噴嘴結(jié)構(gòu)對真空噴射霧化性能影響研究

2014-03-16 李建昌東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院

　　基于Fluent軟件模擬了柱型、扇型、錐型和混合型噴嘴真空噴射射流霧化過程，研究了噴嘴結(jié)構(gòu)對動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換、射流速度和噴嘴出口湍動(dòng)能的影響。結(jié)果表明，錐型噴嘴動(dòng)壓力較大，可提高靜壓能轉(zhuǎn)換效率；扇型和錐型噴嘴噴射束寬度較大，利于大面積噴射成膜；扇型噴嘴易形成空化，出口湍動(dòng)能較大，有助于液滴初次霧化破碎，而混合型噴嘴的空化層厚度最小，湍流區(qū)域最大。通過分析霧化錐角與噴嘴流量系數(shù)，發(fā)現(xiàn)扇形和錐直形噴嘴具有較大霧化錐角，但流量系數(shù)較小噴嘴壓力損失較大；噴嘴直線段會提高錐型噴嘴霧化錐角和噴嘴出口湍動(dòng)能，并使扇型噴嘴的流量系數(shù)增大，但射流霧化錐角減小。最后，本文嘗試構(gòu)建了真空噴射射流霧化數(shù)學(xué)模型。

　　噴嘴是射流發(fā)生元件，將流體靜壓能轉(zhuǎn)換為動(dòng)壓能并保持良好的流動(dòng)和動(dòng)力特性，廣泛用于燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和噴涂機(jī)等。噴嘴結(jié)構(gòu)對射流有重要影響，建立噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與射流霧化性能之間的關(guān)系、進(jìn)而優(yōu)化并設(shè)計(jì)新型高效噴嘴是現(xiàn)今研究重點(diǎn)。易燦等從理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究方面總結(jié)了噴嘴結(jié)構(gòu)對高壓射流流動(dòng)特性的影響，證實(shí)噴嘴結(jié)構(gòu)對射流流動(dòng)特性、沖蝕能和空化具有重要作用；黃中華等仿真研究了錐形噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流最大出口和徑向速度分布的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴嘴半收縮角°=20°時(shí)可獲較大出口射流速度，徑向速度變化最��；武飛等用Fluent模擬了噴嘴喉部收縮角、入口直徑、圓柱段和收縮段長度超高壓錐形噴嘴的微射流情況，發(fā)現(xiàn)最佳噴嘴收縮角為13°，最佳噴嘴喉部圓柱段長度為喉部直徑3倍(約0.3mm)。

　　隨納米技術(shù)與液相材料工藝結(jié)合日漸緊密，真空噴射沉積法以操作簡單，能制備多層或梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合高分子功能薄膜在發(fā)光二極管、太陽能電池和場效應(yīng)晶體等方面受到了廣泛關(guān)注，如Mo和M-izokur等用真空噴射法制備了聚乙烯和聚碳酸酯薄膜。噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對成膜的光滑、致密性有重要影響，有關(guān)此方面之前只有Mo等實(shí)驗(yàn)研究了錐形噴嘴安裝方向和噴嘴直徑對噴霧錐角、霧滴粒徑等成膜特性的影響，而不同噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對射霧化影響的深入研究尚未見報(bào)道。

　　本文基于Fluent軟件，模擬了柱型、扇型、錐型和混合型噴嘴的真空噴射射流，分析了噴嘴結(jié)構(gòu)對動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換、射流速度和噴嘴出口湍動(dòng)能的影響，通過對射流霧化錐角與噴嘴流量系數(shù)的系統(tǒng)模擬和理論計(jì)算，嘗試構(gòu)建真空噴射射流霧化模型，對真空射流噴嘴選型和優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

1、真空噴射模型建立

　　1.1、噴嘴數(shù)學(xué)模型

　　噴射模型及圓柱型、扇型、錐型和混合型噴嘴的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。真空噴射法所需噴嘴直徑一般小于1mm，以直徑0.3mm，長度1mm的圓柱形噴嘴為基準(zhǔn)，各噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，其中混合型噴嘴為錐直形噴嘴和扇形噴嘴的組合。

噴射模型及不同噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