[發明專利]一種液滴群分形維數的噴嘴霧化特性定量方法

有效

• 申請號: 202110593299.6
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113283088B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 陳世強;樊思雨;吳志榮;田峰;朱祝龍;陳永平;凌濤;胡云
• 申請（專利權）人: 湖南科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務所(普通合伙) 43108
• 代理人: 宋向紅

1.一種液滴群分形維數的噴嘴霧化特性定量方法，其特征在于包括如下步驟：

(1)建立噴霧液滴群粒度分布分形模型，并確定其分形體；

(2)以噴霧液滴群為研究對象，根據分形理論，確定噴霧液滴累積數與液滴尺寸的分形標度關系；

(3)根據噴霧液滴累積數與液滴尺寸的分形標度關系，確定液滴累計體積占比與液滴尺寸的關系，從而獲得噴霧液滴群粒度分布分形維數，具體操作方法如下：

設噴霧液滴群總液滴數為N，則尺寸小于x的液滴數與總液滴數之比可表示為：

式(1)、式(2)中，Y_n(x)為尺寸小于x的液滴數與總液滴數之比；D_f為分形維數，無量綱；x、x_max分別為液滴尺寸和最大液滴尺寸，單位為μm；N為噴霧液滴群總液滴數；

由式(2)可知，尺度在x～x+dx之間的粒子數目為：

dN＝NdY_n(x) (3)；

尺度在x～x+dx之間的粒子體積為：

dV＝K_Vx³NdY_n(x)＝VdY_V(x) (4)；

dY_V(x)＝N(K_V/V)x³dY_n(x) (5)；

式(4)、式(5)中，V為液滴體積；K_V為體積形狀因子；Y_V(x)為尺寸小于x的液滴體積與總液滴體積之比，即液滴累計體積占比；

將式(2)代入式(5)，得式(6)：

積分可得式(7)：

式(7)中，C₁為常數；

由式(7)可知，液滴累計體積占比Y_V(x)與液滴尺寸x呈指數關系，令b＝3-D_f可得式(8)：

Y_V(x)∝x^b (8)；

式(8)中，b為斜率；

在雙對數坐標lgY_V(x)與lg x下，若存在直線段，則表明噴霧液滴群的粒度分布具有分形結構，根據其斜率b就可求得粒度分布的分維值為：

D_f＝3-b (9)；

(4)根據噴霧液滴群粒度分布分形維數所表現的液滴群空間分布情況優劣，評價噴嘴霧化特性。

2.根據權利要求1所述液滴群分形維數的噴嘴霧化特性定量方法，其特征在于：步驟(1)中，噴霧液滴群粒度分布分形模型為在一定壓力工況下，噴嘴噴出的液滴所組成的液滴群，其粒度分布具有自相似的層次結構；液滴為不規則形狀等效為直徑x的球形液滴，且相互不重疊；液滴群在不受限空間內液滴粒度分布隨機、無序。

3.根據權利要求2所述液滴群分形維數的噴嘴霧化特性定量方法，其特征在于：步驟(1)中，分形體確定包括如下步驟：不受限空間內的噴霧液滴群由尺寸大小不同的單一液滴組成，且液滴之間相互不重疊，將該不規則形狀等效為直徑x的單一球形液滴視為分形體。

4.根據權利要求3所述液滴群分形維數的噴嘴霧化特性定量方法，其特征在于：步驟(2)中，噴霧液滴累積數與液滴尺寸的分形標度關系的確定方法如下：

分形理論表明，具有自相似性的形體的累積數M與大小分布服從式(10)所示的標度關系：

式(10)中，L為尺寸大于λ的所有分形體尺寸，單位為m；λ、λ_max分別為分形體尺寸和最大分形體尺寸，單位為m；

通過噴嘴噴出的實芯液體受擾動波的作用，無法承受變形而破碎、霧化，噴霧液滴具有隨機、無序復雜的分形特點，則具有自相似性的噴霧液滴累積數與液滴尺寸的分形標度關系為：

式(11)中，n為噴霧液滴累積數；x、x_max分別為液滴尺寸和液滴最大尺寸，單位為μm。

5.根據權利要求4所述液滴群分形維數的噴嘴霧化特性定量方法，其特征在于：步驟(4)所述根據噴霧液滴群粒度分布分形維數所表現的液滴群空間分布情況優劣，評價噴嘴霧化特性，具體方法如下：傳統的噴嘴霧化特性評價主要包括霧化細度、霧化均勻度以及粒度分布；由液滴累計體積占比與液滴尺寸標度關系結合液滴粒度分布實驗數據，可得液滴粒度分布分形維數；由液滴分形維數可得，液滴細度越細，集中程度越高，粒度分布的分維值越大，各種噴嘴噴霧液滴粒度分布的分維值從液滴群分布的空間結構層面，綜合了霧化細度、霧化均勻度以及粒度分布評價指標，充分反映了液滴精細程度的差異性和液滴分布的均勻性。