振动微锥孔式雾化器原理及冷却应用研究

发布时间：2018-07-23 11:18

【摘要】：雾化是将液体喷射进入气体介质中,使之分散并碎裂成小颗粒液滴的过程。喷雾在我们的日常生活、工业、农业及医疗中都有大量的应用。相对于传统雾化器,振动微锥孔式雾化器采用压电陶瓷作为其驱动源,具有结构简单、雾化效率高、可以雾化高粘度液体、雾化液滴颗粒小且分布均匀等优点而受到关注。现有文献对微锥孔雾化器的研究主要偏向于性能和应用的研究,对其雾化理论的研究却较为缺乏。为了研究振动微锥孔式雾化器的雾化机理本文在分析液体在微锥孔中流动过程的基础上发现了雾化器的工作原理,在此基础上分析了雾化液滴的形成过程,并研究了雾化器在喷雾冷却中的应用。研究工作为振动微锥孔式雾化器的优化和改进提供了一定的理论基础。具体研究内容如下:1.发现了振动微锥孔式雾化器产生泵效应的原理。首先利用坐标变换的方法计算得到了微锥孔在周期性振动中的体积变化规律,随后在分析渐扩/渐缩流动的阻力特性的基础上发现了微锥孔内产生的周期性容积变化能够驱动流体产生单相流动,将其称之为动锥角的泵效应。为了验证动锥角的泵效应本文搭建了雾化试验平台,分别对带有锥形孔的雾化器和带有直圆柱孔的雾化器进行了雾化性能试验,同时研究了雾化器在不同谐振频率下的雾化量。试验发现通过锥孔正向产生的雾化量远大于反向的雾化量而直圆柱孔的雾化量大小则与方向无关;雾化器的雾化量随着布撒器的变形复杂程度增加而增加。试验现象证明了动锥角泵效应的存在。2.计算了液体在微锥孔内的渐扩和渐缩流动特性。联合解析方法和数值计算的方法分析了雷诺数、锥角、长径比和面积比等参数对流动阻力系数的影响,计算结果表明:渐缩流动的流动阻力系数仅受锥角大小的影响,随着锥角的增加而减小;渐扩流动的流动阻力系数的大小主要由锥角的大小决定,但是长径比和面积比同样对流动阻力系数有影响;增加锥孔角度可以增强动锥角效应。研究结果给雾化器的优化设计提供理论基础。3.计算了雾化液滴的产生过程。首先利用线性不稳定原理和张力波破碎理论计算了雾化液滴大小并和现有文献数据进行了对比,发现这两个主要的雾化理论都不适用于振动微锥孔式雾化器;随后利用边界元法计算了雾化液滴的形成过程,发现雾化液滴形成的主要原因是微锥孔内由布撒器振动产生的周期性负压对喷出液体的拖拽作用。最后研究了锥角大小、锥孔的压力大小及频率等因素对液滴形成的影响。该计算可以为雾化器的液滴控制提供理论指导。4.实验研究了振动微锥孔式雾化器的喷雾冷却特性。喷雾冷却由于其对流换热系数大、温度控制稳定等特点而广受应用,而传统的喷雾冷却一般采用压力喷雾系统。本文搭建了以旋转发热管作为模拟发热源、振动微锥孔式雾化器作为雾化源的喷雾冷却实验平台,研究了雾化量、雾化高度、驱动频率、发热管转速等参数对喷雾冷却性能的影响。研究结果表明雾化器在雾化量为2.56 ml/min时可冷却的最大热量为60.13 W,雾化量和喷雾高度对喷雾冷却性能的影响明显,其中喷雾高度对喷雾冷却性能的影响最终主要还是反应在雾化量上,而驱动频率和发热管的转速等参数对喷雾冷却性能的影响很小。
[Abstract]:On the basis of analyzing the flow process of micro - cone - hole atomizer , it is found that the flow resistance coefficient of micro - cone is much larger than that of reverse atomization , and the effect of atomizer in spray cooling is studied .
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH69

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本文编号：2139236