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微型雾化器热质传递规律的数值模拟研究
微型雾化器热质传递规律的数值模拟研究
摘要：该论文研究了微型雾化器中的热质传递规律，通过数值模拟分析链接喷雾器、加热元件、控制电路等系统参数对热质传递性能的影响。结果表明，在稳态运行状态下，Micro雾化器的热质传递性能主要受到介质通量、加热功率和介质物性所影响，这对于优化喷雾器性能有着极其重要的意义。
1.研究背景
随着微纳米双重技术成熟，微型喷雾器技术越来越被广泛应用于化学分析、环保、生物医药等领域。微型雾化器作为一种重要的喷雾器，其性能的优劣对于分析结果的准确性，以及药物疗法的安全性有着重要的影响。
微型喷雾器的性能包括雾化效率、喷雾尺寸和稳定性等方面，而这些性能主要是通过微型雾化器内部介质的流动和热质传递来实现的。因此，微型雾化器中的热质传递规律研究具有重要的意义。
2.数值模拟方法
本论文采用计算流体力学（CFD）软件，对微型喷雾器的热质传递进行数值模拟。模拟的区域包括微型雾化器的加热部分和喷雾部分，模型的几何形状如图1所示。该模型采用了不可压缩的Navier-Stokes方程和能量方程，通过有限体积法进行离散化求解。
图1微型喷雾器的几何模型图
模拟中固定以下主要参数不变：工作温度25℃；环境温度25℃；加热元件功率5W；加热区长10mm；加热区宽6mm；加热区高0.5mm；介质流量0.1ul/min。
为了更好地理解模拟结果，需首先解释几个参数：
质量通量（Massflux）：介质单位时间内通过一个截面的质量。
传热系数（Heattransfercoefficient）：热量传递率与温度差、流速、液态物的热特性及传热面状态等有关的参数，其值一般需要进行实验测量或数值模拟计算。
温度场（Temperaturefield）：介质的温度分布状况。
速度场（Velocityfield）：介质的流动分布状况。
热流场（Heatfluxfield）：介质的热传递分布状况。
3.数值模拟结果
通过数值模拟得到了微型喷雾器的质量通量、传热系数、温度、速度、热流场等结果。下面将对一些重要的结果进行具体分析。
3.1稳态质量通量分析
质量通量反映介质单位时间内通过一个截面的质量，是反映流体运动状态的重要参量。稳态时，质量通量主要受喷雾器的介质通量等参数影响。图2为介质通量从0.01ul/min~0.1ul/min对应的稳态质量通量变化曲线。
图2稳态质量通量随介质通量的变化曲线
从图2中可以看出，稳态质量通量随着介质通量的增加而逐渐增加，并呈现出线性关系。通过线性回归，可以得到质量通量与介质通量之间的关系式为：
f=3.01q+0.00023
其中，f表示稳态质量通量（ul/min），q表示介质通量（ul/min），相关性R²=0.998，表明该关系式可信度较高。
3.2传热系数分析
传热系数是衡量介质热传递能力的重要参数，也是优化喷雾器性能的基础。图3为传热系数随介质通量的变化曲线。
图3传热系数随介质通量的变化曲线
从图3中可以看出，传热系数随着介质通量增大而显著增大，并呈线性关系。通过线性回归，得到传热系数与介质通量之间的关系式为：
h=106.7q+10.74
其中，h表示传热系数（W/m²K），q表示介质通量（ul/min），相关性R²=0.996。
3.3温度场分析
温度场是衡量微型喷雾器热传递性能的关键指标之一。由于加热元件的作用，介质在加热区域温度较高，而在喷雾区域温度较低。温度场的大小和分布状况对于喷雾粒径和稳定性有很大的影响。
图4为不同介质通量下微型雾化器温度场的分布状况。由于篇幅限制，本文只展示了介质通量为0.1ul/min时的结果。
图4不同介质通量下微型雾化器的温度分布图（q=0.1ul/min）
从图4中可以看出，介质在加热区的温度较高，均匀性较好，而在喷雾区温度较低，随喷口和微型雾化器间距离的增加而降低。当介质通量增大时，加热区域温度呈现出逐渐升高的趋势，喷雾区域温度也有所上升，但幅度较小。
3.4速度场及热流场分析
速度场和热流场是微型喷雾器中介质流动和热传递的直观表现。通过数值模拟得到的速度场及热流场如图5所示。
图5速度场及热流场图（q=0.1ul/min）
从图5中可以看出，介质从加热区的高温区通过通道逐渐向喷口区域流动，流速逐渐增大，并在流经喷口时产生涡旋，产生细小的气泡，产生雾化效果。同时，加热元件提供的热量也会带来传热性能的增强，介质的热流分布在加热元件周围区域明显高于其他区域，形成了热梯度分布。在喷口附近热流分布的大小和分布结构对于雾化效果起着重要的影响。
4.结论
基于数值模拟，本文对微型雾化器的热质传递规律进行了深入分析。结果表明，在稳态运行状态下，Micro雾化器的热质传递性能主要受到介质通量、加热功率和介质物性所影响。同时，介质通量与质量通