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                        氣助式超聲霧化噴頭設計

                        添加時間:2019/04/20 來源:吉林大學 作者:汪閃閃
                        本文立足于前幾個章節的內容,在超聲霧化噴涂理論的基礎上,結合實驗,得出結論;對實驗過程中出現的問題進行歸納,使后續相關研究工作更為順利。論文主要設計并制作了氣助式超聲霧化噴霧頭,在此基礎上設計出了不同的氣體流道。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          超聲霧化技術由于產生的霧滴均勻性好、平均粒徑小,分布集中、電源功耗低等優點在各個領域得到廣泛應用。為了解決現有技術問題,進一步增強超聲霧化噴涂時噴霧的抗干擾能力及噴霧頭的實用性,在保證噴霧均勻性好、霧錐特性穩定的前提下盡可能實現噴涂寬度在較大范圍內的變化,本文利用軟件建模及有限元仿真分析相結合的方法,設計了氣體輔助式超聲霧化噴頭,并在此基礎上,設計可調的供氣流體通道,實現了聚攏型噴霧與散射型噴霧在一個超聲霧化噴頭并存的設計方案。

                          本文的主要研究內容如下:

                          首先,通過理論公式推導計算得出噴涂寬度可調的氣助式超聲霧化噴頭的主要機械振動結構超聲換能器及變幅桿的具體尺寸參數,結合有限元分析技術,采用模態分析方法對所設計的帶變幅桿的換能器進行虛擬仿真分析,將仿真結果與理論設計值進行比較。通過 ANSYS 軟件對設計的結構進行模態分析,得到了與理論設計僅有 0.075%誤差的縱向振動模態,滿足超聲霧化用換能器對性能的要求,用仿真驗證理論設計的正確性,得出機械振動結構各部分最終尺寸參數。

                          其次,介紹了噴涂寬度可調的氣助式超聲霧化噴頭的組成結構和基本工作原理。在機械振動結構確定的前提下,通過流體仿真的方法對超聲霧化噴頭的流道結構進行設計。小寬度噴涂時,采用單一變量的方法改變流體結構的各個參數,通過觀察分析流體仿真結果中噴頭內部氣體的運動狀況及在噴口處的射流情況來選擇最優結構參數。大寬度噴涂時,采用渦流齒輪增大噴涂寬度的設計方案,通過流體仿真的方法,直接驗證設計的可行性。確定整體結構參數,選擇材料,進行樣機制作。

                          最后,搭建超聲霧化噴涂實驗平臺完成噴霧實驗。對所設計的噴涂寬度可調的氣助式超聲霧化噴頭進行一系列相關實驗,研究影響噴涂效果的外部控制因素。

                          實驗表明在進行小寬度噴涂時,發現在一定供氣壓力范圍內,噴涂寬度呈現先增加后減小最后趨于平穩的趨勢。在一定范圍內改變噴涂高度,發現隨著高度的增加,噴涂寬度呈現出先小幅度增加后減小最后趨于平穩的趨勢。同樣,在一定范圍內改變供液流量,發現供液流量的變化對噴涂寬度的影響不大。在進行大寬度噴涂時,發現在一定供氣壓力范圍內,隨著供氣壓力的增大,噴涂寬度隨之增大,最后趨于平穩。當在一定范圍內改變噴涂高度時,隨著高度的增加,噴涂寬度逐漸增加,最終趨于平穩。同樣,在一定范圍內改變供液流量,發現供液流量的變化對噴涂寬度的影響很小,噴涂寬度基本保持不變。在一個霧化噴頭中進行的小寬度噴涂實驗與大寬度噴涂實驗充分證明了所設計的超聲霧化噴頭噴涂寬度在一定范圍內的可調性。最后并對噴霧效果進行檢驗,結果表明超聲霧化噴涂噴霧均勻,噴霧霧錐特性穩定,噴涂效果良好。

                          關鍵詞:噴頭,超聲霧化,壓電換能器,噴涂寬度可調,霧錐特性穩定

                        Abstract

                          Ultrasonic atomization technology has been widely used in various fields due to its good uniformity of droplets,small average particle size, concentrated distribution,and low power consumption.In order to solve the existing problems, and further enhance the anti-interference ability of the spray and the practicability of the spray head.Under the premise of ensuring the uniformity of spraying and the stability of the fog cone, the adjustability of the spraying width within a relatively large range can be achieved as much as possible.In this paper, a method of combining mathematical modeling and finite element simulation analysis was used to design a gas-assisted ultrasonic atomization device. Based on this, an adjustable gas supply fluid channel was designed to achieve a convergent spray and scattering type spray in an ultrasonic atomizing nozzles.

                          The main research content of this paper are as follows:

                          First of all, the specific size parameters of the main mechanical vibration structure ultrasonic transducer and the horn of the air-assisted ultrasonic atomizing nozzle with adjustable spray width are calculated through theoretical formula derivation.Combined with the finite element analysis technology, the modal analysis method was used to perform virtual simulation analysis on the transducer with a horn, and the simulation results were compared with the theoretical design values.The modal analysis of the designed structure was performed by ANSYS software. The longitudinal vibration modes with only 0.075% error from the theoretical design were obtained. The performance requirements of the ultrasonic atomization transducer were satisfied. The correctness of the theoretical design was verified by simulation. The final dimension parameters of each part of the mechanical vibration structure are obtained.

