《Applied Sciences》：Air-Assist Atomization: From Unified Mechanisms to Cross-Disciplinary Custom Design and Intelligent Control
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空气辅助雾化利用高速气流剪切液相，在显著低于传统压力雾化所需的供给压力下实现细小液滴。该技术广泛部署于农药喷洒、食品喷雾干燥、 sanitization/消毒以及燃烧雾化等多个领域。尽管具体的操作领域决定了截然不同的液滴尺寸分布、速度和沉积均匀性——目标直径跨
空气辅助雾化利用高速气流剪切液相，在显著低于传统压力雾化所需的供给压力下实现细小液滴。该技术广泛部署于农药喷洒、食品喷雾干燥、 sanitization/消毒以及燃烧雾化等多个领域。尽管具体的操作领域决定了截然不同的液滴尺寸分布、速度和沉积均匀性——目标直径跨度从<50 μm到>200 μm——但其基础雾化机制在本质上是统一的，主要由环形涡旋诱导的一次破碎以及Kelvin–Helmholtz/Rayleigh–Taylor (KH–RT)或Taylor Analogy Breakup (TAB)二次破碎控制。本综述系统解析了空气辅助喷嘴的雾化机制、关键性能指标、数值模拟框架和实验表征方法。至关重要的是，从新颖的“跨学科定制设计”视角出发，研究人员对比了农业、食品、 sanitization和燃烧领域的最佳液滴参数窗口（例如，静电植物保护使叶片背面沉积增加203–1350%；矿用风助湿式除尘对PM10粉尘的收集效率>90%；SCR空气辅助喷射器将Sauter Mean Diameter (SMD)降至25 μm）。综合见解表明，分段VOF-to-DPM转换框架、角涡诱导破碎理论和闭环自适应控制架构具有实质性的跨领域迁移价值。当前瓶颈挑战被强调，包括密集喷雾状态下液滴碰撞-聚结模型的网格依赖性、非牛顿流体稳健雾化本构公式的缺失，以及从开环预设到智能闭环调节的持续范式转变。这项工作为空气辅助雾化领域的跨学科整合和下一代智能喷嘴设计建立了全面的理论基础和技术路线图。
1. 引言
雾化定义了连续液相碎裂为离散液滴群的物理转变过程。传统压力雾化严格依赖高压液体喷射的动能，射流排入静止气体环境并在Kelvin–Helmholtz (KH)不稳定性的驱动下发生失稳和碎裂。在此范式下，完整射流破碎长度与喷射速度成正比，与液体黏度和表面张力成反比。然而，该方法存在固有局限性：减小液滴尺寸需要提升喷射压力，这会呈指数级增加能耗并加剧对重型泵组件的依赖。此外，在处理高黏度流体时，压力雾化效率急剧下降，导致液滴直径显著粗化。
相比之下，空气辅助雾化利用高速气流的动能规避了液体压力能的限制。气液两相之间显著的速差产生强烈的气动剪切应力，显著放大KH不稳定性并将液柱或液膜剥离成细长带和细小液滴。该机制在比压力雾化所需低数个数量级的液体供给压力下确保了同等或更优的雾化细度。空气辅助喷嘴直接利用压缩空气的膨胀功，实现高效的动量传递；因此，为获得相同的目标液滴直径，所需液体压力可降低十倍以上。
根据气液混合的空间区域，空气辅助喷嘴大致分为内混式和外混式构型。内混式喷嘴在内部腔室促进充分的预混合，产生极细的喷雾和窄液滴尺寸分布。但其对制造公差要求严苛，易堵塞，且在较高气液比下存在液体回流至供液管路的风险。外混式喷嘴结构简单且防堵塞性强，因气液流独立调节而具有卓越的操作灵活性；然而其雾化效率受损，且液滴尺寸分布对外部流场扰动高度敏感。这两种架构的选择本质上代表了雾化质量与系统可靠性之间的工程权衡。
