荷電雙流體噴霧射流沉積均勻性分析

姚江+王軍鋒

摘要：為研究荷電雙流體噴霧射流沉積的均勻性，基于雙流體霧化噴嘴設計了荷電雙流體噴霧系統及電暈荷電裝置。通過試驗研究，討論了影響荷電雙流體噴霧沉積均勻性的關鍵因素及其作用規律。結果表明，增加噴槍的工作高度、扇形壓力或減小霧化壓力，可以有效減小雙流體霧化沉積分布變異系數，提高沉積的均勻性；靜電場的參與能有效提高霧化效果，改善噴霧流場，提高沉積分布的均勻性。

關鍵詞：荷電雙流體噴霧；沉積均勻性；變異系數；噴霧流場

中圖分類號：S491 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）21-4137-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.21.035

Experimental Study on Deposition Uniformity of Twin-fluid Electrostatic Spray

YAO Jiang1，WANG Jun-feng2

（1.Suzhou Institute of Technology， Jiangsu University of Science and Technology，Zhangjiagang 215600，Jiangsu，China；

2.School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013，Jiangsu，China）

Abstract： Based on the twin-fluid atomization nozzle，a charged twin-fluid spray system and corona charging device were designed to study the deposition uniformity of twin-fluid electrostatic spray. The key factors affecting the uniformity of twin-fluid electrostatic spray were analyzed through experimental study. The results show that increasing the working height， fan pressure or reducing the atomizing pressure can effectively reduce the coefficient of variation and improve the uniformity of deposition. The electrostatic field can effectively improve the atomization， and improve the spray flow field and uniformity of the deposition.

Key words： twin-fluid electrostatic spray；deposition uniformity；coefficient of variation；spray flow field

雙流體荷電霧化是通過液體與高壓氣體混合形成液膜，在高速氣流的動能及剪切力作用下液膜破碎進而形成眾多細小液滴，液滴再通過不同的充電方式荷上電荷的過程[1-3]。近年來，雙流體荷電噴霧技術在農藥噴灑領域獲得了廣泛的關注，而霧滴在目標表面沉積的均勻性影響著農藥的利用率。因此，研究荷電雙流體噴霧沉積的均勻性具有重要的意義。

引起噴霧沉積分布不均勻的原因有很多，祁力鈞等[4]、王璐等[5]探討了噴嘴類型、噴嘴高度、噴霧壓力和流量等因素對霧滴分布均勻性的影響。Munir[6]對空心錐形噴嘴的噴液壓力、噴霧流速和噴霧高度3個因素進行了正交試驗，結果表明，噴霧高度對均勻性的影響顯著，而噴霧壓力對噴霧均勻性的影響不大。陳志剛等[7]采用模擬植株法對負高壓荷電噴霧靶標的藥液沉積效果進行了研究，并與非荷電常規噴霧狀態進行對比分析，結果表明，負高壓荷電噴霧較非荷電常規噴霧，藥液沉積量、沉積密度顯著提高，分布特性大為改善。茹煜等[8]以風送靜電噴霧系統為研究對象，分析了靜電噴霧中荷電特征對霧滴沉降、沉積和黏附靶標的影響。Takeshi等[9]研究了荷電電壓、流量及噴霧高度對單位體積液滴荷電量的影響。Colbert等[10]通過數值計算的方法，建立了荷電噴霧過程中電場、流場以及液滴運動軌跡的數學模型。雖然國內外學者對荷電噴霧的沉積特性的研究已取得了重要的結論與成果，但是在電場與氣液兩相流場耦合作用下的荷電雙流體噴霧的沉積特性比較復雜，影響因素很多，仍需要進一步研究，獲得更加精確的數據以指導工程應用。

運用控制變量法，在針狀電極電暈荷電的情況下，對雙流體噴霧射流沉積均勻性進行試驗研究。在噴水質量流量一定的情況下，通過調節雙流體噴槍的霧化參數、噴槍的工作高度及荷電電壓，研究其對沉積均勻性的影響，以期為雙流體噴霧射流沉積均勻研究提供參考。