                          Secondly, the composition and basic working principle of the air-assisted ultrasonic atomizing nozzle are introduced.On the premise of determining the mechanical vibration structure, the flow channel of the ultrasonic atomizing nozzle is designed through a fluid simulation method.When spraying with a small width, a single variable method is used to change the various parameters of the fluid structure, and the optimal structural parameters are selected by observing and analyzing the motion of the gas inside the nozzle and the jet flow at the nozzle in the fluid simulation results.When spraying with a wide width, a turbine gear is used to increase the spray width and the feasibility of the design is directly verified by fluid simulation.

                          Determining the overall structural parameters, materials, and making a prototype.

                          Finally, an ultrasonic atomization spray test platform was set up to complete the spray experiment.A series of related experiments were conducted on the air-assisted ultrasonic atomizing nozzle designed to study the control factors that affect the spraying effect.The experimental results show that in the case of small width spraying, the spraying width first increases and then decreases within a certain supply pressure range, and finally becomes stable.The spraying height was changed within a certain range. As the height increased, the spraying width first increased slightly and then decreased and eventually became stable. In the same way, changing the liquid supply flow within a certain range, it was found that the change in the liquid supply flow has little effect on the spray width.When spraying with a large width, it was found that within a certain supply pressure range, the spray width increased with the increase of the air supply pressure, and eventually stabilized.When the spray height is changed within a certain range, the spray width gradually increases as the height increases, and eventually becomes stable.In the same way, changing the liquid supply flow within a certain range, it was found that the change of the flow rate of the liquid supply had little effect on the spray width, and the spray width remained basically unchanged.The small-width and wide-width spray test conducted in the atomizing nozzle fully prove that the ultrasonic spray nozzle spray width is adjustable within a certain range.

                          Finally, the spray effect was tested. The results showed that the spray was uniform, the spray fog cone characteristics were stable, and the spraying effect was good.

                          Key word:nozzle, ultrasonic atomization, piezoelectric transducer, adjustable spray width, fog cone characteristics

                          霧化的方式多種多樣[1],傳統的霧化方式有壓力霧化、氣體霧化、旋轉霧化、氣泡霧化、汽哨霧化等。壓力霧化噴霧錐角小,噴霧錐角隨壓力及環境氣體的密度發生變化;氣體霧化噴霧錐角小,噴射氣流速度低時霧化質量差;旋轉霧化霧化量小且霧化后液滴顆粒較大;氣泡霧化需附加供氣裝置;汽哨霧化液滴尺寸變化大,不易控制。與傳統霧化方式相比,超聲霧化作為一種新型的霧化方式,利用機械結構件表面的高頻振動使固液接觸面產生引起空化作用的激波,將連續的液滴撕裂成破碎的小液滴,進而形成霧滴集群[2],超聲霧化具有很多優點,如霧化后的液滴顆粒均勻、粒徑小、霧化一致性高、粒徑分布集中、噴頭結構相對簡單、使用方便、霧化液體不易堵塞管道等[3],因為超聲霧化具有的這些優點使其廣泛應用。

                          超聲霧化技術作為一項比較新的技術正在逐漸引起廣泛的關注。超聲霧化可以在液體傳輸速度很低時得到極佳的霧化效果,并且霧化后的液滴尺寸均勻,顆粒粒徑細小,霧化質量高,F階段,超聲霧化主要包括兩類[4]:流體動力式及壓電換能式。按照超聲波能量的來源將超聲波霧化噴嘴同樣分為兩類:流體動力式超聲霧化噴嘴及壓電式超聲霧化噴嘴。流體動力式超聲霧化噴嘴主要是利用通過噴嘴速度極高的氣體或液體激發共振腔室而產生的超聲進行霧化噴涂,其中,共振腔的尺寸決定了其激發的超聲波的頻率,流體動力式超聲霧化噴嘴頻率都比較低。同時,液體的速率、共振腔的位置、噴嘴的大小及壓力等因素都與霧化后的霧滴尺寸有關。

                          流體動力式霧化噴嘴雖然與壓電式霧化噴嘴一樣產生超聲波,但是產生的霧滴粒徑相對較大,相對而言,壓電式超聲霧化噴嘴將液體霧化后產生的液滴顆粒粒徑較小且分布均勻,對于要求流量低、粒徑要求較高的場合來說,壓電式超聲霧化器更加符合要求。

                          由于壓電式超聲霧化噴嘴具有霧化后產生的液滴顆粒細小且粒徑均勻集中、原料消耗少、不易堵塞、高精度、高可控性、結構簡單、操作方便等優點,廣泛應用在工業、農業、醫藥、化工、能源等行業[5-12]。

