[发明专利]一种液滴群分形维数的喷嘴雾化特性定量方法

权利要求书

1.一种液滴群分形维数的喷嘴雾化特性定量方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)建立喷雾液滴群粒度分布分形模型，并确定其分形体；

(2)以喷雾液滴群为研究对象，根据分形理论，确定喷雾液滴累积数与液滴尺寸的分形标度关系；

(3)根据喷雾液滴累积数与液滴尺寸的分形标度关系，确定液滴累计体积占比与液滴尺寸的关系，从而获得喷雾液滴群粒度分布分形维数，具体操作方法如下：

设喷雾液滴群总液滴数为N，则尺寸小于x的液滴数与总液滴数之比可表示为：

式(1)、式(2)中，Y_n(x)为尺寸小于x的液滴数与总液滴数之比；D_f为分形维数，无量纲；x、x_max分别为液滴尺寸和最大液滴尺寸，单位为μm；N为喷雾液滴群总液滴数；

由式(2)可知，尺度在x～x+dx之间的粒子数目为：

dN＝NdY_n(x) (3)；

尺度在x～x+dx之间的粒子体积为：

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为液滴体积；K_V为体积形状因子；Y_V(x)为尺寸小于x的液滴体积与总液滴体积之比，即液滴累计体积占比；

将式(2)代入式(5)，得式(6)：

积分可得式(7)：

式(7)中，C₁为常数；

由式(7)可知，液滴累计体积占比Y_V(x)与液滴尺寸x呈指数关系，令b＝3-D_f可得式(8)：

Y_V(x)∝x^b (8)；

式(8)中，b为斜率；

在双对数坐标lgY_V(x)与lg x下，若存在直线段，则表明喷雾液滴群的粒度分布具有分形结构，根据其斜率b就可求得粒度分布的分维值为：

D_f＝3-b (9)；

(4)根据喷雾液滴群粒度分布分形维数所表现的液滴群空间分布情况优劣，评价喷嘴雾化特性。

2.根据权利要求1所述液滴群分形维数的喷嘴雾化特性定量方法，其特征在于：步骤(1)中，喷雾液滴群粒度分布分形模型为在一定压力工况下，喷嘴喷出的液滴所组成的液滴群，其粒度分布具有自相似的层次结构；液滴为不规则形状等效为直径x的球形液滴，且相互不重叠；液滴群在不受限空间内液滴粒度分布随机、无序。

3.根据权利要求2所述液滴群分形维数的喷嘴雾化特性定量方法，其特征在于：步骤(1)中，分形体确定包括如下步骤：不受限空间内的喷雾液滴群由尺寸大小不同的单一液滴组成，且液滴之间相互不重叠，将该不规则形状等效为直径x的单一球形液滴视为分形体。

4.根据权利要求3所述液滴群分形维数的喷嘴雾化特性定量方法，其特征在于：步骤(2)中，喷雾液滴累积数与液滴尺寸的分形标度关系的确定方法如下：

分形理论表明，具有自相似性的形体的累积数M与大小分布服从式(10)所示的标度关系：

式(10)中，L为尺寸大于λ的所有分形体尺寸，单位为m；λ、λ_max分别为分形体尺寸和最大分形体尺寸，单位为m；

通过喷嘴喷出的实芯液体受扰动波的作用，无法承受变形而破碎、雾化，喷雾液滴具有随机、无序复杂的分形特点，则具有自相似性的喷雾液滴累积数与液滴尺寸的分形标度关系为：

式(11)中，n为喷雾液滴累积数；x、x_max分别为液滴尺寸和液滴最大尺寸，单位为μm。

5.根据权利要求4所述液滴群分形维数的喷嘴雾化特性定量方法，其特征在于：步骤(4)所述根据喷雾液滴群粒度分布分形维数所表现的液滴群空间分布情况优劣，评价喷嘴雾化特性，具体方法如下：传统的喷嘴雾化特性评价主要包括雾化细度、雾化均匀度以及粒度分布；由液滴累计体积占比与液滴尺寸标度关系结合液滴粒度分布实验数据，可得液滴粒度分布分形维数；由液滴分形维数可得，液滴细度越细，集中程度越高，粒度分布的分维值越大，各种喷嘴喷雾液滴粒度分布的分维值从液滴群分布的空间结构层面，综合了雾化细度、雾化均匀度以及粒度分布评价指标，充分反映了液滴精细程度的差异性和液滴分布的均匀性。