[发明专利]一种液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法及应用

说明书

本发明属于除尘技术领域，公开了一种液滴撞击超声振动壁的破碎雾化方法及应用，液体通过锥形喷嘴喷射到快速振动的固体表面超声振动块，在固体表面形成一层波状液体薄膜；随着固体振动振幅的增大，液膜表面波的振幅也增大；当液膜表面波的振幅增大到一定值时，波的顶部就会变得不稳定并碎裂，从固体表面喷射出大量细小的雾状液滴。本发明根据超声雾化理论，提出液滴撞击超声振动壁面的雾化方式，通过控制振动频率产生不同波长的振动，与撞击毛细波相叠加促进液滴雾化，以期得到雾滴中心粒径小于10μm的雾群。本发明采用两次雾化的方式，第一次雾化是压力液体经喷嘴射出时的雾化，第二次雾化在于液滴撞击到超声振动的壁面而产生的二次雾化。

技术领域

本发明属于除尘技术领域，尤其涉及一种液滴撞击超声振动壁的破碎雾化 方法及应用。

背景技术

目前，随着综采综掘技术的迅猛发展，粉尘引发危害也日趋严重。粉尘可 能导致粉尘爆炸事故，引起尘肺病，同时它也会使设备磨损加剧、管路堵塞等 问题，基于此粉尘控制技术的研究迫在眉睫。粉尘爆炸造成的人身伤亡十分严 重，据统计2010-2019年粉尘爆炸导致350多人死亡，受伤900余人，如图1 所示。同时，由粉尘引起的尘肺病对社会造成不良影响巨大。目前全国尘肺病 涉及数万个家庭，集中的“尘肺病村”20多个。2012-2016年全国新增职业病、 尘肺病约15万人和6万人。尘肺病给国家造成的直接经济损失达80亿元，间接损失达300亿至400亿元。因此，粉尘的控制技术的研究迫在眉睫。

液滴撞击雾化理论中涉及到固、液、气三种形态，所以在壁面上振荡的液 滴会受到单一或多因素的共同影响。首先是对液滴撞击铺展的研究，刘邱祖等 利用Boltzmann方法研究了液滴撞击壁面的铺展行为及影响因素；Cimpeanu对 通过注液针管产生的自由落体水滴与不同角度的固体表面碰撞实验，结果表明 液滴与固体壁面的接触角、液滴半径大小、液滴黏度、冲击速度等因素对铺展 过程中液滴的最大铺展半径和最大反弹高度有影响；刘红等发现液滴撞击薄液 膜的演化行为主要受液滴初始动能、表面张力及液体粘性的影响。壁面的疏水 性对液滴撞击壁面后的行为影响显著，清华大学冯西桥团队证明亲水性壁面的 有利于液滴四处飞溅。张帆用无量纲参数K与H*给出了液滴撞击湿润表面时发 生飞溅的条件。刘海龙通过纳米流体液滴撞击壁面动力学特性研究表明，亲水 性壁面的液滴铺展因子约为1.3，远大于疏水性壁面液滴铺展因子。其次是撞击 飞溅的研究，宋云超等通过观察液滴撞击湿润壁面研究了液滴以不同速度撞击 湿润壁面时，会呈现出黏附铺展、波动运动、皇冠几何体运动以及飞溅运动等 几种不同的运动形态，液滴从皇冠几何体侧壁顶端的飞溅分离满足毛细波破碎 理论。乔磊用试验方法观察到了液滴撞击壁面飞溅前的振荡现象，并测出相应 试验条件下的振荡周期为1.6ms。Shao通过研究发现，小液滴从射流顶端的分离 主要受毛细波的影响，当射流局部区域毛细波波长大于临界波长时液滴就会飞离出去。总之，撞击雾化飞溅研究较少，液滴粒径大小与毛细波波长、撞击速 度、入射粒径、壁面疏水性等因素的关系尚不明确。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：影响撞击雾化的因素有液 滴入设速度、液滴的黏度、固体平板的刚度、表面粗糙度、液固两相间的相互 浸润性、表面张力等，这些因素的影响机理仍有待深入研究；现有的撞击雾化 飞溅研究较少，液滴粒径大小与毛细波波长、撞击速度、入射粒径、壁面疏水 性等因素的关系尚不明确。目前，单液滴碰撞固体壁面的研究较多，但实际上 更普遍的是多液滴碰撞，对此的相关研究较少，机理尚不明确。因此，撞击雾 化的效率仍有待提高。

解决以上问题及缺陷的难度为：由于影响撞击雾化的因素较多，需要通过 大量的实验、仿真分析来得出雾化效率与各个因素之间的关系，且需合理设置 参数，使撞击雾化效率达到最好。另外，撞击雾化后的雾滴特性较难得出，多 液滴撞击研究理论较少。