Капиллярно-вибрационное распыление жидкости

Описан капиллярно-вибрационный метод распыления жидкости. Экспериментально исследованы различные режимы распыления, обсуждены физические процессы, лежащие в основе метода. Капиллярно-вибрационные режимы распыления, их параметры и стабильность классифицированы с точки зрения баланса притока-оттока жи...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2002
Main Author:	Розина, Е.Ю.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут гідромеханіки НАН України 2002
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/903
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Капиллярно-вибрационное распыление жидкости / Е. Ю. Розина // Акуст. вісн. — 2002. — Т. 5, N 2. — С. 43-53. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859820608486899712
author	Розина, Е.Ю.
author_facet	Розина, Е.Ю.
citation_txt	Капиллярно-вибрационное распыление жидкости / Е. Ю. Розина // Акуст. вісн. — 2002. — Т. 5, N 2. — С. 43-53. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
collection	DSpace DC
description	Описан капиллярно-вибрационный метод распыления жидкости. Экспериментально исследованы различные режимы распыления, обсуждены физические процессы, лежащие в основе метода. Капиллярно-вибрационные режимы распыления, их параметры и стабильность классифицированы с точки зрения баланса притока-оттока жидкости на срезе рабочего капилляра. Описаний капілярно-вібраційний метод розпилення рідини. Експериментально досліджені різні режими розпилення, обговорені фізичні процеси, якi лежать в основi методу. Капілярно-вібраційні режими розпилення, їхні параметри й стабільність класифіковані з точки зору балансу притоку-відтоку рідини на зрізі робочого капіляра. The capillary-vibrational method of liquid spraying is described. Various regimes of the atomization are investigated experimentally. Physical processes behind this method are discussed. Capillary-vibrational regimes of spraying, their parameters and stability are classified from the viewpoint of balance of the fluid's inflow-outflow on the exit of working capillary.
first_indexed	2025-12-07T15:24:51Z
format	Article
fulltext	ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2002. Том 5, N 2. С. 43 – 53 УДК 532.66:541.182:537.3 КАПИЛЛЯРНО-ВИБРАЦИОННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ ЖИДКОСТИ Е. Ю. Р ОЗ И НА Одесская государственная академия холода Получено 15.04.2002 Описан капиллярно-вибрационный метод распыления жидкости. Экспериментально исследованы различные режи- мы распыления, обсуждены физические процессы, лежащие в основе метода. Капиллярно-вибрационные режимы распыления, их параметры и стабильность классифицированы с точки зрения баланса притока – оттока жидкости на срезе рабочего капилляра. Описаний капiлярно-вiбрацiйний метод розпилення рiдини. Експериментально дослiдженi рiзнi режими розпилення, обговоренi фiзичнi процеси, якi лежать в основi методу. Капiлярно-вiбрацiйнi режими розпилення, їхнi параметри й стабiльнiсть класифiкованi з точки зору балансу притоку – вiдтоку рiдини на зрiзi робочого капiляра. The capillary-vibrational method of liquid spraying is described. Various regimes of the atomization are investigated experimentally. Physical processes behind this method are discussed. Capillary-vibrational regimes of spraying, their parameters and stability are classified from the viewpoint of balance of the fluid’s inflow – outflow on the exit of working capillary. ВВЕДЕНИЕ Аэрозольные технологии находят самое широ- кое применение в различных областях техники, в биологии и медицине. Достаточно упомянуть физиотерапевтические методы, использующие ле- карственные средства в аэрозольной форме, или проблему создания комфортных условий жизне- деятельности человека, что предполагает очистку воздуха и стабилизацию его влажности. В элек- тронной промышленности аэрозольные техноло- гии применяются при изготовлении электронных плат для нанесения фоторезиста или создания за- щитного покрытия на готовых изделиях. Широ- кий диапазон приложений предполагает различие в требованиях к потоку аэрозольных частиц, что, в свою очередь, обуславливает большое разнообра- зие методов диспергирования жидкости в газах. В отдельных случаях нужно получить монодис- персный аэрозоль (для потребностей метрологии, при нанесении тонкопленочных покрытий), в дру- гих ситуациях необходимо создать стабильный по- ток частиц с регулируемыми параметрами. Ши- роко распространенный классический метод рас- пыления основан на так называемом, “рэлеевском распаде струи” [1, 2]. Для получения монодиспер- сных аэрозолей используют дисковые [1] и элек- трогидродинамические распылители [3,4]. Несмот- ря на кажущееся разнообразие методов дисперги- рования, в их основе лежит создание гидродина- мической неустойчивости на поверхности раздела жидкость – газ. Еще один хорошо известный способ создания не- устойчивости на границе раздела жидкость – газ, обеспечивающий распыление жидкости [5, 6] – это возбуждение в жидкости колебаний ультразвуко- вой частоты, причем интерес к ультразвуковым методам распыления в последнее время вновь воз- растает [7, 8]. Одна из причин этого состоит в том, что при ультразвуковом воздействии имеют- ся наиболее широкие возможности для управле- ния параметрами потока диспергированных ча- стиц (посредством изменения как частоты, так и амплитуды воздействия). Однако при этом суще- ствует проблема нестабильности работы ультра- звуковых распылителей. В классическом ультра- звуковом методе колебания создаются в объеме жидкости, а распыление жидкости наблюдается