双毛细管静电雾化模式演化过程分析

王其锶，王贞涛，杨诗琪，张永辉，夏 磊，蒋轶敏

(江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013)

当液体以一定的流量从带电毛细管流出时，液体表面在电场作用下产生沿表面的电场力，当电场力足够大时，毛细管末端产生分散相液滴或射流，此过程称为毛细管静电雾化[1-2].静电雾化过程受到电场、液体流量及物性参数以及电极形式等众多因素的影响，雾化过程呈现多样性，而电场是影响静电雾化过程的重要因素[3].根据毛细管末端弯月面、雾化液滴及射流的形态，静电雾化可以分为滴状、纺锤、锥射流以及多股射流等几种典型的雾化模式[2-3].在不同的雾化模式下，毛细管静电雾化形成的雾滴尺寸与运动行为也存在较大差别，可以通过调节电压及流量等实现对雾滴尺度分布与运动特性的控制，因此毛细管静电雾化被广泛应用到药剂精确喷洒、生物质液体燃料微尺度燃烧、喷墨打印、微纳米薄膜材料制备、质谱分析以及空间推进技术等领域[3-7].

静电雾化现象的试验研究始于20世纪初，自Zeleny首次获得了乙醇液体的静电雾化图像后，众多研究者详细探究了毛细管的静电雾化现象，将毛细管静电雾化模式归类为滴状、微滴状、纺锤、多纺锤、振荡射流、旋转射流、脉动射流、锥射流以及多股射流模式等[7-9].霍元平等[10]认为液体表面张力、电导率、黏度、流量以及毛细管内径均会影响雾化模式和射流形态，并对雾化演变过程进行了探讨.H.H.KIM等[9]采用高速数码摄像技术研究了去离子水的单毛细管静电雾化，分析了滴状与微滴模式下液滴产生频率以及在静电雾化射流的形态与发展过程.在2个及多个毛细管静电雾化研究方面，R.BOCANEGRA等[11]、DENG W.W.等[12]分别设计了微孔阵列静电雾化装置与多管道静电雾化系统，探讨了电流与流量的关系、粒径分布等.甘云华等[13]对毛细管电极-环形电极-网格双电极燃烧器进行研究，获得了稳定的锥射流雾化的工作条件，并且在液锥基面上建立了受力平衡模型，获得液锥的半锥角大小.GAN Y.H.等[14]对雾化乙醇的燃烧过程进行了试验研究，发现乙醇雾化液滴粒径大小与粒径分布对燃烧器的性能以及燃烧效率都会有所影响.LUO Y.L.等[15]对乙醇扩散火焰在直流电场作用下的燃烧进行了研究，得出外加电场有利于燃料之间的相互混合，提高燃烧过程与火焰温度，同时带电粒子受到外加电场的作用，改变了火焰的高度.刘明明等[16]、王清华等[17]对单(排)、双(排)毛细管静电雾化锥射流模式进行了研究，获得了稳定锥射流模式下流量、电压、电流以及液滴粒径之间的关系.相比单毛细静电雾化过程，双毛细管及多毛细管静电雾化可以增大雾化过程的流量，且毛细管和其形成的液滴/射流形成的电场产生交叉作用，因此研究双毛细管对改进和增大雾化流量并进一步开展多毛细管静电雾化研究具有较为重要的意义.

综上所述，单毛细管静电雾化现象已经有了较为系统的研究，特别是静电雾化模式以及不同雾化模式下对应的雾滴尺度分布或射流形态、流量与电压范围等均有不同形式的报道.但双毛细管的静电雾化现象研究较少，对双毛细管静电雾化模式以及不同雾化模式的演化过程的分析和研究尚处于起步阶段.笔者采用高速数码摄像技术开展无水乙醇双毛细管静电雾化过程的研究，获得静电雾化模式的演变过程，根据弯月面、液滴和雾化射流形态确定双毛细管静电雾化模式，分析液滴或射流的分离周期、雾滴粒径与雾化模式的关系.

1 试验装置与方法

双毛细管静电雾化模式试验装置如图1所示.

