王貞濤, 朱忠輝, 夏 磊, 張永輝, 李 睿

(1. 潔華控股股份有限公司 博士后科研工作站, 浙江 海寧 314419; 2. 江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

當液體以一定的流量從帶電的金屬毛細管流出時,液體的表面受到高壓靜電場的作用發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象,當靜電力和重力超過液體表面張力作用的束縛時,金屬毛細管末端以一定的頻率不斷產(chǎn)生分散性液滴,隨著荷電電壓或電場強度的增加,液體經(jīng)過金屬毛細管在電場力的作用下在其末端形成間斷或連續(xù)射流[1-3],此過程稱為靜電霧化.靜電霧化產(chǎn)生的霧滴細小,并且可以通過調(diào)節(jié)電壓實現(xiàn)霧滴粒徑和運動軌跡的調(diào)整,因此廣泛應(yīng)用在微納米級材料粒子和薄膜的制備、質(zhì)譜分析、空間推進技術(shù)以及微尺度液態(tài)燃料燃燒等領(lǐng)域[4-9].

由于靜電霧化的特性及其應(yīng)用,已經(jīng)引起了眾多研究者的研究興趣,特別是在靜電霧化模式的研究方面取得了顯著的進展.前人根據(jù)毛細管末端形成的彎月面、液滴以及霧化射流的形態(tài),觀察并定義了多種毛細管靜電霧化模式,包括滴狀、紡錘、錐射流及多股射流等典型的霧化模式[10-13].在不同的霧化模式下霧滴的尺寸分布與運動行為亦有較大的區(qū)別.文獻[14]研究了甘油在空氣和真空中的靜電霧化現(xiàn)象,定義滴狀模式以及其他周期性出現(xiàn)的霧化模式.文獻[15]研究了毛細管的靜電霧化模式,探討了射流直徑與流量、施加電壓的關(guān)系.文獻[16]研究了處于二氧化碳中水的靜電霧化,獲得了典型的錐射流模式和電暈輔助錐射流模式,并給出了對應(yīng)的電壓、流量范圍與霧滴粒徑分布.文獻[17]采用丙二醇作為霧化介質(zhì),研究了單毛細管靜電霧化的穩(wěn)定性,獲得了穩(wěn)定錐射流與多股射流存在的電壓與流量范圍.陳效鵬等[12]通過研究乙醇的單毛細管靜電霧化現(xiàn)象,獲得了毛細管靜電霧化存在的滴狀、脈動、錐射流和不穩(wěn)定多股射流模式,并且這些霧化模式與溶液的電導(dǎo)率、介電常數(shù)、表面張力、黏性、電壓與流量均有關(guān)系.文獻[18]采用高速數(shù)碼攝像技術(shù)研究了去離子水的單毛細管靜電霧化,分析了滴狀與微滴模式下液滴產(chǎn)生頻率以及在靜電霧化射流的形態(tài)與發(fā)展過程.在兩個及多個毛細管靜電霧化研究方面,文獻[19-20]分別設(shè)計了微孔陣列靜電霧化裝置與多管道靜電霧化系統(tǒng),探討了電流與流量的關(guān)系、粒徑分布等.文獻[21]研究了多毛細管靜電霧化錐射流模式的起始電壓、電流和流量的關(guān)系,并探討了單排毛細管靜電霧化現(xiàn)象,分析了多管道霧化的穩(wěn)定性問題,探討了穩(wěn)定錐射流下電壓、電流、粒徑和流量的關(guān)系等.文獻[22]采用高速數(shù)碼攝像技術(shù)研究了雙毛細管產(chǎn)生的不同霧化模式,并分析了各種不同霧化模式下霧化形態(tài)與霧化演變過程.

綜上所述,單毛細管靜電霧化現(xiàn)象已經(jīng)有了較為系統(tǒng)的研究,特別是靜電霧化模式以及不同霧化模式下對應(yīng)的霧滴尺度分布或射流形態(tài)、流量與電壓范圍等均有不同形式的詳細報道.但雙毛細管以及多毛細管的靜電霧化現(xiàn)象研究較少,對雙毛細管中出現(xiàn)的靜電霧化模式分析和研究也較少,尚處于起步的階段.因此文中采用顯微高速數(shù)碼攝像技術(shù)研究去離子水和無水乙醇雙毛細管靜電霧化現(xiàn)象,拍攝靜電霧化圖像,根據(jù)彎月面、液滴和霧化射流形態(tài)確定雙毛細管靜電霧化模式,并簡單探討霧化介質(zhì)和雙電極對霧化模式的影響.

