的流动特性,预测超声雾化喷嘴的空化产生部位和程度;喷嘴内部和喷嘴口外侧空化强度较大,谐振腔内部无空化现象,只是起到空化泡的破碎作用;进口压力大于3 MPa后对气相体积分数和空化强度影响较小。

预膜式杆射哨超声波喷嘴雾化特性研究

为了探索超声波喷嘴应用于脉冲爆震发动机的可行性,设计了一种预膜式杆射哨超声波喷嘴,并采用激光粒度仪和高速相机对其雾化特性进行了实验研究,得到了其流量特性、液滴索太尔平均直径SMD和雾化角度。实验结果表明:在满足喷嘴流量的要求下,平均雾化粒径SMD约为20μm,液滴尺寸分布指数N大于2;SMD随油压差的变大而略有增大,随气液比ALR的增加而减小;随着测点距喷嘴出口的距离变大,SMD增大;共振腔距离喷嘴出口15mm时雾化效果最好;喷雾角度随着油压差的增加而增大。

超声波喷嘴雾化性能影响因素的研究

为研究新的雾化方式并将其应用于实际的油雾润滑系统中,针对流体动力式超声波喷嘴,设计其雾化性能测试系统。通过测量喷嘴产生的油雾浓度和喷嘴的流量,研究喷嘴在不同进气压力、进出口压差时的雾化性能。研究结果表明:随着喷嘴进气压力的增大,油雾浓度先增大后减小,喷嘴流量先增大后趋于恒定,喷嘴的进口压力最佳值为0.5 MPa;增大喷嘴进出口压差可以明显地提高油雾浓度和喷嘴的流量,喷嘴的雾化性能得到显著提升。

双预膜式Hartmann哨超声波喷嘴设计及特性实验研究

为了满足先进航空发动机燃烧系统对燃油雾化质量的要求,设计了一种双预膜式Hartmann哨超声波喷嘴,采用激光粒度分析仪和高速相机对其进行了实验研究,得到了其流量特性和雾化特性。研究结果表明:在满足流量要求下,索太尔平均直径SMD为4.2μm^9μm,气液比ALR为0.27~0.54,液滴尺寸分布集中,均匀性好;在测量范围内,SMD基本不受测量位置到喷嘴出口距离的影响;油压和共振腔到喷嘴出口距离是影响SMD大小的主要因素;雾化角度随油压的变化较小;共振腔到喷嘴出口距离是影响雾化角度的主要因素,雾化角度为135°~180°。

基于离散相模型的超声雾化喷嘴雾滴沉积特性研究

为了减少农药喷施过程中雾滴漂移的影响、提高农药利用率,从而实现精量喷施,基于离散相模型对农用超声雾化喷嘴在不同风速、不同喷施角度下的雾滴沉积特性进行了研究。采用Species Transport模型和Discrete Phase模型对仿真区域进行模拟,对风速为0~3 m/s,喷施角度分别为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°条件下的雾滴沉积特性进行仿真分析。仿真结果表明:在计算域内,雾滴沉积量分布呈抛物线状,随着风速的增加,雾滴的沉积量减少且沉积密集区域不断远离喷嘴;一定的喷施角度能够减小风速对雾滴漂移的影响、增大沉积量并使沉积密集区域保持在喷嘴正下方。在喷施高度为0.8 m、进口压力为2 MPa的条件下,风速为1 m/s、2 m/s、3 m/s时,最佳喷施角度分别为10°、20°、25°,沉积量峰值较喷施角度为0°时分别增加了11.98%、26.4%和41.97%。该研究结果可为农用超声雾化喷嘴精量施药提供理论依据。

矿井喷雾降尘超声雾化激振喷嘴参数优化仿真分析

为了提高矿井喷雾降尘用喷嘴的水射流雾化效率,设计了一种结合自激振荡的高效雾化喷嘴,并通过数值仿真的方法对其关键参数进行优化。研究结果表明:当通道内有流体通过时产生了速率呈现层状分布特征,在喷嘴腔内形成涡旋流场,在靠近谐振腔的前部区域喷嘴速度达到100 m/s以上;当超声波和自激振荡波发生共同作用时,喷嘴内达到最优湍流扰动效果,获得更优的雾化效果;当角度变小后获得更大的内腔体积,处于60°~70°的碰撞壁角度范围内,涡旋对喷嘴内腔形成充满状态,获得更明显湍流作用;在谐振腔达到3 mm的深度时,实现了最优灌入效果,并且激波也明显增强;随着谐振腔深度的增加,湍流动能表现出单调减小的变化规律;处于更大的谐振腔深度下,湍流动能随之提高,由此实现更强湍流作用。

