Dannelse og indflydelsesfaktorer ved ultralydsforstøvning 

---

Væskeforstøvning er en proces, hvor en væskefilm, forstyrret af tilstrækkelig overfladeforstyrrelse i normal retning, adskilles fra overfladen og spaltes i små dråber, såsom tåge i gasfasen. Væskeforstøvning spiller en vigtig rolle i spraytørring, coating, spraykøling, forbrænding og forbrænding af flydende brændstof og affald, fremstilling af fint pulver, fremstilling af emulsion og andre industrielle processer. I disse applikationer skal de fleste dråber have den nødvendige størrelsesfordeling. 

Klassificering af atomisering

Forskellige typer forstøvningsprocesser er vedtaget, og virkningerne af energioverførsel på overfladeforstøvningen af ​​flydende film kan klassificeres. Mekaniske eller traditionelle forstøvningsprocesser, såsom to-væske forstøvning, trykforstøvning og skiveforstøvning, bruger mekanisk energi til at sætte tryk på eller øge væskens kinetiske energi, så den kan nedbrydes i form af dråber. Disse processer kræver mere energi og kan ikke kontrollere den endelige størrelse af dråber og injektionshastighed.

I modsætning til traditionel forstøvning kan ultralydsforstøvning være mere effektiv. Det behøver kun elektrisk energi at blive overført til en piezoelektrisk transducer for at drive dysen til at give resonans. Dråber har ingen bevægelige dele, kun mekanisk vibration genereret af den tilførte elektriske energi bruges til at producere dråber. Fordi der ikke er behov for yderligere energi, kan størrelsesfordelingen af ​​dråber kontrolleres bedre ved ultralydsforstøvning.

Den gennemsnitlige diameter af dråber produceret af kapillære toppe ved 10-800 kHz af tvungne vibrationsfrekvenser af forskellige arbejdsvæsker (inklusive vand, olie og smeltet voks) etableres, og forholdet mellem den gennemsnitlige diameter af spraydråber etableres.   dp = 0,34*8π / ρf2

Løsning​	Temperatur 25 ° C
	Overflade  - tension  (N/m)	D ensitet  (kg/m ⊃3; )	V iskositet (N s/m ⊃2; )
Vand	0.0728	997	0.00089
20% G lycerol	0.071	1045.25	0.0015
40% G lycerol	0.07	1097.1	0.0035
60% G lycerol	0.069	1151	0.0088
20% M ethanol	0.047	965	0.0013
40% M ethanol	0.036	932	0.0015
60% M ethanol	0.029	912	0.0014
0,1 % CMC	0.063	1001	0.017
0,5 % CMC	0.061	1005	0.062

Kapillærbølge og kavitationseffekt

Genereringen af ​​ultralydsforstøvning er baseret på kapillærbølgeeffekt og kavitationseffekt. Når en lav effekt påføres en 20KHz ultralydsforstøver, observeres en regelmæssig gitterstruktur på overfladen af ​​forstøveren, som har det samme antal toppe og lavpunkter pr. arealenhed, kaldet kapillærbølge. Dette lave effektinput producerer overfladeinterferens uden egentlig dråbeinjektion.

Kavitation er et fænomen på mikroniveau, som ikke kan observeres direkte på overfladen af ​​forstøvningshovedet med det blotte øje. Der er to forskellige typer af dråber, dvs. nær-sfæriske dråber og striber, som har højere hastighed, og nær-sfæriske dråber har mindre hastighed. Kavitation kan bestemmes.

Dannelsen af ​​hulrum nær forstøveroverfladen og i væskefilmen og den efterfølgende kollaps af disse hulrum resulterer i den lokale frigivelse af en stor mængde energi; derfor, sammenlignet med den lave sprøjtehastighed observeret i tilfælde af kapillærbølgeudbredelse, øger kavitationseffekten i høj grad dråbernes sprøjtehastighed. Samtidig falder overfladearealet, der optages af væsken ved spidsen af ​​forstøveren, med stigningen i forstøverens frekvens, hvilket gør det vanskeligt at fange kapillærbølger på overfladen. 

