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                                              微射流均質機的流體動力學行為分析


                                              超微粉碎是近年來迅速發展起來的一項高新技術,一般是指將 3 m m 左右物料顆粒粉碎** 1 0 ~25μm 以下的過程。經超微粉碎后的微粉表面積和孔隙率大大增加,從而影響粉體的物理化學性能,如溶解性、分散性、吸附性和吸收性等性能的提高。因此,超微粉碎技術在食品工業和中草藥加工中正日益廣泛的嘗試應用。
                                               
                                              超微粉的機械制造方法大致有固相法、液相法和氣相法。液相法主要是通過膠體磨、高壓均質機、高剪切均質機等設備來實現。食品工業中常用的有高壓均質機,高壓均質機主要是由高壓泵和均質閥兩部分組成,均質壓力一般是 4 0 ~6 0 M P a ,作用原理是通過機械作用或流體力學效應在均質閥中造成高壓、擠壓和失壓等作用,使料液在高壓下擠研,在強沖擊下發生剪切,在失壓下膨脹,總之,在剪切、撞擊和氣穴等作用達到細化和均質的目的,一般能達到 0 . 5μm 左右。
                                               
                                              近年來**外研制出一種高速射流均質機(high velcocity jet homogenizer),如美** Microfluidics 公司、加拿大 Avestin 公司、日本タウテケノロヅ公司等,我**某些公司也在積極研制。該設備細化效果可達 0. 1μm 甚**以下,壓力高達 1 0 0 ~2 0 0 M P a ,因此有時也稱納米均質機或超高壓均質機。射流均質機主要是由高壓泵和振蕩頭組成,在振蕩頭中,被增加到 3 0 0 m / s 以上的液體分成兩股或更多股細流,然后在極小空間進行強烈的垂直撞擊,在撞擊的過程中瞬間釋放出其大部分能量,產生巨大的壓力降,從而使得液體顆粒高度破碎。
                                               
                                              可以看出,高壓均質機和射流均質機在工作原理和實際效果上存在很大差異。高壓均質機的破碎均質原理目前有較多的了解,而射流均質機的作用機制尚有待發現。要揭示其超微粉碎作用的秘密,那么射流均質機的液體動力學行為是不容回避的問題。目前,**范圍內對這一液體動力學過程沒有引起關注,因此,本文僅僅說是做些嘗試性工作,旨在拋磚引玉。
                                               
                                              振蕩頭是射流均質機得以對固液混相、液液混相流體進行超微粉碎和均質的核心元件。以下以我****產的NCJJ-0.2/150型納米超高壓均質機的振蕩頭內部流體為研究對象,分析其動力學行為。為了研究方便,筆者將振蕩頭內部孔道分成進料管區、分流管區、撞擊管區、射流管區、擴流管區和出料管區等六個部分,其中 A 、 B 、C 、D 分別是 X 1 、X 3 、X 4 和 X 5 面上的中心點( 如圖 1 所示) 。
                                               
                                              1 進料管區(feeding zone)
                                               
                                              液料從振蕩頭極大的外部管徑進入進料管區,在強大的柱塞運動和單向閥作用下,獲得極高的壓力能。在這里,將流體壓力表述成兩項,其中有一項代表流體靜止時會有的壓力( 平衡壓力)P′,顯然 P′= 常數- WZ 。也就是說,當流體沿著跡線(r= ∞)流動時,在與流動垂直方向不會有壓力差。因此,振蕩頭進料管區流體中的顆粒也幾乎很難存在流動垂直方向的撞擊。在整個分析過程中,沿流體流向的壓力( 除撞擊管區的渦旋運動) 對流體中的固體顆粒幾乎并不構成直接的破壞。
                                               
                                              2 分流管區(fluid separation zone)
                                               
                                              液流在 X1 面上分成兩股相同管徑尺寸(d 2 ) 的液流,由于管徑大大變小,形成高速流體。設進料管區液流速度 v1,管徑 d1;分流管流體速度為 v2,根據 Bernoulli 方程,得
                                               
                                              v1d12=2v2d22
                                              解及 (4)

                                              由于 d 1 > > d 2 ,因此流體獲得很高的流速,這為撞
                                              擊管區的液流相撞提供條件,X 1  面稱之為駐面,在駐
                                              面上,流體遇到障礙物,在阻擋區域的中心 A 點( 駐
                                              點) ,流動完全變成靜止,假設 P 1  是駐點的壓力,而
                                              P0 是進入分流細管的壓力,應用 Bernoulli 方程,
                                                 
                                                 
                                              (5)
                                              壓力增量ΔP=P1-P0= ,在此我們也可理解高速
                                                 
                                                 
                                              流體碰撞固壁造成流體部分顆粒受力破碎;在撞擊管區
                                              的 X 3 面上也類似現象,只不過流速更高,撞擊更為猛
                                              烈而已。  
                                              3   撞擊管區(imping zone)  
                                                 
