真空喷雾法的喷嘴内部空化流动及喷雾过程模拟研究

论文摘要

真空喷雾法是制备聚合物薄膜较为新型的方法,其因具有成膜致密、膜厚均匀可控及可制备梯度薄膜等特点而受到人们越来越多的关注。本文以真空环境下喷射聚合物溶液制备聚合物功能薄膜的真空喷雾法为基础分析其成膜影响因素。首先对现有的真空喷雾法进行分类总结,虽然这些方法均建立了实验装置并成功制备出性能良好的聚合物薄膜,但对相关真空喷雾成膜过程却未见详细分析,研究尚有许多空白之处。由于实验研究周期大且费用高,数值模拟研究体现出其优越性。整个喷雾镀膜过程可分为喷嘴内部流动、喷嘴外部流动和雾滴沉积过程,本文对真空喷雾法的数值模拟研究主要对前两部分来进行,其中喷嘴内部流动模拟分析结果也为喷嘴外部雾化模拟提供了初始条件。空化对喷嘴内部流动有较大影响,本文首先对不同出口压力、不同喷射压力、不同喷嘴直径、不同喷嘴长度和不同工作流体的喷嘴内部流动进行了模拟分析,通过对比喷嘴内壁面、出口径向以及轴线上蒸汽量和湍动能分布分析以上参数对喷嘴内部流动的影响,此外还分析了不同参数下的喷嘴流量系数。喷嘴外部喷雾场模拟与喷嘴内部流动模拟相对应,通过分析喷射束宽度、喷雾贯穿距离、雾滴索特平均直径以及雾滴直径总体分布来确定模拟参数对喷雾特性的影响。结果发现：出口压力低于0.1MPa后,喷嘴内部流动参数并没有明显变化。环境压力低于1KPa后,雾滴直径总体分布不再变化；提高喷射压力使喷嘴内蒸汽量和湍动能均提高,但喷射压力高于30MPa后,喷嘴内蒸汽量无明显变化,高喷射压力形成的喷雾特性较好；喷嘴壁面及出口径向蒸汽量随喷嘴直径的增加而增加,但轴线蒸汽量与喷嘴直径成反比,小直径喷嘴形成的喷雾特性较好；较短喷嘴壁面及出口径向蒸汽量较大,但轴线蒸汽量很小,湍动能与喷嘴长度呈反比。不同长度喷嘴的喷雾场无明显变化；三种有机流体的喷嘴内部流动和喷雾场结果均优于水。数值模拟结果为真空喷雾实验研究提供了一些基本的参考,为该方法的进一步研究确定了方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 真空喷射法综述
• 1.2.1 真空喷雾干燥热解法
• 1.2.2 机械振动辅助真空喷射法
• 1.2.3 脉冲真空喷射法
• 1.2.4 真空喷雾法
• 1.2.5 真空电离喷射法
• 1.2.6 真空射流喷雾法
• 1.3 本文的研究目的意义和内容
• 1.3.1 研究目的和意义
• 1.3.2 研究内容
• 第2章 喷雾技术基本理论及平口喷嘴空化研究
• 2.1 液体破碎方式
• 2.1.1 液滴破碎
• 2.1.2 圆射流破碎
• 2.1.3 液膜破碎
• 2.2 喷雾测试技术
• 2.2.1 传统测试方法
• 2.2.2 现代测量方法
• 2.3 喷雾质量预测
• 2.3.1 雾滴尺寸表示方法
• 2.3.2 雾滴尺寸分布函数
• 2.4 平口喷嘴空化研究
• 2.4.1 平口喷嘴结构参数
• 2.4.2 研究进展
• 2.5 模拟软件及模型选择
• 2.6 本章小结
• 第3章 喷嘴内部空化流动模拟
• 3.1 喷嘴模型及计算模型
• 3.1.1 喷嘴模型
• 3.1.2 空化模型
• 3.1.3 湍流模型
• 3.2 空化流动对喷嘴内部流场分布的影响
• 3.3 出口压力对喷嘴内部空化流动的影响
• 3.3.1 出口压力对蒸汽分布影响
• 3.3.2 出口压力对湍动能分布影响
• 3.3.3 出口压力对流量系数影响
• 3.4 喷射压力对喷嘴内部空化流动的影响
• 3.4.1 喷射压力对蒸汽分布影响
• 3.4.2 喷射压力对湍动能分布影响
• 3.4.3 喷射压力对流量系数影响
• 3.5 喷孔直径对喷嘴内部空化流动的影响
• 3.5.1 喷孔直径对蒸汽分布影响
• 3.5.2 喷孔直径对湍动能分布影响
• 3.5.3 喷孔直径对流量系数影响
• 3.6 喷孔长度对喷嘴内部空化流动的影响
• 3.6.1 喷孔长度对蒸汽分布影响
• 3.6.2 喷孔长度对湍动能分布影响
• 3.6.3 喷孔长度对流量系数影响
• 3.7 不同流体的喷嘴内部空部化流动
• 3.7.1 不同流体的喷嘴内蒸汽分布
• 3.7.2 不同流体的喷嘴内湍动能分布
• 3.7.3 不同流体的喷嘴流量系数
• 3.8 本章小结
• 第4章 喷嘴外部射流雾化模拟
• 4.1 喷雾数值模拟计算模型
• 4.1.1 离散相模型及颗粒类型
• 4.1.2 颗粒运动方程
• 4.1.3 雾化模型
• 4.1.4 颗粒碰撞及破碎模型
• 4.1.5 外部流场模型
• 4.2 环境压力对射流雾化的影响
• 4.2.1 环境压力对射流雾化结构特征的影响
• 4.2.2 环境压力对射流雾化粒径的影响
• 4.3 喷射压力对射流雾化的影响
• 4.3.1 喷射压力对射流雾化结构特征的影响
• 4.3.2 喷射压力对射流雾化粒径的影响
• 4.4 喷嘴直径对射流雾化的影响
• 4.4.1 喷嘴直径对射流雾化结构特征的影响
• 4.4.2 喷嘴直径对射流雾化粒径的影响
• 4.5 喷嘴长度对射流雾化的影响
• 4.5.1 喷嘴长度对射流雾化结构特征的影响
• 4.5.2 喷嘴长度对射流雾化粒径的影响
• 4.6 不同流体的射流雾化
• 4.6.1 不同流体的射流雾化结构特征
• 4.6.2 不同流体的射流雾化粒径分布
• 4.7 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文