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研究生： 楊士弘
Yang Shih-Hung
論文名稱： 微型噴嘴噴霧特性與幾何參數研究
Laser Diagnosis and Goemetry Parameter Study on Micro-Atomizers
指導教授： 楊鏡堂
J. T. Yang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2002
畢業學年度： 90
語文別： 中文
論文頁數： 196
中文關鍵詞： 微製程 、噴嘴 、霧化
外文關鍵詞： Micro-machining, atomizer, spray, LIGA
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    • 摘 要
    本論文主旨以實驗方法討論應用微機電製造技術所製成之微噴嘴的霧化特性，並探討微噴嘴的幾何形狀以及尺寸，對霧化效果的影響。實驗分析內容包括定性的噴霧流場觀測與定量的噴霧特性量測，定性的噴霧流場觀測以雷射切面來觀測流場的動態變化，定量的噴霧特型量測利用相位都卜勒粒徑分析儀(PDPA)量測噴霧粒徑大小、速度分布等定量之數據。

    由於噴霧流場結構主要受噴嘴內部流道的幾何尺度參數所影響，所以針對直型流道與弧形流道兩種不同流道形狀的微噴嘴、微噴嘴本體厚度的不同，以及不同大小的噴孔等不同的幾何參數，來進行量測與分析。實驗結果發現，弧形流道會更多的渦旋效應，所以會有比直型流道有更好的物化效果。微噴嘴內部渦旋腔長度/直徑比最適當的設計範圍在0.5~2.75，太大摩擦損耗會增加，太小則無法使液體有足夠的渦旋效應，微噴嘴噴孔長度/直徑比則是因為液體在通過此區時會有很大的摩擦損耗，所以希望此比值愈小愈好。在論文結論中並建立噴嘴的幾何尺寸對噴嘴霧化特性影響的模型，以進一步找出噴嘴內部最佳幾何形狀之設計。期望藉由實驗所得之驗證來提供未來新型微噴嘴設計的參考。

    目 錄 摘要 I 致謝 II 目錄 III 圖表目錄 VI 符號說明 XIV 第一章 前言 1 第二章 文獻回顧 3 2-1霧化機制與噴霧特性 5 2-1.1 霧化機制……………………………………………5 2-1.2 噴霧特性與量測方法……………………………..8 2-2 傳統噴嘴型式之設計 12 2-3 微噴嘴之設計 14 2-4 噴嘴內部流道之幾何參數研究 16 2-5 液滴粒徑與速度診測之技術 18 第三章 微噴嘴之研製與測試方法 21 3-1 微噴嘴之研製 22 3-1.1 噴嘴設計 22 3-1.2 製程 22 3-2 實驗裝置 23 3-2.1 流體供應系統 23 3-2.2 測試區 23 3-2.3 抽氣吸油裝置 24 3-3 量測儀器 24 3-3.1 雷射切面 24 3-3.2 高速攝影系統 24 3-3.3 雷射都卜勒測速儀 25 3-4量測驗證 30 3-5 實驗方法 30 3-6 訊號處理與辨識 31 3-6.1 訊號處理 31 3-6.2 訊號辨別 32 第四章 測試結果與討論 34 4-1 噴油量、噴嘴流數(flow number)及 噴射係數(discharge coefficient) 35 4-2 噴霧特性與流場分析 37 4-2.1開放空間中噴霧之流場觀測結果 38 4-2.2 PDA光學定量量測 39 第五章 幾何參數對噴霧特性之影響 53 5-1幾何尺寸變化對噴嘴流數、噴射係數之影響 53 5-2幾何尺寸變化對噴霧錐角之影響 55 5-3 PWA型微噴嘴不同流道形狀對噴霧特性之影響 57 5-4 PWB型微噴嘴不同流道形狀對噴霧特性之影響 58 5-5直型流道微噴嘴不同厚度對噴霧特性之影響 59 5-6弧形流道微噴嘴不同厚度對噴霧特性之影響 61 第六章 結論與展望 64 6-1結論 64 6-2微噴嘴應用評估 66 6-3未來展望 67 第七章 參考文獻 68 圖表目錄 表3-1 PDA光學參數 71 表4-1 各型噴嘴噴油量測試 72 表4-2 各型噴嘴之噴嘴流數 72 表4-3 