Powstawanie i czynniki wpływające na atomizację ultradźwiękową 

---

Atomizacja cieczy to proces, w którym warstwa cieczy, zakłócona przez wystarczające zaburzenie powierzchni w normalnym kierunku, oddziela się od powierzchni i dzieli na małe kropelki, takie jak mgła w fazie gazowej. Rozpylanie cieczy odgrywa ważną rolę w suszeniu rozpyłowym, powlekaniu, chłodzeniu natryskowym, spalaniu i spalaniu paliw płynnych i odpadów, przygotowaniu drobnego proszku, przygotowaniu emulsji i innych procesach przemysłowych. W tych zastosowaniach większość kropel musi mieć wymagany rozkład wielkości. 

Klasyfikacja atomizacji

Przyjmuje się różne typy procesów atomizacji i można klasyfikować wpływ przenoszenia energii na atomizację powierzchniową filmu cieczy. Mechaniczne lub tradycyjne procesy atomizacji, takie jak atomizacja dwoma płynami, atomizacja ciśnieniowa i atomizacja dyskowa, wykorzystują energię mechaniczną do zwiększania ciśnienia lub zwiększania energii kinetycznej cieczy, tak aby mogła ona rozkładać się w postaci kropelek. Procesy te wymagają więcej energii i nie mogą kontrolować ostatecznej wielkości kropel i prędkości wtrysku.

W przeciwieństwie do tradycyjnej atomizacji, atomizacja ultradźwiękowa może być bardziej wydajna. Aby dysza zaczęła rezonować, wystarczy przesłać energię elektryczną do przetwornika piezoelektrycznego. Krople nie mają ruchomych części, do ich wytworzenia wykorzystywane są jedynie wibracje mechaniczne generowane przez dostarczoną energię elektryczną. Ponieważ nie jest wymagana żadna dodatkowa energia, rozkład wielkości kropelek można lepiej kontrolować za pomocą atomizacji ultradźwiękowej.

Ustala się średnią średnicę kropelek wytwarzanych przez piki kapilarne przy 10-800 kHz częstotliwości drgań wymuszonych różnych płynów roboczych (w tym wody, oleju i stopionego wosku) oraz ustala się zależność pomiędzy średnią średnicą rozpylonych kropelek.   dp = 0,34*8π / ρf2

Rozwiązanie​	Temperatura 25 ° C
	powierzchniowe (N  Napięcie /  m)	Gęstość (kg /  m ⊃3; )	Lepkość ⊃2 (N s/m ; )
Woda	0.0728	997	0.00089
20% glicerolu G	0.071	1045.25	0.0015
40% gliceryny G	0.07	1097.1	0.0035
60% gliceryny G	0.069	1151	0.0088
20% M etanol	0.047	965	0.0013
40% M etanol	0.036	932	0.0015
60% M etanol	0.029	912	0.0014
0,1% CMC	0.063	1001	0.017
0,5% CMC	0.061	1005	0.062

Fala kapilarna i efekt kawitacji

Generowanie atomizacji ultradźwiękowej opiera się na efekcie fali kapilarnej i efekcie kawitacji. Po przyłożeniu małej mocy do atomizera ultradźwiękowego o częstotliwości 20 kHz, na powierzchni atomizera obserwuje się regularną strukturę siatki, która ma taką samą liczbę szczytów i dolin na jednostkę powierzchni, co nazywa się falą kapilarną. Tak niski pobór mocy powoduje zakłócenia powierzchniowe bez faktycznego wstrzykiwania kropli.

Kawitacja jest zjawiskiem mikro, którego nie da się zaobserwować gołym okiem bezpośrednio na powierzchni głowicy atomizującej. Istnieją dwa różne typy kropelek, tj. kropelki i paski prawie kuliste, które mają większą prędkość, oraz kropelki prawie kuliste mają mniejszą prędkość. Można określić kawitację.

Tworzenie się wnęk w pobliżu powierzchni atomizera i w warstwie cieczy oraz późniejsze zapadanie się tych wnęk powoduje lokalne uwolnienie dużej ilości energii; dlatego w porównaniu z małą prędkością rozpylania obserwowaną w przypadku propagacji fali kapilarnej, efekt kawitacji znacznie zwiększa prędkość rozpylania kropel. Jednocześnie powierzchnia zajmowana przez ciecz na końcówce atomizera zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości atomizera, co utrudnia wychwycenie fal kapilarnych na powierzchni. 

