CN111841992A - 一种液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于除尘技术领域，公开了一种液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法及应用，液体通过锥形喷嘴喷射到快速振动的固体表面超声振动块，在固体表面形成一层波状液体薄膜；随着固体振动振幅的增大，液膜表面波的振幅也增大；当液膜表面波的振幅增大到一定值时，波的顶部就会变得不稳定并碎裂，从固体表面喷射出大量细小的雾状液滴。本发明根据超声雾化理论，提出液滴撞击超声振动壁面的雾化方式，通过控制振动频率产生不同波长的振动，与撞击毛细波相叠加促进液滴雾化，以期得到雾滴中心粒径小于10μm的雾群。本发明采用两次雾化的方式，第一次雾化是压力液体经喷嘴射出时的雾化，第二次雾化在于液滴撞击到超声振动的壁面而产生的二次雾化。

Description

一种液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法及应用

技术领域

本发明属于除尘技术领域，尤其涉及一种液滴撞击超声振动壁的破碎雾化 方法及应用。

背景技术

目前，随着综采综掘技术的迅猛发展，粉尘引发危害也日趋严重。粉尘可 能导致粉尘爆炸事故，引起尘肺病，同时它也会使设备磨损加剧、管路堵塞等 问题，基于此粉尘控制技术的研究迫在眉睫。粉尘爆炸造成的人身伤亡十分严 重，据统计2010-2019年粉尘爆炸导致350多人死亡，受伤900余人，如图1 所示。同时，由粉尘引起的尘肺病对社会造成不良影响巨大。目前全国尘肺病 涉及数万个家庭，集中的“尘肺病村”20多个。2012-2016年全国新增职业病、 尘肺病约15万人和6万人。尘肺病给国家造成的直接经济损失达80亿元，间接损失达300亿至400亿元。因此，粉尘的控制技术的研究迫在眉睫。

液滴撞击雾化理论中涉及到固、液、气三种形态，所以在壁面上振荡的液 滴会受到单一或多因素的共同影响。首先是对液滴撞击铺展的研究，刘邱祖等 利用Boltzmann方法研究了液滴撞击壁面的铺展行为及影响因素；Cimpeanu对 通过注液针管产生的自由落体水滴与不同角度的固体表面碰撞实验，结果表明 液滴与固体壁面的接触角、液滴半径大小、液滴黏度、冲击速度等因素对铺展 过程中液滴的最大铺展半径和最大反弹高度有影响；刘红等发现液滴撞击薄液 膜的演化行为主要受液滴初始动能、表面张力及液体粘性的影响。壁面的疏水 性对液滴撞击壁面后的行为影响显著，清华大学冯西桥团队证明亲水性壁面的 有利于液滴四处飞溅。张帆用无量纲参数K与H*给出了液滴撞击湿润表面时发 生飞溅的条件。刘海龙通过纳米流体液滴撞击壁面动力学特性研究表明，亲水 性壁面的液滴铺展因子约为1.3，远大于疏水性壁面液滴铺展因子。其次是撞击 飞溅的研究，宋云超等通过观察液滴撞击湿润壁面研究了液滴以不同速度撞击 湿润壁面时，会呈现出黏附铺展、波动运动、皇冠几何体运动以及飞溅运动等 几种不同的运动形态，液滴从皇冠几何体侧壁顶端的飞溅分离满足毛细波破碎 理论。乔磊用试验方法观察到了液滴撞击壁面飞溅前的振荡现象，并测出相应 试验条件下的振荡周期为1.6ms。Shao通过研究发现，小液滴从射流顶端的分离 主要受毛细波的影响，当射流局部区域毛细波波长大于临界波长时液滴就会飞离出去。总之，撞击雾化飞溅研究较少，液滴粒径大小与毛细波波长、撞击速 度、入射粒径、壁面疏水性等因素的关系尚不明确。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：影响撞击雾化的因素有液 滴入设速度、液滴的黏度、固体平板的刚度、表面粗糙度、液固两相间的相互 浸润性、表面张力等，这些因素的影响机理仍有待深入研究；现有的撞击雾化 飞溅研究较少，液滴粒径大小与毛细波波长、撞击速度、入射粒径、壁面疏水 性等因素的关系尚不明确。目前，单液滴碰撞固体壁面的研究较多，但实际上 更普遍的是多液滴碰撞，对此的相关研究较少，机理尚不明确。因此，撞击雾 化的效率仍有待提高。

解决以上问题及缺陷的难度为：由于影响撞击雾化的因素较多，需要通过 大量的实验、仿真分析来得出雾化效率与各个因素之间的关系，且需合理设置 参数，使撞击雾化效率达到最好。另外，撞击雾化后的雾滴特性较难得出，多 液滴撞击研究理论较少。

