双空腔电极静电雾化泰勒锥形貌特性

陈旭东,杜云鹏，李庆，何寿杰，吉晓晓，张晓军

(河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002)

高压静电雾化技术在日常生活和工业生产中运用越来越广泛，尤其在工业除尘和脱硫脱硝等环保领域的运用.高压静电雾化技术是在高压静电场中，对液滴进行荷电，使液滴形成带电的雾滴群，使液滴的雾化效果更加明显.该技术所产生的液滴群具有尺度均匀、雾化空间范围广、粒径细小等优点.高压静电雾化技术已成功应用于环境保护、农业生产、喷涂技术以及核反应[1-13]等各个领域.人们对高压静电雾化已经有了一些研究.Seong等[14]通过PIV技术对新研发的一种接触式喷嘴喷出的喷雾附近的流场进行研究.郑高杰等[15]为了满足高温环境下能有稳定的荷电喷雾，研发了一种预混式双流体静电雾化喷嘴，并采用PIV技术对不同环境条件下的喷雾流场进行分析.国内在静电雾化技术的研究相比国外在静电雾化技术的研究起步较晚.国内在20世纪70年代末开始对静电雾化技术进行研究，虽然起步较晚，但是发展较为迅速，自21世纪以来，中国主要从静电雾化效果和静电雾化的理论研究及数值模拟这2个点对静电雾化进行深入研究[16].经过将近2个世纪的发展，该技术越来越成熟，但仍有部分方面不够成熟，还有一些方面可以进一步的深入研究.本研究就设想用空腔电极取代芒刺进行改造，作为协同处理烟气的实验支持.在该项技术中也考虑到治理效率和水资源利用的权衡问题[17-18]，前期已经进行了单空腔静电雾化实验[19]，本文对电极进行改造，将高压电极设计成双空腔电极，且2个空腔连接在同一个出液口上，以此来产生更多的雾滴，增强微细粉尘颗粒的相互凝并的作用，从而提高微细颗粒污染物在静电除尘器中的去除效率.

1 实验装置与方法

图1为实验装置示意.图2和图3分别给出了空腔电极-板放电装置示意和不同分离角双空腔电极实物.空腔电极后端与一储液罐连接[20].储液罐中注有去离子水，通过高压线与一负高压直流电源连接.电源采用DW-N503-4ACDE直流高压电源,输出电压为0～50 kV.接地极板为铜箔，与一微安电流表串联后接地，液体介质在空腔电极与接地极板之间的电场力的牵引作用下形成微射流.利用FR-YA30X30CM白光光源进行补光，使用高速摄像机PCO.dimaxS1采集微射流的运动图像.高速摄像机与其计算机配套软件CamWare相连接.设置CamWare的参数为视野范围宽度33.7 mm，分辨率1008*1008.

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device

实验研究表明，当双空腔平行时很难发生雾化且即使发生雾化效果也很差.因此本实验对双空腔电极的空腔进行了弯曲处理，使电极形成一定的分离角度，对不同的分离角度下双空腔电极的放电特性与雾化效果进行了研究,其中双空腔电极的分离角度为30°、45°、60°、75°；选取电压为10、15、20、25、30 kV.将双空腔与水平储液管连接.调整2个空腔之间的角度，同时使2个空腔所形成的平面垂直于地面.实物如图3所示，选取0°、30°、45°、60°、75°这5个角度作为不同分离角度，其中分离角为0°作为对照物.实验条件如下：温度15～20 ℃，湿度40%～60%，气压0.1 MPa.

图2 空腔电极-板放电装置示意Fig.2 Schematic diagram of cavity needle-plane discharge device

从上到下分离角为0°、30°、45°、60°、75°.图3 不同分离角双空腔电极实物Fig.3 Physical drawings of double-cavity electrodes With different separation angles

2 实验结果与分析

2.1 双空腔电极泰勒锥形貌变化图像

不同分离角和不同电压时采集到的泰勒锥形貌影像如图4所示.图4中细线标注的位置为空腔电极出液口的位置，细线右测即所形成的泰勒锥.取雾化喷射前的最后一次泰勒锥伸缩或者摆动，在此中取伸缩或摆动幅度最大的一帧图像作为泰勒锥形貌[21]变化趋势影像.

电压从左到右依次为10、15、20、25、30 kV.a.30°;b.45°;c.60°;d.75°.图4 不同分离角双空腔电极上下空腔10～30 kV泰勒锥形貌变化图像Fig.4 Morphological changes of 10-30 kV Taylor cone in upper and lower cavities of double-cavity electrodes with different separation angles

实验研究表明，在相同的实验条件下，上下空腔的泰勒锥形貌随电压的变化趋势有所不同.在同一电极中，当电压升高会使下空腔的泰勒锥整体液体量呈持续增长状态.下空腔尖端在电压为10 kV时便可形成较为明显的三角形泰勒锥，空腔尖端液体量会随电压的升高不断积累，形成半纺锤形，当电压超过25 kV时，泰勒锥液体量会骤然增加，半纺锤形形貌与上空腔电极相比更加饱满且锥长也明显增加，此时的泰勒锥摆动幅度变大且不易断裂.