в слое [1, 6, 7] и фонтане [5, 6, 8]. Основным усло- вием стабильной работы ультразвуковых устано- вок является постоянство акустической нагрузки на излучатель. В то же время, процесс распы- ления предполагает убыль массы жидкости над поверхностью излучателя. Таким образом, неста- бильность заложена в самой природе этого процес- са. Другими словами, если не обеспечить скорость натекания жидкости, равную скорости ее распы- ления, то получить стационарный поток распы- ляемых частиц с неизменными параметрами ве- сьма сложно. Распыление жидкости – это мало- расходный процесс, следовательно, насос, исполь- зуемый для подачи жидкости, должен быть так- же малорасходным и иметь постоянную и легко регулируемую скорость подкачки жидкости. Если учесть тот факт, что скорость натекания и ско- рость распыления должны коррелировать между c© Е. Ю. Розина, 2002 43 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2002. Том 5, N 2. С. 43 – 53 2 . , , , . [9]. - , , . 1. . , - , .1. 1 2, 3. 1, , , 4. 1 5, 6 7. 18 – 22 . 1 2 , , , . 0,8 , 12-18 . 1 1 – 7 . 1 . 1 4 , . 2 , , . , . : - , , - , . , ( ), . 2 ) , ) .1. : - ; - . 4 1 75 6 9 3 2 8 2 3 1 9 10 4 а б Рис. 1. Установка для распыления жидкости: а – схема крепления капилляров в теле концентратора, б – схема установки собой, то оптимальной является ситуация, когда скорость распыления и скорость подкачки регули- руются одним и тем же элементом установки. Эта идея была реализована в эксперименте [9]. В данной работе описаны режимы капиллярно- вибрационного распыления жидкостей, а также эксперименты, направленные на выяснение меха- низма процесса распыления жидкости при таком методе. 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА Установка, реализующая капиллярно- вибрационное распыление жидкости, схема- тически представлена на рис. 1. Основными ее элементами являются два капилляра 1 и 2, механически соединенные с ультразвуковым концентратором 3. Капилляр 1, ориентиро- ванный соосно с концентратором, погружен в распыляемую жидкость, заполняющую стакан 4. Колебания капилляра 1 обеспечиваются ультра- звуковым преобразователем 5, сигнал на который подается через усилитель 6 от генератора 7. Использовавшиеся в экспериментах задающий генератор и усилитель допускали плавную под- стройку частоты в диапазоне 18÷22 кГц. Для капилляров 1 и 2 в теле концентратора высверле- ны два цилиндрических отверстия таким образом, что закрепленные капилляры образуют сквоз- ной канал, по которому при наличии перепада давлений может протекать жидкость. В нашем случае рабочие капилляры имели одинаковый диаметр 0.8 мм, а их длины менялись в диапазоне 12÷18 мм. Глубина погружения капилляра 1 составляла 1÷7 мм. При возбуждении ультразвуковых колебаний концентратора закрепленный на нем капилляр 1 совершает колебательное движение вдоль своей оси. Жидкость поднимается по капилляру 1 выше уровня жидкости в сосуде 4 и заполняет полость, образованную в теле концентратора. В отсутствие капилляра 2 жидкость поднимается к внешней поверхности концентратора, покрывает ее тонкой пленкой, и начинается активный процесс распыле- ния. При этом наблюдается как выброс крупных капель из отверстия, так и тонкопленочное рас- пыление с образованием мелких капель с поверх- ности концентратора. Существуют два фактора, делающие этот способ распыления практически нерегулируемым: во-первых, случайным образом изменяется площадь распыляющей поверхности; во-вторых, участие двух механизмов распыления обуславливает большой разброс частиц по разме- рам. Таким образом, несмотря на высокую эф- фективность распыления (большой расход жидко- сти), этот режим оказывается нетехнологичным. 44 Е. Ю. Розина ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2002. Том 5, N 2. С. 43 – 53 Заметим, что использование капилляра 2 позволя- ет: • исключить неконтролируемое тонкопленоч- ное распыление с поверхности концентратора; • создать направленный поток распыляемой жидкости; • организовать различные режимы распыле- ния. 2. ОСНОВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Было выявлено, что процесс распыления, как многие явления в ультразвуковом поле, имеет по- роговый характер, т. е. наблюдается при амплиту- дах вибраций капилляров, превышающих некото- рую минимальную величину h∗=1.6 мкм (эта ам- плитуда достигается при напряжении на излуча- теле U =10÷12 В). В эксперименте при измене- нии напряжения на излучателе (и, соответственно, амплитуды колебаний поверхности концентратора h) регистрировали основные параметры процесса распыления: • наиболее вероятный размер капель; • скорость их генерации; • стабильность этого процесса. 2.1. Режимы распыления Для определения размера капель использовал- ся стандартный метод “затопления”. На стеклян- ную подложку наносили вазелиновое масло, пред- варительно насыщенное парами воды. Микрокап- ли жидкости, движущиеся после отрыва с неко- торой скоростью, тормозятся в слое вязкого вазе- линового масла и относительно продолжительное время (до нескольких минут) существуют в нем, не растворяясь. Размер формирующихся капель определялся непосредственно (под микроскопом) или по полученным фотографиям. В зависимости от амплитуды колебаний h ока- залось возможным выделить три режима распы- ления. Первый режим охватывает узкий диапазон ам- плитуд h∼=1.6÷1.8 мкм, незначительно превыша- ющих пороговое значение h∗ (соответствующие напряжения на излучателе – 12 ÷ 14 В). От по- верхности мениска отрываются практически оди- наковые капли, средний размер которых порядка 40 мкм. В этом режиме скорость подкачки жид- кости капилляром 1 очень мала (она меньше