1 試驗裝置與方法

雙毛細管靜電霧化模式試驗裝置如圖1所示.

圖1 靜電霧化模式試驗裝置

本次試驗的液體供給選擇型號為RSP01-B注射泵,注射泵最大線速度65 mm·min-1,最小線速度1.0 μm·min-1,流量誤差控制在0.5%以內(nèi).為了保證霧化過程供液的穩(wěn)定性,金屬雙毛細管直接固定在除去活塞芯的5.0 mL的注射器下端,毛細管管中心之間的距離設(shè)定為2.0 mm.不銹鋼毛細管為醫(yī)用注射針頭,其末端磨平,不銹鋼毛細管的內(nèi)徑為0.30 mm,外徑為0.55 mm,長度為13.00 mm.在注射泵與儲液管之間通過輸液管(硅膠管)連接.試驗中的高壓靜電由負高壓靜電發(fā)生器提供,負高壓靜電發(fā)生器輸出的高壓負電直接連接在不銹鋼毛細管上(作為負極),并采用聚四氟乙烯材料作為隔離,防止導(dǎo)線影響霧化區(qū).在不銹鋼毛細管末端正下方20 mm處布置銅質(zhì)金屬接收盤,接收盤直徑為150 mm,直接接在大地.在毛細管電極與接收盤電極之間形成不均勻的靜電場,霧化在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生.試驗部件關(guān)鍵連接部位采用聚四氟乙烯進行絕緣處理,以保證試驗過程中的精度與安全.毛細管靜電霧化圖像通過型號為MotionProTMX4puls的高速數(shù)碼相機,配合型號為NAVITAR12X的顯微變焦鏡頭進行微距拍攝,拍攝光源為LED冷光源.高數(shù)數(shù)碼相機通過計算機進行控制,獲取的圖像直接存在計算存儲器內(nèi),采集完成后進行圖片離線分析.試驗中所采用的霧化介質(zhì)為無水乙醇和去離子水,相關(guān)物性參數(shù)如表1所示.試驗環(huán)境溫度為15 ℃,相對濕度為52%.

表1 去離子水與乙醇的物理參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

在單毛細管霧化模式的研究中,盡管存在多種霧化模式,但依據(jù)其彎月面、霧滴與射流的形態(tài)來分,總體有幾種典型的霧化模式,分別為滴狀、紡錘、振蕩射流、錐射流以及多股射流模式等[4-6],如圖2所示.隨著對靜電霧化研究的不斷深入,也出現(xiàn)了微滴模式、脈動錐射流模式、分支模式以及旋轉(zhuǎn)射流模式等.在單毛細管霧化中,其霧化射流的軸線與毛細管軸線基本處于同一直線或圍繞毛細管軸線出現(xiàn)擺動與轉(zhuǎn)動現(xiàn)象.而在雙毛細管靜電霧化過程,由于靜電場存在的斥力作用,毛細管射流軸線與噴嘴軸線出現(xiàn)了一定的夾角,且在一定的霧化電壓或霧化模式下,夾角保持在一定的范圍以內(nèi).為了更好地對不銹鋼毛細管靜電霧化射流進行分析,對所獲得的大量圖像進行了整理和分析.雙毛細管在空間形成電場具有對稱性,因此形成的霧化射流具有對稱性,選取并列雙不銹鋼毛細管中左側(cè)一根毛細管進行圖像處理與分析,如圖3,4所示.從圖3和4中可以明顯看出,在雙毛細管靜電霧化模式中出現(xiàn)了滴狀、紡錘、錐射流以及多股射流等多種比較典型的霧化模式,但所不同的是由于液滴、彎月面和射流受到并列的另外一根毛細管所形成電場的庫侖力作用,不銹鋼毛細管靜電霧化射流呈現(xiàn)傾斜狀態(tài),即射流軸線與毛細管軸線存在一定的夾角.