图1 静电雾化模式试验装置

选择嘉善瑞创电子科技有限公司生产的型号为RSP01-B的注射泵进行试验液体的供给，注射泵最大流量为681.73 mL·min-1，最小流量为1.67×10-6mL·min-1，流量误差控制在0.5%以内.金属双毛细管之间的间距设定为2.0 mm，在雾化过程中两支毛细管产生的雾化不产生交叉现象.不锈钢毛细管为医用注射针头，末端磨平，内径为0.30 mm，外径为0.55 mm，长度为13.00 mm.试验中的高压静电由负高压静电发生器(东文高压电源(天津)股份有限公司，输出高压直流电压范围为-30～0 kV；电流范围为0～2.0 mA；最大输出功率为60 W，稳定性小于等于0.1%)提供，负高压静电发生器连接在不锈钢毛细管上(作为负极).在不锈钢毛细管末端正下方20.0 mm处布置铜质金属接收盘，接收盘直径为150 mm，作为接地电极.毛细管静电雾化图像通过型号为MotionProTMX4puls的高速数码相机(最大捕捉频率可达105Hz，本次试验所采用的捕捉频率为104Hz)，配合型号为NAVITAR12X的显微变焦镜头进行微距拍摄，拍摄光源为LED冷光源.试验中所采用的雾化介质为无水乙醇，相关物性参数如下：密度为791.0 kg·m-3；表面张力为0.022 N·m-1；介电常数为24；电导率为5.0×10-5S·m-1；黏度为1.64×10-3Pa·s.环境温度为15 ℃，相对湿度为52%.

2 试验结果与分析

在双毛细管静电雾化过程中，金属毛细管空间结构具有对称性，其形成的电场分布也具有对称性，因此2个毛细管形成雾化模式基本一致，具有良好的对称性.在雾化模式的演化与分析中均以双毛细管中的左侧毛细管为例进行分析.静电雾化模式分类主要依据单侧毛细管末端瞬间射出流体的几何形状以及射流破碎的形式.总体上说静电雾化模式分为2类：① 雾滴表现为非连续的射流方式，雾滴可以呈现几种不同的形状，如滴状、纺锤等雾化模式；② 静电雾化模式为连续的射流，通常在毛细管的末端形成一股连续的大约几毫米长的射流，在射流末端继续破碎成更为细小的大量液滴.射流可以分为锥射流、振荡射流和多股射流等雾化模式.

2.1 滴状模式

滴状模式下主液滴与子液滴的演化过程如图2所示，其中：qV为流量；U为电压.

图2 滴状模式下主液滴与子液滴的演化过程

当施加在毛细管上的电压较低时，双毛细管中任意一根毛细管产生的滴状模式与单毛细管滴状模式并无明显差异.雾滴在重力和静电力的作用下克服表面张力，以较为规则的球形从毛细管末端滴落，滴落的过程如图2a所示.在静电排斥力的作用下，液滴滴落方向与毛细管轴线之间的夹角较小，约为6.5°～9.6°.在初始阶段，毛细管末端仅为光滑的弯月面，随着流量的积累，液滴沿着毛细管外壁上升一段距离，形成包围毛细管的液体团.随着时间的推移，流量在毛细管外壁及末端的液体进一步积累，液体逐渐形成半球形、球形，并在球形液滴与毛细管末端之间形成逐渐变细的液桥.在电场力与重力的作用下，液桥两端逐渐变形，并最终断裂，液滴与毛细管末端产生分离.主液滴在下落过程中受到电场力与斯托克斯阻力作用，其形状发生纵向和横向的交替收缩与扩张，并逐渐远离毛细管末端.在分离过程中液桥会产生一个粒径极细小的微液滴，细小的微液滴在主液滴斥力作用下反弹向弯月面，并被弯月面吸收.当主液滴从毛细管末端分离后，弯月面迅速收缩为一个凹面，在主液滴电场的作用下产生收缩与伸张的脉动现象，然后逐渐恢复为凸的弯月面.当施加在毛细管上的施加电压稍微增加后，毛细管滴状模式并未发生改变，但是由液桥断裂形成的微液滴(子液滴)的运动状态却发生了较大的不同，子液滴在毛细管与主液滴电场力共同作用下，在主液滴与毛细管之间上下来回运动，并逐渐远离毛细管轴线，在极短的时间里沿垂直于毛细管轴线的方向射出，其运动射出的过程如图2b所示.

随着施加电压的进一步增加，在另外一侧毛细管及其形成的液滴所产生的电场作用下，液滴会受到排斥力，在排斥力的作用下液滴相互远离，液滴从毛细管末端分离的方向不再沿着毛细管轴线方向，而是与毛细管轴线之间呈现一定的夹角.液滴在下落过程中，在电场力与重力的共同作用下夹角随着液滴的下落而逐渐减小，从25.8°下降到12.6°左右.电场作用下液体逐渐从毛细管内流出，在电场力作用下毛细管一侧聚集形成液体团.随着时间的推移，液体团逐渐积累，逐渐在毛细管壁一侧形成规则的半球形、球形弯月面，弯月面进而形成液滴形状，并且在液滴与毛细管末端之间逐渐形成液桥.液桥在电场力的作用下逐渐拉长，当重力与电场力的合力超过液桥的表面张力时，液滴与毛细管末端发生分离，并与毛细轴线呈一定的角度射出，在下落过程中主液滴在电场力作用下发生收缩和伸张.尽管液滴的表面基本保持光滑，但液滴并非为规则的球形.当主液滴与毛细管分离后，液桥与弯月面和主液滴均发生分离，液桥在表面张力作用下迅速收缩为一个粒径很小的子液滴，子液滴的形状由扁长形变为扁圆形，并产生反复的变形与运动，最终形成较为规则的球形子液滴，沿垂直于毛细管轴线方向射出.倾斜滴状模式下弯月面、主液滴和子液滴的演化与运动过程如图3所示.

