静电雾化液滴的周期性释放过程

蒋轶敏，王贞涛，夏 磊

(江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013)

通过调节施加电压与液体流量，在外加电场的作用下，液体会在金属毛细管末端以不同的模式形成液滴或者射流，此过程为液体的静电雾化现象[1].众多学者对静电雾化现象进行了详细的理论与试验研究，根据液滴或者射流的几何形状及射流的破碎形态，静电雾化可以被分为滴状、微滴、纺锤、锥射流及多股射流等几种典型的雾化模式，同时在液体雾化机理、雾化特性等方面也取得了不少研究进展[2-4].静电雾化在不同雾化模式下可以产生不同的液滴粒径分布、运动形态及不同的释放频率，因此被广泛应用于静电喷涂与打印、燃油喷射、薄膜制备、静电纺丝及空间推进器等[5-7].文献[8]研究了在直流电场作用下聚乙烯醇的静电雾化，发现液滴粒径和释放频率与施加电压、流量均有关.文献[9]研究了毛细管-环电极配置下的乙醇静电雾化，获得了液滴粒径与滴速之间的关系，并通过理论分析得到了液滴产生的最大频率.文献[10]研究了低黏度、高电导率液体在微滴模式下液滴的释放频率，并对液滴产生的动力学过程进行了分析和探讨.文献[11]研究了静电喷雾打印过程，发现液滴释放频率会与施加电压紧密相关.文献[12]对不同雾化介质的滴状模式进行了理论与试验研究，探讨了滴状模式下液滴的周期性释放频率.文献[13]研究了去离子静电雾化现象，发现滴状、微滴及纺锤模式下液滴释放均存在周期性.

虽然众多学者对毛细管静电雾化模式及雾滴形成过程进行了研究，并取得了一定的进展，但是在静电雾化液滴释放的周期性问题上还缺少更深层次的分析与探讨.为此，笔者采用高速数码相机对无水乙醇及去离子水的静电雾化过程进行可视化研究，通过改变施加电压和供应液体的流量，获得不同雾化模式下液滴的释放过程.采用图像处理方法进行批量处理，获得几种典型雾化模式及对应的周期特性，探讨液滴释放频率与液体表面张力、电导率之间的关系，并对液滴释放过程的最大频率进行理论分析.

1 试验装置与参数

静电雾化液滴周期性释放过程试验装置见图1.

图1 静电雾化试验装置示意图

试验配置容积为20 mL的新华注射器(直径为20 mm，长度为98 mm)，用以储存液体介质.注射泵通过注射活塞将液体以一定流量从刻度为5 mL处推出，通过导管输送到毛细管中，注射泵推进流量为0.03～0.30 mL·min-1.注射器端口装有与高压静电发生器负极相连接的金属毛细管.金属毛细管型号为24G，其内径为0.30 mm，外径为0.55 mm，长度为13.00 mm.毛细管正下方30 mm处放置直径为150 mm的金属圆铜板，作为地极的铜板通过导线与大地相连接.试验中配合型号为NAVITAR12X的显微变焦镜头，通过MotionProTMX4puls高速数码相机捕捉静电雾化图像.高速数码相机的采集率为1×104帧·s-1，雾化区域采用冷光LED光源进行照明.试验环境温度为23 ℃.

试验中的雾化介质为无水乙醇和去离子水.无水乙醇和去离子水的物理参数如表1所示.

表1 无水乙醇和去离子水的物理参数

2 试验结果

试验中获得了多种典型的静电雾化模式，其中去离子水由于其电导率较低，表面张力较大，难以获得稳定的锥射流雾化模式.此外，本试验中稳定锥射流、脉动锥射流及多股射流均为连续射流状态，不呈现周期性，因此笔者重点探讨滴状、微滴、纺锤等几种非连续射流模式.

2.1 滴状模式

当外加电场施加电压较低时，随着无水乙醇在金属毛细管管口处逐渐堆积，弯月面处液体体积逐渐增大.电场力对液体影响小于重力的影响，因此，在滴状模式前期，重力对液滴的释放起主导作用.此时液体表面的切应力作用微弱，对液滴的形成作用很小.从上一个液滴脱落后，经过4～5 s，弯月面处液体在毛细管末端积累的体积达到最大值.随后，液滴在重力作用下脱离金属毛细管，从而完成滴状模式的一个周期.在施加电压为1.0 kV，流量为0.05 mL·min-1时，液滴释放频率为0.170～0.500 Hz.相同试验条件下，去离子水液滴的释放频率为0.135～0.473 Hz.图2为不同施加电压下，流量为0.05 mL·min-1时无水乙醇的滴状模式，其中U为施加电压，qV为体积流量.

