真空噴射霧化過(guò)程中噴嘴口的流動(dòng)模型計(jì)算與數(shù)值分析

真空噴射霧化過(guò)程中噴嘴口的流動(dòng)模型計(jì)算與數(shù)值分析在真空噴射法制備薄膜的過(guò)程中，射流效果如何主要取決于噴嘴的構(gòu)造。不同的噴嘴對(duì)液體射流霧化的影響不同，其作用效果主要取決于噴嘴中噴口的形狀，通過(guò)對(duì)三種不同噴嘴噴口形狀的流動(dòng)模型的建立和數(shù)值分析可知錐直型噴口其水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)變化較小，霧化效果最好且成膜的質(zhì)量最高。

真空噴射霧化過(guò)程是真空噴射法制備高分子薄膜主要成膜過(guò)程，該方法主要是利用真空室內(nèi)外較大的壓差使聚合物溶液通過(guò)噴嘴噴射霧化后分散成不計(jì)其數(shù)的高速運(yùn)動(dòng)的細(xì)小液滴到達(dá)基片形成高分子薄膜。成膜質(zhì)量的好壞主要取決于噴霧質(zhì)量的好壞。而影響噴霧質(zhì)量的首要因素即為噴嘴，不同的噴嘴隨著構(gòu)造參數(shù)及噴射環(huán)境的不同而具有不同的液滴噴霧特性。

在研究真空噴射制備高分子薄膜噴霧的數(shù)值模擬中，噴嘴內(nèi)部流動(dòng)分析為液體出噴嘴后的射流霧化提供初始條件，如噴射速度分布、噴霧錐角大小和液滴直徑分布等。由于噴嘴內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性，以實(shí)驗(yàn)的方法很難測(cè)量到。由于液體流經(jīng)噴嘴的過(guò)程中空穴及反流等情況的產(chǎn)生對(duì)噴孔出口的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生較大的影響，對(duì)噴嘴內(nèi)部流動(dòng)開(kāi)展分析和模擬是非常必要的。

噴嘴噴口流動(dòng)模型

現(xiàn)有的被大家廣泛證明和認(rèn)可的噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)模型是在Soteriou和Chaves等人對(duì)放大和真實(shí)噴嘴內(nèi)部流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果根底上總結(jié)歸納出來(lái)的主要有單相流動(dòng)、空穴流動(dòng)和水力倒流三種流動(dòng)狀態(tài)，圖1為噴嘴內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)示意圖。在單相流流動(dòng)狀態(tài)下，噴射液體充滿整個(gè)噴嘴而沒(méi)有任何空隙，此時(shí)的流動(dòng)為層流或湍流，液體的流動(dòng)損失主要來(lái)自于與噴嘴壁面的摩擦和在噴口處界面突變帶來(lái)的收縮和后期膨脹。液體最初以單相流的形式流出，并在其充分發(fā)展的根底上隨著噴射速度的增加當(dāng)雷諾數(shù)到達(dá)一定數(shù)值時(shí)在噴口收縮區(qū)域內(nèi)靜壓下降，當(dāng)該區(qū)域靜壓下降到液體的飽和蒸汽壓以下時(shí)，會(huì)在噴口壁面上產(chǎn)生空穴，當(dāng)空穴充滿整個(gè)噴口壁面區(qū)域時(shí)即為空穴流。

空穴流是噴嘴流動(dòng)時(shí)最常發(fā)生的流動(dòng)狀態(tài)。隨著噴射速度更進(jìn)一步的提高，如果噴嘴為壁面光滑且軸向?qū)ΨQ的理想噴嘴，在下游的空穴繼續(xù)發(fā)展直到上縮至噴口上游，使空穴區(qū)與出噴嘴外部氣體相連通則形成了水力倒流。發(fā)生水力倒流流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，液體呈液柱狀光滑流出，射流液體要在距噴嘴較遠(yuǎn)處才發(fā)生破裂。在實(shí)際的噴射中由于噴嘴非理想噴嘴故水力倒流現(xiàn)象可以不予考慮?？昭魇亲畛Ｒ?jiàn)的噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)。

圖1噴嘴內(nèi)部流動(dòng)模型

不同的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)決定不同的噴霧邊界條件。正確判斷噴嘴流動(dòng)狀態(tài)對(duì)液體的射流霧化過(guò)程的研究有著重要的影響。流動(dòng)狀態(tài)確實(shí)定需考慮以下幾個(gè)參數(shù)：判斷空穴發(fā)生的空穴數(shù)(K)、流量系數(shù)(Cd)和收縮系數(shù)(Cc)。具體的計(jì)算公式如下：

通過(guò)上述對(duì)三種不同噴嘴在噴口處的模型的建立、數(shù)值分析和模擬以及噴嘴參數(shù)確實(shí)定等方面的分析可知，在三種噴嘴構(gòu)造中錐直型噴嘴在噴口處的水蒸氣體積分?jǐn)?shù)變化最小。這樣會(huì)使液體從噴嘴噴出后的射流速度和壓力方面分布的變化較小，射