ско- рости распыления). Поэтому процесс распыления носит прерывистый характер: капли генерируют- ся в течение времени порядка 10 с, затем процесс прерывается до тех пор, пока мениск вновь не по- днимется к зоне распыления. Из-за малой скоро- сти подъема жидкости по капиллярной системе для инициирования процесса необходимо предва- рительно создать разрежение в ней, чтобы жид- кость заполнила оба капилляра и мениск оказался в зоне распыления (на срезе капилляра 2). Второй режим наблюдается при h'1.8÷3.2 мкм (напряжение на излучателе изменяется в диапазо- не 14 ÷ 25 В). Средний диаметр образующихся ча- стиц составляет 80 мкм, но в поле зрения микро- скопа присутствует малое количество капель крат- ного размера 120 мкм. Возможными причинами регистрации таких капель может быть как их ре- альный отрыв от мениска, так и несовершенство метода регистрации, поскольку не исключено слу- чайное слияние двух капель на подложке при до- статочно плотном потоке частиц. В этом режи- ме скорость притока жидкости за счет подкачки капилляром 1 равна скорости ухода жидкости за счет ее распыления, что обеспечивает непрерыв- ность процесса распыления. Третий режим характерен для амплитуд смеще- ния излучателя свыше 3.2 мкм (диапазон напря- жений 25÷45 В). Из капилляра вырывается мощ- ный поток распыленной жидкости, в которой при- сутствуют капли практически произвольного раз- мера из диапазона 80÷340 мкм, причем с увели- чением амплитуды доля крупных частиц в потоке возрастает. Таким образом, вибрационно-капиллярный ме- тод позволяет реализовать два технологичных не- прерывных режима распыления: малорасходный режим 2, в котором образуются капли близких размеров из диапазона 80±10 мкм, и режим эф- фективного распыления 3, в котором создается направленный скоростной поток разнокалиберных капель. 2.2. Сравнительный анализ методов капилляр- ного распыления жидкости Оптимизация вибрационно-капиллярного мето- да распыления невозможна без исследования фи- зических процессов, лежащих в его основе. Но прежде, чем обсуждать эти вопросы, перечислим известные методы, в которых для распыления применяют капилляры, и отметим характерные отличия от описанного метода, использующего два Е. Ю. Розина 45 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2002. Том 5, N 2. С. 43 – 53 капилляра. Метод электростатического диспергирования предполагает продавливание распыляемой жид- кости через капилляр. При этом нестабильность, способствующая отрыву капли от капилляра, обу- словлена действием сил электростатического от- талкивания [3, 4]. Кроме того, неподвижный ка- пилляр используется в генераторе капель с вибри- рующей иглой. Жидкость вытеснена к срезу ка- пилляра, и в нее погружен конец иглы. Колеба- ния иглы на частоте порядка 1 кГц обеспечивают вырывание с поверхности жидкости одинаковых капель диаметром 150 мкм. Их размер, как и в предыдущем случае, соизмерим с диаметром ка- пилляра, а направление движения потока капель задается направлением движения колеблющейся иглы [10]. Принципиальное отличие обоих методов от рас- сматриваемого в данной работе очевидно. В клас- сическом методе, основанном на Рэлеевском рас- паде струи, жидкость продавливают через капил- ляр малого диаметра, на вытекающей струе возни- кает капиллярная нестабильность, что в конечном итоге приводит к разрыву струи на капли. Разме- ры капель соизмеримы с длиной капиллярной вол- ны λ, сформированной на поверхности струи, а длина волны, в свою очередь, определяется ди- аметром струи Dj в соответствии с соотношени- ем λ=4.58Dj. Отсюда следует, что уменьшить ди- аметр капель можно, только уменьшая диаметр струи и, соответственно, диаметр капилляра. Оче- видно, что для капилляров малого диаметра зна- чительно возрастает давление, необходимое для продавливания жидкости и создания скоростной струи. Поэтому реально используются капилляры с внутренним диаметром не менее 0.1 мм, а капли, создаваемые упомянутым способом, оказываются достаточно крупными (их размер превышает диа- метр капилляра) [2, 3]. Модифицированный метод разрушения струи, на первый взгляд, близок к описанному капиллярно-вибрационному методу распыления. В этом методе жидкость протекает по капилляру вследствие перепада статического давления на его концах. Нестабильность поверхности струи выте- кающей жидкости стимулируется колебаниями капилляра, через который жидкость проте- кает [11, 12]. Оптимальная частота колебаний определяется отношением скорости вытекания струи к длине поверхностной волны, сформи- рованной на струе, и при малых диаметрах капилляра попадает в ультразвуковой диапа- зон. Вибрации капилляра перпендикулярны оси капилляра, т. е. направлению движения потока капель. В нашем случае распыляющий капил- ляр 2 при колебаниях также имеет составляющую скорости, перпендикулярную его оси (см. рис. 1). Характерно, что при поперечных колебаниях капилляра отрываются капли, имеющие диаметр 250 мкм, т. е. существенно превосходящие диаметр использованного капилляра, как и в классическом методе распада струи [12]. В нашем же случае размер капель, по крайней мере, на порядок меньше диаметра распыляющего капилляра. Таким образом, в модифицированном мето- де [11, 12] капилляр используется для создания струи малого диаметра. Диаметр струи опреде- ляет размер капель, а высокочастотные вибрации конца капилляра способствуют созданию гидро- динамической неустойчивости, обеспечивающей разрыв струи. В экспериментах по капиллярно- вибрационному распылению в режимах 1 и 2 вооб- ще нет “струи”, с поверхности мениска отрываются отдельные капли, и их размер не определяется ди- аметром капилляра. 