图2 不同电压下，qV=0.05 mL·min-1时乙醇滴状模式

由图2可知，施加电压增大时，液体表面的静电力对液滴形成产生显著影响，液滴尺寸有所减小.这是由于在针板电极之间存在电场，使液滴在释放过程中受到电场力和重力的共同作用，因此在上一个液滴脱离毛细管末端后，弯月面处液体累积到最大体积的时间明显缩短，液滴释放频率也显著增大.此时静电雾化依然为滴状模式，只是液滴粒径有所减小.由图2还可知：qV=0.05 mL·min-1时，无水乙醇液滴的释放频率为1.950～2.250 Hz.相同的试验条件和流量下，去离子水液滴的释放频率为0.740～2.490 Hz.

2.2 微滴模式

随着施加电压进一步增大，在静电力作用下，液滴粒径进一步减小，同时由于切向应力的作用，液滴也容易被拉长.图3为qV=0.05 mL·min-1，U=3.4 kV时无水乙醇的微滴模式.在液滴末端，由于电场强度较大，液滴发生类似库仑破碎的现象.此时液滴由于Taylor极限难以保持球状，而是先被拉成细长形状，然后在重力、电场力及表面张力共同作用下，从弯月面处脱落.脱落过程中，液滴出现纵向收缩现象，逐渐形成球形.由图2、3可知，当施加电压超过3.0 kV时，随着施加电压继续增大，液滴释放频率迅速增大，雾化模式呈微滴模式.qV=0.05 mL·min-1时，无水乙醇微滴模式下液滴释放频率为2.690～137.790 Hz.

图3 qV=0.05 mL·min-1，U=3.4 kV时乙醇微滴模式

相同试验条件和流量下，由于去离子水表面张力较大，液滴与金属毛细管之间的集肤效应较差，液体在金属毛细管管口处很快形成球形液滴，更容易脱离金属毛细管管口，去离子水液滴释放频率可以突然增加到666.670～967.230 Hz.

2.3 纺锤模式

当施加电压超过发生稳定锥射流模式的施加电压后，雾化产生的锥丝再一次被拉长.下方锥丝由于不稳定电场的存在，会产生进一步破碎，此时液滴释放频率会进一步提升.此时静电雾化模式被称为纺锤模式.图4为qV=0.05 mL·min-1，U=4.4 kV时乙醇的纺锤模式.由图4可知，qV=0.05 mL·min-1时纺锤模式下液滴释放频率为675.000～1 251.110 Hz.在相同的试验条件和流量下，去离子水液滴释放频率为1 069.230～1 133.330 Hz.

图4 qV=0.05 mL·min-1，U=4.4 kV时乙醇纺锤模式

2.4 连续射流模式

静电雾化中的稳定锥射流、脉动锥射流、多股射流等雾化模式均处于连续状态，这些雾化模式与液体的物理性质、流量及外加施加电压均有关.射流末端也会产生大量细小液滴，粒径小于100 μm，甚至可以达到亚微米级.图5为qV=0.05 mL·min-1条件下无水乙醇的连续射流模式，即U=4.0 kV时的稳定锥射流、U=5.6 kV时的脉动锥射流和U=8.0 kV时的多股射流模式.去离子水的表面张力大于无水乙醇，且其电导率较低，雾化产生液滴更容易形成圆球形液滴，因而难以形成稳定锥射流和多股射流.

图5 乙醇连续射流模式

3 静电雾化液滴周期性

在金属毛细管上施加静电场时，液体在电场力、重力和表面张力等综合作用下，以不同形态从金属毛细管管口喷出.喷射形态与施加电压、液体流量及物性参数紧密相关.笔者运用高速数码摄像技术，全程记录液体通过金属毛细管喷射的静电雾化过程，最终获得液滴释放过程的周期性变化规律.笔者记录的液滴周期特性变化过程，采用了重复30～60次统计从金属毛细管管口处形成液滴到液滴脱离弯月面的循环过程中参数变化[14]，图5所示乙醇雾化过程中所记录的连续射流不在讨论范围内.

3.1 无水乙醇雾化液滴的周期性

图6为U=0～4.0 kV时，以无水乙醇为雾化液体，6种流量下液滴释放频率与施加电压关系曲线.

