真空喷射雾化过程中喷嘴口的流动模型计算与数值分析

　　在真空喷射法制备薄膜的过程中，射流效果如何主要取决于喷嘴的结构。不同的喷嘴对液体射流雾化的影响不同，其作用效果主要取决于喷嘴中喷口的形状，通过对三种不同喷嘴喷口形状的流动模型的建立和数值分析可知锥直型喷口其水蒸气的体积分数变化较小，雾化效果最好且成膜的质量最高。

　　真空喷射雾化过程是真空喷射法制备高分子薄膜主要成膜过程，该方法主要是利用真空室内外较大的压差使聚合物溶液通过喷嘴喷射雾化后分散成不计其数的高速运动的细小液滴到达基片形成高分子薄膜。成膜质量的好坏主要取决于喷雾质量的好坏。而影响喷雾质量的首要因素即为喷嘴，不同的喷嘴随着结构参数及喷射环境的不同而具有不同的液滴喷雾特性。

　　在研究真空喷射制备高分子薄膜喷雾的数值模拟中，喷嘴内部流动分析为液体出喷嘴后的射流雾化提供初始条件，如喷射速度分布、喷雾锥角大小和液滴直径分布等。由于喷嘴内部流动的复杂性，以实验的方法很难测量到。由于液体流经喷嘴的过程中空穴及反流等情况的产生对喷孔出口的流动状态产生较大的影响，对喷嘴内部流动进行分析和模拟是非常必要的。

　　喷嘴喷口流动模型

　　现有的被大家广泛证明和认可的喷嘴内部流动状态模型是在Soteriou 和Chaves 等人对放大和真实喷嘴内部流动的实验观察结果基础上总结归纳出来的主要有单相流动、空穴流动和水力倒流三种流动状态，图1 为喷嘴内流动状态示意图。在单相流流动状态下，喷射液体充满整个喷嘴而没有任何空隙，此时的流动为层流或湍流，液体的流动损失主要来自于与喷嘴壁面的摩擦和在喷口处界面突变带来的收缩和后期膨胀。液体最初以单相流的形式流出，并在其充分发展的基础上随着喷射速度的增加当雷诺数达到一定数值时在喷口收缩区域内静压下降，当该区域静压下降到液体的饱和蒸汽压以下时，会在喷口壁面上产生空穴，当空穴充满整个喷口壁面区域时即为空穴流。

　　空穴流是喷嘴流动时最常发生的流动状态。随着喷射速度更进一步的提高，如果喷嘴为壁面光滑且轴向对称的理想喷嘴，在下游的空穴继续发展直到上缩至喷口上游，使空穴区与出喷嘴外部气体相连通则形成了水力倒流。发生水力倒流流动状态时，液体呈液柱状光滑流出，射流液体要在距喷嘴较远处才发生破裂。在实际的喷射中由于喷嘴非理想喷嘴故水力倒流现象可以不予考虑。空穴流是最常见的喷嘴内部流动状态。

图1 喷嘴内部流动模型

　　不同的流动状态会决定不同的喷雾边界条件。正确判断喷嘴流动状态对液体的射流雾化过程的研究有着重要的影响。流动状态的确定需考虑以下几个参数：判断空穴发生的空穴数(K)、流量系数(Cd)和收缩系数(Cc)。具体的计算公式如下：

　　通过上述对三种不同喷嘴在喷口处的模型的建立、数值分析和模拟以及喷嘴参数的确定等方面的分析可知，在三种喷嘴结构中锥直型喷嘴在喷口处的水蒸气体积分数变化最小。这样会使液体从喷嘴喷出后的射流速度和压力方面分布的变化较小，射流在湍流的扰动下雾化更加充分，并能形成均匀的小液滴使达到基体上的高分子溶液分布更为均匀易形成化学性质稳定的致密的高分子薄膜。