判斷霧化衝擊射流液滴沉積附著於基板所需工況條件的方法

2023-05-06 05:41:41 2

專利名稱：判斷霧化衝擊射流液滴沉積附著於基板所需工況條件的方法
技術領域：
本發明屬於霧化噴塗領域，尤其涉及一種判斷霧化衝擊射流液滴沉積附著於基板
所需工況條件的方法。
背景技術：
霧化射流噴塗在工業上有著廣泛的應用，如紡織工業中的復貼技術，熱噴塗中功 能材料的製備。它是一個多參數共同作用的複雜過程，主要包括霧化和噴塗兩大子過程，這 兩大過程即各自受不同的機理控制，又通過共同參數相互承接關聯，霧化過程為噴塗過程 提供了初始條件，對最終的噴塗效果有決定性影響。為了得到理想的噴塗效果，優化霧化衝 擊射流過程，必須對兩個子過程進行整體把握。以往的理論研究往往側重於子過程的內部 機理，而缺乏從整體角度考慮各過程之間的聯繫，對於如何通過控制霧化工況條件以優化 噴射沉積過程的研究很少見。 本發明所針對的噴嘴是氣泡霧化噴嘴，該噴嘴在1988年由Lefebvre首先研發，是 一種較為新型的霧化噴嘴。相比傳統的壓力噴嘴，兩相流噴嘴，氣泡霧化噴嘴有著霧化質量 高、耗氣量小、霧化效果基本不受出口直徑影響等特點，有著廣闊的應用前景，目前已成功 運用於燃燒，製藥，等離子噴塗等領域。但現有的研究尚未提出泡狀霧化噴嘴運用於噴塗領 域時，其運行參數對最終噴塗效果的影響趨勢。此外，為獲得液滴附著於基板的理想噴塗效 果， 一個有效的調節方法和合理的工況參數運行範圍也尚未被提出。

發明內容
本發明的目的是針對於實際應用，提出泡狀霧化噴嘴用於霧化衝擊射流時液滴沉 積附著於基板所需工況條件的運行範圍和條件方法。 本發明的目的是通過以下技術方案來實現的對於典型的亞音速泡狀霧化噴嘴 (即噴嘴內部為穩定的氣液兩相泡狀流動)，為獲得液滴沉積附著於基板的噴塗效果，有利 的工況條件是較小的氣液質量流量比和液體質量流速，較大的噴嘴直徑和基板與噴嘴之間 的間距。且當霧化介質為空氣和水，衝擊基板平滑無彈性，放置位置垂直於噴嘴的中軸線的 情況下，當工況條件為氣液質量流量比為0. 02 0. 06，噴嘴直徑為0. 3 0. 5cm，液體質 量流速為20 80kg/h，噴嘴內部壓力為2X106 5X106g/cm s2，基板和噴嘴之間的距離 為150 250mm時，霧化液滴撞擊基板時的總體趨勢為附著粘貼。 本發明的有益效果是本發明通過對霧化和噴塗兩個過程進行整體考慮，界定了 霧化衝擊射流液滴沉積附著於基板所需工況條件的範圍，提供了通過控制霧化的工況條件 來得到理想噴塗效果的有效途徑，可為霧化噴塗的實際應用提供預測標準和調節辦法。


圖1是泡狀霧化噴嘴衝擊射流示意 圖2是液滴撞擊基板的結果圖(a)反彈，(b)附著，(c)飛濺；
圖3是一次霧化和二次霧化模型流程圖。
具體實施例方式
如圖l(其中1，2分別是霧化所需液體和氣體，3指基板，4是泡狀霧化噴嘴)，泡 狀霧化噴嘴衝擊射流過程可分為霧化和噴塗兩個子過程，首先壓縮空氣和液體在噴嘴內部 形成穩定的泡狀兩相流動，在噴嘴出口處由於氣泡對液體的擠壓剪切，膨脹破裂作用，使連 續的液體發生破碎霧化，形成細小的液霧顆粒，這些顆粒在湍動的射流場中是極不穩定的， 在噴嘴中下遊會發生碰撞、破碎、合併等二次霧化過程，最終液滴將撞擊基板，即噴塗過程。 現有的研究表明霧化液滴撞擊基板可能發生三種情況(如圖2):—是反彈，二是附著，三 是飛濺。理想的噴塗效果是霧化後的液滴撞擊基板粘帖附著，不發生反彈和飛濺。判斷液 滴撞擊結果可用無量綱數K數和We數來界定，K數和We數與液滴入射時的物性，速度和粒