该技术支撑着农业植保、航空航天、食品加工和采矿工程中的关键操作。各领域的核心共同要求是精确控制液滴尺寸。作物保护通常需要约150–400 μm的液滴以平衡抑制飘移与冠层覆盖；燃烧雾化通常要求SMD低于50 μm，某些系统可进一步降至约6.5–25 μm；矿用抑制PM
10呼吸性粉尘通常利用20–100 μm范围的液滴；食品喷雾干燥常在50–200 μm范围内操作。虽然空气辅助雾化允许通过调节气液比连续宽幅调整液滴尺寸，但识别并维持精确的最优参数集仍是工程优化的关键挑战。
平行的普遍要求是喷雾沉积和覆盖率均匀性。研究人员以一次和二次破碎机制作为统一理论基线，解释完全相同的气动剪切力如何被“定制”以产生差异巨大的液滴需求。此外，提炼具有高跨领域迁移价值的方法论，展示分段VOF-to-DPM转换框架和角涡破碎理论如何无缝转化至农业、环境和燃烧工程中。
2. 空气辅助喷嘴雾化机制与性能表征
空气辅助雾化利用高速气流与低速液相之间速差产生的气动剪切力，使液膜或液柱失稳并碎裂为细小液滴。通过将雾化质量与高液体供给压力解耦，该方法有效处理高黏度流体。
2.1. 雾化过程与破碎机制
空气辅助喷雾演变分为两个序列区域：一次破碎和二次破碎。一次破碎包含连续液核在喷嘴孔口附近在气动力下失稳、变形和破裂，形成粗带或初始原液滴。二次破碎定义了这些离散原液滴在持续高速气流下进一步变形和碎裂为更精细喷雾的过程。
2.1.1. 液膜与液柱的一次破碎机制
波生长破碎代表空气辅助构型中的基础一次碎裂模式。当液膜或液柱暴露于高速同向气流时，Kelvin–Helmholtz (KH)不稳定性在气液界面触发微小扰动。在气动剪切驱动下，扰动呈指数级增长，形成沿流向传播的表面波。线性稳定性分析规定波增长率严重依赖于波数、液层厚度、气液密度比和表面张力。当Weber数超过临界阈值时，波生长机制占主导，迫使连续液膜碎裂为独立液带，进而断裂成离散液滴。
边缘与穿孔破碎主要发生在液膜外围边界或局部薄区。在气动压力驱动下穿孔迅速扩大撕裂液膜，同时沿展向边缘表面张力使液体回缩成厚边界弦或“边缘”，进而发生毛细破裂和气动剪切产生较大液滴。在气助系统中，气流高速迫使穿孔与边缘破碎同时发生。
环形涡诱导破碎是通过高分辨率大涡模拟结合流体体积方法揭示的重要一次碎裂机制。在混合腔内，高速气流产生包裹中央液柱的轴对称环形涡阵列。这些环形结构周期性向内穿透，触发导致一次破碎的全局不稳定性。该特定环形涡拓扑高度特征化于受限内混几何结构，而外混构型主要受无约束气动剪切和标准KH波生长控制。
2.1.2. 二次破碎机制
一次碎裂后，离散液体碎片在气动阻力下经历二次破碎。活跃的二次碎裂路径由Weber数和Ohnesorge数基本参数化。在低黏度区域，随增加，二次破碎模式从袋形破碎转变为剥离/膜破碎，最终演变为灾难性破碎。
Kelvin–Helmholtz/Rayleigh–Taylor (KH–RT)模型是模拟二次雾化的标准数值框架，叠加了KH（剪切驱动）和RT（减速驱动）不稳定性。KH机制模型化液滴表面高频波生长，RT机制捕捉由于快速气动减速在迎风/背风面增长的低频、长波长扰动，追踪液滴的灾难性整体破碎。
Taylor Analogy Breakup (TAB)模型将液滴变形与失效模拟为受迫、阻尼弹簧质量系统。表面张力作恢复弹簧力，液体黏度提供阻尼耗散，气动阻力作外部强迫函数。当无量纲变形参数y>1时触发破碎事件。为处理中间剥离和片状破碎区域，KH-RT模型通过KH子组件处理连续表面剥离，或在更高Weber数下由RT组件主导灾难性破碎。Tanner等成功部署级联雾化与破碎模型，通过在修改的TAB公式中引入顺序级联液滴创建机制，将变形追踪有效性扩展至极限之外，成为过渡剥离区域的高度推荐混合解决方案。
