環形電極結構對噴霧形態與荷電效果的影響

甘云華 鄭曉紅 江政緯 羅燕來 周 毅

(1.華南理工大學電力學院， 廣州 510640； 2.廣東省能源高效清潔利用重點實驗室， 廣州 510640)

0 引言

靜電霧化是指液體以一定流速進入毛細管，帶電液滴在毛細管口處受到靜電力、表面張力等聯合作用形成穩定的圓弧錐形結構，在錐結構的頂端形成一股穩定細小的射流，最終破碎為液滴，液滴在電場力的作用下運動[1]。與其他霧化方式相比，靜電霧化產生的液滴具有更小的粒徑、更好的可控性，霧群分布更為均勻[2]。經過靜電霧化得到的噴霧具有優越的霧化特性，現已廣泛應用于工業噴涂[3]、農業噴灑[4]、霧化除塵[5]以及噴霧燃燒[6-7]中。

典型的靜電霧化裝置[8]由負載高壓金屬毛細管與接地電極組成。毛細管-環形電極-接地網格電極則是在毛細管-接地電極的基礎上，在毛細管與接地電極加入負載高壓環形電極。為敘述方便，將毛細管-接地電極稱為單電極，毛細管-環形電極-接地網格電極成為雙電極。研究表明[9]，與單電極裝置相比，雙電極裝置能夠在相對較低的電壓下提供較強的電場。史艷玲等[10]進行了組合電場下乙醇的荷電霧化實驗，得到了穩定的錐-射流霧化模式，并基于該模式進行了理論分析計算，采用橢圓積分的方法求解出雙電極電場下射流區的場強分布，發現增大環形電極電壓參數對霧化區的場強起到增強作用。GAN等[11]通過數值模擬及實驗研究發現，雙電極能夠形成更穩定的錐射流模式，產生更小、更均勻的液滴。

電極參數是影響霧化特性的重要因素[12]。目前探討電極參數對靜電霧化的影響已有較多研究。MOON等[13]提出一種脈沖電壓電容式靜電感應噴霧裝置，并通過實驗研究環形電極直徑及厚度對沉積電流的影響。PATEL等[14]通過理論分析和實驗研究，揭示了液滴荷質比對電極材料、形狀和幾何參數的依賴性。王軍鋒等[15-17]建立了液滴群荷電量的理論計算式，對荷電噴霧中環形電極誘導的靜電場進行數值模擬，實驗研究了電極間距及電極環直徑對靜電霧化特征的影響規律。楊超珍等[18-20]研究在感應荷電狀態下電極環直徑和安裝位置對液滴荷質比的影響，發現荷電量與電極環直徑和安裝位置間存在線性關系，并構建了荷電系數與電極參數和位置關系的經驗公式。王貞濤等[21]利用靜電場疊加原理與橢圓積分方法，對單、雙毛細管電極靜電霧化電極產生的空間電場進行理論分析與數值計算，得出：與毛細管單電極相比，毛細管雙電極中間區域的徑向電場強度減小，軸向場強增大，非相干區域的電場強度均增大；毛細管雙電極的空間分布使靜電霧化產生的射流與液滴群呈現“八”字形。蘭玉彬等[22]針對設計的靜電噴嘴進行室內霧化和沉積試驗，研究結果表明：設計的靜電噴嘴最佳電極電壓為8 kV，最佳電極材料為紫銅，最佳噴施壓力為170 kPa。

盡管對電極參數影響霧化特性的實驗和數值計算較多，而基于雙電極裝置在不同環形電極結構下的荷電霧化研究尚未見報道。本文基于雙電極荷電霧化裝置，對其靜電場進行數值模擬，得到不同環形電極內徑及厚度下的電場強度分布，并通過實驗研究不同電極結構對噴霧錐角及荷質比的影響，以期為液體燃料在內燃機等動力裝備上的應用提供理論基礎。

1 實驗系統

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic of experimental system1.微量注射泵 2.毛細管噴嘴 3.環形電極 4.金屬網格 5.數據采集儀 6.計算機 7.標準電阻 8.直流電源

