噴嘴霧化的原理和研究發(fā)展過程

研究表明，噴嘴霧化過程主要受4種力的控制，即氣動(dòng)阻力、黏性力、液體的表面張力和慣性力。這4種力之間的相互作用，使連續(xù)的液注發(fā)生分裂、破碎。一般認(rèn)為噴嘴霧化過程分為射流霧化過程與液膜霧化過程。

Rayleigh于1876年對射流破碎機(jī)理進(jìn)行了分析。他采用小擾動(dòng)方法分析了低速射流破碎所需要的條件，認(rèn)為只有當(dāng)對稱的擾動(dòng)波波長達(dá)到與射流直徑可比時(shí)才能使得射流破碎。Tyler通過測量射流破碎的頻率，研究了射流破碎與擾動(dòng)波波長之間的關(guān)系，驗(yàn)證了Rayleigh的理論分析。

Weber發(fā)展了更具一般意義的低速黏性射流破碎理論，提出射流破碎存在擾動(dòng)波波長，并給出了其表達(dá)式。通過分析液體霧化過程中各種力的相互作用，他認(rèn)為氣動(dòng)力對液體的摩擦作用與液體自身的高速流動(dòng)慣性是導(dǎo)致液滴破碎的重要原因。當(dāng)氣動(dòng)阻力的作用大于表面張力時(shí)，液體就會(huì)發(fā)生霧化現(xiàn)象，液體表面發(fā)生液滴剝離。據(jù)此他提出了一個(gè)無量綱常數(shù)——Weber數(shù)，并給出了霧化現(xiàn)象發(fā)生的臨界Weber數(shù)、臨界液體速度等重要指標(biāo)參數(shù)。

Haenlein則通過試驗(yàn)驗(yàn)證了Weber的結(jié)論，并將液體射流霧化區(qū)分為4類過程：無空氣影響時(shí)的液滴形成、有空氣影響時(shí)的液滴形成、射流波動(dòng)引起的液滴生成和射流的完全破碎即霧化。Ohnesorge 根據(jù)射流 受 力 的 重 要程度將數(shù)據(jù)進(jìn)行整 理，引入無量綱數(shù)Ohnesorge數(shù)將射流破碎過程分為 3 個(gè)階段：

(1) 低雷諾數(shù)段，此時(shí) Rayleigh 機(jī)理控制破碎過程：

(2) 中雷諾數(shù)段，射流破碎由射流擾動(dòng)控制；

(3) 高雷諾數(shù)段，霧化過程在噴嘴出口很短的距離內(nèi)完成。

這個(gè)分類廣為引用。為了解決 Ohnesorge 分類圖中存在的不確定狀態(tài)問題，Reitz 通過分析柴油機(jī)噴霧的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出以下 4 種破碎狀態(tài)：Rayleigh 形破碎；一次風(fēng)生破碎；二次風(fēng)生破碎以及霧化。

Fraser和 Eisenklam 定義了 3 種液膜破碎方式：邊緣脫落、表面波動(dòng)及液膜穿孔。他們認(rèn)為液膜破碎時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簬?，而后繼續(xù)破碎為液滴。邊緣脫落所形成的液滴仍然沿著破碎前的方向運(yùn)動(dòng)。液膜穿孔方式形成的液滴具有很好的均勻性，而表面波動(dòng)方式形成的液滴尺寸變化很大。對于發(fā)生液膜霧化的噴嘴來說，3 種破碎方式可能同時(shí)發(fā)生。

1950年代，Dombrowski 和 Fraser 通過大量試驗(yàn)深入研究了液膜的破碎過程。他們發(fā)現(xiàn)，液帶主要是由于液膜穿孔造成，如果孔由空氣摩擦引起，液帶會(huì)非常快地破碎：而孔若由噴嘴中的湍流引起，則液帶破碎得很慢。

他們總結(jié)認(rèn)為：高表面張力和高黏性的液膜難于破碎：液體的密度對液膜破碎幾乎不起作用。York 等人對平面液膜的破碎機(jī)理進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究，得到結(jié)論認(rèn)為，連續(xù)相與離散相界面之間的不穩(wěn)定性和表面波的形成是影響液膜破碎為液滴的主要因素。

可見，上述機(jī)理分析離不開試驗(yàn)的支持。因霧化過程復(fù)雜，迄今為止幾乎所有的理論研究結(jié)果都是經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)的。

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