Factori de formare și influență ai atomizării cu ultrasunete 

---

Atomizarea lichidului este un proces în care un film de lichid, perturbat de o perturbare suficientă a suprafeței în direcția normală, se separă de suprafață și se desparte în picături mici, cum ar fi ceața în faza gazoasă. Atomizarea lichidului joacă un rol important în uscarea prin pulverizare, acoperire, răcire prin pulverizare, incinerare și ardere a combustibilului lichid și a deșeurilor, prepararea pulberii fine, prepararea emulsiei și alte procese industriale. În aceste aplicații, majoritatea picăturilor trebuie să aibă distribuția de dimensiune necesară. 

Clasificarea atomizării

Sunt adoptate diferite tipuri de procese de atomizare, iar efectele transferului de energie asupra atomizării suprafeței filmului lichid pot fi clasificate. Procesele mecanice sau tradiționale de atomizare, cum ar fi atomizarea cu două fluide, atomizarea sub presiune și atomizarea discului, utilizează energia mecanică pentru a presuriza sau a crește energia cinetică a lichidului, astfel încât acesta să se poată descompune sub formă de picături. Aceste procese necesită mai multă energie și nu pot controla dimensiunea finală a picăturilor și viteza de injectare.

Spre deosebire de atomizarea tradițională, atomizarea cu ultrasunete poate fi mai eficientă. Are nevoie doar de energie electrică pentru a fi transmisă la traductorul piezoelectric pentru a conduce duza să rezoneze. Picăturile nu au părți mobile, doar vibrațiile mecanice generate de energia electrică furnizată sunt folosite pentru a produce picături. Deoarece nu este nevoie de energie suplimentară, distribuția dimensiunii picăturilor poate fi controlată mai bine prin atomizare cu ultrasunete.

Se stabilește diametrul mediu al picăturilor produse de vârfurile capilare la 10-800 kHz de frecvențe de vibrații forțate ale diferitelor fluide de lucru (inclusiv apă, ulei și ceară topită) și se stabilește relația dintre diametrul mediu al picăturilor de pulverizare.   dp = 0,34*8π / ρf2

soluție​	Temperatura 25 ° C
	la suprafață  Tensiune ) (N/m	D ensitate  (kg/m ⊃3; )	V iscozitatea (N s/m ⊃2; )
Apă	0.0728	997	0.00089
20% G licerol	0.071	1045.25	0.0015
40% G licerol	0.07	1097.1	0.0035
60% G licerol	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

Undă capilară și efect de cavitație

Generarea atomizării cu ultrasunete se bazează pe efectul de undă capilară și efectul de cavitație. Când se aplică o putere scăzută unui atomizor cu ultrasunete de 20KHz, pe suprafața atomizorului se observă o structură de grilă obișnuită, care are același număr de vârfuri și jgheaburi pe unitate de suprafață, numită undă capilară. Această putere redusă de intrare produce interferențe de suprafață fără injectarea reală a picăturilor.

Cavitația este un fenomen de micronivel, care nu poate fi observat direct pe suprafața capului de atomizare cu ochiul liber. Există două tipuri diferite de picături, adică picături și dungi aproape sferice, care au viteză mai mare, iar picăturile aproape sferice au o viteză mai mică. Cavitația poate fi determinată.

Formarea de cavități în apropierea suprafeței atomizorului și în pelicula lichidă și prăbușirea ulterioară a acestor cavități are ca rezultat eliberarea locală a unei cantități mari de energie; prin urmare, în comparație cu viteza scăzută de pulverizare observată în cazul propagării undelor capilare, efectul de cavitație crește foarte mult viteza de pulverizare a picăturilor. În același timp, suprafața ocupată de lichid la vârful atomizorului scade odată cu creșterea frecvenței atomizorului, ceea ce face dificilă captarea undelor capilare la suprafață. 