徑大小相關，定義為a25Aa7、—a5《a75v/25 ， ,^p,命,2/ ，其中i^是液體粘 性，c^是液滴粒徑，^是液滴法向速度，Pi是液體密度，c^是液體表面張力。如基板是光 滑無彈性的，經C. Mundo等人的實驗總結當We數小於5時，液滴反彈，當K數大於57. 7時， 液滴飛濺，當We數大於5且K數小於57. 7時，液滴附著沉澱。由K數和We數的定義可知， 計算K數和We數的關鍵量是入射液滴的粒徑和法向速度。 為了確定當霧化介質是水和空氣時，霧化液滴撞擊基板粘帖附著所需工況參數的 範圍，本發明採用對泡狀霧化噴嘴霧化衝擊射流過程進行數值建模，將各個運行參數對平
均液滴粒徑和速度的影響逐一加以分析，確立能保證K數小於57. 7而We數大於5的運行參 數範圍。本發明所用的數值模型框架如圖3所示，包括一次霧化模型和二次霧化模型，其中 一次霧化模型是基於L皿d所提出的SMD的經驗公式(SMD是所有液滴顆粒的體積和表面積 之比，常用於霧化射流領域，表徵平均粒徑)，假設一次霧化過程起始於環狀的氣液形態，隨 後經歷了由環狀液膜破碎到柱狀液線，再由柱狀液線波動破碎成小液滴碎片，最終每個碎 片形成一個球狀液滴，其中認為柱狀液絲的直徑等於環狀液膜的厚度。 一次霧化模型的建 立是為了根據工況條件得到初始的顆粒平均粒徑，為二次霧化的計算提供初始條件；二次 霧化模型中，湍流場的計算採用k- e湍流模型，粒子計算採用拉各朗日方法，建立了受力、 碰撞、破碎三種粒子模型，由此模擬了軸對稱三維射流的流動過程，其中粒子和流場為雙向 耦合。粒子受到的外界作用力簡化為氣動力和重力。破碎模型採用了適用於霧化噴流的 CAB模型，碰撞模型考慮了液滴碰撞後合併和反彈兩種情況。一次霧化模型和二次霧化模型 均已經實驗數據驗證，可用於模擬霧化射流過程。 本發明運用此模型模擬霧化射流外部流場，考慮有基板存在的衝擊射流過程，計 算所得基板附近入射液滴的平均粒徑大小和速度，用於預測K數和We數，最後經過分析得 出霧化衝擊射流中，有利於K數小於57. 7，We數大於5，即有利於獲得液滴沉積附著於基板 的噴塗效果的參數調節方法，此外還得出當霧化介質為水和空氣時，霧化液滴沉積附著於 基板所需工況條件的範圍。 本發明採用的技術方案的主要步驟如下 第一步確認噴嘴類型和噴嘴外部環境噴嘴類型為典型的亞音速泡狀霧化噴嘴， 噴嘴出口的氣液兩相流的流型應為泡狀流動，其中霧化液體為液態水，霧化氣體為空氣。嘴外部的介質為空氣，狀態是常溫常壓。衝擊基板平滑無彈性，放置位置垂直於噴嘴的中軸 線。 第二步調節工況參數在以下範圍內氣液質量流量比為0.02 0.06，噴嘴直徑為 0. 3 0. 5cm，液體質量流速為20 80kg/h，噴嘴內部壓力為2X106 5X106g/cm s、基 板和噴嘴之間的距離為150 250mm，可使K數小於57. 7， We數大於5，霧化液滴撞擊基板 時的總體趨勢為附著粘貼。且較小的氣液質量流量比和液體質量流速，較大的噴嘴直徑和 基板與噴嘴之間的間距有利於液霧撞擊基板粘帖。 以下結合三個例子來說明本發明的有效性。三個例子分別取上述工況參數範圍的 兩個極值和一個中間值，以表明在此範圍內，可使K數小於57. 7， We數大於5，滿足液滴沉 積附著於基板所需條件。 實施例1 :當氣液質量流量比為0. 02，噴嘴直徑為0. 5cm，液體質量流速為20kg/ h，噴嘴內部壓力為2X 106g/cm 82，基板和噴嘴之間的距離為250mm時，由數值模型計算可 得基板附近液滴的平均粒徑4為65. 8 ii m，法向平均速度Vl為12. 5cm/s，水的粘度y工為 0. 01g/(cm's)，水的表面張力^為72g/V，水的密度P工為lg/cm3，將其帶入K數和We數，