图3 斜滴状模式(qV=0.30 mL·min-1，U=4.0 kV)

2.2 纺锤模式

当施加电压超过某个定值时，毛细管末端的弯月面在静电力作用下被拉长形成一股倾斜的类似纺锤状的射流，射流与毛细管轴线方向存在一定夹角，其演化过程如图4所示.

图4 纺锤模式(qV=0.50 mL·min-1，U=4.5 kV)

在纺锤模式的初始阶段，在库仑斥力作用下，液体集中在毛细管的一侧形成凸的弯月面，弯月面呈现出光滑的表面.随着流量的进一步积累，在电场力作用下弯月面逐渐被拉长成细长的锥体，当电场力超过液体表面张力束缚后，在新的弯月面上释放出一个扁长的纺锤体.在毛细管电场的作用下，由于极化作用，在纺锤液滴的末端将积聚大量的电荷，纺锤形液滴下游尖端不断发射出亚微米级的喷射羽流，这是一个典型的库仑分离过程.在纺锤液滴未与毛细管末端弯月面分离之前，由于上游液体表面电荷的持续补给，此库仑分离过程在液滴拉长过程中间歇地持续产生.若纺锤形液滴上游液桥与弯月面发生断裂后，喷射的羽流带走大部分表面电荷，拉长的液滴在表面张力的作用下，上游尖段部分迅速收缩，形成一个扁圆形的液滴，同时也在下游进一步释放出一股射流.此时，液滴上带有的电荷量随着电压的增加也会有所提升，在排斥力的作用下液滴远离中线分离.最终纺锤形的液滴在表面张力的作用下逐渐收缩，形成较为规则的球形液滴沿倾斜方向射出.在纺锤模式下，液滴/射流分离的方向基本维持不变，与毛细管轴线之间的夹角为36.1°～38.7°.

2.3 脉动射流模式

随着施加电压的进一步增大，在毛细管末端产生一股间歇喷射的射流，射流长度约为1.0～2.0 mm，在射流的末端破碎为细小的液滴.此模式下毛细管末端会产生一个倾斜的弯月面，在电场力的作用下逐渐过渡为一倾斜的锥体.随着流量的积累，锥体尖段释放出一个倾斜的微小射流，射流在电场的作用下被逐渐拉长，而锥体的锥角也在逐渐减小.在锥体末端释放出的连续射流也逐渐向毛细管轴线外侧摆动.当射流长度达到一定程度后，锥体末端与射流发生分离，分离的时刻，射流上端迅速收缩，而毛细管末端的锥体亦产生急剧收缩，并形成较为光滑的弯月面.射流脱离锥体后，在下落的过程逐渐发生破碎，形成一段不连接在一起的液滴串，其发生的过程如图5a所示.当电压发生变化时，脉动射流产生的过程类似，但是射流的摆动不再向外侧，而是指向内侧，其分离过程如图5b所示.两者不同的原因在于电场强度的变化，是重力与电场力相互作用的结果.

图5 脉动射流模式

2.4 鞭动(振荡)射流

鞭式射流与倾斜的稳定直射流如图6所示，随着施加电压的进一步增加，毛细管末端弯月面不再是光滑的半球形，而是在毛细管末端液体的一侧(图6中右侧)呈现出一个倾斜的泰勒锥.在电场力作用下泰勒锥顶迅速被拉出一段液丝，液丝携带的静电荷已经基本接近于Rayleigh极限，液丝末端迅速破裂为细小的液滴.射流不断被拉长，开始沿着射流轴线方向产生径向和轴向的扭曲与振荡，并随着射流向下游发展，其振荡强度也逐渐增大.当射流进一步变长后，由于流量供应限制与电荷的累积，射流在发展过程中逐渐变细并与毛细管末端产生断裂，射流的末端也产生破碎，其演化过程如图6a所示.随着电压的增加，排斥力也会有所增加，振荡射流与毛细管轴向之间的夹角变化较大，由于射流的扭动与振荡，喷射出来的角度在40.5°至22.1°之间.由于射流不稳定，在电压或流量发生改变的情况下，射流迅速变为倾斜的直射流状态，射流也存在微小的摆动，其射流与毛细管轴线之间的夹角在27.7°到32.6°之间产生摆动，如图6b所示.