2.3. Размеры распыляемых частиц Для выяснения механизма распыления жидко- сти процессы, протекающие у среза распыляющего капилляра 2, регистрировались видеокамерой. Ха- рактерные стоп-кадры, оттранслированные в ком- пьютер, приведены на рис. 2. В отсутствие вибраций мениск, предваритель- но подтянутый к срезу распыляющего капилля- ра, имеет обычную вогнутую форму и не рассеи- вает падающий на него свет. При увеличении ам- плитуды вибраций происходит вспучивание мени- ска в центральной части и образование стационар- ной волновой структуры в области, прилежащей к стенкам капилляра (см. рис. 2, а). Дальнейшее по- вышение амплитуды вибраций приводит к тому, что волновой процесс охватывает всю поверхность вспученного мениска. Об этом свидетельствует ее равномерная освещенность без затемнений и бли- ков (см. рис. 2, б). Такое состояние предшествует началу режима распыления. При достижении по- роговой амплитуды h∗ над вспученной частью ме- ниска образуются микрокапли жидкости, но, так как концентрация частиц крайне мала и движение происходит с относительно высокими скоростями, они практически неразличимы (соответствующие кадры не приведены). На рис. 2, в показана направленная струя распы- ляемой жидкости, характерная для режима рас- пыления 3. Подчеркнем, что поток образовавши- хся частиц вырывается из канала вибрирующе- го капилляра. При этом на внешней стенке ка- 46 Е. Ю. Розина ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2002. Том 5, N 2. С. 43 – 53 а б в г Рис. 2. Результаты видеосъемки процессов у среза распыляющего капилляра при различных напряжениях на излучателе: а – 8 В, б – 9 В, в – 28 В, г – 40 В пилляра зафиксирована крупная капля жидкости, которая существует в стационарном состоянии и не распыляется. Это означает, что амплитуда по- перечных вибраций капилляра 2 недостаточна не только для распыления жидкости, не ограничен- ной его стенками, но и для отрыва крупной кап- ли. При дальнейшем увеличении амплитуды сме- щения и, соответственно, амплитуды поперечных колебаний распыляющего капилляра начинается режим ненаправленного распыления как из кана- ла капилляра, так и с его внешней поверхности (см. рис. 2, г). Включение добавочного источни- ка распыления – внешней поверхности капилляра при больших амплитудах вибраций – является, по- видимому, основной причиной большого разброса капель по размерам в режиме 3. Очевидно, что появление зафиксированной капли (рис. 2, в) на внешней поверхности капилляра и, следовательно, ее распыление при достаточных амплитудах ко- лебаний обусловлены несбалансированностью по- токов распыляемой и натекающей в зону распы- ления жидкости. Как отмечалось выше, в режи- ме 3 скорость натекания значительно превышает скорость распыления жидкости с поверхности ме- ниска. Именно это, в конечном счете, и является причиной большого разброса капель жидкости по размерам, характерного для этого режима распы- ления. Два фактора позволяют предположить, что в режимах 1 и 2 распыление жидкости с поверхно- сти мениска происходит по капиллярно-волновому механизму: во-первых, на поверхности мениска Е. Ю. Розина 47 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2002. Том 5, N 2. С. 43 – 53 реально наблюдается волновая структура; во- вторых, в обоих режимах отрываются капли при- близительно одинакового диаметра (40 и 80 мкм соответственно). Согласно установившимся пред- ставлениям [6], для капиллярно-волнового меха- низма распыления характерно, что средний диа- метр капель D должен коррелировать с длиной капиллярной волны λκ: D=αλκ. Длина капилляр- ной волны связана с поверхностным натяжением жидкости σ, ее плотностью ρ и частотой ультра- звуковых колебаний f соотношением λκ = 3 √ 8πσ ρf2 . (1) Подставляя в это выражение значения физи- ческих параметров воды и частоту ультразвуко- вых колебаний 20 кГц, получаем λκ =10−4 м. По данным различных авторов, приведенным в обзо- ре [6], параметр α принимает значения 0.3÷0.4, т. е. диаметр отрывающихся капель должен при- нимать значения 30÷40 мкм, что и зафиксирова- но в режиме нестационарного распыления 1. Заме- тим, что такое совпадение характерно только для случая предельно малых амплитуд поверхностной волны. Увеличение амплитуды вибраций приво- дит к двукратному увеличению размеров капель по сравнению со значениями, рассчитанным из со- отношения (1). Причины этого расхождения, воз- можно, связаны с тем, что формула (1) получена в предположении о безграничной плоской поверхно- сти жидкости, в то время как в наших эксперимен- тах форма распыляющей поверхности существен- но иная: она ограничена стенками капилляра и не является плоской. Сопоставление с экспериментальными резуль- татами, полученными различными авторами, по- казывает, что размер наблюдаемых частиц хоро- шо ложится на частотную зависимость диаметра капель при распылении жидкости в слое, при- веденную в обзоре [6]. Близкие размеры частиц (50 мкм) при тех же частотах, что и в наших эк- спериментах, приведены в работе [7]. Как видно, предложенный капиллярно-вибрационный способ распыления дает частицы тех же размеров, что и классический ультразвуковой метод распыления жидкости в слое. Таким образом, распыление жид- кости с поверхности вспученного мениска на срезе капилляра 2 происходит, как и в классических уль- тразвуковых методах, по капиллярно-волновому механизму. Следует, однако, отметить, что ста- бильность условий распыления, которую невозмо- жно обеспечить при распылении жидкости в слое, в наших экспериментах обеспечивается непрерыв- ной подкачкой жидкости в зону распыления через капилляр 1. 