                                                 
                                              兩股相同的高速流動的流體在撞擊管區中心 B 點附
                                              近相撞,這是整個振蕩頭的核心區域,流體在此區域
                                              發生的強烈的動量交換、能量交換??梢韵胂?,此區
                                              域發生流體撞擊現象、氣穴現象、渦旋現象、振動現
                                              象、射流現象、熱不可逆轉化。流體中的顆粒在此復
                                              雜過程中得以超微粉碎。  
                                              3.1   流體撞擊現象  
                                                 
                                              流體撞擊現象比宏觀剛性物體相撞和原子物理學的
                                              粒子撞擊要復雜得多。即使將流體看成是理想的無粘性
                                              流體作定常平均運動,運用動量定理,對其流體相撞
                                               
                                              后的速度與壓力變化進行數學描述的困難都是難于想象
                                              的,更何況流體通常是粘性流體,并且流體的速度是
                                               
                                              呈現相當大幅度且不規則的運動。光是描述某一流體質
                                              點的動量值,就較為復雜。  
                                              例如說在應用系統的動量變化率是與作用在該系統
                                              的力相等這一定理時,系統的作用力除了外力 F 0 = ( X ,
                                              Y,Z) ,還有內部應力引起的力和粘性力,用 Navier-
                                              stokes 方程來描述作用在單位質量流體上的力為:
                                                (6)
                                                 
                                                 
                                              又例如說應用的牛頓本構方程某一流體質點的速度
                                              為(u,v,w),如果存有速度分量的平均值,則表示為(um,
                                              vm,w m),而脈動流體的平均值瞬時偏離速度表示為( u ',
                                              v ',w '),則(u,v,w)=(um+u',vm+v ',wm +w '),則
                                              ①垂直于 x 軸好部分控制面上的動量的 x 分量為ρudt·
                                              u,在某一時刻的平均效果為 ;
                                              ②垂直于 y 軸的那部分控制面上的動量的 y 分量為ρvdt·
                                              u,則某一時刻的平均效果為 ;另
                                              外,還有六面體的其它四個面的動量分量,就算將其
                                              動量矩數學表示出來,然而,撞擊后如何求解呢?這
                                              個問題有待于流體力學的**學者去研究。

                                              對流體撞擊后的后果能肯定一點的是:流體相撞后
                                              失速,產生巨大的壓力降。流體中的顆粒由于高速相
                                              撞被擊碎,同時由于瞬時失壓,產生一種類似膨化作
                                              用的結構崩潰。
                                              3.2   氣穴現象
                                              流體相撞后產生巨大的壓力降,這為氣穴現象的產
                                              生提供可能。在高壓均質機的均質閥芯中有明顯的產
                                              生,盡管采用鎢鈷合金或鈷鎢合金等高強度材料,氣
                                              蝕還是可能對其產生腐蝕作用。
                                              當運動的流體由于高壓瞬時釋放,其壓強 P 低于流
                                               
                                              體在這一條件( 壓力、溫度) 下的蒸汽壓 P'時,液體出
                                              現氣化現象,蒸汽突然形成,形成蒸汽后壓強開始升
                                              高,回升到 P'。由于液態向氣壓轉變過程中體積增大,
                                              流體運動會出現異常。當壓力重新上升時,蒸汽就凝結
                                              并且把氣穴填滿,氣穴在崩潰的時候,對周圍液體和工
                                               
                                              程構體( 如均質閥芯) 產生巨大影響,這就是氣蝕,現實
                                              生活中甚**可能聽到由氣蝕現象引發的“爆炸”聲。
                                              如果流體中存在夾雜的氣體或者溶解在液體中的氣
                                              體,那么對氣蝕的形成有顯著的促進,而現實生活中,
                                              運動的流體總可能存有空氣或氣泡,因此,氣蝕現象
                                              在高壓瞬時釋放時幾乎很難避免。
                                              工程上伴隨氣蝕而來的有一種奇特的腐蝕性損壞,
                                               
                                              腐蝕現象使金屬表面會變得粗糙,如氣蝕過程持續很
                                              久,**終將在金屬表面上形成一些海綿狀的渦穴。腐
                                              蝕一般發生在有激波的地方,也就是說,發生在氣泡
                                               
                                              崩潰的地方,原來被氣泡隔開的流體質點,突然以很
                                              不相同的速度互相撞擊,這樣局部會產生很高的壓力。
                                               
                                              3.3   渦旋現象
                                              高速流體相撞后,由于流體沿軸線前進的方向被阻
                                              礙,同時由于各方向的不均勻壓力差使得流場在相撞附
                                              近產生渦旋現象,流體質點在渦旋運動中不斷進行橫向
                                              撞擊。如果分流管區新來的兩股流體能量不斷減少的
                                              話,或者說如果射流均質機的輸出功率不斷減小,那
                                              么渦旋運動將以犧牲橫向撞擊速度而改為擴大垂直方向
                                              上的分量,導致渦旋范圍在撞擊管區不斷擴大;如果射
                                               
