專利名稱：判斷霧化沖擊射流液滴沉積附著于基板所需工況條件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于霧化噴涂領(lǐng)域，尤其涉及一種判斷霧化沖擊射流液滴沉積附著于基板
所需工況條件的方法。
背景技術(shù)：
霧化射流噴涂在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，如紡織工業(yè)中的復(fù)貼技術(shù)，熱噴涂中功 能材料的制備。它是一個多參數(shù)共同作用的復(fù)雜過程，主要包括霧化和噴涂兩大子過程，這 兩大過程即各自受不同的機理控制，又通過共同參數(shù)相互承接關(guān)聯(lián)，霧化過程為噴涂過程 提供了初始條件，對最終的噴涂效果有決定性影響。為了得到理想的噴涂效果，優(yōu)化霧化沖 擊射流過程，必須對兩個子過程進(jìn)行整體把握。以往的理論研究往往側(cè)重于子過程的內(nèi)部 機理，而缺乏從整體角度考慮各過程之間的聯(lián)系，對于如何通過控制霧化工況條件以優(yōu)化 噴射沉積過程的研究很少見。 本發(fā)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(fā)，是 一種較為新型的霧化噴嘴。相比傳統(tǒng)的壓力噴嘴，兩相流噴嘴，氣泡霧化噴嘴有著霧化質(zhì)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(yīng)用前景，目前已成功 運用于燃燒，制藥，等離子噴涂等領(lǐng)域。但現(xiàn)有的研究尚未提出泡狀霧化噴嘴運用于噴涂領(lǐng) 域時，其運行參數(shù)對最終噴涂效果的影響趨勢。此外，為獲得液滴附著于基板的理想噴涂效 果， 一個有效的調(diào)節(jié)方法和合理的工況參數(shù)運行范圍也尚未被提出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對于實際應(yīng)用，提出泡狀霧化噴嘴用于霧化沖擊射流時液滴沉 積附著于基板所需工況條件的運行范圍和條件方法。 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的對于典型的亞音速泡狀霧化噴嘴 (即噴嘴內(nèi)部為穩(wěn)定的氣液兩相泡狀流動)，為獲得液滴沉積附著于基板的噴涂效果，有利 的工況條件是較小的氣液質(zhì)量流量比和液體質(zhì)量流速，較大的噴嘴直徑和基板與噴嘴之間 的間距。且當(dāng)霧化介質(zhì)為空氣和水，沖擊基板平滑無彈性，放置位置垂直于噴嘴的中軸線的 情況下，當(dāng)工況條件為氣液質(zhì)量流量比為0. 02 0. 06，噴嘴直徑為0. 3 0. 5cm，液體質(zhì) 量流速為20 80kg/h，噴嘴內(nèi)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(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過對霧化和噴涂兩個過程進(jìn)行整體考慮，界定了 霧化沖擊射流液滴沉積附著于基板所需工況條件的范圍，提供了通過控制霧化的工況條件 來得到理想噴涂效果的有效途徑，可為霧化噴涂的實際應(yīng)用提供預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)節(jié)辦法。


圖1是泡狀霧化噴嘴沖擊射流示意 圖2是液滴撞擊基板的結(jié)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 狀霧化噴嘴沖擊射流過程可分為霧化和噴涂兩個子過程，首先壓縮空氣和液體在噴嘴內(nèi)部 形成穩(wěn)定的泡狀兩相流動，在噴嘴出口處由于氣泡對液體的擠壓剪切，膨脹破裂作用，使連 續(xù)的液體發(fā)生破碎霧化，形成細(xì)小的液霧顆粒，這些顆粒在湍動的射流場中是極不穩(wěn)定的， 在噴嘴中下游會發(fā)生碰撞、破碎、合并等二次霧化過程，最終液滴將撞擊基板，即噴涂過程。 現(xiàn)有的研究表明霧化液滴撞擊基板可能發(fā)生三種情況(如圖2):—是反彈，二是附著，三 是飛濺。理想的噴涂效果是霧化后的液滴撞擊基板粘帖附著，不發(fā)生反彈和飛濺。判斷液 滴撞擊結(jié)果可用無量綱數(shù)K數(shù)和We數(shù)來界定，K數(shù)和We數(shù)與液滴入射時的物性，速度和粒
徑大小相關(guān)，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(jīng)C. Mundo等人的實驗總結(jié)當(dāng)We數(shù)小于5時，液滴反彈，當(dāng)K數(shù)大于57. 7時， 液滴飛濺，當(dāng)We數(shù)大于5且K數(shù)小于57. 7時，液滴附著沉淀。由K數(shù)和We數(shù)的定義可知， 計算K數(shù)和We數(shù)的關(guān)鍵量是入射液滴的粒徑和法向速度。 為了確定當(dāng)霧化介質(zhì)是水和空氣時，霧化液滴撞擊基板粘帖附著所需工況參數(shù)的 范圍，本發(fā)明采用對泡狀霧化噴嘴霧化沖擊射流過程進(jìn)行數(shù)值建模，將各個運行參數(shù)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(shù)小于57. 7而We數(shù)大于5的運行參 數(shù)范圍。本發(fā)明所用的數(shù)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 一次霧化模型是基于L皿d所提出的SMD的經(jīng)驗公式(SMD是所有液滴顆粒的體積和表面積 之比，常用于霧化射流領(lǐng)域，表征平均粒徑)，假設(shè)一次霧化過程起始于環(huán)狀的氣液形態(tài)，隨 后經(jīng)歷了由環(huán)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(rèn)為柱狀液絲的直徑等于環(huán)狀液膜的厚度。 一次霧化模型的建 立是為了根據(jù)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，湍流場的計算采用k- e湍流模型，粒子計算采用拉各朗日方法，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。