2.4. Механизм движения жидкости по капилля- ру При классических ультразвуковых методах рас- пыления (в слое и фонтане) ультразвуковая вол- на падает на поверхность раздела жидкость – газ из объема жидкости. Направление распростра- нения падающей волны определяет направление движения капель жидкости, которые отрываются от поверхности. Кроме того, звуковой пучок, па- дающий на границу раздела, создает радиацион- ное давление, которое обуславливает вспучивание этой поверхности, предшествующее фонтанирова- нию жидкости. В наших экспериментах наблюда- ется как вспучивание мениска (см. рис. 2, а, б), так и направленное движение потока частиц с доста- точно большими скоростями в режиме распыле- ния 3 (см. рис. 2, г). Поэтому возникает вопрос: в чем причина наблюдаемых эффектов, если в объе- ме жидкости нет явного источника ультразвуко- вых колебаний? Еще один интересный вопрос: каким образом жидкость подается в зону распыления (другими словами, в чем причина подъема жидкости по ви- брирующему капилляру 1)? Заметим, что это опи- сано в литературе. Для объяснения природы кави- тационного подъема жидкости по капиллярам (ка- витационный режим звукокапиллярного эффекта) авторами работы [13] проведена серия эксперимен- тов, которые, по их мнению, моделируют явление кавитационного подъема. В одном из эксперимен- тов капилляр погружали в жидкость и возбужда- ли его продольные колебания. При этом наблю- далось увеличение уровня жидкости в капилля- ре. Описанное явление рассматривали как след- ствие асимметрии гидродинамического сопротив- ления на входе в капилляр для втекающей и выте- кающей жидкости. Для условий нашего эксперимента избыточное давление ∆P , обусловленное осевыми колебания- ми капилляра 1, было измерено непосредственно. Для этого распыляющий конец капилляра 2 соеди- няли с U -образным манометром эластичной труб- кой. При этом распыление прекращалось и в труб- ке возникал поток сплошной жидкости. Уровень жидкости в манометре изменялся, и при некото- рой разности уровней, определяемой избыточным давлением ∆P , поток жидкости в трубке останав- ливался. Результаты измерений ∆P таким компен- сационным методом при различных напряжениях (и, соответственно, амплитудах смещения капил- ляра), соответствующих режиму 2, представлены 48 Е. Ю. Розина ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2002. Том 5, N 2. С. 43 – 53 на рис. 3 кривой 1. Не анализируя интерпретацию эффекта вибрационного подъема, предложенную авторами работ [13,14], обсудим возможность дру- гого подхода, который позволяет дать ответ на оба поставленных вопроса. Оптическая регистрация формы мениска на ра- спыляющем конце капилляра 2 (рис. 2, а, б) по- казала, что при установлении вибраций концен- тратора с закрепленными капиллярами мениск у среза капилляра 2 представляет собой не тради- ционную вогнутую полусферу, а имеет достаточно сложную форму с характерной вспученностью на оси, вдали от стенок. Явление вспучивания пло- ской поверхности жидкости под действием ультра- звука давно и хорошо известно [5, 6]. Его связыва- ют с действием радиационного давления звуково- го пучка на границу раздела жидкость – газ. Фор- ма поверхности жидкости в трубке, по которой распространяется акустическая волна, теоретиче- ски исследована в работе [15], причем предполагае- мый профиль поверхности мениска в такой трубке близок к наблюдаемому в наших экспериментах. Поэтому возникло предположение, что деформа- ция мениска обусловлена радиационным давлени- ем волны, распространяющейся по сквозному ка- налу, образованному капиллярами 1, 2. Источни- ком этой волны могут быть конец вибрирующего капилляра 1 или пузырьки, которые при вибраци- ях накапливаются в канале и пульсируют там на своих резонансных частотах. В нашем исследовании использовались металли- ческие (непрозрачные) капилляры, поэтому вто- рое предположение обсуждать не будем: оно тре- бует экспериментального обоснования. Для про- верки первого предположения пьезощуп погружа- ли в стакан 4 с распыляемой жидкостью. Он дей- ствительно регистрировал звуковые колебания до- статочно высокой амплитуды (например, на рас- стоянии 0.7 см от среза капилляра 1 она достига- ла 104 Па), линейно зависящей от амплитуды сме- щения капилляра. Таким образом, при колебани- ях капилляра 1 в жидкости, заполняющей сосуд 4, возбуждается ультразвуковая волна на частоте, задаваемой преобразователем. Согласно сделанно- му предположению, источником этой волны явля- ется нижний срез капилляра, и волна, излучае- мая во всех направлениях, распространяется так- же и по волноводу, образованному двумя связан- ными капиллярами 1 и 2. По капиллярным волно- водам звуковая волна распространяется с опреде- ленным затуханием [16], но при достаточной ам- плитуде давления Pmo у среза нижнего капилля- ра ее падение на мениск может обусловить как его вспученность, так и направленное движение 7 , , , . ( .2 , ), 3 ( .2, ). , , . , ; , 1. , . ( ) [13] , , , . , , . . , 1, . 2 U- . , . , , , . ( ), 2 .3, 1. , [13,14], , . 2 ( .2 , ) , 2 , , . [5,6], - . , , [15], . , , , 1, 2. .3. h P ( 1) ( 2) h, µm 10 20 300 1 2 ·10 -4 , 1/sec 0,9 1,8 2,7 P, kPa 0,25 0,50 0,75 U, V 1,3 2,6 3,9 h* Рис. 3. Влияние амплитуды h на ∆P (кривая 1) и χ (кривая 2) отрывающихся микрокапель жидкости. Создавая постоянное давление на мениск, сгенерированная звуковая волна может обусловить его смещение в капиллярной системе в направлении от источника колебаний, что, следуя традициям молекулярной физики, интерпретируют как подъем жидкости в капилляре. 