超声网式雾化器多峰现象的理论与实验研究

《Sensors and Actuators A: Physical》：Theoretical and experimental research on the multi-peak phenomenon of ultrasonic mesh atomizers

　　

• •
  直径分布呈现出多峰分布的现象。
• •
  直径分布被分解为4条正态分布曲线的叠加。
• •
  多峰分布现象由三种雾化机制所主导。
• •
  建立了直径估算模型。

引言

雾化是指通过特定装置将连续液体分散为微小液滴的过程，广泛应用于吸入疗法[1]、[2]、[3]、[4]、农业灌溉[5]、[6]、[7]、[8]、微电子制造[9]、[10]、[11]、[12]、能源燃烧[13]、[14]、[15]、[16]以及环境治理[17]、[18]、[19]、[20]等领域。基于逆压电效应[21]设计的压电雾化器具有结构简单、雾化过程可控和便携性等优点，因而得到了广泛应用。压电雾化器可分为两大类：表面声波（SAW）雾化器[22]、[23]、[24]和网孔雾化器[25]、[26]、[27]。SAW雾化器利用表面张力波雾化流体[28]，雾化液滴的直径由表面张力波的波长决定。网孔雾化器可进一步分为静态网孔雾化器[29]和动态网孔雾化器[30]，雾化液滴的直径由雾化片上微锥孔的直径决定。振动网孔雾化器还可按膜片材料和制造工艺进行分类。传统VMA通常采用金属膜片，通过激光钻孔或电铸成型开孔，而基于MEMS的VMA则使用微加工的硅膜片。基于硅的VMA已被开发用于喷雾冷却应用[31]，直接比较表明，在所测试条件下，硅器件产生的液滴粒径分布更窄，跨度更低[32]。由于动态网孔雾化器成本低、能耗低且液滴粒径分布相对均匀，它在各个领域引起了广泛关注[33]、[34]。

在表面声波（SAW）雾化器雾化机制的研究中[35]、[36]，Friend和Galleguillos深入探讨了毛细波的生成和破裂，建立了液滴破裂雾化理论[37]、[38]、[39]。Zhang等人通过高速相机观察振动引起的液体破裂和射流，验证了毛细波雾化理论[40]、[41]、[42]、[43]、[44]。Tan通过模拟软件验证了雾化理论[45]。对于动态网孔雾化器，Maehara首次提出了动态网孔雾化器的结构，其中金属网板以活塞式方式运动来雾化液体[46]、[47]。Lu提出了一种改进的动态网孔雾化器结构，并阐述了液滴通过微锥孔形成和分离的过程[48]、[49]。在雾化机制方面，Jiang提出了动态锥角理论[50]。后来，Zhang进一步解释和阐述了动态锥角理论中的单向液滴流[51]、[52]。Yan研究了动态锥角对雾化性能的影响[53]、[54]。

在压电雾化研究中，雾化液滴的直径是评估雾化性能的关键参数，可通过液滴直径分布图来表征[55]、[56]。在现有的液滴尺寸研究中，直径分布通常被假设为正态分布，大多数直径分析仪甚至以拟合的正态分布曲线来表示测量结果[57]。然而，在实际测量中，雾化液滴直径的原始数据偏离正态分布，分布曲线呈现出多峰现象[58]。Wang报道了表面声波（SAW）雾化直径分布图中的多峰现象，分析认为这些峰是由Eckart流和Schlichting流机制引起的[59]、[60]。Broniarz-Press观察到SAW雾化中直径的双峰分布[61]，认为小液滴是大液滴的卫星液滴[42]、[62]、[63]。Zhang发现，对于SAW雾化，随着液体流量的增加，液滴直径分布呈现双峰特征，这被证明是由雾化过程中的空化效应引起的[44]。