当双空腔电极分离角度不同时，其上、下空腔泰勒锥形貌变化趋势基本保持一致，其中上空腔在电压为10 kV时，空腔尖端就有少量的液体积累，但当增加各电极的分离角度时，在重力的作用下，空腔内的液体积累难度变大，从而导致液体量减少甚至消失.调节电压至15 kV时，上空腔尖端泰勒锥形貌变化趋势基本保持一致.继续调节电压至30 kV，此时泰勒锥形貌会出现回缩现象，这种现象在双空腔分离角为75°时表现最明显，这说明泰勒锥的形貌变化趋势与分离角的大小存在着一定的关系.

2.2 双空腔电极泰勒锥形貌变化的影响因素分析

对比图4中的4种不同分离角度双空腔电极的泰勒锥形貌变化图像可知，对于同一分离角度的双空腔电极，当电压发生改变时其泰勒锥形貌也会随之改变；此外，当电压相同时，不同分离角度的双空腔电极的泰勒锥形貌也存在着差异.

2.2.1 不同分离角度对双空腔电极泰勒锥形貌的影响

在图4的对比分析中发现双空腔电极在静电雾化的过程中，下空腔的泰勒锥产生以及变化明显优于上空腔，根据上下空腔的位置结构，这种差异应该与重力因素有关.对双空腔电极尖端的液体受力分析如图5所示.

图5 弯曲处理后的上、下偏离空腔尖端液体受力分析Fig.5 An analysis of the force acting on the liquid at the tip of the cavity after bending treatment

空腔尖端液体主要受沿程重力、压力、阻力和电场力的作用，沿程阻力为

(1)

式(1)中,v为液体流速；l为空腔长度；λ为摩擦系数；d为空腔直径.由受力分析图可以看出重力是2个空腔电极形成不同泰勒锥形貌的重要因素.主要是因为重力在下空腔中充当了动力的角色而在上空腔中则充当了阻力的角色.对上空腔而言要想产生泰勒锥并且发生静电雾化，除了要克服空腔的沿程阻力以及液体的表面张力外，还需要克服重力沿空腔弯曲方向的分量，所以显然要比未作出弯曲处理时更难形成泰勒锥及产生静电喷雾.对于下空腔而言情况恰好相反，重力在沿空腔弯曲方向的分量变为拉力，所以只需较小的电场力，下空腔便能产生泰勒锥并发生静电雾化，因此弯曲处理对下空腔起到了促进作用.在电压一定的情况下，双空腔电极的下空腔泰勒锥液体量随着2个电极分离角度的增大而增多，使形貌更加饱满.与图4中的形貌变化结果基本吻合，其中当分离角增大到75°时电极的上空腔液体由于受到重力影响最大使其出现回缩现象最明显，同时下空腔液体受重力的促进作用最大，泰勒锥被拉长且锥形最为饱满.

由上述分析可知不同分离角度对于双空腔电极的上下空腔而言影响是不同的，对于上空腔而言，重力变为阻力，分离角度越大泰勒锥形貌越趋于萎缩，静电雾化效果越弱；对于下空腔而言，重力则充当动力的角色，分离角度越大泰勒锥形貌越趋于臃肿饱满，静电雾化效果越强.由于75°分离角对上空腔抑制作用过大，所以综合考虑，选取分离角为60°时，总体雾化效果最佳.

2.2.2 放电电压对双空腔电极泰勒锥形貌变化的影响

高压静电雾化过程，双空腔电极的泰勒锥形貌不仅受到分离角度的影响，还受到外施放电电压的影响.电邦德数BE[20]将液体表面张力和空间电场等物理性质联系起来，其表达式为

BE=εrE2/σ，

(2)

其中ε、σ和E分别表示介电常数、液体介质的表面张力、针电极空腔口处的电场强度.

(3)

其中r和D表示空腔电极半径和空腔电极到接地极板的间距.结合公式(2)和(3)可以得出

(4)

由公式(4)可知BE受到电压、空腔电极尺寸、极间距及液体表面张力的影响，BE能更准确地鉴别静电雾化的泰勒锥形貌，对于研究静电雾化的动力学行为特征和荷电液滴形成具有重要的意义.实验中所用液体为去离子水，根据公式计算出去离子水在不同电压下的电邦德数如表1所示.

表1 不同电压下去离子水的电邦德数Tab.1 Electric bond number of deionized water at different voltages

由表1可知去离子水的BE随着放电电压的增加逐渐增加.结合图4可知，随着BE的增加双空腔电极的上空腔电极泰勒锥的液体表面积先增加后减小，下空腔电极泰勒锥的表面积一直增加.当存在外加电场时，荷电量为q、直径为D的荷电液滴，其相对表面张力将被削弱.

σ=σ0-q2/(8π2εD3),

(5)

其中σ、σ0、q分别代表液体的相对表面张力、固有表面张力和此时液滴的荷电量.