2.5. Определение частоты отрыва капель Одним из определяющих параметров при рас- пылении жидкости является частота отрыва ка- пель χ=∆N/∆t, где ∆N – количество капель, отрывающихся за время ∆t. Для определения это- го параметра во многих случаях используются сложные электронно-оптические счетчики частиц. В данном случае была использована относительно простая методика, основанная на явлении заряже- ния капель жидкости при их отрыве. Известно, что при распылении воды образуют- ся заряженные капли, электрический заряд кото- рых определяется их размером [17]. Детальные ис- следования процесса образования капель в гене- раторе с вибрирующей иглой показали, что они имеют одинаковый размер 150 мкм и несут одина- ковый отрицательный заряд [10, 18]. В предполо- жении, что в условиях нашего эксперимента так- же могут отрываться заряженные капли, микро- вольтметром 8 (см. рис. 1, б) была измерена раз- ность потенциалов между заземленным корпусом концентратора 3 и электродом 9, погруженным в Е. Ю. Розина 49 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2002. Том 5, N 2. С. 43 – 53 9 . , . , 1, . 2, , , . m N , t Nm t m o , ( 2 ) 3)34( amo - a . , 2 tN / , .4, 2, , . .4 )(ln hj , )(ln h 2 . )(U 2 .3, 1, , )(UP , 1. 3, , : , , . . . , , (2) . 3. . , - - , , . 3.1. - , . , [6], . , h, µm ln . 4. h ln j ( ) ln ( ) ln j 1,3 2,6 3,9 -1 0 +1 -2 -3 2 9 3 +3 +2 7 8 10 6 0 Рис. 4. Влияние амплитуды колебаний h на ln j (правая шкала) и lnχ (левая шкала) распыляемую дистиллированную воду. Установле- но, что без ультразвука и при амплитудах колеба- ний, недостаточных для инициирования процесса распыления, устанавливается начальная разность потенциалов ∼ 2.5 мВ, а в процессе распыления она может достигать значений 25÷30 мВ (т. е. на порядок превышать начальное значение). Потен- циал погруженного электрода 9 всегда повыша- ется, что обусловлено уносом избыточного отри- цательного заряда отрывающимися каплями. Это подтверждается и тем, что пластинка из медной фольги 10 площадью 1.8 см2, подсоединенная к положительной клемме источника напряжения 11, изменяет траекторию всех частиц и захватывает их, если ее потенциал превышает +1.0 кВ. Указанный эффект был использован для опре- деления массового расхода жидкости j=∆m/∆t при распылении. На торсионных весах с точно- стью до 0.5 мг определяли массу напыленной жид- кости ∆m за достаточно продолжительное (до де- сятков секунд) время ∆t и по этим значениям рас- считывали величину j. При увеличении напряже- ния на излучателе от 10 до 40 В массовый рас- ход изменяется от 0.15 до 26 мг/с, т. е. более чем на два порядка. Поэтому для удобства результа- ты измерений приведены в полулогарифмическом масштабе (рис. 4). Линейность зависимости ln j(U) свидетельствует о том, что увеличение амплитуды вибраций приводит к экспоненциальному возра- станию расхода распыляемой жидкости. Обратим внимание, что на графике не представлены значе- ния, определяющие режим распыления 1. Как ука- зывалось выше, изначально это режим прерыви- стого, импульсного распыления. Электростатичес- кое же воздействие существенно изменяет харак- тер процесса, заметно интенсифицирует его и де- лает непрерывным. По этой причине результаты, полученные описанным способом для режима 1, обсуждать нецелесообразно. В режиме распыления 2, когда скорость подкач- ки жидкости соизмерима со скоростью распыле- ния, от мениска отрываются капли практически одинаковых размеров и все они улавливаются эле- ктростатическим полем. Масса напыленной на по- дложку жидкости ∆m пропорциональна количе- ству капель ∆N . При этом выполняется очевидное соотношение ∆m ∆t = mo∆N ∆t , (2) где mo =4/3πa3ρ – масса одной капли радиуса a. Таким образом, для режима 2 величина массо- вого расхода однозначно определяет скорость ге- нерации капель жидкости χ=∆N/∆t, и участок кривой на рис. 4, соответствующий режиму 2, ха- рактеризует одновременно и массовый расход и скорость генерации капель. При выборе соответ- ствующих масштабов вертикальной оси на рис. 4 обе зависимости – ln j(h) и lnχ(h) – представлены участком 2 приведенной кривой. Зависимость χ(U) для режима 2 представлена кривой 2 на рис. 3. Она имеет такой же характер, что и кривая 1. Как уже отмечалось, режим 3 отличается очень высокой интенсивностью распыления: из распыля- ющего капилляра, как из сопла, вырывается на- правленный поток частиц с большими скоростя- ми. Одновременно происходит всестороннее рас- пыление с внешней поверхности капилляра. По- этому значительная часть образовавшихся капель не захватывается электростатически заряженной подложкой. Кроме того, капли существенно разли- чаются по размерам, и погрешность в определении скорости их генерации из соотношения (2) стано- вится недопустимо большой. 50 Е. Ю. Розина ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2002. Том 5, N 2. С. 43 – 53 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Вывод о том, что распыление жидкости в вибрационно-капиллярном методе происходит по капиллярно-волновому механизму, так же как в традиционных ультразвуковых методах, важен, поскольку, с одной стороны, он позволяет обозна- чить направления оптимизации рассматриваемо- го метода. Например, для ультразвуковых мето- дов хорошо известно [6], что средний размер ча- стиц в существенной степени зависит от часто- ты колебаний. В частности, использование частот мегагерцового диапазона позволяет получать ча- стицы со средним размером порядка нескольких микрометров и минимальным разбросом, удовле- творяющим критерию монодисперсного аэрозоля. Следует ожидать, что повышение частоты позво- лит получить стабильный поток монодисперсных частиц, что является весьма актуальной задачей физики