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频率对超声波喷涂颗粒大小的影响

超声波喷头是一种利用压电换能器在喷头顶端产生高频振动,从而在液膜中形成毛细波的喷雾器。当毛细波的振幅达到临界高度(由发生器提供的功率水平决定)时,它们变得过高而无法自我支撑,每个波尖都会掉落微小的液滴,从而实现雾化。

喷头结构
喷头结构

影响雾化液滴初始大小的主要因素是振动频率表面张力液体粘度。通常,频率在25–180 kHz之间,超出人类听力范围,频率越高产品的液体雾化颗粒越细。

根据,中位液滴大小与频率成反比,因此随着频率的增加,中位液滴大小减小。然而,液体的粘度和密度也会影响液滴大小。一般来说,粘度越高,液滴越大;密度越高,液滴越小。此外,喷嘴的设计、喷雾角度、液体流量和压力等参数也会对雾化效果产生影响。

计算公式

液滴大小取决于频率和化学性质,根据控制数学方程式:其中,f 是振动表面的频率,σ 是液体的表面张力,ρ 是液体的密度。 朗后来在实验研究中证明了这一方程,并建立了以下经验方程。

频率 (kHz)液体MMD (μm)
2539
3535
4827
6022
12013
18010

注:以上雾化液滴的中位粒径为标准大气压下以水为样品的近似值,不同液体和大气压强会有差异。

中位粒径

那么什么是中位粒径,数字中位数直径定义了液滴大小的 50% 点;也就是说,喷雾中一半的液滴的直径大于这个值,另一半的液滴的直径小于这个值。

液滴分布是通过将液滴群分成一组大小范围(通道)并计算落在每个通道内的液滴比例来获得的。通道的宽度选择为 4 微米。对于右边显示的 60 千赫喷头分布,2% 的液滴落在覆盖 10-14 微米范围的通道内,4.5% 的液滴落在 14-18 微米范围的通道内,依此类
推。

由于液滴直径是在对数刻度上绘制的,通道的宽度随着直径的增加而显得越来越窄。但是,每个通道的宽度都是 4 微米。峰值代表了分布的中位数液滴直径。

超声波雾化时,雾滴的大小是由喷头的振动频率、液体的表面张力和密度来决定的,其中频率是决定因素,频率越高,雾滴大小中位数直径越小。

一般而言,超声波喷头产生的雾滴大小分布情况是遵循正态分布曲线的,下图表显示在不同频率下以水为介质的雾滴大小累计分布情况。有几个参数可描述雾滴特定分布的平均及中位数,雾滴数目中位数直径是指雾滴大小的50%点,也就是雾滴数目中有 一半的直径大于这个值而另一半小于这个值。

雾滴数目平均直径和体积平均直径都是平均直径,数目平均直径是指把一个喷雾样本中所有雾滴的直径相加除以雾滴的数量,体积平均直径是指把一个喷射样本中所有雾粒的体积相加(体积与直径的立方成正比),取其立方根,再除以雾滴的数量。

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