解决以上问题及缺陷的意义为：通过实验研究与理论分析得出影响撞击雾 化液滴大小的因素，合理控制这些因素使撞击雾化的效率达到最高，得到更细 更小的液滴。本发明提出的一种液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法，采用两 次雾化，实施简单、易操作、成本较低、效果好，为解决上述问题提供了一种 新的方案。现在粉尘浓度较大的行业有金属制品加工、农副产品加工、木制品 加工和纺织品加工等，粉尘浓度过大时易引起爆炸，造成伤亡。特别是煤矿企 业，粉尘会引起的尘肺病，危及工作人员健康。提高雾化降尘效率，不仅能够 改善工作环境，提高安全性，降低发病率，还增加了社会经济效益。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种液滴撞击超声振动壁的破碎 雾化方法及应用。

本发明是这样实现的，一种液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法，所述液 滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法通过控制振动频率产生不同波长的振动，与 撞击毛细波相叠加促进液滴雾化，得到雾滴中心的雾群；采用两次雾化，第一 次雾化是压力液体经喷嘴射出时的雾化，第二次雾化在于液滴撞击到超声振动 的壁面而产生的二次雾化。

进一步，所述液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法得到雾滴中心粒径小于 10μm的雾群。

进一步，所述液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法还包括：液体通过锥形 喷嘴喷射到一个快速振动的固体表面超声振动块，在固体表面形成一层波状液 体薄膜。

进一步，所述液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法还包括：随着固体振动 振幅的增大，液膜表面波的振幅也增大。

进一步，所述液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法还包括：当液膜表面波 的振幅增大到一定值时，波的顶部就会变得不稳定并碎裂，从固体表面喷射出 大量细小的雾状液滴。

本发明的另一目的在于提供一种粉尘控制方法，所述粉尘控制方法实所述 的液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法。

进一步，第一次雾化是利用微型柱塞泵产生不同压力，并通过改变喷射器 喷嘴产生不同速度、直径的液滴。

进一步，液滴撞击到超声振动的壁面而产生的二次雾化的方法包括：通过 改变入射液滴的速度、直径、入射角度和振动频率等参数，得到不同参数下撞 击振动破碎条件，利用滴谱仪、高速摄像机及PIV技术采集不同参数条件下的 破碎雾化过程和二次液滴的运动参数，并分析其雾化机理，通过线性回归法得 到雾化粒度、速度与条件参数的影响关系，利用液-固两相流耦合计算流体力学 (CFD)方法建立撞击超声振动壁面时的波的叠加模型、反弹模型、雾化模型， 揭示液滴撞击超声振动壁面情况下液滴破碎机制。

进一步，超声振动的壁面表面涂有亲水性物质，促进液滴铺展和飞溅。

进一步，超声振动的壁面的振动频率和角度分别通过超声波发生器和角度 控制器进行控制。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：发明根据 超声雾化理论，提出液滴撞击超声振动壁面的雾化方式，通过控制振动频率产 生不同波长的振动，与撞击毛细波相叠加促进液滴雾化，以期得到雾滴中心粒 径小于10μm的雾群。本发明采用两次雾化的方式，第一次雾化是压力液体经 喷嘴射出时的雾化，第二次雾化在于液滴撞击到超声振动的壁面而产生的二次 雾化，通过两次雾化能够产生更加细小的液体雾滴。

本发明以期得到雾滴中心粒径小于10μm的雾群，对呼吸性粉尘的捕捉能 力比较强，呼吸性粉尘颗粒由于其粒径较小，故雾滴粒径较大的话不利于捕尘； 节省用水量，由于其雾滴粒度较小，使得单位质量的水利用率大大提高；后续 处理简单，由于雾滴粒径小，用水量少，所以不至于地面大量积水；节省运行 成本，该设备产生雾滴粒径小，用水量小，故加压设备以及泵、电机等都可以 选择小型的，降低了投资成本。相比传统的降尘方式，降低了各方面的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所 需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种液滴撞击超声振动壁的破碎 雾化方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法包括以下 步骤：

S101：液体通过锥形喷嘴喷射到一个快速振动的固体表面超声振动块，在 固体表面形成一层波状液体薄膜；

S102：随着固体振动振幅的增大，液膜表面波的振幅也增大；

S103：当液膜表面波的振幅增大到一定值时，波的顶部就会变得不稳定并 碎裂，从固体表面喷射出大量细小的雾状液滴。

本发明提供的液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法业内的普通技术人员还 可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的液滴撞击超声振动壁的破碎雾 化方法仅仅是一个具体实施例而已。

