平口噴嘴的真空射流霧化模擬分析

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(duì)平口噴嘴的真空射流霧化開(kāi)展了模擬,研究了環(huán)境壓力、噴射壓力和噴嘴直徑等參數(shù)對(duì)射流霧化構(gòu)造和液滴索特平均直徑(Sautermeandiameter,SMD)的影響。結(jié)果說(shuō)明:1、隨著環(huán)境壓力的降低,噴射束寬度減小,射流貫穿距離和SMD增加。當(dāng)環(huán)境壓力小于0.01MPa時(shí),各霧化性能參數(shù)的變化幅度減小;2、環(huán)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(shì),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(jī)納米復(fù)合薄膜,以其質(zhì)量輕、柔韌性好及易于加工等特點(diǎn)在光電器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的蒸發(fā)和濺射等鍍膜工藝因高溫?zé)嶂聼g和化學(xué)分解等問(wèn)題很難用來(lái)制備高分子聚合物有機(jī)薄膜。隨著跨學(xué)科領(lǐng)域合作日漸嚴(yán)密,許多納米技術(shù)工藝都與液相材料相關(guān)。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(wǎng)印刷法、溶膠-凝膠法(so-lgel)等,這些方法多是在大氣環(huán)境中開(kāi)展,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(shù)并融合了化學(xué)技術(shù),可制備質(zhì)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(zhì)少及薄膜成分梯度可控等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)階段關(guān)于真空噴射的文獻(xiàn)多局限于對(duì)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(gè)DNA分子并觀察了其螺旋構(gòu)造;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(xué)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(xué)特性。Mo等對(duì)真空噴射制備對(duì)苯乙炔(MEH-PPV)薄膜的噴霧過(guò)程開(kāi)展了初步研究,實(shí)驗(yàn)分析了錐形噴嘴安裝方向、噴嘴直徑和基片溫度對(duì)噴霧錐角、霧滴粒徑及成膜特性的影響,發(fā)現(xiàn)出口直徑為10um的噴嘴正安裝時(shí)具有較大噴霧錐角和較小霧滴粒徑,基片溫度為473K時(shí)所得薄膜致密性較好和溶劑殘留較少。薄膜的構(gòu)造和霧化特性直接取決于噴射過(guò)程和霧化效果,受噴嘴構(gòu)造、噴射壓力、噴射環(huán)境等綜合因素的影響,目前有關(guān)這方面的真空噴射理論模擬研究鮮有報(bào)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(fā)點(diǎn),通過(guò)Fluent和Gambit軟件以平口噴嘴霧化模型為根底,對(duì)真空射流噴射過(guò)程開(kāi)展了模擬研究,分析了不同環(huán)境壓力、噴射壓力和噴嘴直徑對(duì)霧化構(gòu)造特性和SMD的影響規(guī)律。1、射流流場(chǎng)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(jī)械霧化直射式噴嘴中的最簡(jiǎn)單的一種壓力噴嘴,其研究具有廣泛性和實(shí)用性。平口噴嘴的真空噴射射流空化流動(dòng)和霧化模型如圖1所示。流體經(jīng)由噴嘴噴射到真空室并霧化成液滴,由于噴嘴的特有構(gòu)造,在噴嘴入口截面變化處會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象,影響噴射過(guò)程,本文主要研究霧化構(gòu)造特性和索特平均直徑(SMD)。為減少計(jì)算量,利用Gambit軟件將外部射流流場(chǎng)區(qū)域的模擬計(jì)算簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱問(wèn)題。計(jì)算區(qū)域簡(jiǎn)化為500mm×100mm的矩形,軸線入口處設(shè)為原點(diǎn),噴嘴入射點(diǎn)為(0.1,0),網(wǎng)格在靠近軸線附近加密,計(jì)算域四壁均為Wall,近似無(wú)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(huì)受到網(wǎng)格尺寸的影響。

圖1射流空化和霧化模型及其霧化計(jì)算域邊界條件2、霧化模型和計(jì)算方法

隨著CFD(ComputionalFluidDynamics)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)霧化過(guò)程開(kāi)展數(shù)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(nèi)的空化現(xiàn)象,不同的空化狀態(tài)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,為準(zhǔn)確地模擬霧化過(guò)程,考慮霧滴的合并和破碎,選用breakup和collision模型,計(jì)算采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算,時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-6s,計(jì)算1000步,即噴霧結(jié)果為噴射1ms后的情況。3、模擬結(jié)果與分析