采用的靜電噴霧實驗系統如圖1所示。乙醇流量通過微量注射泵控制，以2 mL/h注入毛細管噴嘴。毛細管噴嘴內徑為0.9 mm，外徑為1.1 mm。在噴嘴正上方同軸布置環形電極與金屬網格。環形電極的下邊緣與噴嘴出口的距離為1 mm，環形電極的下邊緣與金屬網格之間的垂直距離為26 mm。噴嘴與環形電極分別施加高壓V1和V2，金屬網格接地。在噴嘴和金屬網格之間存在一個電勢差，液體在靜電力的作用下破碎成液滴并朝網格移動。為實現穩定錐射流模式下的靜電噴霧，實驗中控制噴嘴電壓V1為4.5 kV，環形電極電壓V2為1.3 kV。為研究不同環形電極結構對靜電噴霧的影響，選取內徑Dr1為12、14、16、18 mm,厚度h為1、2、3 mm，共12種不同結構的環形電極進行實驗。實驗采用數碼單反相機進行圖像采集，為使圖像清晰，采用綠色激光作為輔助光源。通過軟件對拍攝圖像進行處理得到噴霧錐角。

為獲得噴霧液滴的荷電情況，在金屬網格和電源地極之間串聯一個標準電阻(1 MΩ)，利用數據采集儀測量電阻上的電壓，據歐姆定律可計算得到噴霧電流。實驗中，待電壓穩定后每隔0.5 s記錄一次數據，每組記錄10個數據。對同一工況下記錄5組數據。采取測量值的算術平均值作為實驗最后的結果。通過荷質比來表征液滴的荷電效果，荷質比越大，液滴的荷電性能及充電效果越好。液滴荷質比為液滴帶電量與其質量的比值，即

(1)

式中λ——液滴荷質比，C/kg

q——液滴荷電量，C

m——液滴質量,kg

qm——質量流量,kg/s

qv——體積流量，m3/s

I——電流,A

T——測量時間,s

ρ——乙醇密度，kg/m3

(2)

實驗在室溫條件下進行，假定乙醇物性不隨溫度的變化而變化。室溫下乙醇體積分數大于等于99.7%，密度為789.3 kg/m3，動力粘度為1.70 mPa·s，表面張力為0.022 N/m，電導率為51 μS/m，相對介電常數為25.3。實驗中，測定電阻上的最大電壓為0.06 V，相較于噴嘴電壓4.50 kV，電阻分壓可忽略不計。實驗誤差如表1所示。

表1 實驗誤差Tab.1 Error analysis

2 數值模擬

利用COMSOL Multiphysics多物理耦合軟件對電場進行模擬。根據實驗系統及實驗工況，建立二維軸對稱模型，如圖2所示。求解區域以空氣為介質，對計算區域采用三角形自由網格劃分，并進行網格獨立性驗證，最終選取網格數為13 162。模擬計算區域為13.5 mm×29.5 mm。計算過程采用穩態求解器進行求解。

圖2 二維軸對稱模型示意圖Fig.2 Schematic of 2D axisymmetric model1.金屬網格 2.噴嘴 3.環形電極

噴嘴、環形電極及金屬網格之間形成的空間電位可由拉普拉斯方程求解,即

(3)

電場強度計算式為

(4)

式中E——電場強度，V/m

φ——空間電壓，V

3 結果與分析

3.1 空間電場

圖3為環形電極厚度為3 mm、內徑為12 mm時空間電場分布情況。由圖可知，電場強度在噴嘴附近最大，并沿軸向z方向和徑向r方向急劇減小。因此液滴荷電主要發生在靠近噴嘴電極周圍的區域。

圖3 空間電場分布圖(h=3 mm,Dr1=12 mm)Fig.3 Electric field distribution (h=3 mm,Dr1=12 mm)