2.2. 关键性能参数
2.2.1. 索特平均直径
Sauter Mean Diameter (SMD)代表液滴群的统计平均，定义为总体积与总表面积之比。最小化的SMD意味着具有高比表面积的高度雾化喷雾，加速蒸发、化学燃烧和颗粒捕获等传输现象。参数评估证实SMD与气液比、气体工作压力、流体流变学和喷嘴内部架构耦合。由于不同喷嘴架构、流体属性和测量诊断原理差异，应优先依据无量纲参数评估趋势而非绝对数值。
2.2.2. 液滴尺寸分布
液滴尺寸分布通过Rosin–Rammler分布函数在工程中数学闭环。为定量评估尺寸分布宽度，定义无量纲跨度参数。最小化的反映窄分布剖面，指示高雾化均匀性。气助雾化相比传统压力雾化产生更集中的粒径分布。
2.2.3. 液滴速度场
液滴速度决定了液滴的穿透能力、在气流中的停留时间及与颗粒物的相对速度。气助雾化中液滴速度通常低于气流速度，两者间存在明显滑移速度。两相方法比单相方法更准确再现液滴速度径向分布，忽略气流与液滴间动量交换会显著损害工程CFD中穿透深度预测的准确性。
2.2.4. 喷雾角与宏观形态
喷雾角指从喷嘴出口测量的液雾扩散角，决定喷雾覆盖范围。喷嘴制造公差对喷雾角影响显著，此类变异性对高精度应用构成挑战并在CFD模拟中必须予以考虑。
2.3. 数值模拟方法
2.3.1. VOF框架与界面追踪
流体体积方法是一种界面捕捉欧拉方法，通过求解体积分数输运方程追踪气液界面。它需极细网格解析薄液膜和微液滴，计算成本高，通常仅限喷嘴附近一次破碎模拟，并将VOF数据传递给离散相模型进行后续计算。
2.3.2. 离散相建模与欧拉-拉格朗日耦合
离散相模型采用拉格朗日框架追踪液滴轨迹，通过质量、动量和能量交换与连续相实现双向耦合。典型的欧拉-拉格朗日耦合策略包括在拓扑圆度超过阈值时转换为DPM粒子的“全VOF法”，以及基于VOF计算的液膜参数和破碎理论在预定过渡界面生成初始液滴的“界面转换法”。分段VOF-to-DPM转换方法通过沿方向将喷雾划分成多个区段，提取各区段局部液膜参数并输入LSA计算初始直径，成功捕捉射流向尺寸变化。网格依赖性和液滴碰撞-聚结假设是建模的关键挑战。
2.3.3. 用于多相破碎的大涡模拟
大涡模拟直接分析超出过滤尺度的湍流涡结构，使用子格模型模拟小尺度涡。相比雷诺平均纳维-斯托克斯方法，LES更准确捕捉气液界面小尺度扰动，这对触发一次破碎至关重要。混合策略“近场LES-VOF + 远场RANS-DPM”被推荐用于全尺寸工业应用。
2.3.4. 数值不确定性与验证挑战
多相流建模不确定性主要源于网格依赖性、湍流模型选择和密集喷雾实验验证困难。过细网格会减少网格单元内离散液滴包裹数，损害碰撞-聚结子模型导致下游聚结效应被低估。需采用自适应子网格校正的随机碰撞算法或概率密度函数及群体平衡模型实现网格无关预测。近场高密度区需结合结构图像测速或高速阴影法进行验证。
2.4. 实验诊断与表征
2.4.1. 高速阴影法与结构图像测速
高速阴影法记录液滴和液带的阴影图像以呈现喷雾形态和破碎长度等。结构图像测速通过记录双脉冲图像并互相关分析纹理获取二维速度场，适用于液滴严重重叠的近喷嘴高密度区。
2.4.2. 相位多普勒测速与粒子图像测速
相位多普勒测速通过多普勒频移和相位差同时精确测量液滴直径与速度，但受限于液滴密度，无法在密集近场区有效操作。粒子图像测速通过双脉冲激光照亮示踪粒子获取整体速度分布矢量场，二者形成互补。
2.4.3. 激光衍射粒径分析
