ノズル霧化技術の発展
日付：2013-04-23読む:0
ノズルの霧化技術は広範な応用分野を持ち、主に液体燃料の霧化に対して、それぞれその霧化機構、霧化方法、液体霧の試験技術及び燃料霧化の数値シミュレーション技術などの方面から霧化技術について簡単な説明を行った。
霧化技術はほとんどすべての工業分野をカバーしており、例えば交通輸送、農業生産、及び人民の日常生活、各種燃料（気体、液体と固体燃料）の燃焼のほか、触媒造粒、食品加工、粉末コーティング、農薬散布などの非燃焼工業にも広く応用されている。
液体の霧化メカニズム説
液体の霧化とは、エネルギーを印加することによって、液体がガス環境中で液体霧または他の小さな霧滴になる物理的プロセスを指す。その霧化機構については、空力干渉説、圧力振動説、乱流摂動説、空気摂動説、境界条件突然変異説など、多くの解釈がなされている。
1.空気動力干渉説Castlemanzuiは、噴流と周囲ガスとの間の空気動力干渉作用により、噴流表面に不安定な変動が生じると考えている。速度が増加するにつれて、不安定波が作用する表面長はますます短くなり、ミクロン（m）スケールになるまで、噴流は霧状に散布される。
2.圧力発振説圧力発振説液体供給系の圧力発振が霧化過程に一定の影響を与えることが観察された。このことから、一般的な噴射システムにおいて一般的に圧力振動が存在することから、霧化に重要な役割を果たすと考えられる。
3.乱流摂動説乱流摂動説噴流霧化過程はノズル内部で発生し、流体自体の乱流度が重要な役割を果たす可能性があると考えられる。乱流管流の動きであるノズル内流体の径方向分速度は、ノズル出口で直ちに摂動を引き起こし、霧化を生じると考える人もいる。
4.空気摂動説空気摂動説は乱流摂動説に対して反対の態度を持ち、噴油システム内のキャビテーション現象による大振幅圧力摂動が霧化の原因であると考えられている。
5.境界条件突然変異説境界条件突然変異説ノズル出口で液体の境界条件（内応力）が突然変異すると考えられる、あるいは層流噴流の突出がノズル壁面拘束を失い、断面内の速度分布を急激に変化させて霧化する。
上記の5種類のノズルメカニズム仮説には、それぞれが矛盾している点があります。BraccoFVなどの多くの学者は空力干渉説を支持している。この種の仮説は比較的十分に発展し、低速噴流分裂破砕の原因をよりよく説明し、これによって高速噴流を推論し、霧化の基本的な原因とすることができる。現在、国内外の燃料噴射霧化メカニズムの研究は主に2つの方面から行われている：1つは数値計算技術を利用して多種の仮説モデルを構築して数値モデル化研究を行うこと、一方、先進的な光電テスト技術を利用して霧化プロセスの詳細を捕捉し、ある種または総合的な仮説をサポートする。
霧化過程及び方法
霧化により、液体燃料に粒子が微小で均一なサイズの液体霧を形成させ、液体燃料と助燃空気との接触面積を増加させ、蒸発を促進させ、燃料を十分に効果的に燃焼させる。そして霧化が細かくなればなるほど燃焼は十分になる。通常、液体ミストの噴射霧化過程は3つの段階に分けられる：1つは液体がノズル内部を流れる段階、第二に、液体吐出後に液柱から霧滴に分裂する段階、3つ目は、霧滴がガス中でさらに破砕される段階である。その中で第2段階は主要であり、空気動力干渉説で説明することができる。
液体霧化方法も多種多様で、代表的なものは主に機械霧化、媒体霧化、特殊ノズル霧化である。
1.機械霧化
機械霧化は主に燃料が圧力差の作用の下で発生する高速噴流によって燃料を霧化させ、直射式、遠心式、回転式霧化に細分化することができる。
直射式霧化と遠心式霧化は総称して圧力霧化と呼ぶことができる。直射式は主に燃料の噴射によって霧化の目的を達成するため、油圧の要求は比較的に高く、しかも噴孔直径が大きいほど霧化が太いため、噴孔直径はあまり大きくできず、流量調整範囲は比較的に小さい。遠心式霧化は、旋回装置を介して高圧液体が発生する遠心力を利用して液膜を発生させ、空気によって破砕されて霧化する。遠心式霧化の効果は直射式霧化より優れているが、同様に高い給油圧力が必要であるため、いずれも高粘性燃料の霧化には適していない。