Wpływ częstotliwości dynamicznej na wielkość kropli

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,导致峰值增长率降低,相应的液滴尺寸减小。随着频率的增加,可用于形成液滴的雾化表面积减小。覆盖整个表面所需的阈值液体流速随着频率的增加而增加。

Wielkość kropel zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości naświetlania. Wraz ze wzrostem częstotliwości zmniejszenie długości fali prowadzi do kompresji węzłów tłumiących i węzłów falowych. Rozpylona ciecz poddawana jest działaniu bardziej sprężonych faz w obiegu, co powoduje zmniejszenie szczytowej szybkości wzrostu i odpowiadającej jej wielkości kropli. Wraz ze wzrostem częstotliwości zmniejsza się powierzchnia atomizacji, którą można wykorzystać do formowania kropelek. Próg prędkości cieczy wymagany do pokrycia całej powierzchni wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości.

Górna granica przepływu atomizera o wysokiej częstotliwości przed upuszczeniem jest mniejsza niż w przypadku atomizera o niskiej częstotliwości. Długość fali kapilarnej maleje wraz ze wzrostem częstotliwości atomizera. Ostateczny wynik jest taki, że wielkość kropel zmniejsza się, a szybkość wyrzucania kropel (liczba kropel w jednostce czasu) wzrasta z powierzchni.

Wpływ natężenia przepływu na wielkość kropli

Wielkość kropli (dp) wzrasta wraz ze wzrostem natężenia przepływu (Q), co można przypisać wzrostowi grubości filmu cieczy utworzonego na powierzchni wibracyjnej przed faktyczną atomizacją. Gdy natężenie przepływu cieczy jest nieco wyższe niż krytyczne natężenie przepływu potrzebne do całkowitego zwilżenia powierzchni końcówki dyszy, ciecz dyfunduje w postaci cienkiej warstwy cieczy i ma wiele fal kapilarnych składających się ze szczytów i dolin.

Gdy prędkość cieczy jest wyraźnie większa, a warunki drgań ultradźwiękowych pozostają niezmienione, na powierzchni atomizera tworzy się grubsza warstwa cieczy, co prowadzi do deformacji jednolitej fali kapilarnej. Ta nieregularna fala kapilarna prowadzi do tworzenia kropelek o większej wielkości i większym rozkładzie wielkości. Ponadto wraz ze wzrostem grubości warstwy na powierzchni atomizera, bardzo blisko powierzchni atomizera obserwuje się oscylujące pęcherzyki kawitacyjne lub pęcherzyki, które szybko rosną i zapadają się, przedwcześnie rozpylając kropelki ze szczytu, powodując efekt kawitacyjny. Jakikolwiek dalszy wzrost natężenia przepływu spowoduje opadanie kropel i zwiększenie rozkładu wielkości kropel.

Krytyczne natężenie przepływu: Natężenie przepływu wymagane do całkowitego zwilżenia powierzchni końcówki dyszy. Wzór obliczeniowy:   Qcrit =  σ / fρ

Wpływ mocy na wielkość kropli

Rozmiar kropli zwiększa się wraz ze wzrostem mocy ultradźwiękowej. Zaobserwowano duży rozmiar kropelek przy większym natężeniu przepływu i większym zużyciu energii cieczy. Wraz ze wzrostem mocy ultradźwiękowej wzrasta amplituda drgań na końcówce atomizera, co powoduje zmianę kształtu strumienia rozpylającego z promieniowego na stożkowy. Kiedy ciecz dyfunduje na całą powierzchnię atomizera za pomocą ultradźwięków o małej mocy, ciecz może wykorzystać całą moc przekazaną na końcówkę, co skutkuje zmniejszeniem wielkości kropli. Wraz ze wzrostem mocy wzrasta intensywność pracy, ponieważ zmniejsza się obszar pokrycia końcówki dyszy cieczą.

Prędkość kropel wzrasta wraz ze wzrostem mocy ultradźwiękowej, co można również przypisać wzrostowi amplitudy drgań na końcówce atomizera oraz wzrostowi efektu kawitacji przy uwalnianiu energii akustycznej. Gdy ruch natryskiwania jest pionowy, grawitacja wpływa również na energię kinetyczną kropelek większych niż 150 µm. W przypadku zastosowań takich jak powlekanie powierzchni nie jest pożądane działanie przy dużej mocy, ponieważ kropelki odbijają się po uderzeniu w powierzchnię i mogą tworzyć na powierzchni nieregularne kształty, powodując nierówną powłokę.