аэродисперсных систем. С другой стороны, появляется возможность бо- лее детального изучения закономерностей процес- са распыления. В работе [6, с. 382] при обсуждении распыления жидкости в фонтане и слое отмече- но следующее: “Вряд ли возможно оценить размер активной зоны и длительность ее существования, а следовательно, рассчитать скорость и производи- тельность распыления жидкости”. Неявно эта про- блема присутствует практически в любом иссле- довании, где делаются попытки количественной оценки экспериментальных результатов [7]. При капиллярно-вибрационном распылении активной (т. е. распыляющей) зоной является поверхность мениска, стабилизированного на срезе вибрирую- щего капилляра. Таким образом, распыляющая поверхность, по крайней мере в режиме 2, яв- ляется строго определенной и ограниченной, что позволяет проанализировать некоторые допуще- ния, принимаемые при обсуждении закономерно- стей процесса. При оценках параметров процесса распыле- ния (интенсивности и размеров капель) с пози- ций капиллярно-волновой гипотезы предполагае- тся, что отрыв капель от гребней поверхностной волны происходит в течение каждого периода зву- ковых колебаний [6, с. 381]; [7]. В результате на- ших экспериментов появилась возможность оце- нить некоторые параметры, характеризующие ча- стоту отрыва капель от поверхности мениска (они приведены в таблице). Величина χ определена как количество капель, оторвавшихся от поверхности за единицу времени со всей поверхности мени- ска. Поэтому произведение NT =Tχ характеризу- ет количество капель, оторвавшихся от его по- Таблица. Параметры, характеризующие частоту отрыва капель от поверхности мениска U, В χ, с−1 NT =Tχ κ=1/NT , периоды 13 0.560 · 103 0.025 40.00 15 0.746 · 103 0.037 26.00 18 2.790 · 103 0.140 7.10 20 5.410 · 103 0.275 3.60 25 2.610 · 104 1.300 0.77 верхности за один период. Обратная ему величи- на κ=1/NT определяет среднее количество пери- одов, необходимое для отрыва хотя бы одной кап- ли с поверхности мениска. Как видно из табли- цы, для мениска площадью 0.43 мм2 (диаметр ка- пилляра 0.8 мм) при малых амплитудах колеба- ний параметр κ достигает 40 периодов и законо- мерно уменьшается при возрастании амплитуды колебаний. Если учесть, что на поверхности мени- ска укладывается до S/λ2∼100 длин волн, то ста- новится очевидным, что часто используемое допу- щение о том, что каждая длина волны генерирует одну каплю [8, 9], является достаточно произволь- ным. Линейность зависимости lnχ(U), представлен- ной на рис. 4, позволяет аппроксимировать вли- яние амплитуды колебаний на скорость генерации капель χ(h) функцией вида χ = ∆N ∆t = χo exp [ α ( h − h∗ )] . (3) Величина h∗ определяет пороговую амплитуду колебаний вибратора, при которой начинается процесс распыления. Не анализируя физического смысла параметров χo и α, приведем их значе- ния, определенные по графику lnχ(U) на рис. 4: χo =550 c−1, α=2.25 мкм−1. Обратим внимание на то, что параметр NT =Tχ есть не что иное, как вероятность отрыва капли в течение одного периода со всей поверхности мени- ска. Действительно, вероятность того, что в тече- ние данного периода отрывается одна капля, есте- ственно представить как отношение T/τ , где τ – интервал между отрывом двух последовательных капель или, иначе, – время, необходимое для обра- зования одной капли. Очевидно, что τ = ∆t N = 1 χ . (4) Тогда вероятность T/τ определится как Tχ=NT . Как видно из таблицы, эта величина намного меньше единицы. Учитывая соотношение между Е. Ю. Розина 51 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2002. Том 5, N 2. С. 43 – 53 диаметром капилляра и длиной капиллярной вол- ны, можно утверждать, что вероятность генера- ции одной капли каждой волной в данный пери- од оказывается еще на два порядка меньше. Ха- рактерно, что как только вероятность отрыва кап- ли с поверхности мениска в течение одного пери- ода достигла единицы, произошел переход в ре- жим распыления 3, в котором отрываются круп- ные капли кратных размеров. Из проведенных экспериментов также следует, что при возрастании амплитуды h увеличение раз- мера капель не происходит постепенно, параллель- но изменению амплитуды. Наиболее вероятный размер капель увеличивается скачком одновремен- но со сменой режима распыления. Таким обра- зом, в рамках режима 2 не происходит увеличения размера капель. Увеличение же массового расхо- да распыляемой жидкости обусловлено исключи- тельно экспоненциальным увеличением вероятно- сти отрыва капель. Возвращаясь к рис. 4, заметим, что переход из режима 2 в режим 3 характеризуется изломом на зависимости ln j(U). Поскольку при этом перехо- де резко возрастают размеры капель (до 340 мкм), то уменьшение наклона кривой свидетельствует об уменьшении вероятности их отрыва. ВЫВОДЫ 1. В капиллярно-вибрационном распылении жидкости оба капилляра выполняют раз- личные функции. Капилляр 2 фиксирует мениск, на поверхности которого сформиро- ван стационарный волновой процесс, и задает направление потока образовавшихся капель; стенки этого капилляра строго ограничивают площадь зоны распыления. Основная фун- кция капилляра 1 заключается в создании непрерывного притока жидкости в зону рас- пыления с целью обеспечения стационарности условий распыления и соответственно посто- янства параметров потока капель. Возможно, что его вибрации являются источником вол- ны, которая, распространяясь в капиллярном канале, обеспечивает вспучивание мениска и его разрыв с образованием микрокапель при достаточных амплитудах вибраций. 