激光衍射通过散射光角分布反演体积频率分布，测量速度快且对密度不敏感，提供整个喷雾截面的平均粒径分布，但无法提供速度信息。
3. 跨学科应用：定制化液滴
3.1. 精准农业喷洒：实现靶向沉积与最小化飘移
气助喷洒利用气流将液滴输送至冠层内部。通过角度-时间累积平衡方法动态调节喷嘴角度可显著减小冠层两侧覆盖差。针对矮化果园开发的变风量辅助系统通过双侧独立轴向风机变频调节，降低能耗并实现均匀覆盖。环境相关应用系统等智能农机集成变量喷雾系统利用超声传感器检测冠层，气助静电喷嘴产生带电液滴，使叶片背面覆盖率增加203–1350%。无人机喷洒中旋翼下洗流场对液滴轨迹起决定性作用，D
v50<100 μm时液滴易被卷入旋涡核心，推荐粒径范围为50–150 μm。
3.2. 食品干燥与喷雾加工：实现均匀相变并保留活性
喷雾干燥中液滴与高温气流混合机制决定干燥速率和颗粒形态。当SMD介于100–200 μm时，最佳干燥时间与热风停留时间相匹配。食品乳液常表现出剪切变稀等复杂非牛顿行为，需在CFD框架中引入流变模型。改进的级联雾化与破碎模型显示，内部混合喷嘴由于预混合剧烈，破裂常数需显著高于外部混合喷嘴。剪切诱导结构破坏引起的时变流变特性要求向基于结构的动态框架转变。喷雾冷冻干燥要求初始直径<100 μm以促进球形颗粒形成并减轻冰晶损伤。
3.3. 消毒灭菌：实现空间扩散与黏附
气助静电喷雾结合细粒径、高气动动量与静电增强黏附特性。空气诱导静电喷嘴在优化操作下将中值体积直径降至49.7 μm，荷质比达2.43 mC/kg，对绿脓杆菌和噬菌体MS2灭活率超4-log。当粒径<50 μm时，沉降速度<0.1 m/s，颗粒可悬浮数分钟，增强与气溶胶碰撞灭活机会。静电效应随距离增加迅速衰减，高湿环境中电荷泄漏加速，建议保持0.6–1.0 m喷靶距离及低速移动。
3.4. 燃烧雾化：实现瞬时混合与完全反应
气助雾化旨在给定燃料流量下实现最小SMD和最窄粒径分布以增加蒸发面积并减少点火延迟。针对高黏度燃料，高速气流施加强气动剪切力有效降低SMD。在航空活塞发动机中，非对称预燃室设计与气助直喷协同优化，喷嘴直径从1.5 mm增至2.0 mm时射流速度达Ma ≈ 1.0，产生最大缸压峰值。在选择性催化还原系统中，气助尿素溶液雾化直接影响氨分布均匀性，SMD随气液比增加降至约25 μm。两相CFD方法比单相法更准确重现径向速度分布。
4. 挑战与未来展望
空气辅助雾化技术正经历从“经验设计”到“数据驱动”，从“开环预设”到“闭环智能”的转变。三大瓶颈限制模拟精度：密集区网格依赖的液滴碰撞行为、非圆形喷嘴单级破碎缺乏通用预测模型、非牛顿流体本构关系不足。需开发降阶模型耦合PBM-CFD方法。系统控制转向闭环自适应需集成微机电系统传感器阵列与边缘AI芯片，在恶劣环境中利用虚拟传感框架推断液滴指标。硬件创新方面，仿生导液结构、陶瓷涂层及光固化3D打印技术提供抗磨防堵新方案，磁化水、过热蒸汽等绿色介质扩展脱碳途径。非圆形喷嘴几何构型因角涡增强混合在燃烧效率上具优势，随3D打印成熟其可靠性差距正迅速缩小。
5. 总结
本综述系统回顾了空气辅助雾化机制、跨领域定制策略及未来方向。雾化机制表现出尺度无关一致性。跨领域应用本质在于平衡粒径、速度、分布与黏附特性。当前挑战包括密集区网格依赖碰撞建模、非牛顿本构模型限制等。未来趋势包括开环向闭环自适应控制转变、金属加工向仿生增材制造转变以及用绿色推进剂替代压缩空气。优先发展PBM-CFD耦合模型、智能喷嘴原型及非牛顿雾化数据库是关键。更重要的是，智能喷雾控制通过动态调节参数可减少非靶标大气排放，直接支持清洁生产与全球可持续发展目标。
