24
Cơ chế phá vỡ của tia phun chất lỏng phụ thuộc vào vận tốc tương đối và các thuộc tính của chất lỏng và khí bao quanh, sự phá vỡ của tia phun chất lỏng được quy định bởi các cơ chế phân rã khác nhau. Các cơ chế này thường được đặc trưng bởi khoảng cách giữa miệng lỗ phun tới điểm hình thành giọt nhỏ đầu tiên, gọi là độ dài phân rã và kích thước của các giọt nhỏ được tạo ra. Có thể chia thành bốn giai đoạn phân rã tia phun, giai đoạn Rayleigh, giai đoạn nhiễu loạn sơ cấp, giai đoạn nhiễu loạn thứ cấp và giai đoạn tán nhỏ hạt (phun sương).
Nhằm đưa ra một mô tả định lượng của quá trình phá vỡ tia phun, Ohne - Sorge đã thực hiện các phép đo chiều dài của tia phun còn nguyên vẹn và cho thấy rằng quá trình phân rã có thể được mô tả bởi số Weber chất lỏng :
l l l D u We 2 Và số Reynolds: l l uD Re
Loại bỏ vận tốc tia phun u, Ohnesorge thu được số Ohnesorge không thứ
nguyên: D We Z l l l Re
Trong đó bao gồm tất cả các tính chất có liên quan của chất lỏng (σ: sức căng bề mặt, ρl: khối lượng riêng, μl: độ nhớt động) và đường kính lỗ phun D.
Hình 2-2 là sơ đồ Ohnesorge (Ohnesorge W., 1931), ở đó Z là hàm của của Re. Với điều kiện ổn định, phân biệt được sự khác nhau giữa bốn cơ chế phân rã tia phun. Tuy nhiên, chỉ mô tả các tính chất pha lỏng trong các cơ chế trên là không đủ, vì sự xé tơi hạt (phun sương) có thể được tăng cường bằng cách tăng mật độ khí.
(2.1)
(2.2)
25
Hình 2-2. Sơ đồ Ohnesorge: Cơ chế phá vỡ tia phun [17]
Vì vậy, Reitz (Reitz R.D., Bracco F.V. - 1986) đề cập tỷ lệ mật độ khí/lỏng và mở rộng sơ đồ Ohnesorge hai chiều thành ba chiều như Hình 2-3.
Hình 2-3. Sơ đồ ảnh hưởng của mật độ khí đến sự phá vỡ tia phun
26
Hình 2-4 là sơ đồ mô tả các cơ chế phá vỡ các tia phun khác nhau, nếu thông số hình học vòi phun là cố định và chất lỏng thuần nhất, biến duy nhất là vận tốc chất lỏng u.
Hình 2-5 cho thấy các đường cong phân rã tương ứng, ở đó mô tả chiều dài của tia phun là hàm của vận tốc phun u, [17].
Hình 2-5. Các giai đoạn phá vỡ bề mặt tia phun theo vận tốc u.
ABC: dòng chảy nhỏ giọt, CD: phân rã Rayleigh, EF: phân rã sơ cấp,
FG (FH): phân rã thứ cấp, G (H): giai đoạn xé tơi hạt (phun sương)
Nếu vận tốc quá thấp, dòng chảy nhỏ giọt và không hình thành tia phun. Sự gia tăng vận tốc u dẫn đến sự hình thành tia phun liên tục. Giai đoạn này được gọi là phân rã Rayleigh (Rayleigh Lord F.R.S., 1978). Sự phân rã này xảy ra do sự gia tăng dao động của khối lượng qua trục đối xứng của tia phun bởi quán tính chất lỏng và sức căng bề mặt. Những giọt chất lỏng bị chèn ép ra khỏi tia phun, và kích thước của chúng lớn hơn đường kính lỗ vòi phun D.
Trong cơ chế phân rã sơ cấp, lực tương tác của cơ chế Rayleigh được khuếch đại bởi các lực khí động. Thông số có liên quan là số Weber pha khí
Ở giai đoạn nhiễu loạn thứ cấp, các dòng chảy bên trong các lỗ phun là dòng chảy rối. Sự phá vỡ tia phun lúc này xảy ra do sự gia tăng dao động sóng của bề mặt tia phun và khuếch đại nhiễu loạn dưới tác dụng của lực khí động do vận tốc tương
27
đối giữa khí và tia phun. Kết quả là đường kính giọt nhỏ hơn đường kính lỗ phun, đường FG trong Hình 2-5.
Tại giai đoạn xé tơi hạt (phun sương), hình thành tia phun hình nón đỉnh của nón phun nằm bên trong các lỗ phun. Sự phân tán bắt đầu ngay sau khi tia phun ra khỏi miệng phun. Lõi tia phun còn nguyên vẹn hoặc có mật độ dày đặc bao gồm các hạt có kích thước lớn cỡ đường kính lỗ phun. Ở vùng biên của tia, các giọt nhỏ hơn nhiều so với đường kính lỗ phun. Mô tả lý thuyết của phân rã tia phun ở giai đoạn xé tơi hạt phức tạp hơn các giai đoạn khác, vì quá trình phân rã phụ thuộc nhiều vào điều kiện dòng chảy bên trong các lỗ phun, có tính chất hỗn loạn khó xác định. Việc xác lập các mô hình cũng rất khó khăn, bởi vì các thí nghiệm rất phức tạp do vận tốc phun cao, kích thước hạt nhỏ và dày đặc.
2.2.1.2. Cơ chế phá vỡ giọt chất lỏng [17]
Sự phá vỡ giọt khi phun là do lực khí động (ma sát và áp suất) gây ra bởi vận tốc tương đối urel giữa các giọt nhỏ và khí xung quanh. Các lực khí động này gây ra dao động sóng ngày càng tăng tại giao diện của 2 pha khí / lỏng, cuối cùng dẫn đến phân rã hình thành các giọt nhỏ hơn. Những giọt này một lần nữa chịu khí động và tiếp tục phân rã. Sức căng bề mặt có xu hướng bảo toàn giọt chống biến dạng. Nếu lực khí động thắng sức căng bề mặt sẽ làm biến dạng và phân rã giọt. Nghiên cứu này được thể hiện qua số Weber của pha khí :
.u2 .d/