1 試驗裝置和方法

1.1 雙流體霧化器及荷電裝置

試驗中選用的雙流體霧化器如圖1（a）所示，該霧化器共3個進氣口（霧化進氣口、扇形進氣口和啟閉進氣口）和1個進液口，其中霧化進氣的作用是利用高速氣流的剪切力作用將液體射流破碎霧化成大量的細小液滴，其進氣壓力稱為霧化壓力PC；扇形進氣的作用是在噴嘴出口處形成兩股方向相反的氣體對流，使細小液滴離開噴孔后在氣力作用下形成扇形液膜，其進氣壓力稱為扇形壓力PF，通過調節扇形壓力可以實現對霧化錐角的控制；啟閉進氣的作用是通過提供的氣壓啟動霧化器。霧化介質通過進液口進入噴嘴。endprint

負高壓電暈荷電由于啟暈電壓低，液體荷電相對容易，操作簡單，是較為理想適用的荷電方法，故荷電形式采用負高壓電暈荷電方式。荷電裝置是在雙流體霧化器的結構基礎上設計而成的，如圖1（b）所示，其中電暈荷電電極設計成“爪”狀，即在雙流體噴槍出口處對稱布置3個針狀銅質電極。針狀電極尖端曲率半徑越小，電暈放電效果越明顯，試驗中設計為20 °，每根針狀電極間夾為45 °。為提高荷電裝置絕緣性，在電極表面包有聚四氟乙烯管，僅露出放電尖端，并且在電極背部設計有絕緣板。

1.2 試驗系統及試驗方法

荷電雙流體噴霧射流系統包括霧化裝置、荷電裝置、液路系統和氣流管路系統組成。氣流管路系統中高壓氣體由空壓機流出后經膨脹罐穩壓后分為三路氣流，分別為霧化氣路、扇形氣路和啟閉氣路，通過調節閥對各路壓力參數進行調節；液路系統包括儲液罐、轉子流量計；霧化裝置包括雙流體霧化噴槍、電暈荷電電極；荷電裝置為負高壓靜電發生器，給電極提供負高壓（圖2）。

本試驗是對各工況下荷電雙流體噴霧沉積均勻性進行定性分析。設定坐標系：噴嘴出口中心為坐標原點，沿著噴霧中心線方向為軸向即z軸，沿垂直于中心線的水平方向為徑向即x軸（圖3）。采用控制變量法，分別在不同扇形壓力（PF）、霧化壓力（PC）、噴霧高度（Z）以及荷電電壓條件下進行噴霧，徑向方向霧液通過集霧槽、量筒進行收集與測量，測定時間為1 min，每組工況進行3次重復測量，取平均值。為了便于將噴霧沉積均勻性進行數值化標定，數據分析時，將所采集的樣本數據的標準偏差變異系數（CV）作為指標性參數，其值越小則說明噴霧沉積均勻性越好。變異系數計算公式：

