高粘度流体超声空化雾化研究

作     者：曾耀华 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：桂珍珍

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070206[理学-声学] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：超声雾化 雾化机理 生物医疗 高粘度流体 流管型雾化器 

摘      要：超声雾化是通过高频振动破坏流体的连续性,将连续流体分裂成微小颗粒的过程,即单相流变为多相流的过程。超声雾化因其具有耗能低、效率高、雾化粒径小、结构简单以及成本低等优点,被广泛应用于生物医疗、先进机械制造、先进纳米材料和环境保护等领域,已经成为了制备气溶胶的重要技术。 低粘度流体的超声雾化技术已经相当成熟,但是关于吸入式药液等高粘度流体超声雾化的研究却非常有限。高粘度流体雾化由于流体的特性,需要高能量的供给,而单一振动维度很难实现高能量的聚集。因此目前使用的超声雾化器难以雾化粘度超过10 c P的流体。但是低粘度流体的超声雾化已不能满足行业发展的需求,所以亟需一种高粘度流体的超声雾化装置。本团队基于二维振动能量输入,首次提出流管雾化。本文将重点剖析流管型雾化器的雾化机理,基于此原理研制相关设备并验证其在雾化高粘度流体时的特征和性能。证明流管型雾化器雾化过程中发生空化效应,并分析空化参数对雾化性能的影响。本研究从理论分析、仿真分析与实验验证研究等方面开展,研究内容如下: (1)从空化效应理论出发解析流管型雾化器的整体结构和各组成部分。结合雾化流管的振动特性和牛顿第二定律推导出空化核在位移稳态响应下的受力。简化空化阈值公式,并与流体粘度建立联系。根据能量守恒定律,结合位移稳态响应下空化核受力,推导空化核瞬时崩溃压力,建立流管型雾化器的工作原理。 (2)基于流管型雾化器工作原理进行有限元仿真,分析空化核溃灭的瞬时崩溃压力。搭建实验平台,进行流管型雾化器常温下的阻抗分析实验和雾化速率实验,探究高粘度流体雾化的特征和性能,验证流管型雾化器相关理论分析和有限元仿真的正确性。 (3)根据超声空化效应使流体乳浊化而改变吸光度的原理,进行全光谱分析实验,分析雾化流管内雾化前后的光强变化,以此验证流管型雾化器在雾化过程中发生空化效应。进行雾化流管的空化雾化分析,观察流体与管壁接触区域的变化。分析甘油混合物经过流管型雾化器雾化前后的拉曼光谱,探究流管型雾化器的雾化稳定性。 (4)对流体进行加热和搅拌两种处理来影响空化性能,分析上述处理对流管型雾化器雾化速率的影响。证明加热和搅拌来提高空化效应可以有效地雾化速率和雾化粘度。最后对流体加热和搅拌后的雾化颗粒进行测试,并对雾化前后流体的拉曼光谱进行分析。