破碎模型采用了適用于霧化噴流的 CAB模型，碰撞模型考慮了液滴碰撞后合并和反彈兩種情況。一次霧化模型和二次霧化模型 均已經(jīng)實驗數(shù)據(jù)驗證，可用于模擬霧化射流過程。 本發(fā)明運用此模型模擬霧化射流外部流場，考慮有基板存在的沖擊射流過程，計 算所得基板附近入射液滴的平均粒徑大小和速度，用于預(yù)測K數(shù)和We數(shù)，最后經(jīng)過分析得 出霧化沖擊射流中，有利于K數(shù)小于57. 7，We數(shù)大于5，即有利于獲得液滴沉積附著于基板 的噴涂效果的參數(shù)調(diào)節(jié)方法，此外還得出當(dāng)霧化介質(zhì)為水和空氣時，霧化液滴沉積附著于 基板所需工況條件的范圍。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案的主要步驟如下 第一步確認(rèn)噴嘴類型和噴嘴外部環(huán)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(yīng)為泡狀流動，其中霧化液體為液態(tài)水，霧化氣體為空氣。嘴外部的介質(zhì)為空氣，狀態(tài)是常溫常壓。沖擊基板平滑無彈性，放置位置垂直于噴嘴的中軸 線。 第二步調(diào)節(jié)工況參數(shù)在以下范圍內(nèi)氣液質(zhì)量流量比為0.02 0.06，噴嘴直徑為 0. 3 0. 5cm，液體質(zhì)量流速為20 80kg/h，噴嘴內(nèi)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(shù)小于57. 7， We數(shù)大于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(zhì)量流量比和液體質(zhì)量流速，較大的噴嘴直徑和 基板與噴嘴之間的間距有利于液霧撞擊基板粘帖。 以下結(jié)合三個例子來說明本發(fā)明的有效性。三個例子分別取上述工況參數(shù)范圍的 兩個極值和一個中間值，以表明在此范圍內(nèi)，可使K數(shù)小于57. 7， We數(shù)大于5，滿足液滴沉 積附著于基板所需條件。 實施例1 :當(dāng)氣液質(zhì)量流量比為0. 02，噴嘴直徑為0. 5cm，液體質(zhì)量流速為20kg/ h，噴嘴內(nèi)部壓力為2X 106g/cm 82，基板和噴嘴之間的距離為250mm時，由數(shù)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(shù)和We數(shù)，
得〖=//,-o.2V,。.7V,-。.54。.7、1.25 = 0.5895 ， , = p,命,2/ =10.3 ，符合K數(shù)小于57. 7， We
數(shù)大于5的液滴粘貼附著于基板所需條件。 實施例2 :當(dāng)氣液質(zhì)量流量比為0. 06，噴嘴直徑為0. 3cm，液體質(zhì)量流速為80kg/h， 噴嘴內(nèi)部壓力為5X 106g/cm 82，基板和噴嘴之間的距離為150mm時，由數(shù)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 著于基板所需條件。 實施例3 :當(dāng)氣液質(zhì)量流量比為0. 04，噴嘴直徑為0. 4cm，液體質(zhì)量流速為50kg/h， 噴嘴內(nèi)部壓力為3. 5X 106g/cm 82，基板和噴嘴之間的距離為200mm時，由數(shù)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
著于基板所需條件。 上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和 權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種判斷霧化沖擊射流液滴沉積附著于基板所需工況條件的方法，其特征在于，該方法為對于泡狀霧化噴嘴，為獲得液滴沉積附著于基板的噴涂效果，有利的工況條件是較小的氣液質(zhì)量流量比和液體質(zhì)量流速，較大的噴嘴直徑和基板與噴嘴之間的間距。且當(dāng)霧化介質(zhì)為空氣和水時，氣液質(zhì)量流量比為0.02～0.06，噴嘴直徑為0.3～0.5cm，液體質(zhì)量流速為20～80kg/h，噴嘴內(nèi)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(jù)權(quán)利要求1所述判斷霧化沖擊射流中液滴沉積附著于基板所需工況條件的方 法，其特征在于，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(yīng) 為泡狀流動，其中霧化液體為液態(tài)水，霧化氣體為空氣。噴嘴外部的介質(zhì)為空氣，狀態(tài)是常 溫常壓。沖擊基板平滑無彈性，放置位置垂直于噴嘴的中軸線。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述判斷霧化沖擊射流中液滴沉積附著于基板所需工況條件的方 法，其特征在于當(dāng)霧化介質(zhì)為空氣和水時，氣液質(zhì)量流量比為0. 02 0. 06，噴嘴直徑為 0. 3 0. 5cm，液體質(zhì)量流速為20 80kg/h，噴嘴內(nèi)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(fā)明公開了一個判斷霧化沖擊射流液滴沉積附著于基板所需工況條件的方法。該方法通過對泡狀霧化噴嘴沖擊射流進(jìn)行三維的數(shù)值建模，所用數(shù)值模型經(jīng)實驗驗證后，用于分析氣液質(zhì)量流量比，噴嘴口徑，液體質(zhì)量流速和基板所處位置等工況條件對沖擊射流最終噴涂結(jié)果的影響。本發(fā)明通過對霧化和噴涂兩個過程進(jìn)行整體考慮，界定了霧化沖擊射流液滴沉積附著于基板所需工況條件的范圍，提供了通過控制霧化的工況條件來得到理想噴涂效果的有效途徑，可為霧化噴涂的實際應(yīng)用提供預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)節(jié)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(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者林建忠, 熊紅兵, 錢麗娟 申請人:中國計量學(xué)院