回転式霧化は大きく回転型と回転ノズル型の2つに分けられ、回転体形は回転カップ式と回転ディスク式8に分けられる。ロータリーカップ式霧化は、円錐形ロータリーカップの先端に燃料を吹き込み、高速回転するロータリーカップを用いて燃料を薄膜化し、「遠心力噴霧」と「速度噴霧」の総合作用により燃料を霧化する。国内では主に工業炉やボイラーに応用されている。同様に、旋回式霧化は高速回転する円盤によって燃料を霧化するものであり、現在は主に噴霧乾燥分野に応用されている。小型ガスタービンの折流燃焼器に採用されている遠心オイルパンは典型的な回転ノズル霧化であり、その霧化品質は主に高速回転による巨大な遠心力が壁に作用する燃料は*当量圧力が強く、振り出された燃料の半径方向速度を特に高くする。
2.媒体霧化
媒体の霧化は媒体によって蒸気霧化、空気霧化に分けられ、霧化方式によって空力霧化と気泡霧化に分けられる。
空気圧霧化は一定圧力のガス（圧縮空気または蒸気）によって高速気流を形成し、ガスと燃料との間に高い相対速度を形成して霧化の目的を達成する。その利点は、低い給油圧力で良好な霧化効果を得ることができ、高粘度燃料を使用する場合でも高い霧化品質を得ることができ、作業状況を広い範囲で調整することができることである。
気泡霧化は1980年代初めにA.H.Lefebvre 9によって提案された新型の気動霧化方式であり、圧縮空気をある適切な方法で液体に注入し、両者をノズル混合室内で安定した泡状二相流に形成させ、ノズル出口から極めて短い距離で気泡内外の圧力差の激しい変化によって、それを急激に膨張させて破裂させ、それによってその周囲に包まれた液膜をさらに破砕してより微細な液霧粒子にした。気泡霧化の消費ガス量が少なく、霧化品質が高く、霧化効果は出口直径の影響をほとんど受けないため、霧化重量、残油などの高粘度液体燃料に適している。
3.特殊ノズルの霧化
特殊ノズルは一般的に超音波、電磁場、静電作用などの原理を用いて霧化する。
超音波霧化は超音波振動霧化とも呼ばれ、その霧化メカニズムは比較的複雑で、関係者は超音波霧化の原理は：超音波気流が共振器に入って高周波圧力波を発生し、この波が液体表面に伝わって振動を引き起こして超音波を発生し、振動振幅によるピークが液滴を表面から分離して破砕し、超音波周波数の増加に伴って霧化液滴がますます細くなり、一般的に超音波の振動周波数によって数ミクロン級の燃料霧滴を得ることができると考えている。超音波の霧化性能は一般的に他の霧化方式より優れており、その霧化滴径は小さく（100 m以下）、霧滴の均一性も比較的良く、寸法分布均一指数は2であるため、低酸素燃焼を実現しやすく、煙中の窒素酸素汚染物の排出量を減少させる。
静電霧化は主に塗料霧化に応用される。静電塗装では、高圧静電場の作用により塗料液滴が微粒子に分裂し、塗料が霧化する。静電霧化は、塗料霧化装置において常に他の霧化方式と併用される。
液体霧化試験では、流場中の霧滴群の試験について、その寸法分布を測定するだけでなく、その空間分布、速度などを測定しなければならない。そのため、運動中の霧滴群特徴を直接測定するために、流れ場及び噴霧場に干渉しない方法をとることが望ましい。測定対象に干渉しない方法の中で、zuiを用いているのは広く光学法である。レーザー、マイクロエレクトロニクス及びコンピュータ技術の急速な発展と広範な応用に伴い、人々は多くの新しい光学テスト技術を開発し、例えばレーザーホログラフィー霧測定技術、レーザー散乱霧測定技術、レーザー位相ドップラー霧測定技術などの非接触式の測定方法など、すべて流れ場、時間と空間分解能が高い利点を備え、噴霧測定の三次元性とリアルタイム性を実現し、ノズルを深く研究するために強力なテスト手段を提供した。