2. Процесс отрыва капель при распылении жид- кости носит вероятностный характер. При увеличении амплитуды смещения капилляров (в рамках каждого режима распыления) уве- личивается вероятность отрыва капель, а не их средний размер. 3. Отрыв капель от поверхности мениска прои- сходит по капиллярно-волновому механизму, как в классических ультразвуковых мето- дах, поэтому управлять процессом распы- ления можно, изменяя амплитуду и часто- ту вибраций. Кроме того, метод капиллярно- вибрационного распыления жидкостей, в отличие от классических ультразвуковых ме- тодов, позволяет осуществлять электростати- ческое управление процессом при малых ам- плитудах вибраций. 1. Hidy G. M., Brock J. R. The dynamics of aerocolloi- dal systems.– Oxford: Pergamon Press, 1970.– 379 p. 2. Spangler C. A., Hibing J. H., Heister S. D. Nonlinear modelling of jet atomization in the wind-induced regi- me // Phys.Fluids A.– 1995.– 7, N 5.– P. 964–971. 3. Michelson D. Electrostatic atomization.– New York: Hilger, 1990.– 150 p. 4. Ширяева С. О., Григорьев А. И., Подвальный Л. С. О классификации режимов электростати- ческого диспергирования жидкостей // Письма в ЖТФ.– 1993.– 19, N 4.– С. 36–41. 5. Бергман Л. Ультразвук.– М.: ИИЛ, 1957.– 725 с. 6. Экнадиосянц О. К. Получение аэрозолей // Физи- ческие основы ультразвуковой технологии / Под ред. Л. Д. Розенберга.– М.: Наука, 1970.– С. 337– 394. 7. Rajan R., Pandit A. B. Correlations to predict droplet size in ultrasonic atomisation // Ultrasonics.– 2001.– 39, N 4.– P. 235–255. 8. Charuau J., Tierce P., Birocheau M. The ultrasonic generation of droplets for the production of submi- cron size particles // J. Aerozol Sci.– 1994.– 25, Suppl. 1.– P. 232–234. 9. Розiна О. Ю. Пристрiй для розпилення рiдини // Патент на винахiд України, по кл. В01J 19/10. Опубл. 16.04.2001. Бюл. N 3. 10. Лопатенко С. В., Контуш С. М. Разделение заряда при частичном слиянии капель // Метеорология и гидрология.– 1981.– N 11.– С. 54–57. 11. Явельский М. Б. Устройство для получения монодисперсного потока капель жидкости // Авт. свид. СССР N 348239, по кл. B05B 17.06.– Опубл. 23.08.1972.– Бюл. N 25. 12. Blaisot J.,Leadoux M., Ducret D., Vendel J. A new monosized drop generator // J. Aerosol Sci.– 1994.– 25, N 1.– P. 231–232. 13. Кардашев Г. А., Соболев В. Д., Чураев Н. В., Ша- талов А. Л. Влияние колебаний на уровень жидко- сти в капилляре // Коллоид. ж.– 1976.– 38, N 3.– С. 461–466. 14. Яценко А. В. Влияние акустических колебаний на проникновение жидкости в капиллярные кана- лы // Коллоид. ж.– 1986.– 48, N 2.– С. 390–393. 52 Е. Ю. Розина ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2002. Том 5, N 2. С. 43 – 53 15. Луковский И. А., Тимоха А. Н. Об акустическом воздействии на свободную поверхность ограничен- ного объема жидкости // Акуст. ж.– 1991.– 37, N 1.– С. 144–149. 16. Ржевкин С. Н. Курс лекций по теории звука.– М.: Изд-во Москов. ун-та, 1960.– 334 с. 17. Леб Л. Статическая электризация.– М.-Л.: Гос. энерг. издат, 1963.– 407 с. 18. Листовничий А. В., Контуш С. М., Красни- цкий В. И. Баллоэлектрические эффекты и квази- равновесный двойной слой // Коллоид. ж.– 1990.– 52, N 2.– С. 374–377. Е. Ю. Розина 53
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-903
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1028-7507
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T15:24:51Z
publishDate	2002
publisher	Інститут гідромеханіки НАН України
record_format	dspace
spelling	Розина, Е.Ю. 2008-07-07T15:47:40Z 2008-07-07T15:47:40Z 2002 Капиллярно-вибрационное распыление жидкости / Е. Ю. Розина // Акуст. вісн. — 2002. — Т. 5, N 2. — С. 43-53. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1028-7507 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/903 532.66:541.182:537.3 Описан капиллярно-вибрационный метод распыления жидкости. Экспериментально исследованы различные режимы распыления, обсуждены физические процессы, лежащие в основе метода. Капиллярно-вибрационные режимы распыления, их параметры и стабильность классифицированы с точки зрения баланса притока-оттока жидкости на срезе рабочего капилляра. Описаний капілярно-вібраційний метод розпилення рідини. Експериментально досліджені різні режими розпилення, обговорені фізичні процеси, якi лежать в основi методу. Капілярно-вібраційні режими розпилення, їхні параметри й стабільність класифіковані з точки зору балансу притоку-відтоку рідини на зрізі робочого капіляра. The capillary-vibrational method of liquid spraying is described. Various regimes of the atomization are investigated experimentally. Physical processes behind this method are discussed. Capillary-vibrational regimes of spraying, their parameters and stability are classified from the viewpoint of balance of the fluid's inflow-outflow on the exit of working capillary. ru Інститут гідромеханіки НАН України N 2. С. 43-53 . Капиллярно-вибрационное распыление жидкости Capillary-vibrational spraying of liquid Article published earlier
spellingShingle	Капиллярно-вибрационное распыление жидкости Розина, Е.Ю.
title	Капиллярно-вибрационное распыление жидкости
title_alt	Capillary-vibrational spraying of liquid
title_full	Капиллярно-вибрационное распыление жидкости
title_fullStr	Капиллярно-вибрационное распыление жидкости
title_full_unstemmed	Капиллярно-вибрационное распыление жидкости
title_short	Капиллярно-вибрационное распыление жидкости
title_sort	капиллярно-вибрационное распыление жидкости
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/903
work_keys_str_mv	AT rozinaeû kapillârnovibracionnoeraspyleniežidkosti AT rozinaeû capillaryvibrationalsprayingofliquid

Капиллярно-вибрационное распыление жидкости

Institution

Similar Items