Efectul frecvenței dinamice asupra dimensiunii picăturilor

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，导致峰峰环中暴露于更多的压缩相，导致增长率降低，相应的液滴尺寸减小。随着频率的增加，可用于形成液滴的增加化表面积减小。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而增值

Dimensiunea picăturilor scade odată cu creșterea frecvenței de iradiere. Odată cu creșterea frecvenței, scăderea lungimii de undă duce la comprimarea nodurilor de amortizare și a nodurilor de undă. Lichidul atomizat este expus la mai multe faze comprimate în circulație, ceea ce are ca rezultat scăderea ratei de creștere a vârfului și a dimensiunii corespunzătoare a picăturilor. Odată cu creșterea frecvenței, aria suprafeței de atomizare care poate fi folosită pentru a forma picături scade. Pragul de viteză a lichidului necesar pentru a acoperi întreaga suprafață crește odată cu creșterea frecvenței.

Limita superioară de debit a atomizorului de înaltă frecvență înainte de scădere este mai mică decât cea a atomizorului de joasă frecvență. Lungimea de undă a undei capilare scade odată cu creșterea frecvenței atomizatorului. Rezultatul final este că dimensiunea picăturilor scade și rata de ejectare a picăturilor (numărul de picături pe unitatea de timp) crește de la suprafață.

Efectul debitului asupra dimensiunii picăturilor

Dimensiunea picăturilor (dp) crește odată cu creșterea debitului (Q), care poate fi atribuită creșterii grosimii peliculei lichide formate pe suprafața vibrantă înainte de atomizarea efectivă. Când debitul lichidului este puțin mai mare decât debitul critic necesar pentru a umezi complet suprafața vârfului duzei, lichidul difuzează ca o peliculă subțire de lichid și are mai multe valuri capilare compuse din vârfuri și jgheaburi.

Când viteza lichidului este în mod evident mai mare și condiția de vibrație ultrasonică rămâne neschimbată, se formează un strat de lichid mai gros pe suprafața atomizatorului, ceea ce duce la deformarea undei capilare uniforme. Această undă capilară neregulată duce la formarea de picături cu o dimensiune mai mare a picăturilor și o distribuție mai mare a dimensiunii. Mai mult decât atât, odată cu creșterea grosimii stratului de pe suprafața atomizorului, se observă bule de cavitație oscilante sau bule foarte aproape de suprafața atomizorului, care cresc rapid și se prăbușesc pentru a pulveriza picături din vârf prematur, rezultând efect de cavitație. Orice creștere suplimentară a debitului va duce la căderea picăturilor și distribuția dimensiunii picăturilor devine mai largă.

Debit critic: Debitul necesar pentru umezirea completă a suprafeței vârfului duzei. Formula de calcul:   Qcrit =  σ / fρ

Efectul puterii asupra dimensiunii picăturilor

Dimensiunea picăturilor crește odată cu creșterea puterii ultrasonice. Dimensiunea mare a picăturilor a fost observată la un debit mai mare și un consum mai mare de energie lichidă. Odată cu creșterea puterii ultrasonice, amplitudinea vibrației la vârful atomizorului crește, rezultând schimbarea formei fluxului de atomizare de la radial la conic. Când lichidul difuzează pe întreaga suprafață a atomizatorului cu ultrasunete de putere redusă, lichidul poate utiliza toată puterea transferată la vârf, rezultând în reducerea dimensiunii picăturii. Odată cu creșterea puterii, intensitatea funcționării crește, deoarece aria de acoperire a lichidului a vârfului duzei scade.

Viteza picăturilor crește odată cu creșterea puterii ultrasunetelor, care poate fi atribuită și creșterii amplitudinii vibrației la vârful atomizatorului și creșterii efectului de cavitație în eliberarea energiei acustice. Când mișcarea de pulverizare este verticală, gravitația afectează și energia cinetică a picăturilor mai mari de 150 um. Pentru aplicații precum acoperirile de suprafață, nu este de dorit să funcționeze în condiții de putere mare, deoarece picăturile revin după lovirea suprafeței și pot forma forme neregulate pe suprafață, rezultând o acoperire neuniformă.