為更好地分析不同環形電極結構下電場分布情況，在環形電極附近的主要荷電區域內選取了截面進行分析。觀察發現靠近噴嘴區域，環形電極厚度及內徑對電場分布影響很小，而當z變大，電場強度迅速減小，電場分布對液滴運動影響較小。最終選取z=3 mm、z=3.5 mm和z=4 mm 3個截面進行分析。圖4為環形電極厚度為3 mm,不同內徑的徑向場強分布情況。由圖可知，徑向場強沿徑向先增大后減小?？拷行妮S線處，不同環形電極內徑場強曲線幾乎重合。隨著r增大，環形電極內徑對徑向場強影響變大。環形電極內徑越小，徑向場強越大。由于噴嘴處施加的電勢比環形電極處施加的電勢大得多，因此環形電極對中心軸線附近的電場強度影響較小，主要影響靠近環形電極區域的電場分布。

圖4 不同環形電極內徑徑向場強分布(h=3 mm)Fig.4 Radial electric field distribution at different ring electrode inner diameters (h=3 mm)

圖5為環形電極內徑為12 mm，不同厚度的徑向場強分布。由圖可知，環形電極厚度越大，徑向場強越大。并且z越大，環形電極厚度對徑向電場強度的影響更大。環形電極厚度對徑向場強的影響同環形電極內徑對徑向電場強度的影響相比發生在靠近環形電極更小的區域內。

圖5 不同環形電極厚度徑向場強分布(Dr1=12 mm)Fig.5 Radial electric field distribution at different ring electrode thicknesses (Dr1=12 mm)

圖4和圖5表明當z=3 mm，環形電極內徑為12 mm時，徑向電場強度先增大，在r=1.5 mm附近達到最大，隨后減小，而在r=5 mm附近又增大。而其他截面及其他環形電極條件下徑向電場強度變化規律則是先增大然后減小。由靜電疊加原理可知，空間徑向場強由噴嘴產生的徑向場強及環形電極產生的徑向場強組成。在r較小的位置，徑向電場強度主要取決于噴嘴處產生的徑向電場強度。而當逐漸靠近環形電極的位置，環形電極對徑向電場強度的分布影響增大。因為環形電極邊緣附近局部電場強度較大，因此環形電極內徑為12 mm時，在z=3 mm截面(靠近環形電極下邊緣處)r=6 mm附近徑向電場強度不再隨r的增大而減小，而是隨r的增大而增大。而在z=3.5 mm及z=4 mm所在截面不處于環形電極邊緣附近，環形電極產生的徑向電場強度較小，在此截面處徑向電場強度雖不隨r的增大而增大，但徑向電場強度的下降趨勢減緩。由此可見環形電極結構會改變空間徑向電場強度的分布。

圖6、7為不同環形電極內徑及厚度在不同截面上的軸向場強分布。相同結構的環形電極在同一位置上的軸向場強大于徑向場強。由圖可以看出，不同環形內徑和厚度的軸向場強曲線基本重合，即改變環形電極內徑或者厚度對軸向場強影響較小。

圖6 不同環形電極內徑軸向場強分布(h=3 mm)Fig.6 Axial electric field distribution at different ring electrode inner diameters (h=3 mm)

圖7 不同環形電極厚度軸向場強分布(Dr1=12 mm)Fig.7 Axial electric field distribution at different ring electrode thicknesses (Dr1=12 mm)

3.2 噴霧形態

將噴嘴出口與霧化錐外緣相切的兩條直線間的夾角定義為噴霧錐角α[23]。噴霧錐角反映了噴霧離開噴嘴后在空間的分布情況，是評價噴霧質量的一個重要參數，較大的噴霧錐角更加有利于氣液兩相作用[24]。圖8為噴霧錐角示意圖。采用數碼相機進行圖像采集，可得不同環形電極厚度及內徑時，在錐射流模式下的噴霧錐角，如圖9所示。

圖8 噴霧錐角示意圖Fig.8 Schematic of spray cone angle

圖9 不同環形電極結構下的噴霧錐角Fig.9 Spray cone angle under different ring electrode structures

由圖9可知，噴嘴電極及環形電極上施加的電勢一定時，同一環形電極厚度下，環形電極內徑減小，噴霧錐角增大。在毛細管口破碎后的帶電液滴主要受到了靜電力、重力以及粘性阻力的共同作用[25]。直徑為d的單個球形液滴受到的各力表達式為

Fq=qE

(5)

Fg=mg

(6)

(7)

(8)

