判断雾化冲击射流液滴沉积附着于基板所需工况条件的方法

摘要

本发明公开了一个判断雾化冲击射流液滴沉积附着于基板所需工况条件的方法。该方法通过对泡状雾化喷嘴冲击射流进行三维的数值建模，所用数值模型经实验验证后，用于分析气液质量流量比，喷嘴口径，液体质量流速和基板所处位置等工况条件对冲击射流最终喷涂结果的影响。本发明通过对雾化和喷涂两个过程进行整体考虑，界定了雾化冲击射流液滴沉积附着于基板所需工况条件的范围，提供了通过控制雾化的工况条件来得到理想喷涂效果的有效途径，可为雾化喷涂的实际应用提供预测标准和调节办法。

说明书

技术领域

本发明属于雾化喷涂领域，尤其涉及一种判断雾化冲击射流液滴沉积附着于基板所需工况条件的方法。

背景技术

雾化射流喷涂在工业上有着广泛的应用，如纺织工业中的复贴技术，热喷涂中功能材料的制备。它是一个多参数共同作用的复杂过程，主要包括雾化和喷涂两大子过程，这两大过程即各自受不同的机理控制，又通过共同参数相互承接关联，雾化过程为喷涂过程提供了初始条件，对最终的喷涂效果有决定性影响。为了得到理想的喷涂效果，优化雾化冲击射流过程，必须对两个子过程进行整体把握。以往的理论研究往往侧重于子过程的内部机理，而缺乏从整体角度考虑各过程之间的联系，对于如何通过控制雾化工况条件以优化喷射沉积过程的研究很少见。

本发明所针对的喷嘴是气泡雾化喷嘴，该喷嘴在1988年由Lefebvre首先研发，是一种较为新型的雾化喷嘴。相比传统的压力喷嘴，两相流喷嘴，气泡雾化喷嘴有着雾化质量高、耗气量小、雾化效果基本不受出口直径影响等特点，有着广阔的应用前景，目前已成功运用于燃烧，制药，等离子喷涂等领域。但现有的研究尚未提出泡状雾化喷嘴运用于喷涂领域时，其运行参数对最终喷涂效果的影响趋势。此外，为获得液滴附着于基板的理想喷涂效果，一个有效的调节方法和合理的工况参数运行范围也尚未被提出。

发明内容

本发明的目的是针对于实际应用，提出泡状雾化喷嘴用于雾化冲击射流时液滴沉积附着于基板所需工况条件的运行范围和条件方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：对于典型的亚音速泡状雾化喷嘴(即喷嘴内部为稳定的气液两相泡状流动)，为获得液滴沉积附着于基板的喷涂效果，有利的工况条件是较小的气液质量流量比和液体质量流速，较大的喷嘴直径和基板与喷嘴之间的间距。且当雾化介质为空气和水，冲击基板平滑无弹性，放置位置垂直于喷嘴的中轴线的情况下，当工况条件为：气液质量流量比为0.02～0.06，喷嘴直径为0.3～0.5cm，液体质量流速为20～80kg/h，喷嘴内部压力为2×10⁶～5×10⁶g/cm·s²，基板和喷嘴之间的距离为150～250mm时，雾化液滴撞击基板时的总体趋势为附着粘贴。

本发明的有益效果是：本发明通过对雾化和喷涂两个过程进行整体考虑，界定了雾化冲击射流液滴沉积附着于基板所需工况条件的范围，提供了通过控制雾化的工况条件来得到理想喷涂效果的有效途径，可为雾化喷涂的实际应用提供预测标准和调节办法。

附图说明

图1是泡状雾化喷嘴冲击射流示意图；

图2是液滴撞击基板的结果图：(a)反弹，(b)附着，(c)飞溅；

图3是一次雾化和二次雾化模型流程图。

具体实施方式

如图1(其中1，2分别是雾化所需液体和气体，3指基板，4是泡状雾化喷嘴)，泡状雾化喷嘴冲击射流过程可分为雾化和喷涂两个子过程，首先压缩空气和液体在喷嘴内部形成稳定的泡状两相流动，在喷嘴出口处由于气泡对液体的挤压剪切，膨胀破裂作用，使连续的液体发生破碎雾化，形成细小的液雾颗粒，这些颗粒在湍动的射流场中是极不稳定的，在喷嘴中下游会发生碰撞、破碎、合并等二次雾化过程，最终液滴将撞击基板，即喷涂过程。现有的研究表明：雾化液滴撞击基板可能发生三种情况(如图2)：一是反弹，二是附着，三是飞溅。理想的喷涂效果是雾化后的液滴撞击基板粘帖附着，不发生反弹和飞溅。判断液滴撞击结果可用无量纲数K数和We数来界定，K数和We数与液滴入射时的物性，速度和粒径大小相关，定义为：其中μ_l是液体粘性，d_l是液滴粒径，v_l是液滴法向速度，ρ_l是液体密度，σ_l是液体表面张力。如基板是光滑无弹性的，经C.Mundo等人的实验总结当We数小于5时，液滴反弹，当K数大于57.7时，液滴飞溅，当We数大于5且K数小于57.7时，液滴附着沉淀。由K数和We数的定义可知，计算K数和We数的关键量是入射液滴的粒径和法向速度。

