振动网格雾化器液滴形成机制的解析：从瑞利射流断裂到高效雾化应用

这篇研究深入解析了振动网格雾化器（MMA）的液滴形成机制，通过实验与理论模型验证了瑞利射流断裂（Rayleigh jet break-up）的核心作用。研究发现，液滴尺寸分布与体积流量无关，雾化效率（0.05–0.17%）与气动雾化器相当，并通过伯努利方程（Bernoulli equation）和哈根-泊肃叶定律（Hagen–Poiseuille law）建立了流量预测模型（R2=0.962），为医疗吸入器和喷雾干燥等应用提供了优化依据。

　　

1 引言

振动网格雾化器（MMA）通过压电陶瓷驱动金属网格振动，将电能转化为液滴表面能，广泛应用于医疗吸入器和喷雾干燥（如Büchi Nano Spray Dryer B-90）。其核心优势在于紧凑设计、低成本和高扩展性。文献中提出两种液滴形成机制：无阀泵效应（valveless pump）和动态锥角（DCA）理论，但争议集中在DCA对流量贡献的显著性。本研究旨在阐明机制，并量化共振频率、流量及液滴分布等参数。

2 材料与方法

实验采用去离子水和甘油混合液，通过MMA SMMOD20F113H8（孔径7±0.35 μm）雾化。系统配备函数发生器、功率放大器和激光衍射仪（Spraytec）等，通过重力法测量流量，相位多普勒测速仪（PDA）分析液滴速度。Ohnesorge数（Oh=η/√(ρσd_s)）范围0.0446–0.1549，覆盖不同黏度条件。

3 结果与讨论

3.1 MMA特性分析

频率扫描显示，共振频率为95 kHz（制造商标称113 kHz），液体黏度增加导致流量下降（水：2.39 cm³·min^?1；40%甘油：0.33 cm³·min^?1）。振幅扫描中，流量随电压呈S型增长，启动电压与Oh数正相关（14–46 V_pp）。液滴尺寸分布独立于流量，SMD≈1.9倍孔径（13.2 μm），雾化效率（0.05–0.17%）与气动雾化器相当。

3.2 流量建模

基于伯努利方程和哈根-泊肃叶定律，建立流量预测模型。网格速度（v_mesh,eff=0.034·U_pp）与电压线性相关，模型在60 V_pp内精度高（R²=0.962），超出后因压电材料位移极限出现偏差。DCA机制对流量影响可忽略，与Guerra-Bravo结论一致。

3.3 液滴形成机制

Ohnesorge-Reynolds图谱分析表明，实际活性孔数<10%（因振动模式不均），导致局部射流速度提升，韦伯数（We）>4支持瑞利断裂机制。液滴直径（d≈1.89d_s）与理论值吻合，高黏度液体因延迟断裂导致尺寸略减。

4 结论

MMA的液滴形成由瑞利射流断裂主导，流量模型为应用设计提供工具，而液滴尺寸的稳定性使其在医疗和工业领域潜力显著。未来研究可聚焦活性孔分布优化及高频振动下的材料疲劳问题。