真空射流霧化效果主要取決于霧化構(gòu)造和SMD。前者主要表現(xiàn)為噴射束的寬度和射流的貫穿距離,根據(jù)噴射束寬度可確定基片尺寸,貫穿距離說(shuō)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(shí)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。影響射流霧化構(gòu)造和SMD的主要因素有環(huán)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(wěn)定,若無(wú)化學(xué)變化,其性質(zhì)不隨時(shí)間而改變,是一個(gè)熱力學(xué)穩(wěn)定體系,除了粘性、密度和飽和蒸汽壓外,其溶液性質(zhì)同水基本相同。聚合物稀溶液具有多樣性,為便于實(shí)驗(yàn)研究,選取純水作為噴射溶液,平口噴嘴長(zhǎng)度為1mm,模擬分析了不同環(huán)境壓力、噴射壓力和噴嘴直徑對(duì)霧化構(gòu)造特征和SMD的影響。3.1、環(huán)境壓力對(duì)射流霧化構(gòu)造及SMD的影響

圖2為不同環(huán)境壓力下的射流霧化構(gòu)造。當(dāng)環(huán)境壓力為1和0.1MPa時(shí),霧化構(gòu)造為傘狀,大量細(xì)小液滴脫離射流主體向外圍擴(kuò)散。當(dāng)環(huán)境壓力低于0.1MPa時(shí),有少量液滴從射流主體中剝落,貫穿距離增加。隨著環(huán)境壓力的降低,霧化構(gòu)造沒(méi)有明顯變化。

圖2不同環(huán)境壓力下噴霧形態(tài)及直徑大小(pin=10MPa,d=0.2mm)

為進(jìn)一步分析環(huán)境壓力對(duì)射流霧化構(gòu)造的影響,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(jù)氣體動(dòng)力干擾理論做了解釋。如圖3所示,當(dāng)環(huán)境壓力為1和0.1MPa時(shí),真空室內(nèi)氣體數(shù)密度較大,液體初次破碎產(chǎn)生的液滴與氣體的相互作用促使其進(jìn)一步破碎為細(xì)小液滴,而小液滴的速度衰減比大液滴快而對(duì)射流產(chǎn)生阻礙作用,隨著噴射距離的增加,細(xì)小液滴逐漸脫離射流主體而形成類似傘狀的霧化構(gòu)造,同時(shí)噴射束寬度增加而貫穿距離減小,一些研究人員在開(kāi)展柴油機(jī)噴霧特性試驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了此現(xiàn)象。在低壓下,射流霧化構(gòu)造受氣液相互作用和噴嘴出口湍動(dòng)能雙重影響。溶液噴出噴嘴的湍動(dòng)能與噴嘴直徑和噴射壓力有關(guān)且為一恒值,而液滴與氣體的相互作用隨著環(huán)境壓力的降低而減小。隨著噴射的開(kāi)展,射流呈液柱狀,同時(shí)噴射束寬度減小而貫穿距離增加。當(dāng)環(huán)境壓力小于0.01MPa時(shí),空室內(nèi)的空氣分子與液束的相互作用所產(chǎn)生液滴的擴(kuò)散性很小,噴射束寬度變化幅度不明顯。當(dāng)環(huán)境壓力減小到溶液飽和蒸汽壓(pw=2.81×103Pa)時(shí),部分溶液在射流周圍蒸發(fā)變?yōu)闅怏w,由于這屬于一個(gè)突發(fā)性相變的過(guò)程,抽真空裝置抽除這部分氣體需要一定的時(shí)間,初始時(shí)這部分氣體不能被迅速除抽而使液束周圍的氣體分子數(shù)增加,對(duì)射流產(chǎn)生阻礙作用,使貫穿距離相應(yīng)減小;一定時(shí)間后,噴射束附近蒸發(fā)出的氣體被抽真空裝置抽除,液束周圍環(huán)境壓力降低,真空室內(nèi)的空氣分子減少,對(duì)液束的阻礙作用減小,射流貫穿距離增加。隨著環(huán)境壓力的進(jìn)一步降低,真空室內(nèi)的空氣分子數(shù)密度已經(jīng)