撞击销喷嘴的二次液滴破碎现象：实验结果与CFD-DPM建模的对比

《Journal of Aerosol Science》：Secondary droplet breakup of impaction-pin nozzle: Comparison between experimental and CFD-DPM modelling

本研究通过数值模拟与实验结合，分析冲击针喷嘴二次破碎机制，使用离散相位模型（DPM）和SSD随机破碎模型，结合电迁移率分选器（SEMS）和气动力粒子分选器（APS）验证，发现干燥粒子尺寸呈对数正态分布，数值模拟与实验结果吻合，为优化喷嘴系统提供理论依据。

　　喷雾系统在工业和环境应用中扮演着至关重要的角色，其性能直接影响到应用的效率和效果。在许多场景中，精确控制液滴的尺寸是实现高效喷雾的关键。例如，在珊瑚礁保护领域，喷雾技术被用来生成人工雾，以减少阳光对珊瑚的影响，从而缓解热应激带来的负面影响。这种技术是“珊瑚礁修复与适应计划”（Reef Restoration and Adaptation Program, RRAP）的一部分，旨在应对全球气候变化对海洋生态系统造成的挑战。目前，该计划已经广泛使用了超过一千个撞击针喷嘴（impaction-pin nozzles），以产生微米乃至亚微米级别的细雾。然而，尽管对喷雾系统的初级破碎（primary breakup）进行了大量研究，但对液滴形成后进一步破碎（secondary breakup）的动态过程仍缺乏深入理解。

初级破碎指的是液体喷射流或液膜在喷嘴出口处的初始分裂过程，而次级破碎则是在液滴形成之后，由于剪切力、惯性力以及液体本身的特性，导致液滴进一步分裂成更小的液滴。次级破碎过程对于喷雾系统的性能优化具有重要意义，因为它直接影响液滴的尺寸分布、喷雾均匀性和整体雾化效率。然而，由于次级破碎过程涉及多个尺度的现象，准确捕捉所有相关的长度和时间尺度是一项复杂的任务。这不仅增加了研究的难度，也限制了对喷雾系统优化的理解。

撞击针喷嘴因其结构简单、坚固耐用，以及能够高效产生细雾而受到关注。这类喷嘴属于高压雾化喷嘴的一种，其核心设计是将一个针状物（pin）置于喷嘴出口上方。当高速液流撞击到针尖时，会引发初始的破碎过程，产生液膜、液丝等中间形态，随后这些液丝在气流作用下进一步分裂成更小的液滴。在喷嘴出口区域，由于液滴与气体之间的相互作用，会产生显著的能量转换，进一步推动次级破碎的发生。这种破碎机制主要受到瑞利不稳定性（Rayleigh instabilities）的影响，使得液滴能够在气流中形成更细小的颗粒。

尽管撞击针喷嘴在工业和环境应用中具有广泛的适用性，但关于其雾化特性的研究仍然有限。目前的研究多集中于初级破碎的模拟和实验分析，而对次级破碎过程的深入探讨较少。因此，有必要开发更加精确的理论模型和实验方法，以更好地理解次级破碎的动力学行为，并为喷雾系统的优化提供依据。为了填补这一研究空白，本文采用了结合数值模拟与实验验证的方法，重点研究撞击针喷嘴在次级破碎过程中的液滴行为。

数值模拟方面，本文采用了离散相模型（Discrete Phase Model, DPM）来模拟液滴的动态行为和尺寸分布。DPM是一种基于欧拉-拉格朗日框架的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法，能够高效地追踪单个液滴的运动轨迹，并模拟其在气流中的破碎和蒸发过程。在DPM框架下，次级破碎的模拟需要考虑多个子模型，包括随机次级破碎（Stochastic Secondary Droplet, SSD）模型，该模型能够更好地反映液滴在破碎过程中由于随机因素带来的尺寸分布变化。此外，为了更准确地模拟气相流动，本文还采用了非定常雷诺平均纳维-斯托克斯方程（unsteady RANS）模型，从而能够更全面地分析喷雾系统的整体行为。

实验验证方面，本文采用了高分辨率的扫描电迁移率谱仪（Scanning Electrical Mobility Sizer, SEMS）和气动颗粒粒径分析仪（Aerodynamic Particle Sizer, APS）来测量液滴的尺寸分布。这些仪器特别适用于微米和亚微米级别的颗粒测量，能够提供连续、实时的粒径数据，从而为数值模拟的结果提供可靠的参考。实验中使用了MeeFog公司生产的IP-2115-08型撞击针喷嘴，该喷嘴的喷嘴孔径为202微米。实验条件包括在风洞环境中进行喷雾测试，以捕捉液滴在喷雾过程中形成的细颗粒，并通过高速成像技术记录喷雾的形态和分布情况。

实验与模拟结果表明，无论是数值模拟还是实验测量，液滴在蒸发后形成的干颗粒尺寸分布均呈现出对数正态分布（log-normal distribution）的特征。数值模拟得到的平均干颗粒直径为322.4纳米，而在相对湿度为51%的条件下，平均干颗粒直径降低至236.3纳米。初始干颗粒的平均直径为675.1纳米，这些结果在实验和数值误差范围内保持一致。此外，数值模型还成功地预测了液滴的空间分布以及喷雾特性，包括喷雾锥角的变化，这些预测与实验观测结果高度吻合。

在喷雾过程中，液滴的尺寸分布和喷雾锥角的变化是两个关键参数。液滴的尺寸分布决定了喷雾的均匀性和覆盖范围，而喷雾锥角则影响了液滴的扩散路径和覆盖面积。本文通过数值模拟和实验测量，对这两个参数进行了详细分析。模拟结果与实验数据的对比显示，DPM方法能够有效地捕捉液滴的破碎行为，特别是次级破碎过程中由于剪切力和惯性力作用导致的液滴尺寸变化。这种模型的准确性为喷雾系统的优化提供了重要依据。

本文的研究成果对于喷雾系统的开发和应用具有重要的意义。首先，它提供了一个经过验证的数值模型，能够准确预测次级破碎过程中的液滴行为，包括尺寸分布和喷雾锥角的变化。其次，该模型为优化喷雾系统的性能提供了理论支持，特别是在需要精确控制液滴尺寸的应用中，如环境工程、农业灌溉和工业喷涂等领域。此外，本文还强调了实验验证在数值模拟中的重要性，确保模型的预测结果能够与实际观测数据保持一致，从而提高模型的可靠性。

在实际应用中，喷雾系统的优化不仅需要考虑液滴的尺寸分布，还需要关注喷雾的扩散路径和覆盖范围。通过结合数值模拟和实验分析，可以更全面地了解喷雾系统的行为，从而设计出更加高效的喷雾装置。例如，在珊瑚礁保护应用中，精确控制液滴的尺寸和分布可以提高人工雾对珊瑚的遮蔽效果，减少阳光对珊瑚的热应激影响。此外，该研究还为其他类似应用提供了参考，如农业喷灌、医疗喷雾和工业冷却系统等。

总的来说，本文通过结合数值模拟与实验验证的方法，深入探讨了撞击针喷嘴在次级破碎过程中的液滴行为。研究结果表明，DPM方法在模拟液滴的破碎和蒸发过程方面具有较高的准确性，能够有效预测液滴的尺寸分布和喷雾特性。这些发现不仅有助于优化喷雾系统的性能，还为相关领域的进一步研究提供了理论支持和实验依据。通过本研究，可以更好地理解喷雾系统中次级破碎的动力学机制，从而推动更高效、更精确的喷雾技术的发展。