图6 鞭式射流与倾斜的稳定直射流

2.5 多股射流

随着施加电压的进一步增加，即电场强度进一步增大后，毛细管末端形成的射流不再是一股射流，而是形成2～10股长短不等的射流，如图7a所示.由于双毛细管形成的对称作用，几股射流一致向毛细管轴线外侧偏斜，但偏斜的角度不同，显然与单毛细静电雾化模式存在一定的差异.在排斥力的作用下，射流喷射的位置在相对金属毛细管的外边缘处，随着荷电电压进一步增加，射流数目逐渐增加，但依然保持为稳定的多股射流.射流在毛细管末端出口边缘产生轻微的来回转动，但转动幅度很小，基本可以视为稳定的多股射流状态.当继续再增加荷电电压时，由于电场强度的增大，多股射流出现不稳定现象，射流沿毛细管末端边沿开始旋转，射流产生扭曲和变形，射流表面产生波动与自身旋转，然后破碎为细小的液滴，如图7b所示.

图7 多股射流模式

2.6 液滴产生周期与粒径

在静电雾化图像中选择30～50个进行分析，发现液滴从形成到分离过程为1个周期，即在非连续射流状况下，液体从毛细管末端形成雾滴或射流到雾滴或射流从金属毛细管末端分离的过程是一个重复过程.非连续射流模式下液滴或者射流从毛细管末端的分离时间如图8所示.

图8 非连续射流液滴分离时间图

从图8可以看出：在非连续射流模式下，液滴或射流的分离时间随着电压的增加而减小；当电压为1.0～4.5 kV时，液滴的分离时间与电压基本呈现线性关系，此时，静电雾化模式对应为滴状模式与纺锤模式；当荷电电压大于5.0 kV时，液滴产生的分离时间明显降低，基本维持在0.002 s以内.在滴状与纺锤模式下，随着施加电压的逐渐增加，液体表面的静电剪切力逐渐增大，液滴尺寸不断减小，因此，每个完整模式下的液滴分离周期都不断减小.当电压为5.0～6.5 kV时，毛细管末端呈现脉动锥射流与鞭式射流以及摆动射流模式，会从锥体尖段拉出一段极为细小的射流，由于流量极低，此过程基本都表现为库仑破碎过程，因为分离的周期极短.

由于雾滴数量密度较低，采用图像法直接获得单个雾滴的粒径，然后再选择50～60个进行统计，可以获得雾滴的平均粒径，雾滴粒径随施加电压的变化规律如图9所示.

图9 雾滴粒径随施加电压的变化

从图9可以看出：在1.0～4.0 kV时，即在滴状模式下，每种电压下对应的液滴粒径均较大，粒径均在1.0 mm以上.此时由于电场力的作用较小，表面张力使液滴保持较大的形状，随着施加电压的增加，液滴粒径会有所降低，从接近2.0 mm下降到1.0 mm左右;当电压为4.5 kV时，雾滴粒径约为485.4 μm，雾化模式为纺锤模式,在此雾化模式下，在纺锤下游会释放出大量粒径极为细小的液滴，其粒径在几微米到十几微米之间;当电压为5.0～6.0 kV时，此时雾化射流表现为脉动射流和鞭式射流模式，脉动射流形成一串非连续的液滴，而鞭式射流在远离毛细管末端的地方破碎，在此电压区间内绝大多数雾滴粒径分布在40 μm到100 μm之间，而射流末端液滴粒径仅有十几微米.随着施加电压的进一步增加，雾化射流处在连续射流状态下，射流的平均直径保持在20 μm左右，射流末端破碎成粒径细小的液滴，其平均粒径亦为20 μm左右，在多股射流模式下，有的射流及其形成的液滴粒径仅几微米.由以上的分析可知:滴状与纺锤模式下液滴粒较大，且粒径较为均匀；脉动射流模式下雾滴粒径差别较大；连续射流模式下雾滴粒径细小，且尺度较为均匀.

3 结 论

采用高速数码摄像技术详细记录了无水乙醇的双毛细管静电雾化过程，研究结果表明，随着施加电压或电场强度的增加，依次出现了滴状、斜滴状、纺锤、脉动锥射流、稳定锥射流、鞭式射流和多股射流等雾化模式.详细分析了不同雾化模式的演化过程，雾化液滴或射流中心线与毛细管轴线之间呈现出不同的夹角，随着雾化液滴或射流带有的电荷量的不同，夹角在排斥力的作用下也会有所不同，并且夹角与雾化模式紧密相关，滴状模式下夹角随着电压的增大而增大，纺锤模式下夹角变化甚小，射流模式下夹角变化较为剧烈.液滴分离周期与雾化模式相关，在滴状与纺锤模式下，液滴形成时间远大于下落时间，液滴分离周期随着电压的增加而线性下降；在脉动射流与鞭式射流模式下，雾滴分离周期极短.在不同的雾化模式下，雾化形成液滴尺度差距较大，在滴状与纺锤模式下可以获得粒径均匀的大液滴，而在连续射流模式下可以获得尺度较为均匀的小液滴.