Wyjaśnij bezpośrednią zależność amplitudy końcówki drgań od strat mocy:  Moc = ρCSU2 / 2 I =ρCSU2 / 2

Prędkość akustyczną definiuje się jako  （U） (Am × ω0) = (Am × 2πf)

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

Wpływ lepkości cieczy na wielkość kropli

Wielkość kropelek nieznacznie maleje wraz ze wzrostem lepkości cieczy. Wraz ze wzrostem lepkości cieczy atomizer potrzebuje więcej energii, aby rozłożyć warstwę cieczy na kropelki. Początkowo, bez natychmiastowego rozpadu, warstwa cieczy pozostawała na powierzchni atomizera przez pewien czas, po czym rozpadła się na kropelki. Dlatego w początkowej fazie nie dochodzi do atomizacji, a ciecz oscyluje na powierzchni atomizera, ponieważ amplituda rozprasza energię lepkości i zwiększa temperaturę, czego nie obserwuje się w cieczy o niższej lepkości. Po pewnym czasie, w wyniku rozproszenia energii mechanicznej spowodowanej zjawiskami kawitacyjnymi, temperatura warstwy cieczy na powierzchni wzrasta, a następnie obserwuje się atomizację cieczy. W porównaniu z cieczami o niskiej lepkości (przy tym samym natężeniu przepływu cieczy), ciecze o dużej lepkości wymagają więcej energii do atomizacji.

Wpływ napięcia cieczy na wielkość kropli

Wraz ze spadkiem ciśnienia cieczy zmniejszają się również zatomizowane cząstki. Spadek napięcia powierzchniowego powoduje zmniejszenie długości fali powierzchniowej kapilary. Liczba fal kapilarnych na jednostkę obszaru drgań wzrasta, a amplituda fal kapilarnych jest większa. Krople są natychmiast wyrzucane ze szczytu. Dlatego przy tej samej prędkości cieczy liczba rozpylanych kropelek wzrasta wraz ze zmniejszaniem się wielkości kropel.

Moc ultradźwiękowa i energia powierzchniowa warstwy cieczy są zachowywane wraz z energią kinetyczną i energią powierzchniową kropelki. Zatem wzrost energii kinetycznej kropli jest związany ze zmniejszeniem jej wielkości. Ponadto, ponieważ film cieczy zajmuje bardzo cienką warstwę na wibrującej powierzchni i prawie przylega do powierzchni atomizera, spadek napięcia powierzchniowego prawdopodobnie zwiększy wzrost pęcherzyków kawitacyjnych pary. Powoduje to rozpad pęcherzyków w cienkiej warstwie cieczy na powierzchni atomizera, w wyniku czego powstają mniejsze kropelki, ale rozpylane są z większą prędkością.

W zależności od zmienności wielkości kropel w zależności od parametrów pracy (m.in. parametrów sprzętu, właściwości fizykochemicznych oraz natężenia przepływu kropel) wyznaczono wzór korelacyjny pozwalający przewidzieć wielkość kropel. Jako wstępne przybliżenie najprostsza metoda opiera się na korelacji dopasowania, zakładając, że prawo potęgowe zmienia się zmiennych niezależnych. W zależności od zmian wielkości kropli w zależności od parametrów pracy (m.in. parametrów sprzętu, właściwości fizykochemicznych oraz natężenia przepływu kropel) wyznaczono wzór korelacyjny umożliwiający przewidywanie wielkości kropel. Jako wstępne przybliżenie najprostsza metoda opiera się na korelacji dopasowania, zakładając, że zmiany prawa potęgowego zmiennych niezależnych  （Q，μ，σ，ρ，f，I） i uzyskana korelacja najlepiej pasująca są następujące:

(zakres zmienny  Q = 0,5 do 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 s/m2,  I  = 15907–913752,9 W/m2).

Typowe zmienne atomizacji 

Jestem	Amplituda końcówki  (m)	T	Grubość warstwy cieczy  (m)
C	Prędkość dźwięku w  ośrodku ciekłym    (m/s)	U	Prędkość fali dźwiękowej (m/s)
dp	Średnica kropli  (m)	μ	Lepkość cieczy ( N s/m ⊃2; )
F	Częstotliwość wzbudzenia  (1/s)	λ	Długość fali  (m)
I	Intensywność ultradźwięków  (W/m ⊃2; )	ρ	Gęstość cieczy  (kg/m ⊃3; )
Q	Strumień objętości powietrza  (m ⊃3; /s)	σ	Napięcie powierzchniowe  (N/m)
Qkryt	Krytyczny przepływ objętościowy (m ⊃3; /s)	S	Powierzchnia atomizera  (m ⊃2; )