图6 无水乙醇液滴释放频率与施加电压关系曲线

滴状模式下，液滴的释放频率随着流量增加会有微弱增大.当液体流量为0.03 mL·min-1时，液滴释放频率只有0.137 Hz；当流量为0.30 mL·min-1时，液滴释放频率为1.160 Hz.由此可见，滴状模式下，液滴在释放过程中重力起到主导作用，电场力对液滴产生仅起到微弱的作用.由于重力影响，滴状模式中大流量下液滴释放频率要高于小流量下液滴释放频率.另外，由于液体流量总体偏小，滴状模式下液滴喷射周期较长.

随着施加电压增大，电场力作用逐渐增强.当施加电压超过3.0 kV时，重力与电场力共同克服表面张力的作用，液滴释放频率由不足1.000 Hz突增到超过100.000 Hz(流量为0.05 mL·min-1)，该阶段中液滴释放频率均值约为55.000 Hz.突增段出现的主要原因是在该过程中电场力逐渐成为影响液滴产生的主导因素，电场力加速液滴形成，突增段的雾化模式表现为滴状(微滴状)模式向纺锤模式转变.

在越过突增段后，随着施加电压的进一步增大，液滴释放频率的增大速度逐渐放缓.当施加电压接近4.0 kV，流量为0.30、0.03 mL·min-1时，雾化液滴的释放频率分别达到56.500、205.000 Hz.可见，随着施加电压进一步增大，电场力对液滴释放过程的影响逐渐增强，液滴受到的重力将不再是液滴产生的主导因素.该段雾化模式表现为从纺锤模式逐渐转变为脉动锥射流模式.施加电压超过突增段的施加电压后，小流量下雾化液滴释放频率明显高于大流量，这是由于在小流量下能够产生更小的液滴，在电场力作用下脱落速度更快.

通过对金属毛细管产生雾化液滴释放的周期特性进行分析，可以得出施加在金属毛细管上的施加电压及液体供给流量都会影响到雾化液滴释放频率.在雾化液滴产生过程中，施加电压对液滴释放频率的影响从微弱作用逐渐转变为主导作用.液体供给流量对雾化液滴释放频率的影响小于施加电压影响.

3.2 去离子水雾化液滴的周期性

图7为U=0～6.0 kV时，4种流量下去离子水液滴释放频率与施加电压关系曲线.

图7 去离子液滴释放频率与施加电压关系曲线

当此施加电压后，滴状模式首先出现.随着施加电压逐渐增大，液滴释放频率也稳步增大.滴状模式下，各流量下液滴释放频率范围为0.140～0.510 Hz，大流量下液滴释放频率大于小流量，该阶段电场力对液滴的作用较微弱，重力对液滴释放过程起到主导作用.当施加电压达到5.0 kV时，雾化模式由滴状模式转变为微滴模式，在流量为0.03 mL·min-1时，微滴状模式下液滴释放频率为1.020 Hz.由于微滴状模式发生的范围较小，随着施加电压逐渐增大，雾化模式从微滴状模式迅速转变为纺锤模式，液滴释放频率也从1.020 Hz迅速增大到666.670～967.230 Hz.当流量为0.05 mL·min-1时，在突增阶段液滴释放频率从1.240 Hz增大到933.330 Hz.该过程主要是因为雾化产生更加细小的液滴，同时去离子水表面张力较大，使得去离子水与金属毛细管之间的集肤效应较差，液滴在电场力作用下更易脱离金属毛细管管口.

随着施加电压进一步增大，雾化模式在随后的一段时间内维持在脉动锥射流模式下，液滴释放频率逐渐增大到933.330～1 311.110 Hz.去离子水雾化过程中，液滴释放频率呈现出整体增大趋势，在突增段液滴释放频率的改变更加明显，突变后液滴释放频率是突变前的几百倍.在突增段之前，小流量下液滴释放频率明显大于大流量，在整个雾化过程中重力对液滴释放频率起到重要作用.越过突增段之后，小流量下液滴释放频率明显小于大流量，电场力逐渐成为影响液滴释放的主导因素.

3.3 周期特性对比

在相同的流量(0.05 mL·min-1)下，随着施加电压的增大，无水乙醇与去离子水雾化液滴释放频率都增大，两种液体突增段产生的施加电压分别为3.0 kV和5.0 kV.该阶段去离子水液滴释放频率突变范围明显比无水乙醇突变范围小，这是由于去离子水表面张力比无水乙醇大.去离子水与金属毛细管之间产生的集肤效应较差，液体从金属毛细管管口流出后很快收缩成球形，在电场力作用下液滴很快脱离金属毛细管管口.