Explicați dependența directă a amplitudinii vârfului de vibrație de disiparea puterii:  Putere = ρCSU2 / 2 I =ρCSU2 / 2

Viteza acustică este definită ca  （U） (Am × ω0) = (Am × 2πf)

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

Efectul vâscozității lichidului asupra dimensiunii picăturilor

Dimensiunea picăturilor scade ușor odată cu creșterea vâscozității lichidului. Pe măsură ce vâscozitatea lichidului crește, atomizorul are nevoie de mai multă energie pentru a descompune stratul de lichid în picături. Inițial, fără dezintegrare imediată, stratul de lichid a rămas pe suprafața atomizatorului pentru o perioadă de timp înainte de a se diviza în picături. Prin urmare, nu există atomizare în stadiul inițial, iar lichidul oscilează pe suprafața atomizorului deoarece amplitudinea disipă energia vâscoasă și crește temperatura, ceea ce nu se observă în lichidul vâscos inferior. După o perioadă de timp, din cauza disipării energiei mecanice cauzate de evenimentele de cavitație, temperatura stratului de lichid de la suprafață crește, iar apoi se observă atomizarea lichidului. În comparație cu lichidele cu vâscozitate scăzută (la același debit de lichid), lichidele cu vâscozitate ridicată necesită mai multă energie pentru atomizare.

Efectul tensiunii lichidului asupra dimensiunii picăturilor

Odată cu scăderea tensiunii lichidului, particulele atomizate scad și ele. Scăderea tensiunii superficiale are ca rezultat scăderea lungimii de undă capilare de suprafață. Numărul de unde capilare pe unitate de regiune de vibrație crește, iar amplitudinea undelor capilare este mai mare. Picăturile sunt imediat aruncate din vârf. Prin urmare, la aceeași viteză a lichidului, numărul de picături pulverizate crește odată cu scăderea dimensiunii picăturilor.

Puterea ultrasonică și energia de suprafață a filmului lichid sunt conservate cu energia cinetică și energia de suprafață a picăturii. Prin urmare, creșterea energiei cinetice a picăturii este legată de scăderea dimensiunii picăturii. În plus, deoarece filmul lichid ocupă un strat foarte subțire pe suprafața vibrantă și aproape aderă la suprafața atomizatorului, scăderea tensiunii superficiale este probabil să crească creșterea bulelor de cavitație de vapori. Acest lucru are ca rezultat descompunerea bulelor în pelicula subțire de lichid de pe suprafața atomizatorului, rezultând picături mai mici, dar pulverizarea cu o viteză mai mare.

În funcție de variația dimensiunii picăturilor cu parametrii de funcționare (inclusiv parametrii echipamentului, proprietățile fizice și chimice și debitul picăturilor), a fost stabilită formula de corelare pentru prezicerea dimensiunii picăturilor. Ca o aproximare inițială, cea mai simplă metodă se bazează pe corelarea potrivirii, presupunând că legea puterii variabilelor independente În funcție de variația dimensiunii picăturilor cu parametrii de funcționare (inclusiv parametrii echipamentului, proprietățile fizice și chimice și debitul picăturilor), a fost stabilită formula de corelare pentru prezicerea dimensiunii picăturilor. Ca o aproximare inițială, cea mai simplă metodă se bazează pe corelația de potrivire, presupunând că legea puterii variabilelor independente  （Q，μ，σ，ρ，f，I） și cea mai bună corelație de potrivire obținută sunt următoarele:

(Interval variabil  Q = 0,5 până la 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/ m295,77–1590,  W  /m2).

Variabile comune de atomizare 

A.m	Amplitudinea vârfului  (m)	t	Grosimea peliculei lichide  (m)
C	Viteza sunetului în  mediu lichid    (m/s)	U	Viteza undei sonore (m/s)
dp	Diametru picătură  (m)	μ	Vâscozitatea lichidului ( N s/m ⊃2; )
f	Frecvența de excitare  (1/s)	λ	lungime de undă  (m)
eu	Intensitatea ultrasunetelor  (W/m ⊃2; )	ρ	Densitatea lichidului  (kg/m ⊃3; )
Q	Debitul volumic  (m ⊃3; /s)	σ	Tensiune superficială  (N/m)
Qcrit	Debit de volum critic (m ⊃3; /s)	S	Suprafața atomizorului  (m ⊃2; )