得〖=//,-o.2V,。.7V,-。.54。.7、1.25 = 0.5895 ， , = p,命,2/ =10.3 ，符合K數小於57. 7， We
數大於5的液滴粘貼附著於基板所需條件。 實施例2 :當氣液質量流量比為0. 06，噴嘴直徑為0. 3cm，液體質量流速為80kg/h， 噴嘴內部壓力為5X 106g/cm 82，基板和噴嘴之間的距離為150mm時，由數值模型計算可得 4為36. 23 ii m， Vl為557cm/s，同實例1計算可得K = 43. 35，We = 11200，符合液滴沉積附 著於基板所需條件。 實施例3 :當氣液質量流量比為0. 04，噴嘴直徑為0. 4cm，液體質量流速為50kg/h， 噴嘴內部壓力為3. 5X 106g/cm 82，基板和噴嘴之間的距離為200mm時，由數值模型計算可 得&為48. 52 ii m， Vl為113cm/s，同實例1計算可得K = 7. 35， We = 620，符合液滴沉積附
著於基板所需條件。 上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和 權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
權利要求
一種判斷霧化衝擊射流液滴沉積附著於基板所需工況條件的方法，其特徵在於，該方法為對於泡狀霧化噴嘴，為獲得液滴沉積附著於基板的噴塗效果，有利的工況條件是較小的氣液質量流量比和液體質量流速，較大的噴嘴直徑和基板與噴嘴之間的間距。且當霧化介質為空氣和水時，氣液質量流量比為0.02～0.06，噴嘴直徑為0.3～0.5cm，液體質量流速為20～80kg/h，噴嘴內部壓力為2×106～5×106g/cm·s2，基板和噴嘴之間的距離為150～250mm，霧化液滴撞擊基板時的總體趨勢為附著粘貼。
2. 根據權利要求1所述判斷霧化衝擊射流中液滴沉積附著於基板所需工況條件的方 法，其特徵在於，噴嘴類型為典型的亞音速泡狀霧化噴嘴，噴嘴出口的氣液兩相流的流型應 為泡狀流動，其中霧化液體為液態水，霧化氣體為空氣。噴嘴外部的介質為空氣，狀態是常 溫常壓。衝擊基板平滑無彈性，放置位置垂直於噴嘴的中軸線。
3. 根據權利要求1所述判斷霧化衝擊射流中液滴沉積附著於基板所需工況條件的方 法，其特徵在於當霧化介質為空氣和水時，氣液質量流量比為0. 02 0. 06，噴嘴直徑為 0. 3 0. 5cm，液體質量流速為20 80kg/h，噴嘴內部壓力為2X106 5X106g/cm s、基 板和噴嘴之間的距離為150 250mm，霧化液滴撞擊基板時的總體趨勢為附著粘貼。
全文摘要
本發明公開了一個判斷霧化衝擊射流液滴沉積附著於基板所需工況條件的方法。該方法通過對泡狀霧化噴嘴衝擊射流進行三維的數值建模，所用數值模型經實驗驗證後，用於分析氣液質量流量比，噴嘴口徑，液體質量流速和基板所處位置等工況條件對衝擊射流最終噴塗結果的影響。本發明通過對霧化和噴塗兩個過程進行整體考慮，界定了霧化衝擊射流液滴沉積附著於基板所需工況條件的範圍，提供了通過控制霧化的工況條件來得到理想噴塗效果的有效途徑，可為霧化噴塗的實際應用提供預測標準和調節辦法。
文檔編號B05B7/12GK101786058SQ20101012780
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月19日 優先權日2010年3月19日
發明者林建忠, 熊紅兵, 錢麗娟 申請人:中國計量學院