高粘度流体微孔压电超声雾化器研究

摘要

细小微粒在农业、工业上有着越来越多重要的应用,微孔压电超声雾化器作为一种能够形成细微雾滴的喷雾装置,得到了人们的广泛关注.微孔压电超声雾化器在工业、农业等众多领域具有广泛应用,如工业制造中的喷雾热解与喷雾冷却,医疗卫生中的气雾吸入治疗,日常生活的空气净化等,甚至可有效应用在防治虫害上.微孔压电超声雾化器具有结构简单、雾滴粒径均匀细小、雾化效率高和功率消耗低等优点.　　现有文献关于微孔压电超声雾化器的应用研究主要侧重在医用领域,对于高粘度流体微孔超声雾化器的研究却较为缺乏.适用于高粘度流体的微孔超声雾化器的研究有助于其在农业、工业等领域的推广,对低容量喷雾有着重要意义,因此有必要进行高粘度流体微孔超声雾化器的研究.本文提出了一种可用于高粘度流体的雾化器,其创新点在于通过仿真、试验等多个方面比较雾化器在有或无流体环境下的工作状态差异,以及液体物理性质对微孔压电超声雾化效果的影响.　　本文的研究内容主要包括如下几个方面:　　(1)综述了压电超声雾化器研究现状与发展趋势,介绍了超声雾化和微孔压电超声雾化的雾化机理研究;　　(2)采用 DesignModeler 以及 SolidWorks 建立雾化片的模型,在 ANSYS Workbench中搭建微孔压电超声雾化的模态分析、流固耦合模态仿真分析.通过两种模态分析,得出高粘度流体微孔压电超声雾化器的振动类型与工作频率,对比干模态以及湿模态分析结果的差异.研究雾化片微孔数目、微孔直径以及微孔锥度对谐振频率的影响.根据几种结构下的较理想振型,给出了高粘度微孔压电超声雾化器的初步设计方案及最佳振型谐振频率范围;　　(3)根据初步设计方案加工高粘度微孔压电超声雾化器,通过激光测振试验得出高粘度流体微孔压电超声雾化器的谐振频率,所得结果与仿真结果进行相互论证,再通过雾化流量试验确定最优驱动频率;　　(4)搭建了微孔压电超声雾化效果测试系统,选用包括高粘度流体在内的工作流体作为雾化对象,测量了液体的表面张力、粘度、微孔直径和驱动电压对压电微孔超声雾化的雾滴粒径和雾化流量的影响,并分析了雾化效果的变化趋势.试验结果表明,当增大工作流体的表面张力时,雾滴粒径和雾化流量均增大.当增大粘度时,雾滴粒径增大,雾化流量减小.雾滴粒径和雾化流量随着微孔直径的增大而明显增大,随着驱动频率的增大呈先增大后减小的趋势,随着驱动电压的升高而先增大后减小.雾化流量达到峰值所对应的驱动频率与雾滴粒径达到峰值时的基本吻合,液体的动力粘度越大,雾化所需的功率越大.高粘度的液体可通过增大雾化片微孔直径或提高驱动电压实现微孔压电超声雾化.根据上述试验结果对高粘度流体微孔压电超声雾化器的设计方案做出补充;　　(5)总结全文工作情况,综合分析得出高粘度流体微孔压电超声雾化器的设计方案,为该类型微孔压电超声雾化装置的研究提供理论和试验参考.指出本文存在的不足,提供后续研究的展望.

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