圖2 單毛細管典型的霧化模式

圖3 無水乙醇的靜電霧化模式

圖4 去離子水的靜電霧化模式

2.1 乙醇雙毛細管靜電霧化模式

圖3為乙醇在雙毛細管時出現(xiàn)的典型霧化模式,在不同的操作參數(shù)下可以明顯看出霧化模式呈現(xiàn)出滴狀(qV=0.50 mL·min-1,U=2.0 kV)、斜滴狀(qV=0.30 mL·min-1,U=4.0 kV)、紡錘(qV=0.50 mL·min-1,U=5.5 kV)、脈動錐射流(qV=0.30 mL·min-1,U=7.5 kV)、穩(wěn)定錐射流(qV=0.30 mL·min-1,U=8.0 kV)、鞭式射流(qV=0.05 mL·min-1,U=6.5 kV)、多股射流(qV=0.05 mL·min-1,U=9.5 kV)等霧化模式.當電壓比較低(或電場強度較小)時,雙毛細管形成滴狀模式,此時滴狀模式與單毛細管滴狀模式一致,兩個液滴基本呈對稱分布.液滴與彎月面之間存在細長的液絲,當重力超過靜電力和表面張力作用不能平衡時,形成液滴滴下來,液滴粒徑是毛細管內(nèi)徑2～3倍,如圖3a所示.在滴狀模式下,隨著電壓(或電場強度)進一步增大,液滴粒徑有所減小,并且在另外一側(cè)毛細管和射流形成電場產(chǎn)生的庫侖力作用下,液滴分離方向出現(xiàn)傾斜,傾斜角度與毛細管電壓、流量緊密相關(guān),并且隨著液滴的下落其夾角逐漸減小.液滴與彎月面之間的液絲比垂直滴狀模式時有所拉長,如圖3b所示.當電壓進一步增加時,即對應(yīng)的電場強度超過某個定值時,毛細管末端的彎月面在靜電力的作用下被拉長形成一股傾斜的類似紡錘狀的射流,射流方向與毛細管軸線方向的夾角跟流量與電壓均有關(guān),而彎月面此時呈現(xiàn)為傾斜的泰勒錐狀.在紡錘形成的過程中,在紡錘的末端開始連續(xù)噴射出極為細小的一股射流,形成極細微的液滴,如圖3c所示.隨著電場強度的進一步增大,在雙毛細管末端產(chǎn)生脈動錐射流模式,彎月面在靜電力的作用形成一個較長的錐形體,在錐體末端形成射流,然后射流破碎為單個的液滴,此時形成的液滴大小約為射流直徑的1.89倍,如圖3d所示.當電場強度進一步增加后,彎月面仍舊被拉成一個較長的錐形體,此時錐形體的錐角有所增大,在射流的末端霧滴破碎成細小的傘狀,即為穩(wěn)定錐射流模式,如圖3e所示.在不同的流量下霧滴的霧化模式還能出現(xiàn)鞭式射流以及多股射流.圖3f為鞭式射流,此時彎月面不再為錐形體,在遠離毛細管中心電場的一側(cè)斜射出一股細小的射流,射流出現(xiàn)擺動,像鞭子末尾的擺動一樣.在鞭式射流的末尾,射流亦產(chǎn)生破碎,產(chǎn)生極細微的液滴.圖3g為穩(wěn)定的多股射流模式,在毛細管末端形成多股(一般2～8股)細微的射流,此時多股射流由于另外一側(cè)的毛細管形成的電場產(chǎn)生的庫倫作用而產(chǎn)生傾斜,傾斜角度與電場強度緊密相關(guān).在單毛細管中多股射流會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)模式,而在雙毛細管靜電霧化模式中多股射流并未產(chǎn)生旋轉(zhuǎn).

