Диспергирование струи жидкости

Жидкая струя, вытекающая в заполненное газом пространство, начинает пульсировать, взаимодействовать с окружающей средой и в конечном итоге – распадаться на капли. Неустойчивость движения струи является следствием малых возмущений, источником которых могут быть неровности и шероховатости поверхности сопла, неправильная геометрия отверстия, пульсации в жидкости и т.п.

В общем случае рассматриваемый процесс описывается уравнением движения фаз и условиями взаимодействия на границе из раздела. Принимая, что при значительных скоростях жидкой струи гравитационные силы пренебрежимо малы по сравнению с силами инерции, а в газовой фазе возникают интенсивные турбулентные возмущения, так что силами молекулярного трения можно также пренебречь, для осемитричного течения, необходимо записать следующую систему уравнений:

Уравнение Навье–Стокса и неразрывности для жидкой фазы (диспергируемой)

; (1.48)

Уравнение Навье–Стокса и неразрывности для газовой фазы (сплошной)

. (1.49)

Условия механического взаимодействия на границе раздела фаз

(1.50)

Граничные условия включают в себя также характеристику геометрий камеры и сопла, начальную скорость истечения струи и газа, теплофизические свойства сред и т.п. Аналитическое решение системы уравнений (48) – (50) отсутствует. Использование методов теории подобия позволяет получить следующие безразмерные комплексы.

. (1.51)

. (1.52)

При обработке экспериментальных данных по диспергированию струи для оценки дисперсности образующихся капель используют зависимость

, (1.53)

где d_о – средний диаметр образующихся капель; We – критерий Вебера, характеризующий отношение вязкости сил к силам поверхностного натяжения, ; Lp – критерий Лапласа, характеризующий отношение вязкостных сил к силам поверхностного натяжения .

Критерий Вебера являются показателем устойчивости струи, и его значение характеризует поведение струи при различных относительных скоростях истечения.

Обдув газовым потоком струи значительно интенсифицирует процесс ее распада и повышает дисперсность образующихся капель, причем наибольшее влияние на диспергирование жидкости оказывает удельный расход дутья. Максимальная частота колебаний обдуваемой струи

; (1.54)

время распада

, (1.55)

а диаметр образующихся капель

. (1.56)

Основное влияние на время распада струи, и размеры образующихся капель оказывает поверхностное натяжение (способствующее сохранению формы) и скорость (динамическое воздействие) газового потока (стремящегося разрушить струю). Однако с распадом струи процесс распыла не заканчивается, поскольку образующиеся капли также подергаются воздействию несущего из газового потока.

Дробление капель

Поведение капли, образовавшейся при распаде струи, зависит от соотношения динамического воздействия и ее «прочности», зависящей от поверхностного натяжения и вязкости.

Дробление капли начинается при определенном (критическом) значении скорости газового потока W_с.кр., определяемом из соотношения

. (1.57)

При больших скоростях газового потока (порядка звуковых) может иметь место аэродинамическое дробление капель, заключающееся в том, что при наличии нестационарных аэродинамических сил, появляющихся, например, при пересечении каплей скачков уплотнения, при образовании нестационарного вихревого следа за каплей и т.п., могут возникнуть вынужденные колебания формы капли с ее распадом при достижении критического значения амплитуды. Кроме того, в потоке имеет место механическое дробление капель при взаимодействии друг с другом и твердыми поверхностями.

Можно выделить две критические скорости несущего потока, определяющие интервал развития неустойчивости капель. При скорости W_кр.1, соответствующей значению Wе_кр.1»10,7, начинают дробиться отдельные капли, которые распадаются на две почти равные части, причем образуются также несколько мелких капелек. При скорости W_кр.2, соответствующей Wе_кр.2»14, дробятся все капли данного диаметра d_о, причем капли распадаются на большое количество капелек, диаметры которых не одинаковы, но значительно меньше d_о. Средний диаметр образующихся капель, кроме перечисленных теплофизических параметров и критериев, зависит также от конструкции устройства (форсунки) с помощью которой производится распыл жидкости (жидкое топливо).

Расчетные формулы для определения среднего диаметра образующихся капель имеют вид:

при

, (1.58)

при

. (1.59)

Величина А_о зависит от конструкции форсунки и меняется в пределах от 0,61 до 0,9. Для определения среднего диаметра частиц (мкм), образующихся при диспергировании жидкой струи высокоскоростным потоком воздуха, часто исполняют эмпирическую формулу

, (1.60)

где V_g, V_c – расходы жидкости и газа (дисперсной и сплошной соответственно), м³/с.

Многообразие и сложность механизмов диспергирования струи и капель приводят к вероятностному характеру распределения капель по размерам можно принять формулу:

, (1.61)

где Г – гамма–функция; m – параметр, характеризующий распределение капель и зависящий от способа дробления (для различных пневматических форсунок 2,3£m£2,8).

Т.о., при распылении жидкости образуется совокупность капель (частиц), дисперсность которых меняется в достаточно широких пределах в зависимости от теплофизических свойств, расходов и скоростей сред, а также от конструкции диспергированного устройства.