平口噴嘴的真空射流霧化模擬分析
基于breakup 和collision 液滴破碎模型采用Fluent 和Gambit 軟件對平口噴嘴的真空射流霧化進行了模擬, 研究了環境壓力、噴射壓力和噴嘴直徑等參數對射流霧化結構和液滴索特平均直徑( Sauter mean diameter, SMD) 的影響。結果表明: 1、隨著環境壓力的降低, 噴射束寬度減小, 射流貫穿距離和SMD 增加。當環境壓力小于0.01MPa 時, 各霧化性能參數的變化幅度減小; 2、環境壓力和噴嘴直徑一定, 隨著噴射壓力的增加, 噴射束寬度呈先快速后緩慢增加的趨勢, 而射流貫穿距離近似線性增加, SMD 值變化不明顯;3、噴嘴直徑越小, 噴射束寬度和射流貫穿距離越大, SMD 值越小, 射流霧化效果越好, 更易制備出光滑致密的聚合物薄膜。
聚合物有機納米復合薄膜, 以其質量輕、柔韌性好及易于加工等特點在光電器件領域具有廣泛的應用。傳統的蒸發和濺射等鍍膜工藝因高溫熱致燒蝕和化學分解等問題很難用來制備高分子聚合物有機薄膜。隨著跨學科領域合作日漸緊密, 許多納米技術工藝都與液相材料相關。目前基于溶液的薄膜制備方法主要有旋涂法、噴墨打印法、絲網印刷法、溶膠-凝膠法( so-l gel) 等, 這些方法多是在大氣環境中進行, 成膜不均勻, 多氣孔, 易受氧氣、溶劑及灰塵的污染, 影響薄膜器件的使用效率、壽命與性能。真空噴射法則充分利用了真空條件與液相技術并融合了化學技術, 可制備質量輕、面積大及表面光滑致密的聚合物薄膜, 具有膜厚均勻、雜質少及薄膜成分梯度可控等優點。
現階段關于真空噴射的文獻多局限于對所得薄膜形貌和光電特性的表征, 如Tanaka 等用真空脈沖噴霧法在Cu(111) 基片上沉積得到單個DNA 分子并觀察了其螺旋結構; Gledhill 等用真空噴霧熱解法制備了氧化鋅薄膜并研究了其電學特性;Elidrissi 等用同樣方法制備了CeO2 薄膜, 觀察了其表面形貌并研究了其光學特性。Mo 等對真空噴射制備對苯乙炔( MEH-PPV) 薄膜的噴霧過程進行了初步研究, 實驗分析了錐形噴嘴安裝方向、噴嘴直徑和基片溫度對噴霧錐角、霧滴粒徑及成膜特性的影響, 發現出口直徑為10 um 的噴嘴正安裝時具有較大噴霧錐角和較小霧滴粒徑, 基片溫度為473 K時所得薄膜致密性較好和溶劑殘留較少。薄膜的結構和霧化特性直接取決于噴射過程和霧化效果, 受噴嘴結構、噴射壓力、噴射環境等綜合因素的影響,目前有關這方面的真空噴射理論模擬研究鮮有報道。
本文以聚合物溶液制備納米功能薄膜的真空噴射法為出發點, 通過Fluent 和Gambit 軟件以平口噴嘴霧化模型為基礎, 對真空射流噴射過程進行了模擬研究, 分析了不同環境壓力、噴射壓力和噴嘴直徑對霧化結構特性和SMD 的影響規律。
1、射流流場模型
本文選用平口噴嘴作為噴射霧化模擬分析的模型, 平口噴嘴是機械霧化直射式噴嘴中的最簡單的一種壓力噴嘴, 其研究具有廣泛性和實用性。平口噴嘴的真空噴射射流空化流動和霧化模型如圖1所示。流體經由噴嘴噴射到真空室并霧化成液滴,由于噴嘴的特有結構, 在噴嘴入口截面變化處會產生空化現象, 影響噴射過程, 本文主要研究霧化結構特性和索特平均直徑( SMD) 。為減少計算量, 利用Gambit 軟件將外部射流流場區域的模擬計算簡化為二維軸對稱問題。計算區域簡化為500 mm × 100mm 的矩形, 軸線入口處設為原點, 噴嘴入射點為( 0. 1, 0) , 網格在靠近軸線附近加密, 計算域四壁均為Wall, 近似無滑移。需要指出, 射流貫穿距離以及噴射束形狀等噴霧特性都會受到網格尺寸的影響。
圖1 射流空化和霧化模型及其霧化計算域邊界條件
2、霧化模型和計算方法