                                              流均質機的輸出功率不斷增加,不斷有兩股高速流體攜
                                              帶巨大能量從撞擊管區兩端射入相撞,結果可能導致渦
                                              旋區范圍減小,同時渦流橫向速度加劇,也就是說,
                                              流體質點的渦流撞擊能量加大,**后在 B 點匯集后射流
                                              出來,形成內部射流。
                                              3.4   振動現象
                                              運動的流體與振蕩芯片是相互作用的兩個系統,而
                                              它們之間的相互作用是動態的,流體作用在振蕩芯片上
                                              的力把這兩個系統聯結在一起。在高速流體拐彎撞擊在
                                              振蕩片 2 上,以及兩股液流在兩個振蕩芯片之間狹窄的
                                              撞擊管區高速相撞,這些作用使得振蕩芯片可能出現變
                                              形或者破壞,因此,**選用高強度材料,金剛石是世上已知**為堅硬的材料,能抵抗流體的撞擊作用下的破壞。
                                               
                                              振蕩芯片在流體的激振力作用下作強迫振動,然后振蕩芯片在恢復力作用和系統本身運動所決定的正負阻尼力的交替作用下產生自激振動。在射流均質機的輸出功率變化過程中,其振動規律一般不能希望通過周期振動來表示,只能是非周期振動和隨機振動,而振蕩芯片的振動反過來激發流體振蕩,使流體不規則運動加劇。
                                               
                                              流體引發振蕩芯片的原因主要有四種:①渦旋誘發振動,當流體相撞后產生高速渦旋,渦旋的脫落頻率 (vortex shedding frequency)逼近振蕩芯片的固有頻率時(共振),會造成大振幅的振動;②脈動流誘發振動,脈動流的頻率和振幅都可以提高振蕩芯片的振動;③湍流誘發振動,湍流是許多頻率范圍寬廣的振蕩流的總和,湍流由振蕩芯片表面上的波動壓力傳遞給振蕩芯片,這些表面壓力誘發了振蕩芯片的振動;④振蕩芯片之間的振動,由流體引發某一芯片振動,而振動的芯片誘發另一芯片的振動,兩個芯片之間又互相影響產生振動。
                                               
                                              4 射流管區(compel  jet  zone)
                                               
                                              在強制壓力作用下,流體從撞擊管區 B 點進入射流管區,從流體的運動方向上看,兩股流體撞擊后重新匯流在一起;從流體的運動狀態上看,流體是從撞擊管區射流出去。事實上,工程一般將射流(jet)看成是一種自由射流,是流體從平板管孔口或圓形孔口射出管件之外的外部運動,與之對應的定義是若流體運動的動能通量和動量通量主要來源于通過孔口的壓力降低,稱之為射流,自由射流研究**多的通常是二維射流或圓形射流。若流體動能通量和動量通量**終將靠體積力,稱之為羽(尾)流。在射流均質機的流體運動過程中,將以振蕩頭串聯的彎形收集管取下,將形成工程定義上的射流和羽流。在振蕩頭內部的“射流管區”只能是一種內部運動,暫且稱之為“強制射流”,射流管區管徑非常狹小,在管壁限制和強制壓力下,體積力不足影響形成羽流的條件。強制射流的意義在于使撞擊管區的流體進行高速相撞成為可能。一方面流體相撞后**射流出來,實現進出料的連續;另一方面,盡可能使流體在撞擊管區內以壓縮條件下進行,以獲得**高效率。事實上,射流均質機流體在振蕩頭內部的速度是非常高,有時可高達 3 0 0 m / s ,因此,有充分理由說明流體在撞擊管區的壓縮性。另外,射流會產生一種反作用力,如火箭的升空。當射流速度很大時,這種反作用力是否構成對流體中的顆粒影響也是值得研究的課題。
                                               
                                              5 擴流管區和出料管區(outspreading zone and discharg-ing zone) 
                                              流體從射流管區沖向擴流管區和出料管區,管徑有兩次突然擴大,流體速度降了下來,為流體流出均質機振蕩頭做準備。盡管流體減速了,但從出料管區射出來的流體速度仍然是較高的,這一點將彎形收集管取下來可以觀察到,由于射流速度通常比較大,流體往往出現彌散度數很高的形式。
                                               
                                              強制射流速度是與射流均質機的輸出功率正相關的,輸出功率越大,流體速度往往越高,同時流體在管道內部阻力和壓力損失也隨之增大。以下簡約分析一下流體在擴流管區和出料管區由于擴流導致的壓力損失問題。設射流管區細管控制面 a 1 ,速度 v 1 ,壓力 P 1 ;
                                               
                                              擴流管某一控制面 a 2 ,速度 v 2 ,壓力 P 2 。因為只有兩端面才提供作用力,因此

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