2.2 去離子水雙毛細管靜電霧化模式

毛細管靜電霧化實質(zhì)是靜電力克服液體表面張力同時拉長液滴的半月面使初始液滴變形并破碎出更小子液滴的過程.顯然除去電場與流量等操作參數(shù)外,液體的表面張力等物性參數(shù)也是影響液體靜電霧化模式的重要參數(shù)之一,因此通過去離子水可以進行對比研究.圖4為去離子水在雙毛細管時出現(xiàn)的典型霧化模式,隨著操作參數(shù)的變化霧化模式呈現(xiàn)出滴狀(qV=0.30 mL·s-1,U=3.0 kV)、斜滴狀(qV=0.15 mL·s-1,U=4.5 kV)、紡錘(qV=0.15 mL·s-1,U=6.5 kV)、振蕩射流(qV=0.15 mL·s-1,U=10.5 kV)、錐射流(qV=0.15 mL·s-1,U=14.5 kV)等典型的霧化模式.當電壓為3.0 kV,流量為0.30 mL·s-1時,去離子水呈現(xiàn)滴狀模式,同乙醇的滴狀模式相同,液滴與彎月面之間存在細長的液絲,當重力超過靜電力和表面張力作用后,平衡被破壞,液滴從毛細管末端滴落下來,液滴粒徑是金屬毛細管內(nèi)徑4～6倍,是該模式下乙醇液滴粒徑的2倍左右,這是由于2種液體的表面張力不同所致,如圖4a所示.在斜滴狀模式下,如圖4b所示,液滴呈現(xiàn)出與無水乙醇相同的霧化模式,液滴與彎月面之間亦存在液絲,液滴射出方向與毛細管軸線之間的夾角隨著液滴的下降而逐漸變小,顯然該夾角取決于電場強度(或者電壓),同時由于重力作用而逐漸減小.該模式下液滴的粒徑比圖4a中垂直滴狀液滴的粒徑有所減小,表明在液滴界面電剪切力的作用下,液滴界面的表面張力均有所減少,符合Rayleigh極限相關(guān)理論.在中等電場強度下,去離子水的毛細管靜電霧化會亦產(chǎn)生紡錘模式.彎月面在電場作用下被拉長一個類似紡錘的射流,在彎月面與紡錘之間連接了較為細小細絲[23].由于表面張力比無水乙醇大,在紡錘的末端并未產(chǎn)生細小的微射流,僅出現(xiàn)紡錘形狀,紡錘中心線與毛細管軸線的夾角在同一電壓和流量時,其較小變化較小,如圖4c所示.隨著電場強度的繼續(xù)增加,在毛細管的末端產(chǎn)生分散狀的振蕩射流模式.毛細管末端的彎月面呈現(xiàn)傾斜狀態(tài),在彎月面的最下端斜拉出一股細小的射流,在射流末端射流破碎成細小的液滴,液滴粒徑比相同霧化模式下無水乙醇的霧化液滴平均液滴大,且分布不均勻,這顯然是由于兩種液體的表面張力之間存在顯著差異的結(jié)果,如圖4d所示.當電場強度進一步增大時,射流出現(xiàn)傾斜錐射流模式,如圖4e所示.在毛細管末端出現(xiàn)傾斜的錐體,錐體與毛細管軸線之間仍然存在一定的夾角,在錐體的末端斜拉出一股射流,射流的末端破碎成尺度大小不等的液滴.

在雙毛細管布置的條件下,通過改變電壓與流量獲得了不同的靜電霧化模式,與單毛細管靜電霧化模式基本相同,但存在霧化射流方向改變以及霧化模式減少的現(xiàn)象.雙毛細管靜電霧化模式研究一方面證明多毛細管靜電霧化具有傳統(tǒng)單毛細管靜電霧化的特點與優(yōu)勢,另一個方面多毛細管靜電霧化可以實現(xiàn)霧化流量的明顯提升,改變單毛細管流量過低的弊端.因此本試驗對研究多毛細管靜電霧化模式、霧化特性以及在超低量精確噴灑施藥技術(shù)、生物質(zhì)液體靜電霧化燃燒以及生物質(zhì)譜分析等方面的應(yīng)用提供了參考.

3 結(jié) 論

1) 設(shè)計并構(gòu)建了雙毛細管靜電霧化試驗裝置,采用高速數(shù)碼攝像技術(shù)詳細研究了無水乙醇和去離子水的雙毛細管靜電霧化,獲得了滴狀模式、紡錘模式、錐射流模式以及多股射流模式等典型的霧化模式,彎月面和霧化射流及產(chǎn)生液滴受到并列的另外一根毛細管所形成電場的庫倫作用,不銹鋼毛細管產(chǎn)生的霧化射流呈現(xiàn)出一定的傾斜角.

2) 在無水乙醇的雙毛細管靜電霧化模式根據(jù)電場強度的變化,依次出現(xiàn)了滴狀、斜滴狀、紡錘、脈動錐射流、穩(wěn)定錐射流、鞭式射流、多股射流模式;而在去離子水霧化中,霧化模式依次出現(xiàn)滴狀、斜滴狀、紡錘、振蕩射流以及錐射流等模式.在靜電力的作用,各種霧化模式的霧滴呈現(xiàn)出不同的形態(tài)與尺寸分布,且霧化射流的中心線與毛細管軸線之間存在不同的夾角,霧化夾角主要取決于電場強度,但與霧化模式及流量均有關(guān).由于液體表面張力的差異,無水乙醇霧化模式更為豐富,霧滴粒徑更為細小.

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