真空噴射霧化過(guò)程中噴嘴口的流動(dòng)模型計算與數值分析
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結構。不同的噴嘴對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)對三種不同噴嘴噴口形狀的流動(dòng)模型的建立和數值分析可知錐直型噴口其水蒸氣的體積分數變化較小，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其數的高速運動(dòng)的細小液滴到達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(zhù)結構參數及噴射環(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值模擬中，噴嘴內部流動(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。由于噴嘴內部流動(dòng)的復雜性，以實(shí)驗的方法很難測量到。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)生對噴孔出口的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生較大的影響，對噴嘴內部流動(dòng)進(jìn)行分析和模擬是非常必要的。
噴嘴噴口流動(dòng)模型
現有的被大家廣泛證明和認可的噴嘴內部流動(dòng)狀態(tài)模型是在Soteriou 和Chaves 等人對放大和真實(shí)噴嘴內部流動(dòng)的實(shí)驗觀(guān)察結果基礎上總結歸納出來(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(mǎn)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)展的基礎上隨著(zhù)噴射速度的增加當雷諾數達到一定數值時(shí)在噴口收縮區域內靜壓下降，當該區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，當空穴充滿(mǎn)整個(gè)噴口壁面區域時(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(zhù)噴射速度更進(jìn)一步的提高，如果噴嘴為壁面光滑且軸向對稱(chēng)的理想噴嘴，在下游的空穴繼續發(fā)展直到上縮至噴口上游，使空穴區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象可以不予考慮�？昭魇亲畛Ｒ�(jiàn)的噴嘴內部流動(dòng)狀態(tài)。
圖1 噴嘴內部流動(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)對液體的射流霧化過(guò)程的研究有著(zhù)重要的影響。流動(dòng)狀態(tài)的確定需考慮以下幾個(gè)參數：判斷空穴發(fā)生的空穴數(K)、流量系數(Cd)和收縮系數(Cc)。具體的計算公式如下：
通過(guò)上述對三種不同噴嘴在噴口處的模型的建立、數值分析和模擬以及噴嘴參數的確定等方面的分析可知，在三種噴嘴結構中錐直型噴嘴在噴口處的水蒸氣體積分數變化最小。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，射流在湍流的擾動(dòng)下霧化更加充分，并能形成均勻的小液滴使達到基體上的高分子溶液分布更為均勻易形成化學(xué)性質(zhì)穩定的致密的高分子薄膜。