隨著CFD ( Computional Fluid Dynamics) 技術的發展, 對霧化過程進行數值仿真已成為一種重要的新興研究方法。本文選用Fluent 軟件提供的平口噴嘴霧化模型, 其模型的建立主要是基于平口噴嘴內的空化現象, 不同的空化狀態決定了射流的初始速度、液滴尺寸及霧化角等噴霧特性。霧滴類型為慣性顆粒, 為精確地模擬霧化過程, 考慮霧滴的合并和破碎, 選用breakup 和collision 模型, 計算采用非穩態計算, 時間步長為1×10- 6 s, 計算1000 步, 即噴霧結果為噴射1 ms 后的情況。
3、模擬結果與分析
真空射流霧化效果主要取決于霧化結構和SMD。前者主要表現為噴射束的寬度和射流的貫穿距離, 根據噴射束寬度可確定基片尺寸, 貫穿距離說明射流所具有的能量。SMD 是液滴體積總和與液體表面積總和之比, 能較真實地反映液體的霧化程度。SMD 越小則霧滴尺寸越小, 所制得薄膜就越光滑致密。影響射流霧化結構和SMD 的主要因素有環境壓力pb、噴射壓力pin和噴嘴直徑d 。真空噴射法制備聚合物薄膜所用溶液為聚合物與小分子溶劑所組合成的稀溶液, 聚合物分子是以孤立的分子形式存在的, 相互作用小, 溶液粘度低且穩定, 若無化學變化, 其性質不隨時間而改變, 是一個熱力學穩定體系, 除了粘性、密度和飽和蒸汽壓外, 其溶液性質同水基本相同。聚合物稀溶液具有多樣性, 為便于實驗研究, 選取純水作為噴射溶液, 平口噴嘴長度為1 mm, 模擬分析了不同環境壓力、噴射壓力和噴嘴直徑對霧化結構特征和SMD 的影響。
3.1、環境壓力對射流霧化結構及SMD 的影響
圖2 為不同環境壓力下的射流霧化結構。當環境壓力為1 和0.1MPa 時, 霧化結構為傘狀, 大量細小液滴脫離射流主體向外圍擴散。當環境壓力低于0.1 MPa 時, 有少量液滴從射流主體中剝落, 貫穿距離增加。隨著環境壓力的降低, 霧化結構沒有明顯變化。
圖2 不同環境壓力下噴霧形態及直徑大小( pin= 10MPa, d= 0.2 mm)
為進一步分析環境壓力對射流霧化結構的影響, 我們比較了不同壓力下噴射束寬度和射流貫穿距離的變化曲線, 并依據氣體動力干擾理論做了解釋。如圖3 所示, 當環境壓力為1 和0. 1MPa 時, 真空室內氣體數密度較大, 液體初次破碎產生的液滴與氣體的相互作用促使其進一步破碎為細小液滴,而小液滴的速度衰減比大液滴快而對射流產生阻礙作用, 隨著噴射距離的增加, 細小液滴逐漸脫離射流主體而形成類似傘狀的霧化結構, 同時噴射束寬度增加而貫穿距離減小, 一些研究人員在進行柴油機噴霧特性試驗過程中也發現了此現象。在低壓下, 射流霧化結構受氣液相互作用和噴嘴出口湍動能雙重影響。溶液噴出噴嘴的湍動能與噴嘴直徑和噴射壓力有關且為一恒值, 而液滴與氣體的相互作用隨著環境壓力的降低而減小。隨著噴射的進行, 射流呈液柱狀, 同時噴射束寬度減小而貫穿距離增加。當環境壓力小于0.01 MPa 時, 空室內的空氣分子與液束的相互作用所產生液滴的擴散性很小, 噴射束寬度變化幅度不明顯。當環境壓力減小到溶液飽和蒸汽壓( pw= 2. 81 × 103Pa) 時, 部分溶液在射流周圍蒸發變為氣體, 由于這屬于一個突發性相變的過程, 抽真空裝置抽除這部分氣體需要一定的時間, 初始時這部分氣體不能被迅速除抽而使液束周圍的氣體分子數增加, 對射流產生阻礙作用, 使貫穿距離相應減小; 一定時間后, 噴射束附近蒸發出的氣體被抽真空裝置抽除, 液束周圍環境壓力降低,真空室內的空氣分子減少, 對液束的阻礙作用減小,射流貫穿距離增加。隨著環境壓力的進一步降低,真空室內的空氣分子數密度已經很少, 對射流的阻礙作用很小, 則氣液的相互作用可忽略, 而噴嘴出口處的湍動能與噴嘴直徑和噴射壓力有關, 在噴射壓力和噴嘴直徑一定的條件下, 射流所具有的能量為定值, 故隨著壓力的降低, 射流的貫穿距離的變化幅度很小。
圖3 霧化結構特性和SMD 與環境壓力的關系曲線( pin= 10 MPa, d = 0.2 mm)