Effekt af dynamisk frekvens på dråbestørrelse

液滴尺寸随着照射频率的增加而降低。随着频率的增加波长的减少导致阻尼节点和波腹点的压缩。雾化液体在循环中暴露于更多的压缩相，导致峰增长率降低，相应的液滴尺寸减小。随着频率的增加，可用于形成液滴的化表面积减小。覆盖整个表面所需的阈值液体流速随着频率的增加而倢加

Dråbestørrelsen falder med stigningen i bestrålingsfrekvensen. Med stigningen i frekvensen fører faldet af bølgelængden til komprimering af dæmpningsknuder og bølgeknuder. Den forstøvede væske udsættes for mere komprimerede faser i cirkulationen, hvilket resulterer i et fald i spidsvæksthastigheden og den tilsvarende dråbestørrelse. Med stigningen i frekvensen falder forstøvningsoverfladearealet, som kan bruges til at danne dråber. Tærskelvæskehastigheden, der kræves for at dække hele overfladen, stiger med stigningen i frekvensen.

Den øvre flowgrænse for højfrekvent forstøver før nedkastning er mindre end for lavfrekvent forstøver. Kapillærbølgens bølgelængde falder med stigningen i forstøverfrekvensen. Det endelige resultat er, at dråbestørrelsen falder, og dråbeudstødningshastigheden (antallet af dråber pr. tidsenhed) stiger fra overfladen.

Effekt af flowhastighed på dråbestørrelse

Dråbestørrelsen (dp) stiger med stigningen i strømningshastigheden (Q), hvilket kan tilskrives stigningen i tykkelsen af ​​væskefilm dannet på den vibrerende overflade før faktisk forstøvning. Når væskestrømningshastigheden er lidt højere end den kritiske strømningshastighed, der er nødvendig for at fugte spidsoverfladen af ​​dysen fuldstændigt, diffunderer væsken som en tynd væskefilm og har flere kapillarbølger sammensat af toppe og dale.

Når væskehastigheden åbenlyst er højere, og ultralydsvibrationstilstanden forbliver uændret, dannes et tykkere væskelag på overfladen af ​​forstøveren, hvilket fører til deformation af ensartet kapillærbølge. Denne uregelmæssige kapillarbølge fører til dannelsen af ​​dråber med højere dråbestørrelse og større størrelsesfordeling. Med stigningen i tykkelsen af ​​laget på overfladen af ​​forstøveren observeres der desuden oscillerende kavitationsbobler eller bobler meget tæt på overfladen af ​​forstøveren, som vokser hurtigt og kollapser for at sprøjte dråber fra toppen for tidligt, hvilket resulterer i kavitationseffekt. Enhver yderligere stigning i strømningshastigheden vil resultere i, at dråber falder, og dråbestørrelsesfordelingen bliver bredere.

Kritisk flowhastighed: Den flowhastighed, der kræves for fuldstændig befugtning af dysespidsens overflade. Beregningsformel:   Qcrit =  σ / fρ

Effekt af kraft på dråbestørrelse

Dråbestørrelsen stiger med stigningen i ultralydseffekten. Stor dråbestørrelse blev observeret ved højere strømningshastighed og højere væskestrømforbrug. Med stigningen i ultralydseffekten øges vibrationsamplituden ved spidsen af ​​forstøveren, hvilket resulterer i ændringen af ​​formen af ​​forstøvningsstrømmen fra radial til konisk. Når væsken diffunderer til hele overfladen af ​​forstøveren med laveffekt ultralyd, kan væsken udnytte al den kraft, der overføres til spidsen, hvilket resulterer i reduktionen af ​​dråbestørrelsen. Med forøgelsen af ​​kraften øges driftsintensiteten, fordi væskedækningsområdet på dysespidsen falder.

Hastigheden af ​​dråber stiger med stigningen i ultralydseffekten, hvilket også kan tilskrives stigningen i vibrationsamplituden ved spidsen af ​​forstøveren og stigningen i kavitationseffekten i frigivelsen af ​​akustisk energi. Når sprøjtebevægelsen er lodret, påvirker tyngdekraften også den kinetiske energi af dråber større end 150 um. Til anvendelser såsom overfladebelægninger er det ikke ønskeligt at arbejde under høje effektforhold, fordi dråber hopper tilbage efter at have ramt overfladen og kan danne uregelmæssige former på overfladen, hvilket resulterer i ujævn belægning.