式中Fq——靜電力，NFg——重力，N

FD——粘性阻力，N

g——重力加速度，m/s2

μ——動力粘性系數，Pa·s

vc——連續相速度，即空氣速度，m/s

vp——液滴速度，m/sRe——雷諾數

υ——運動粘性系數，m2/s

ρc——空氣密度，kg/m3

當液滴處于空間某點，其受力情況如圖10所示。當帶電液滴進入空間電場，因為噴嘴附近電場強度達到106V/m，液滴受到的靜電力遠大于其他力。所以在噴嘴附近的液滴運動主要受靜電力控制。此時液滴的運動方向與電場線方向幾乎一致。隨著液滴的運動，電場強度逐漸減小而液滴速度逐漸增大，粘性阻力成為主導力，液滴速度減小，最終靜電力與粘性阻力等達到平衡。因此靜電力對液滴運動影響較大的區域在噴嘴附近。環形電極內徑越小，軸向電場強度沒有發生較大改變，而徑向場強越大，因此液滴獲得一個較大的徑向靜電力，使得液滴在空間的分布區域更大。同一環形電極內徑時，環形電極厚度越大，噴霧錐角越大。環形電極厚度對噴霧錐角的影響也是通過增大環形電極厚度產生較大的徑向電場強度，使電場強度方向不同，而液滴的運動方向與電場強度幾乎一致，因此液滴群在空間的分布更廣。在相同工況下，增大環形電極厚度或者減小環形電極內徑可以增大噴霧錐角。

圖10 液滴受力示意圖Fig.10 Schematic of forces on droplet

3.3 液滴荷質比

靜電霧化中用荷質比表征噴霧荷電的效果，荷質比越大，液滴荷電越充分。圖11為不同環形電極結構下的液滴荷質比。由圖11可以得到，環形電極厚度越大或者內徑越大，液滴荷質比越小。雙電極結構下產生的液滴荷電量是接觸荷電與感應荷電共同作用決定的。實驗中控制毛細管電壓不變，因此可以認為接觸荷電產生的荷電量不變。帶電液體在靜電力作用下破碎，進入由毛細管與環形電極共同產生的靜電場，液體通過感應靜電產生感應電荷。液體表面感應荷電密度ρs可以由Gauss定律計算為

ρs=εE

(9)

其中

E=E1+E2

(10)

式中ρs——液體表面感應電荷密度，C/m2

ε——空氣的介電常數，F/m

E1——毛細管電極所產生的電場強度，V/m

E2——環形電極所產生的電場強度，V/m

圖11 不同環形電極結構下的液滴荷質比Fig.11 Charge-mass-ratio of droplets under different ring electrode structures

根據靜電疊加原理，雙電極電場可視為單毛細管電場與單環形電場共同作用疊加形成。毛細管產生的電場不變，總電場強度與環形電極電場變化一致。感應荷電產生的噴霧電流為[15]

(11)

式中I1——感應荷電電流，A

u——毛細管口乙醇流速，m/s

r1——毛細管內徑，m

將式(11)代入式(1)可得感應荷電部分產生的荷質比為

(12)

由式(12)可以看出，液滴荷質比與電場強度、毛細管出口半徑及液體密度有關。改變環形電極的內徑或者厚度，空間電場強度發生改變從而改變荷質比。由3.1節空間電場可知，環形電極內徑減小或者厚度增大，在主要的荷電區內電場強度增大，因此液滴的荷質比也隨之增大。雖然環形電極內徑越小，厚度越大能獲得越好的荷電效果，但環形電極內徑過小或者厚度過大，將導致液體噴射到電極表面引起放電，從而不利于液滴荷電。

4 結論

(1)環形電極內徑和厚度的改變主要對徑向場強產生影響。環形電極內徑減小或者厚度增大，靠近環形電極區域的徑向場強增大。

(2)環形電極內徑減小或者厚度增大，使空間徑向電場強度增大，液滴獲得較大徑向靜電力，最終使噴霧錐角增大。

(3)液滴荷質比隨環形電極厚度的增大或者環形電極內徑的減小而增大。因此，采用小內徑、大厚度環形電極，可以有效提高噴霧荷電效果。