CV=×100% （1）

其中，？墜為標準偏差，標準偏差可以衡量數組中樣本xi與樣本均值x的差距大小，其值越小說明xi在x附近，即數據分布集中，霧滴沉積的均勻性較好。標準偏差的計算公式：

？墜= （2）

其中，n為樣本容量，xi為第i個集液槽內液體體積。x為一組集液槽內沉積量均值。

2 結果與分析

2.1 霧化參數對噴霧沉積均勻性的影響

雙流體噴槍中霧化壓力和扇形壓力是改變噴霧形態的關鍵因素，霧化壓力越高，氣流與液體之間剪切力越大，越有利于液滴破碎；扇形壓力越大，噴霧錐角越大。試驗在噴水質量流量不變的條件下，通過改變噴槍的霧化壓力或扇形壓力，研究其對噴霧沉積均勻性的影響。結果如圖4、圖5所示，當雙流體噴槍扇形壓力或霧化壓力改變時，會引起霧量分布的改變，增大扇形壓力，霧量分布變異數減小，沉積分布越均勻；增大霧化壓力，霧量分布變異數增大，沉積分布均勻性變差。由圖6、圖7可知，當噴槍工作高度為40 cm時，霧量徑向分布呈對稱性，主流區域沉積霧量最大，兩側邊緣區域逐漸減小。在霧化壓力不變的條件下，增大扇形壓力，液滴的徑向動量增大，主流區域部分液滴向噴霧邊緣區域運動，邊緣區域沉積量增大，霧量分布曲線變平緩，提高了沉積分布均勻性；在扇形壓力不變時，增大霧化壓力，主流區域液滴軸向動量增加，液滴不易向邊緣區域運動，邊緣區域沉積量減少，霧量分布曲線變陡，霧量分布均勻性變差。

2.2 噴霧高度對噴霧沉積均勻性的影響

圖8是霧化壓力為70 kPa，扇形壓力為35 kPa時，噴槍在不同工作高度時霧量徑向方向的分布曲線，該曲線反映了不同高度每個位置的流量特性。噴霧的總流量隨著高度的增加呈現一定的減少，由于噴霧高度的增加使液滴在空中運動停留的時間增加，微小液滴受到外部環境的影響易飄散、蒸發，不能沉積到目標區域。隨著高度的增加液霧炬逐漸鋪展、沉積面積逐漸增大，所以曲線在徑向逐漸擴張。由圖9可知，霧量分布變異系數隨著噴槍工作高度的增加而減小，噴霧沉積均勻性提高，并且隨著高度的增加，霧滴沉積分布變異系數的變化趨于穩定。

2.3 荷電電壓對噴霧沉積均勻性的影響

從圖10可以看出，電極電壓對雙流體噴霧沉積均勻性的影響較大，增大電極電壓，可以有效地減小霧量分布變異系數，當荷電電壓增大到8 kV時，霧滴沉積分布變異系數減小了約8%。分析認為，隨著電極電壓的增大電場強度也不斷增大，液滴獲得的電荷量也相應地增加，同種電荷之間的排斥作用增大，液滴均勻的速度分布范圍擴大，因此，提高了噴霧沉積的均勻性。

2.4 荷電電壓對噴霧流場的影響

PIV（粒子圖像測速）技術是一種基于流場圖像相關分析的非接觸式二維流場測量技術?；赑IV技術對噴槍出口處的噴霧流場進行測量分析，系統的荷電電壓從4 kV增大到12 kV，并與非荷電情況下的噴霧流場進行對比，結果如圖11所示。噴霧荷電后使雙流體噴霧錐角稍微增大，噴霧核心區域流場均勻性提高。在靠近電極的位置，隨著荷電電壓的增大霧滴向上卷吸的現象越明顯，出現渦旋結構，電極容易積液。這是由于電極附近的細小液滴在庫侖力、流體力的作用下形成渦旋結構，細小霧滴受到渦流作用產生卷吸現象，吸附到電極上形成較大液滴，從而造成電極積液[11]。

3 結論

對影響荷電雙流體噴霧沉積均勻性的幾個關鍵因素進行了試驗研究，結果表明，①當雙流體噴槍扇形壓力或霧化壓力改變時，會引起霧量分布的改變，增大扇形壓力，霧量分布變系異數減小，沉積分布越均勻；增大霧化壓力，霧量分布變異系數增大，沉積分布均勻性變差。②噴槍工作高度的增加提高了噴霧沉積的均勻性，但由于液滴在空中運動時間的增加，微小液滴易飄散、蒸發，噴霧沉積的總流量減小。靜電場的參與，有效地改善噴霧流場的均勻性，當荷電電壓的增大到某一臨界值時，其對噴霧沉積均勻性的影響也趨于飽和。

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