射流振动形成均匀液滴的影响因素研究

刘 超

(昌乐县劳动技工学校，山东 昌乐 262400)

射流振动形成均匀液滴的影响因素研究

刘 超

(昌乐县劳动技工学校，山东 昌乐 262400)

以油-水双液相体系为研究对象，探究了射流振动分散中，频率、流速对形成的液滴均一性的影响。在协调振幅、频率、流速三个因素下，分析获取形成均匀液滴的操作方式。

振动分散；射流；均匀液滴；频率；流速

用振动分散的方式获得粒度均匀的颗粒关键在于射流断裂能产生粒径均匀的液滴。在液柱向空气中进行的振动喷射中(液-气)，对射流施加一定频率的扰动可使其断裂为均匀液滴 。在实际生产中，天津大学开发的喷射振动造粒技术用于粒状烧碱的生产已取得成功，金属均匀液滴技术也已应用到金属粉末的生产中。

液-气体系振动分散的研究比较丰富，但在互不相溶的液-液体系中研究较少，研究液-液体系振动分散形成均匀液滴的影响因素，对化工生产中的连续悬浮聚合方式具有重要意义，本文着重对频率、流速对形成液滴的影响进行了探讨。

1.实验方法

实验利用振动分散装置，选择油-水体系进行模拟实验。考虑到工业要求，喷嘴孔径选择0.4mm、0.5mm两种规格，流速选定在0.1-3.0m/s，施加的频率为50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz五个点，振幅确定为从0初始施加到仪器振幅的上限，研究频率、流速对振动分散形成液滴的均一性的影响。

表1 喷嘴参数

2.实验结果分析

2.1 频率的影响

在液-气振动分散研究中，SAKAI认为，在产生均匀液滴的范围内，每次振动射流断裂形成一个液滴，其直径D=3d2u2f13。图1、图2是2#喷嘴当流速为1.019m/s和1.189m/s时，分别在100Hz、150Hz、200Hz、250Hz时产生均匀液滴的示意图。当频率在100Hz时，液滴的平均直径分别为1.65mm和1.90mm；当频率增加到250Hz时，平均直径减小到1.23mm和1.36mm。振幅对均匀液滴直径的大小几乎没有影响，由此可知直径的不同是频率变化引起的，液滴的直径随着频率的增加而减小。这是因为流速一定，频率升高使得射流断裂速度加快，单位时间内形成的液滴数目增多，从而导致直径减小。图3中虚线表示的是SAKAI理论计算值，实线为实验值。实验值要比理论值大，这是因为射流环境中介质粘性的存在使得射流断裂时间增长，并且流速越大，射流液柱受到介质的流体力作用越明显，与理论的计算值偏离越远。

图1 频率对直径的影响(U=1.019m/s )

表2 2#喷嘴1.019m/s时直径的实验值与理论值

图2 频率对直径的影响(U=1.189m/s )

表3 2#喷嘴1.189m/s时直径的实验值与理论值

图3 频率对直径的影响

2.2流速的影响

图4和图5表示在能产生均匀液滴的范围内，相同孔径、频率、振幅条件下流速对液滴直径的影响。从图6曲线看出，其他条件一定，随着流速的增加，直径越来越大。这是因为根据SAKAI理论，在能产生均匀液滴条件下，每次振动射流断裂形成一个液滴，频率相同，液柱断裂时间相同，流速的增加必然导致断裂液滴体积的增大。这种现象在高频率下比较平缓，而在低频率下则比较明显，这是因为在低频率下射流断裂慢，在流速增加相同的情况下，液滴体积增长更快导致的。

表4 流速对直径的影响(1#，250Hz，40)

图4 流速的影响(1#，250Hz，40)

图5 流速的影响(2#，150Hz，90)

流速(m/s)0．8491．0191．1891．3591．5291．669直径(mm)1．4191．5161．5161．5821．6451．806

图6 流速对直径的影响

2.3 产生均匀液滴的调试

振幅影响液滴形成的状态，流速、频率影响生成液滴的直径以及形成均匀液滴的操作范围。要使射流振动分散形成均匀的液滴，必须协调好三者之间的关系。以2#喷嘴试验数据为例，在流速为0.34m/s时，只有在50Hz时可以得到均匀的液滴，这是因为在低流速下，射流液柱生长慢，施加高频率，喷嘴的振动速度加快，射流断裂的周期可能要超过喷嘴的振动运动周期，在喷嘴运动到2倍波长或者更大时形成；射流流速慢，液柱内部稳定性较强，射流断裂所需的能量大，但在额定功率下，施加的频率越大，振幅的上限值越小，施加的扰动不足以导致其断裂，因此高频的扰动对低速的射流液柱断裂影响较小。相反，在高流速、低频率下，液柱表面不稳定极易断裂，射流液柱的生长断裂速度快于喷嘴的振动速度，造成一部分液滴由自然射流断裂形成，一部分液滴可能形成在1/2波长或更短的扰动处，导致了液滴的破碎或合并。图7(A)是低流速高频率下的射流断裂状态，图7(B)是高流速低频率下的射流断裂状态。由此可见，要使振动射流分散形成均匀的液滴，在流速较慢时，应该降低频率值并增加振幅；在流速较快时，应提高频率，降低振幅。

图7 低速高频及高速低频振动射流断裂

3.结论

1、在能产生均匀液滴的范围内，液滴的直径随频率的增加而减小。由于介质阻力的存在，实验所得的液滴直径要比SAKAI理论值大。

2、在能产生均匀液滴的范围内，振动射流断裂形成的液滴直径，随着流速的增加而增大，且低频率时要比高频率时更明显。

3、要使振动射流断裂形成均匀的液滴必须协调振幅、频率、流速三者间的关系：在流速较慢时，应该降低频率值并增大振幅；在流速较快时，应增大频率并降低振幅。

[1]Paul A，Hass.Formation of Uniform Liquid Drops by Application of Vibration Laminar Jets[J] . Ind Eng Chem Res . 1992, 31 ： 959-967.

[2]周守荣，黄建群.压电式共振腔均匀液滴发生器的设计与研制[J]. 四川联合大学学报，1999， 3(2)： 65-67.

[3]康仕芳，靳风民，陈松.振动喷流造粒技术在烧碱生产中的应用[J].氯碱工业. 2003，(09)：24-26.

[4]黄菲，杨方，罗俊，曾祥辉，齐乐华.均匀金属液滴喷射微制造技术的研究现状[J].机械科学与技术，2012(01)：38-44.

[5]武新春，董彩霞. 在液_液振动分散体系中振幅对液滴均一性的影响[J]. 内蒙古石油化工，2013(19)：26-29.

[6]刘超，徐俊英，王发刚.油-水体系均匀液滴分散装置的改进研究[J].工业技术与职业教育，2012,9(3)：1-2.

Research on Influence Factors of Uniform Droplets Formed by Jet Vibration

LIU Chao
(Technical School of Changle, Changle 262400, China)

The influence factors of uniform droplets formed by jet vibration were researched from the aspects of frequency and flow rate in the oil-water system. The operation mode of generating uniform droplets was obtained by regulating the amplitude, frequency and flow rate.

vibration dispersion; jet-flow; uniform droplets; frequency; flow rate

2016-12-01

刘超(1983- )男，硕士，昌乐县劳动技工学校讲师， 研究方向：悬浮聚合工艺改进研究。

TQ022

A

1671-3974(2017)01-0045-03