1.5. Диспергирование струи жидкости
Жидкая струя, вытекающая в заполненное газом пространство, начинает пульсировать, взаимодействовать с окружающей средой и в конечном итоге – распадаться на капли. Неустойчивость движения струи является следствием малых возмущений, источником которых могут быть неровности и шероховатости поверхности сопла, неправильная геометрия отверстия, пульсации в жидкости и т.п.
В общем случае рассматриваемый процесс описывается уравнением движения фаз и условиями взаимодействия на границе из раздела. Принимая, что при значительных скоростях жидкой струи гравитационные силы пренебрежимо малы по сравнению с силами инерции, а в газовой фазе возникают интенсивные турбулентные возмущения, так что силами молекулярного трения можно также пренебречь, для осемитричного течения, необходимо записать следующую систему уравнений:
Уравнение Навье–Стокса и неразрывности для жидкой фазы (диспергируемой)
;
(1.48)
Уравнение Навье–Стокса и неразрывности для газовой фазы (сплошной)
.
(1.49)
Условия механического взаимодействия на границе раздела фаз
(1.50)
Граничные условия включают в себя также характеристику геометрий камеры и сопла, начальную скорость истечения струи и газа, теплофизические свойства сред и т.п. Аналитическое решение системы уравнений (48) – (50) отсутствует. Использование методов теории подобия позволяет получить следующие безразмерные комплексы.
.
(1.51)
.
(1.52)
При обработке экспериментальных данных по диспергированию струи для оценки дисперсности образующихся капель используют зависимость
,
(1.53)
где
dо
– средний диаметр образующихся капель;
We
– критерий Вебера, характеризующий
отношение вязкости сил к силам
поверхностного натяжения,
;
Lp
– критерий Лапласа, характеризующий
отношение вязкостных сил к силам
поверхностного натяжения
.
Критерий Вебера являются показателем устойчивости струи, и его значение характеризует поведение струи при различных относительных скоростях истечения.
Обдув газовым потоком струи значительно интенсифицирует процесс ее распада и повышает дисперсность образующихся капель, причем наибольшее влияние на диспергирование жидкости оказывает удельный расход дутья. Максимальная частота колебаний обдуваемой струи
;
(1.54)
время распада
,
(1.55)
а диаметр образующихся капель
.
(1.56)
Основное влияние на время распада струи, и размеры образующихся капель оказывает поверхностное натяжение (способствующее сохранению формы) и скорость (динамическое воздействие) газового потока (стремящегося разрушить струю). Однако с распадом струи процесс распыла не заканчивается, поскольку образующиеся капли также подергаются воздействию несущего из газового потока.