下面结合试验对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明首先研究液滴撞击静止(非振动)壁面时产生飞溅条件与机理。在 不同We数的情况下，液滴以不同的粒径、入射速度、入射角度撞击静止的不同 亲水性壁面所形成的铺展、反射、飞溅等特性，主要包括铺展因子、毛细波长、 飞溅粒径、数量与入射速度、入射粒径、撞击角度、亲水性和粘度的关系。进 而利用实验手段和CFD数值计算相结合的方法得出毛细波长、飞溅粒径、数量 等参数，随We数等变化的数学模型。其次研究液滴撞击振动的不同亲水性壁面 时动力学特性和雾化机理。在壁面上施加超声振动，通过改变振动频率和振幅 等参数和改变液滴入射角度、入射速度和壁面疏水性等参数，研究撞击产生的 毛细波、涟漪波与超声振动波产生干涉和衍射作用下，液滴表现出的接触、铺 展、反弹、飞溅等特性，从而得到影响液滴雾化因素及规律，利用小波分析和 CFD相结合的方法得出液滴撞击振动壁面时毛细波长、飞溅粒径等随关键因子 变化的数学模型。

本发明通过改变入射液滴的速度、直径、入射角度和振动频率等参数，得 到不同参数下撞击振动破碎条件，利用滴谱仪、高速摄像机及PIV技术采集不 同参数条件下的破碎雾化过程和二次液滴的运动参数，并分析其雾化机理，通 过线性回归法得到雾化粒度、速度与条件参数的影响关系，利用液-固两相流耦 合计算流体力学(CFD)方法建立撞击超声振动壁面时的波的叠加模型、反弹 模型、雾化模型，揭示液滴撞击超声振动壁面情况下液滴破碎机制。

本发明液滴撞击超声振动疏水壁面的破碎雾化实验方案，超声振动体表面 涂有亲水性物质，促进液滴铺展和飞溅；利用微型柱塞泵产生不同压力，并通 过改变喷射器喷嘴产生不同速度、直径的液滴，超声波发生器可以改变振动壁 面的频率；同时利用角度控制器改变壁面角度，从而得到不同的撞击振动壁面 的参数；利用滴谱仪、高速摄像机及PIV技术采集从低速到高速的不同参数条 件下的破碎雾化过程参数；利用液-固两相流耦合计算流体力学(CFD)方法建 立撞击超声振动壁面时的波的叠加模型、反弹模型、雾化模型，揭示液滴撞击 超声振动壁面情况下液滴破碎机制。

本发明提出液滴撞击超声振动壁面的雾化方式，通过控制振动频率产生不 同波长的振动，与撞击毛细波相叠加促进液滴雾化，以期得到雾滴中心粒径小 于10μm的雾群。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法，其特征在于，所述液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法通过控制振动频率产生不同波长的振动，与撞击毛细波相叠加促进液滴雾化，得到雾滴中心的雾群；采用两次雾化，第一次雾化是压力液体经喷嘴射出时的雾化，第二次雾化在于液滴撞击到超声振动的壁面而产生的二次雾化。

2.如权利要求1所述的液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法，其特征在于，所述液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法得到雾滴中心粒径小于10μm的雾群。

3.如权利要求1所述的液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法，其特征在于，所述液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法还包括：液体通过锥形喷嘴喷射到一个快速振动的固体表面超声振动块，在固体表面形成一层波状液体薄膜。

4.如权利要求3所述的液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法，其特征在于，所述液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法还包括：随着固体振动振幅的增大，液膜表面波的振幅也增大。

5.如权利要求4所述的液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法，其特征在于，所述液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法还包括：当液膜表面波的振幅增大到一定值时，波的顶部就会变得不稳定并碎裂，从固体表面喷射出大量细小的雾状液滴。

6.一种粉尘控制方法，其特征在于，所述粉尘控制方法实施权利要求1所述的液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法。

7.如权利要求1所述的液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法，其特征在于，所述第一次雾化是利用微型柱塞泵产生不同压力，并通过改变喷射器喷嘴产生不同速度、直径的液滴。

8.如权利要求1所述的液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法，其特征在于，所述液滴撞击到超声振动的壁面而产生的二次雾化的方法包括：通过改变入射液滴的速度、直径、入射角度和振动频率等参数，得到不同参数下撞击振动破碎条件，利用滴谱仪、高速摄像机及PIV技术采集不同参数条件下的破碎雾化过程和二次液滴的运动参数，并分析其雾化机理，通过线性回归法得到雾化粒度、速度与条件参数的影响关系，利用液-固两相流耦合计算流体力学(CFD)方法建立撞击超声振动壁面时的波的叠加模型、反弹模型、雾化模型，揭示液滴撞击超声振动壁面情况下液滴破碎机制。

9.如权利要求1所述的液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法，其特征在于，所述超声振动的壁面表面涂有亲水性物质，促进液滴铺展和飞溅。

10.如权利要求1所述的液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法，其特征在于，所述超声振动的壁面的振动频率和角度分别通过超声波发生器和角度控制器进行控制。

Images