荷电喷雾射流液滴二次雾化特性及机理的研究

喷射雾化在工程领域有着广泛的应用，其机理和特性是传热传质分析的重要基础，静电雾化可以明显改善雾化质量从而强化传热传质。工程应用中受温度、电场及气流作用等，静电喷雾存在独特的液滴二次雾化现象，是影响雾滴颗粒尺寸分布和二相流动结构特性的重要因素。本项目深入研究影响二次雾化的多场作用机理，通过捕捉和分析单液滴荷电破碎过程及形貌特征，研究电场、流场和温度场耦合作用下荷电液滴的破碎特生，揭示雾化机理，建立液滴荷电二次雾化的物理和数学模型。通过流场现代测试和显示技术的实验研究与数值模拟相结合的方法，应用建立的静电二次雾化模型，对大流量工业用静电喷雾射流中荷电液滴的二次雾化现象进行研究；分析电场、温度场和流动参数对静电喷雾射流雾化特性的影响及作用规律，获得优化雾化特性的关键控制参数和方案，为发展新型静电喷雾技术提供理论基础。

本项目针对荷电喷雾射流中独特的液滴二次雾化现象，通过实验测量、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究了电场及气流耦合作用下荷电液滴变形及破碎的电流体动力学特性及大流量静电喷雾射流中复杂荷电多相流动的喷雾特性，揭示了荷电喷雾射流中液滴二次雾化的机理。以单液滴为研究对象，借助显微高速数码摄像技术精确捕捉了荷电单液滴的变形破碎过程及其显微形貌特征，获得了影响脉动变形及瑞利不稳定破碎的关键控制因素，为揭示荷电雾化机理提供了实验依据。针对传统测量方法的局限性和子液滴荷电量难以精确测量的问题，设计了一种运动单液滴微小荷电量测量装置并在此基础上研究了荷电量对气动力作用下荷电液滴破碎的影响规律，建立了荷电液滴二次雾化的破碎模型。采用CLSVOF方法，建立了导电介质荷电液滴变形的数学模型，模拟了单液滴生成过程及静电场下锥射流的形成，验证了其模拟荷电两相流问题的有效性。建立了荷电黏性液体射流色散方程，数值分析了射流速度、荷电电压及黏度对荷电液体射流不稳定性的影响。设计了阵列式多通道集成静电喷雾(MES)系统，利用PIV对电场及气流耦合作用下的大流量荷电喷雾特性和流场特性进行测量与分析，提出了静电雾化特性的合理优化方案及有效控制参数，为发展新型荷电雾化技术提供理论基础。