节省光刻胶的超声雾化喷涂工艺雾锥特性研究

光刻胶在集成电路(Integrated circuit,IC)制造、微机电系统(Micro electro-mechanical systems,MEMS)等工艺中广泛使用,价格昂贵、有毒。由于传统光刻胶薄膜制备多采用旋涂工艺,约95%的光刻胶浪费,且无害化处置成本高。为此,提高光刻胶的利用率一直是涂胶工艺追逐的目标之一。针对节省光刻胶的超声雾化喷涂薄膜制备工艺面临的薄膜均匀性问题,在自行开发的100 kHz的超声雾化喷嘴的基础上,通过分析载气的流场分布,建立雾化液滴在旋转、对称载气流场中的受力模型和碰撞模型,提出超声雾化液滴输运的数值模拟计算流程。超声雾化液滴输运的数值模拟有效地描述了供气流量、供液流量以及雾锥截面高度对雾锥液滴粒径和液滴浓度分布的影响。利用对AZ4999光刻胶雾锥特性的分析,在满足喷涂生产率的前提下,进行304.8 mm晶圆实际喷涂试验。试验结果表明超声雾化喷嘴不仅能够有效地实现光刻胶薄膜制备均匀性,而且较旋涂工艺节约80%以上的光刻胶,光刻胶利用率高。

低温微量超声雾化声学系统

针对低温微量超声雾化声学系统中的关键部件单波长超声雾化喷嘴进行研究。首先基于等效电路原理和传输矩阵法分别建立了带中心孔换能器和带中心孔复合变幅杆的频率方程,并应用数学分析软件获得了准确的数值解,实现了超声雾化喷嘴的全谐振。然后,对其进行有限元动力学分析和振动特性测试,结果表明二者相对于设计频率25 kHz的偏差率在0.6%以内,且空载超声振幅达13.5μm。之后,应用流体仿真分析软件对砂轮-工件磨削区进行流场特性分析,结果表明低温微量超声雾化声学系统可以解决磨削区涡流现象的产生。最后,通过对该系统使用前后两种润滑方式的磨削结果进行测试发现:低温微量超声雾化润滑不仅切削液使用量少,而且可以避免工件表面出现烧伤和硬度降低。

激光衍射法在喷嘴雾化特性测量中的应用研究

介绍了一种在线激光测量仪器装置及其测量原理和数据处理方法。在数据处理中引入分布函数 ,大大提高了计算速度。最后给出实验中实际测量超声波喷嘴燃油雾化粒子尺寸分布的数据 。

超声辅助微细磨料水射流加工系统的关键零部件研究

为提高磨料水射流的加工性能,研制了超声辅助微细磨料水射流加工系统,对加工系统的关键零部件进行了设计与分析。利用数值计算及ANSYS仿真软件设计了超声喷嘴装置,保证超声波能量与射流能量充分耦合,减少了能量损失。采用Fluent模块优化了磨料浆体供给装置,促进磨料与射流均匀混合,改善了磨料水射流的加工效果。

功能性纺织材料用超声装置

本研究的目的在于开发利用超声喷嘴浸渍纺织材料的新方法,使纺织品具有既定的功能性,并为进一步应用纳米技术以获得功能化产业用纺织品,以及服装用和装饰用纺织品打下技术基础。

降尘用超声雾化喷嘴内流场仿真及参数优化实验研究

通过数值计算和实验测试手段研究了降尘用超声雾化喷嘴的内外流场。结果表明:通过超声雾化喷嘴内部流场的压力和速度矢量分布可以看出:射流喷嘴进口处和超声波振荡腔内部的压力分布较大。液体速度经过超声波振荡腔后速度减小,并且在喷嘴内部形成了漩涡。随着射流水压的增加,雾滴D50表现出明显减小趋势。随着以射流喷嘴口为起点距离超声波振荡腔的相对距离的增加,雾滴D50表现出先减小后增加,雾滴速度表现出先增大后缓慢减小,得到最佳的超声波振荡腔位置为3.5 cm。

密闭空间硫化氢泄漏喷淋捕消实验研究

搭建密闭箱实验装置,使用30°超声波喷嘴,在纯硫化氢释放速率为60 L/min条件下,待密闭空间硫化氢体积分数达到0.1%和0.3%时,分别采用质量分数为3%的碳酸钠单一溶液和质量分数为3%的碳酸钠+体积分数为0.6%的过氧化氢混合溶液,进行泄漏硫化氢的喷淋捕消实验,捕消效率达到91.3%及90.7%时的用时分别为6 min 58 s和8 min 31 s。实验结果表明,喷雾雾化均匀、雾滴粒径小,混合溶液捕消效果优于单一溶液。