整个雾化过程中，无水乙醇雾化液滴的释放频率大于去离子水.主要是由于去离子水电导率大于无水乙醇，使得去离子水雾化生成液滴所产生的电场强度对雾化区域内电场强度的影响高于无水乙醇.因此相同施加电压下，去离子水雾化时电场强度小于无水乙醇，去离子水雾化液滴释放频率也小于无水乙醇.

3.4 液滴最大释放频率

假设在金属毛细管管口发生的雾化是连续过程，即每种雾化模式下液滴的释放频率相同，则通过连续方程可以计算出液滴释放时最大频率.当施加电压较小时，可以得到较大粒径液滴；随着施加电压的增大时，由于电场力、表面张力、重力等共同作用，雾化会产生较小粒径液滴，此时雾化液滴释放频率也会随着施加电压的增大而增大.当施加电压达到一定值时，静电雾化模式将不再保持稳定的滴状模式与纺锤模式，此时的液滴释放频率可定性为液滴释放的最大频率.当液滴出现最大释放频率时，释放液滴累积的液体总体积与相同半径圆柱的体积成一定比例.因此液滴最大释放频率可以描述为

(1)

式中：fmax为液滴最大释放频率；kQ为液滴累积的液体总体积与相同半径圆柱体积的比；rd为雾化液滴的半径.

通常静电雾化产生的液滴粒径主要取决于液体物性参数、施加电压、液体流量、金属毛细管内径、介电常数及试验装置的结构等.文献[15]提出直径比d/d0和流量比qV/q0皆为量纲一的量，二者之间的关系表达式为

(2)

式中：q0为液体的参考流量；d为液滴直径；d0为液滴的参考直径.二者分别定义为

(3)

(4)

式中：ε0为真空介电常数；σ为液体表面张力；ρ为液体密度；K为液体电导率.

根据文献[16]的结论，液滴的粒径依赖于液体密度、流速及压强差，可定义为

(5)

将式(2)代入式(1)中可得

(6)

图8为两种液滴最大释放频率的理论预测值与试验值对比.

图8 两种液滴最大释放频率的理论预测值与试验值对比

由图8可知：随着液体流量增大，预测理论值和试验值均减小；去离子水的预测峰值释放频率小于试验结果，无水乙醇的预测峰值释放频率大于试验结果；以液体流量为0.05 mL·min-1为例，去离子水最大释放频率预测值和试验值分别为635.010 Hz和726.670 Hz，无水乙醇预测值和试验值分别为204.980 Hz和131.020 Hz；去离子水和乙醇液体上的表面张力不同，在施加电场的情况下，液体表面的电应力会抵消这种表面张力.去离子水的表面张力变化范围比乙醇大，这导致了去离子水释放频率大于无水乙醇.同时，液滴形成过程中的电场力比较复杂，难以用式(6)表达.综上，液滴释放频率的试验值与理论预测值在数量上存在差异，也即预测值数量比试验值数量多，但总体上理论预测值与试验值变化趋势基本一致.

4 结 论

1)采用高速数码相机记录了金属毛细管静电雾化模式中无水乙醇与去离子水雾化液滴从形成到释放过程中的参数变化，分析了无水乙醇和去离子水在雾化过程中液滴的释放频率.

2)每种雾化模式下，随着施加电压的增大,液滴的释放频率有所增大；施加电压达到3.0 kV时，无水乙醇液滴的释放频率进入突增阶段，而去离子水在施加电压为5.0 kV时产生突增，雾化模式表现为滴状模式(微滴模式)向纺锤模式转变.

3)在液滴释放频率的突增阶段，去离子水表面张力较大，使得液滴与金属毛细管之间的集肤效应较差，液体在金属毛细管管口处很快形成球形液滴，在电场力作用下液滴更容易脱离金属毛细管管口，去离子水表面张力增加了液滴脱离金属毛细管管口的速度.

4)通过对比相同流量下去离子水与无水乙醇雾化液滴释放的周期特性可知，液滴自身产生的电场强度会影响到空间电场强度分布，因此高电导率液体的液滴释放频率整体小于低电导率液体.通过理论分析可知，施加电压和液体流量是影响液滴释放频率的主要因素.