Forklar den direkte afhængighed af vibrationsspidsamplitude på effekttab:  Effekt = ρCSU2 / 2 I =ρCSU2 / 2

Akustisk hastighed er defineret som  （U） (Am × ω0) = (Am × 2πf)

                                         I = ρC(Am*2πf)2/2

Effekt af væskeviskositet på dråbestørrelse

Dråbestørrelsen falder lidt med stigningen i væskens viskositet. Når væskens viskositet stiger, har forstøveren brug for mere energi til at nedbryde væskelaget til dråber. Til at begynde med, uden øjeblikkelig desintegration, forblev væskelaget på overfladen af ​​forstøveren i en periode, før det blev spaltet i dråber. Derfor er der ingen forstøvning i det indledende trin, og væsken oscillerer på overfladen af ​​forstøveren, fordi amplituden spreder viskøs energi og øger temperaturen, hvilket ikke observeres i den lavere viskøse væske. Efter en periode, på grund af spredning af mekanisk energi forårsaget af kavitationshændelser, stiger temperaturen af ​​væskelaget på overfladen, og derefter observeres væskeforstøvningen. Sammenlignet med væsker med lav viskositet (ved samme væskestrømningshastighed) kræver væsker med høj viskositet mere energi til forstøvning.

Effekt af væskespænding på dråbestørrelse

Med faldet i væskespændingen falder de forstøvede partikler også. Faldet i overfladespændingen resulterer i faldet i overfladekapillærbølgelængden. Antallet af kapillærbølger pr. enhedsvibrationsområde stiger, og amplituden af ​​kapillærbølger er større. Dråberne skydes straks ud fra toppen. Derfor stiger antallet af sprøjtede dråber ved samme væskehastighed med faldende dråbestørrelse.

Ultralydseffekten og overfladeenergien af ​​væskefilmen bevares med dråbens kinetiske energi og overfladeenergi. Derfor er stigningen i dråbens kinetiske energi relateret til faldet i dråbens størrelse. Desuden, fordi den flydende film optager et meget tyndt lag på den vibrerende overflade og næsten klæber til overfladen af ​​forstøveren, vil faldet i overfladespændingen sandsynligvis øge væksten af ​​dampkavitationsbobler. Dette resulterer i boblenedbrydning i den tynde væskefilm på overfladen af ​​forstøveren, hvilket resulterer i mindre dråber, men sprøjtning med højere hastighed.

I henhold til variationen af ​​dråbestørrelse med driftsparametre (herunder udstyrsparametre, fysiske og kemiske egenskaber og strømningshastighed af dråber) blev korrelationsformlen til forudsigelse af dråbestørrelse etableret. Som en indledende tilnærmelse er den enkleste metode baseret på tilpasningskorrelation, idet det antages, at effektloven ændres af uafhængige variable I henhold til variationen af ​​dråbestørrelse med driftsparametre (herunder udstyrsparametre, fysiske og kemiske egenskaber og strømningshastighed af dråber) blev korrelationsformlen til forudsigelse af dråbestørrelsen etableret. Som en indledende tilnærmelse er den enkleste metode baseret på tilpasningskorrelation, idet det antages, at effektlovens ændringer af uafhængige variabler  （Q，μ，σ，ρ，f，I） og den opnåede bedst passende korrelation er som følger:

(Variabelt område  Q = 0,5 til 5 × 107 m3/s,  f  = 20–130 kHz,  ρ  = 912–1151 kg/m3,  σ  = 0,029–0,073 N/m,  μ  = 0,00089–0,088 N 5,9  m  = 7,91 m W/m2).

Almindelige forstøvningsvariabler 

Er	Spidsamplitude  (m)	t	Væskefilmtykkelse  (m)
C	Lydhastighed i flydende  medium    (m/s)	U	Lydbølgehastighed (m/s)
dp	Dråbediameter  (m)	μ	Væskeviskositet ( N s/m ⊃2; )
f	Excitationsfrekvens  (1/s)	λ	Bølgelængde (  m)
jeg	Ultralydsintensitet  (W/m ⊃2; )	ρ	Væskedensitet  (kg/m ⊃3; )
Q	Volumenstrømningshastighed  (m ⊃3; /s)	σ	Overfladespænding  (N/m)
Qcrit	Kritisk volumenstrøm (m ⊃3; /s)	S	Overfladeareal af forstøver  (m ⊃2; )