由公式(5)可知，液滴的荷电量q会随着电压的增加而增加，液体的表面张力σ随着电压的增加而减小.当液体的表面张力减小，会使液滴的不稳定性增加，导致液滴更容易发生形变.因而会导致空腔前端泰勒锥的表面积和液体量增加.当空腔前端的液体表面积增大后，其泰勒锥所受到的静电力也随之增大，同时也就更容易形成荷电微射流，发生静电雾化.所以电邦德数的增加对泰勒锥的形成以及静电雾化的发生起到了促进作用.可以推断：增大电势，会促进双空腔电极的静电雾化效果及泰勒锥的形成，综合考虑，双空腔电极在电邦德数为1.737时产生的泰勒锥形貌最佳.

2.2.3 实验参数对泰勒锥锥角与锥长的影响

泰勒锥的锥长是指泰勒锥的尖端到空腔尖端所在平面之间的垂直距离；锥角是指过泰勒锥的尖端顶点的竖直切面的2条母线之间的夹角.泰勒锥的形貌和大小由锥角和锥长共同决定，不同的泰勒锥锥体就会有不同的雾化效果.

在不同电压下对30°、45°、60°、75°这4种不同分离角度的双空腔电极的上、下空腔产生的泰勒锥的锥角和锥长利用Image-Pro Plus图像分析软件进行多次分析,并取平均结果，依据结果做出如图6所示.

由图6可知，双空腔电极的上空腔泰勒锥锥长随电压的升高先增大后减小，锥角呈现出先减小后增大的趋势.改变分离角度可发现上空腔在相同电压下的锥长、锥角变化规律不明显.而下空腔泰勒锥锥角和锥长随电压的升高分别呈减小和增大的趋势，且变化幅度较小.当电压相同时，总体而言随着双空腔电极分离角度的增加，其所产生的泰勒锥锥长会不断增大，而锥角会不断减小.需要说明的是实验过程中下空腔因为在电压较小的时候受到重力的影响较大，因此受电压影响较电压较高时要小，造成实验中存在一定的偶然性.上述现象说明重力对泰勒锥的锥长和锥角都有影响.因此引入了质量力的概念，质量力是指某力场对全部流体质点都产生作用的力，质量力的大小与流体的质量和体积成正比.对于不同分离角度的双空腔而言，重力则在其质量力中占主要部分.当静电力作用于泰勒锥的同时，也存在着质量力的作用.研究表明：表面积相对于体积大得多的液滴，其受到的静电力为主要作用力，且静电力的大小与雾滴半径r的平方有关，而质量力则与r3成比例[15].由此则可以解释在电压增加的过程中，泰勒锥的锥长不断增加变得尖锐，而泰勒锥长度不断增加时即雾滴半径r也在不断增加，则在电势增加的后期质量力的作用远大于电邦德数的作用，对于上空腔而言其质量力为阻力抑制了其泰勒锥的形成，所以后期锥长会减小,锥角有逐渐变大的趋势，而对于下空腔而言,质量力起到的是动力的作用,与静电力一起促进泰勒锥的形成.随着分离角度的增加,质量力的这种影响效果则越来越明显与实验结果相符.

a、b.上空腔;c、d.下空腔.图6 双空腔电极的上、下空腔在不同分离角度下形成的泰勒锥锥角、锥长随电压变化Fig.6 Taylor cone angle and cone length of double-cavity electrodes with different separation angles are plotted with voltage

综上所述，当电压一定时，同一水源上的下空腔泰勒锥锥角要比上空腔小，锥长要比上空腔大；由图6可知，下空腔曲线的图像变化幅度要比上空腔图像变化幅度大，在质量力和静电力的影响下，弯曲处理对于下空腔的泰勒锥形貌起促进作用.

3 结论

1)在静电雾化过程中，双空腔电极的上空腔和下空腔所形成的泰勒锥形貌区别较大，可以通过弯曲处理使下空腔的泰勒锥更易形成.

2)不同分离角度对于双空腔电极的上下空腔而言影响是不同的，质量力、电邦德数共同影响泰勒锥的形成及形貌.当电邦德数为1.737时双空腔电极产生的泰勒锥形貌最佳.

3)实验表明，当双空腔电极的分离角为60°时所形成的泰勒锥要比分离角为30°、45°、75°这3种双空腔电极更为明显；且雾化效果也明显优于分离角为30°、45°、75°这3种双空腔电极，故该电极可作为优化电极.当电压为25 kV时所形成的泰勒锥最为饱满，故25 kV可作为优化电压.

综上所述，双空腔电极之间的放电抑制作用可以通过弯曲处理进行弱化，由于重力在上、下空腔中起到的作用不同，在上空腔中起到阻力的作用，而在下空腔中起到动力的作用，使得下空腔的泰勒锥形貌和雾化效果要优于上空腔，在相同的条件下，较单空腔电极相比，双空腔电极的泰勒锥形貌与雾化效果均更好.