为了确定当雾化介质是水和空气时，雾化液滴撞击基板粘帖附着所需工况参数的范围，本发明采用对泡状雾化喷嘴雾化冲击射流过程进行数值建模，将各个运行参数对平均液滴粒径和速度的影响逐一加以分析，确立能保证K数小于57.7而We数大于5的运行参数范围。本发明所用的数值模型框架如图3所示，包括一次雾化模型和二次雾化模型，其中一次雾化模型是基于Lund所提出的SMD的经验公式(SMD是所有液滴颗粒的体积和表面积之比，常用于雾化射流领域，表征平均粒径)，假设一次雾化过程起始于环状的气液形态，随后经历了由环状液膜破碎到柱状液线，再由柱状液线波动破碎成小液滴碎片，最终每个碎片形成一个球状液滴，其中认为柱状液丝的直径等于环状液膜的厚度。一次雾化模型的建立是为了根据工况条件得到初始的颗粒平均粒径，为二次雾化的计算提供初始条件；二次雾化模型中，湍流场的计算采用k-ε湍流模型，粒子计算采用拉各朗日方法，建立了受力、碰撞、破碎三种粒子模型，由此模拟了轴对称三维射流的流动过程，其中粒子和流场为双向耦合。粒子受到的外界作用力简化为气动力和重力。破碎模型采用了适用于雾化喷流的CAB模型，碰撞模型考虑了液滴碰撞后合并和反弹两种情况。一次雾化模型和二次雾化模型均已经实验数据验证，可用于模拟雾化射流过程。

本发明运用此模型模拟雾化射流外部流场，考虑有基板存在的冲击射流过程，计算所得基板附近入射液滴的平均粒径大小和速度，用于预测K数和We数，最后经过分析得出雾化冲击射流中，有利于K数小于57.7，We数大于5，即有利于获得液滴沉积附着于基板的喷涂效果的参数调节方法，此外还得出当雾化介质为水和空气时，雾化液滴沉积附着于基板所需工况条件的范围。

本发明采用的技术方案的主要步骤如下：

第一步确认喷嘴类型和喷嘴外部环境：喷嘴类型为典型的亚音速泡状雾化喷嘴，喷嘴出口的气液两相流的流型应为泡状流动，其中雾化液体为液态水，雾化气体为空气。喷嘴外部的介质为空气，状态是常温常压。冲击基板平滑无弹性，放置位置垂直于喷嘴的中轴线。

第二步调节工况参数在以下范围内：气液质量流量比为0.02～0.06，喷嘴直径为0.3～0.5cm，液体质量流速为20～80kg/h，喷嘴内部压力为2×10⁶～5×10⁶g/cm·s²，基板和喷嘴之间的距离为150～250mm，可使K数小于57.7，We数大于5，雾化液滴撞击基板时的总体趋势为附着粘贴。且较小的气液质量流量比和液体质量流速，较大的喷嘴直径和基板与喷嘴之间的间距有利于液雾撞击基板粘帖。

以下结合三个例子来说明本发明的有效性。三个例子分别取上述工况参数范围的两个极值和一个中间值，以表明在此范围内，可使K数小于57.7，We数大于5，满足液滴沉积附着于基板所需条件。

实施例1：当气液质量流量比为0.02，喷嘴直径为0.5cm，液体质量流速为20kg/h，喷嘴内部压力为2×10⁶g/cm·s²，基板和喷嘴之间的距离为250mm时，由数值模型计算可得基板附近液滴的平均粒径d_l为65.8μm，法向平均速度v_l为12.5cm/s，水的粘度μ_l为0.01g/(cm·s)，水的表面张力σ_l为72g/s²，水的密度ρ_l为1g/cm³，将其带入K数和We数，得符合K数小于57.7，We数大于5的液滴粘贴附着于基板所需条件。

实施例2：当气液质量流量比为0.06，喷嘴直径为0.3cm，液体质量流速为80kg/h，喷嘴内部压力为5×10⁶g/cm·s²，基板和喷嘴之间的距离为150mm时，由数值模型计算可得d_l为36.23μm，v_l为557cm/s，同实例1计算可得K＝43.35，We＝11200，符合液滴沉积附着于基板所需条件。

实施例3：当气液质量流量比为0.04，喷嘴直径为0.4cm，液体质量流速为50kg/h，喷嘴内部压力为3.5×10⁶g/cm·s²，基板和喷嘴之间的距离为200mm时，由数值模型计算可得d_l为48.52μm，v_l为113cm/s，同实例1计算可得K＝7.35，We＝620，符合液滴沉积附着于基板所需条件。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。