                          壓電式超聲霧化噴嘴霧化效果極佳,是目前最具有發展潛力的一種霧化噴嘴,F階段壓電式超聲霧化器主要有低頻和高頻[13]之分,其中工作頻率處于 20kHz至 80kHz 之間的超聲霧化器為低頻超聲霧化器,工作頻率大于 1MHz 的超聲霧化器為高頻超聲霧化器。對于高頻超聲霧化器,工作時對水質的要求高、連續工作的時間較短、可靠性較低、難以霧化粘度高的液體且極易改變液體的化學結構等,由于這些不可避免的缺點,極大的限制了高頻超聲霧化器的發展前景。因為低頻超聲霧化器具有這些優點:可靠性極高、不會破壞被霧化液體的化學結構、對水質要求不高,使低頻超聲波霧化在各個領域都得到了廣泛的應用,因此,對低頻超聲霧化器進行研究顯得極為有意義。同時壓電式超聲霧化器按換能器的不同又可分為磁致伸縮型及壓電晶片型[14]。當采用磁致伸縮型換能器時,通常霧滴在其輻射面形成,在使用時,將變幅桿連接在換能器振子上,使得霧滴更容易產生,而當換能器是壓電晶片時,產生的超聲波達到兆赫級,使得大量的小液滴在液體表面處形成,實現液體的霧化。對于晶片型壓電式超聲霧化器,由于霧化時對液體水位有限制,極大限制了其應用范圍,在本文中,主要介紹帶變幅桿的磁致伸縮型壓電式超聲霧化噴嘴。

                          氣助式超聲霧化噴頭設計:

                        實驗裝置
                        實驗裝置

                        供液裝置
                        供液裝置

                        供氣裝置
                        供氣裝置

                        超聲波電源
                        超聲波電源

                        檢測裝置
                        檢測裝置

                        目 錄

                          摘 要
                          Abstract
                          第 1 章 緒論
                            1.1 引言
                            1.2 超聲霧化技術概述
                            1.3 超聲霧化噴嘴國內外發展現狀
                              1.3.1 超聲霧化噴嘴國外發展現狀
                              1.3.2 超聲霧化噴嘴國內發展現狀
                            1.4 本文的研究意義及其主要內容
                          第 2 章 超聲霧化噴涂基礎理論
                            2.1 壓電陶瓷材料簡介
                              2.1.1 壓電效應和逆壓電效應
                              2.1.2 壓電材料
                              2.1.3 壓電方程
                            2.2 壓電材料的重要性能參數
                              2.2.1 機電耦合系數
                              2.2.2 柔性常數
                              2.2.3 壓電常數
                              2.2.4 電學品質因數及介質損耗因子
                            2.3 超聲霧化理論基礎
                              2.3.1 霧化錐角的概念
                              2.3.2 超聲霧化的現有解釋
                            2.4 載氣霧錐輸運流模型
                              2.4.1 霧化液滴的受力模型
                              2.4.2 霧化后液滴的碰撞模型
                            2.5 本章小結
                          第 3 章 超聲霧化噴頭機械振動結構設計
                            3.1 壓電換能器簡介
                              3.1.1 壓電換能器的應用及分類
                              3.1.2 壓電換能器的振動模態及選擇
                              3.1.3 壓電換能器驅動電壓的波形選擇
                            3.2 壓電換能器的設計
                              3.2.1 壓電換能器材料的選擇
                              3.2.2 壓電換能器尺寸設計
                              3.2.3 變幅桿尺寸的設計
                            3.3 壓電換能器的模態分析
                            3.4 本章小結
                          第 4 章 噴涂寬度可調的氣助式超聲霧化噴頭整體結構設計
                            4.1 噴涂寬度可調的氣助式超聲霧化噴頭的工作原理
                            4.2 噴涂寬度可調的超聲霧化噴頭結構設計
                              4.2.1 超聲霧化噴頭氣體流道的設計及仿真
                              4.2.2 超聲霧化噴頭外殼設計
                            4.3 超聲霧化噴頭的整體結構
                            4.4 本章小結
                          第 5 章 超聲霧化噴涂實驗及研究
                            5.1 實驗裝置
                              5.1.1 供液裝置的選擇
                              5.1.2 供氣裝置的選擇
                              5.1.3 超聲電源的選擇
                              5.1.4 檢測裝置的選擇
                            5.2 超聲霧化噴頭霧化流量
                            5.3 氣助式超聲霧化小寬度噴涂實驗研究
                              5.3.1 供氣壓力對噴涂寬度的影響
                              5.3.2 噴涂高度對噴涂寬度的影響
                              5.3.3 供液流量對噴涂寬度的影響
                            5.4 氣助式超聲霧化大寬度噴涂實驗研究
                              5.4.1 供氣壓力對噴涂寬度的影響
                              5.4.2 噴涂高度對噴涂寬度的影響
                              5.4.3 供液流量對噴涂寬度的影響
                            5.5 噴涂效果檢測
                            5.6 本章小結
                          第 6 章 結論與展望
                            6.1 主要工作與結論
                            6.2 展望
                          參考文獻
                          作者簡介
                          致 謝

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