稳定多股射流及其阵列集成的静电雾化特性研究

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基于电流体动力学现象发展的静电喷雾是一种形式简单,易于调控的雾化技术,具有以超低能耗获得大量微/纳米级液滴群的独特优势,可显著改善液体的雾化性能,提高多相流动的传热传质效率,其在微/纳米颗粒或薄膜制备、生物制药、微型燃烧、喷雾冷却、空间微动力推进等领域的应用价值日益凸显。关于静电喷雾的研究大都聚焦于所谓的锥射流模式,但要想通过稳定锥射流雾化获得单分散性良好的微/纳米级液滴,就必须控制供应流量在极小的量级,而这又无法满足许多工业应用的实际需求。稳定多股射流及其阵列集成雾化是突破静电喷雾流量瓶颈的有效途径,但涉及的稳定多股射流形态及股数演变行为、稳定雾化运行区间、稳定多股射流模式中的射流特性、喷雾液滴的尺度以及电压边缘效应下阵列集成稳定多股射流雾化特性等尚不明确,具有重要的研究价值。本文对稳定多股射流及其阵列集成的电流体动力学雾化特性开展了实验研究,主要研究工作及创新点如下:稳定多股射流模式中射流结构演变行为及射流特性研究。借助高速摄像技术精确记录了稳定多股射流结构随射流股数演变的显微形貌特征。利用电韦伯数EWe、电邦德数EBo界定了不同射流模式的运行域,获得了稳定射流股数的分布特征,发现了稳定多股射流模式中存在的电压开关现象,并通过表征变量描述了稳定多股射流的结构特征,为稳定多股射流阵列集成装置的构型设计提供了重要的参考依据。稳定多股射流的电流体动力学雾化特性研究。采用高速喷雾粒度分析仪实时记录了稳定多股射流雾化形成喷雾液滴的尺度信息,并对评价喷雾性能的相关统计数据进行了处理和分析,探讨了电韦伯数和电邦德数对液滴平均尺寸及液滴粒径分布特征的影响,分析了稳定多股射流模式下喷雾液滴尺寸的均匀性,研究结果为阵列集成稳定多股射流雾化特性的分析奠定了实验基础。阵列集成稳定多股射流的电流体动力学雾化特性研究。设计并构建了阵列集成微通道电流体动力学雾化系统,提出增加双层交叉空间屏蔽电极作为解决电压边缘效应的方法,精确记录了阵列集成稳定多股射流雾化的射流形貌演变特征,探讨了不同集成度装置下的稳定运行电压区间,分析了供应流量和集成度对喷雾液滴的平均尺寸及液滴粒径分布的影响,确定了阵列集成装置下形成稳定多股射流运行的关键控制参数,为更高集成密度的阵列集成微通道电流体动力学雾化装置设计提供了参考依据。
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