在特定操作条件和下游条件下，由振动网孔装置产生的气溶胶也报道了双峰分布现象。Longest观察到在加湿气流中Aeroneb Lab和PARI eFlow Rapid振动网孔雾化器的双峰空气动力学粒径分布[64]。在另一项研究中，通过新生儿T型接头产生的Aeroneb Lab气溶胶呈现双峰分布，其中约30%的气溶胶质量分布在6 μm以上[65]。一种结构相似的压电多孔雾化器，由环形PZT板和带有微锥孔的金属基板组成，在127 kHz频率下也产生了明显的双峰分布，峰值分别在50 μm和300–350 μm附近[66]。相比之下，在其他条件下操作的金属和硅VMA被报道产生了更窄的液滴粒径分布，硅器件显示出更低的跨度[32]。本研究使用的雾化器由PZT环直接与含有500个微锥孔的304不锈钢片键合而成，这与文献[64]、[65]中描述的装置不同。Ning报道的装置在结构上更为接近[66]，而Hsieh使用的是带有约900个微米喷口的商用PZT雾化器[67]。基于上述研究，图1展示了不同超声波雾化系统中报道的三种具有代表性的多峰现象。

对于超声波网孔雾化器，在超声波网孔雾化器的液滴直径实验中观察到了正向和反向雾化过程中的双峰分布[50]。这些文献证明，液滴直径分布的多峰现象在超声波网孔雾化器中也存在，但尚未对其机制进行研究。

本研究聚焦于超声波网孔雾化器液滴直径分布多峰现象的机制。基于对SAW雾化器的研究，我们假设不同的峰由不同的雾化机制引起。本文中通过理论和实验验证来研究超声波网孔雾化器多峰现象的机制。第1节展示了超声波网孔雾化器多峰现象的复现实验，其中直径分布被分解为4条正态分布曲线的叠加。第2节基于现有雾化理论，建立了不同雾化机制的直径估算模型。第3节通过实验验证了直径估算模型。

章节摘要

超声波网孔雾化器多峰现象的复现实验

为了进一步研究超声波网孔雾化器的多峰现象，进行了一项复现实验。复现实验证明了多峰现象的存在，在液滴分布曲线中发现四个峰。

直径估算模型

本节基于不同雾化机制建立了直径估算模型，涉及动态锥角理论、卫星液滴理论和毛细波理论。

直径估算模型的实验验证

本节进行了一些实验以测量第2节中建立的直径估算模型所需的参数。通过计算特定直径值，验证了不同直径来源于不同雾化机制，这是超声波网孔雾化器多峰现象的原因。

结论

本研究从理论和实验两方面讨论了超声波网孔雾化器多峰现象的原因。可以得出结论：直径分布曲线中显示的不同峰是由不同雾化机制产生的。

• (1)
  大多数液滴，包括主峰（$d_{\mathrm{d3}}$），是由基于动态锥角的雾化机制产生的，其中峰值数量和直径值受振动影响

CRediT作者贡献声明

张凡：撰写–原始草稿、资源、项目管理、方法论、形式分析、概念化。卢凯锋：撰写–原始草稿、方法论、调查、形式分析、概念化。吴富海：软件、方法论、调查、形式分析、概念化。王一怡：可视化、验证、数据整理。沈嘉娜：可视化、验证、数据整理。王银河：可视化、验证、数据整理。桂真真：撰写–审稿

利益冲突声明

作者声明与本工作不存在利益冲突。稿件已获所有作者批准发表。本人代表全体合著者声明，所述工作为原创研究，此前未曾发表，也未被其他期刊考虑发表，无论全部或部分。所有署名作者均已批准所附稿件。

致谢

本研究由国家自然科学基金（NSFC）（资助号51705093）；广州市科技计划（资助号202201020158）；广东省基础与应用基础研究基金（资助号2022A1515010265）；广东省基础与应用基础研究基金（资助号2019B1515120017）；广州大学校内研究项目（资助号ZH2023002）；广州大学研究生能力提升计划（资助号

张凡，1985年生于中国天津。2008年和2015年分别获得北京交通大学机械工程的学士和博士学位。目前为广州大学机电工程学院副教授。其当前科研兴趣包括压电材料、压电微型泵和雾化器。

张凡|卢凯锋|吴富海|王一怡|沈嘉娜|王银河|桂真真|张建辉