各型噴嘴之噴射係數 73 表4-4 各型噴嘴之出口速度 73 表5-1 各型噴嘴幾何參數比較 74 圖3-1 實驗步驟流程圖 75 圖3-2 實驗系統管路配置圖 76 圖3-3 微噴嘴設計概念圖 77 圖3-4 微噴嘴LIGA製程流程圖 78 圖3-5 微噴嘴實體圖 79 圖3-6 微噴嘴組裝示意圖 80 圖3-7 實驗測試區架設圖 81 圖3-8 噴霧流場觀測示意圖 82 圖3-9 PDA光學儀器實體圖 83 圖3-10 PDA粒徑校正圖 84 圖3-11 PDA與LDV之水平速度驗證圖 85 圖3-12 PWA直型流道微噴嘴出口三個截面之對稱性分析圖 86 圖3-13 PWA弧型流道微噴嘴出口三個截面之對稱性分析圖 87 圖3-14 PWB直型流道微噴嘴出口三個截面之對稱性分析圖 88 圖3-15 PWB弧型流道微噴嘴出口三個截面之對稱性分析圖 89 圖3-16 開放空間之量測隔點座標示意圖 90 圖4-1 微噴嘴實體圖 91 圖4-2 微噴嘴幾何參數示意圖 92 圖4-3 噴油流量量測結果 93 圖4-4 噴嘴流數比較圖 93 圖4-5 噴射係數比較圖 94 圖4-6 噴嘴出口速度比較圖 94 圖4-7 PW1 直型流道微噴嘴噴霧流場觀測圖 95 圖4-8 PW1 弧型流道微噴嘴噴霧流場觀測圖 96 圖4-9 PWA 直型流道微噴嘴噴霧流場觀測圖 97 圖4-10 PWA 弧型流道微噴嘴噴霧流場觀測圖 98 圖4-11 PWB直型流道微噴嘴噴霧流場觀測圖 99 圖4-12 PWB 弧形流道微噴嘴噴霧流場觀測圖 100 圖4-13 ATO1與ATO2型微噴嘴表面粗糙度觀測 101 圖4-14 PW1型微噴嘴表面粗糙度觀測 102 圖4-15 ATO1與ATO2型微噴嘴表面粗糙度量測 103 圖4-16 PW1型微噴嘴表面粗糙度量測 104 圖4-17 各型噴嘴之噴霧錐角比較圖 105 圖4-18 採樣數目與其誤差分析圖 106 圖4-19 量測值之重複性分析 107 圖4-20 PWA 直型流道微噴嘴噴油壓力5bar之平均粒徑值(d32)分布圖 108 圖4-21 PWA 直型流道微噴嘴噴油壓力10bar之平均粒徑值(d32)分布圖 109 圖4-22 PWA 直型流道微噴嘴噴油壓力15bar之平均粒徑值(d32)分布圖 110 圖4-23 PWA 直型流道微噴嘴噴油壓力5bar之平均粒徑擾動值(drms)分布圖 111 圖4-24 PWA 直型流道微噴嘴噴油壓力10bar之平均粒徑擾動值(drms)分布圖 112 圖4-25 PWA 直型流道微噴嘴噴油壓力15bar之平均粒徑擾動值(drms)分布圖 113 圖4-26 PWA 直型流道微噴嘴不同軸向截面位置之平均粒徑值比較圖 114 圖4-27 PWA 直型流道微噴嘴不同軸向截面位置之平均粒徑擾動值比較圖 115 圖4-28 PWA 弧型流道微噴嘴噴油壓力5 bar之平均粒徑值(d32)分布圖 116 圖4-29 PWA 弧型流道微噴嘴噴油壓力10 bar之平均粒徑值(d32)分布圖 117 圖4-30 PWA 弧型流道微噴嘴噴油壓力15 bar之平均粒徑值(d32)分布圖 118 圖4-31 PWA 弧型流道微噴嘴噴油壓力5 bar之平均粒徑擾動值(drms)分布圖 119 圖4-32 PWA 弧型流道微噴嘴噴油壓力10 bar之平均粒徑擾動值(drms)分布圖 120 圖4-33 PWA 弧型流道微噴嘴噴油壓力15 bar之平均粒徑擾動值(drms)分布圖 121 圖4-34 PWA 弧型流道微噴嘴噴在不同軸向截面位置之平均粒徑值比較圖 122 圖4-35 PWA 弧形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之平均粒徑擾動值比較圖 123 圖4-36 PWB 直形流道微噴嘴噴油壓力5 bar之平均粒徑值(d32) 分布圖 124 圖4-37 PWB 直形流道微噴嘴噴油壓力10 bar之平均粒徑值(d32) 分布圖 125 圖4-38 PWB 直形流道微噴嘴噴油壓力15 bar之平均粒徑值(d32) 分布圖 126 圖4-39 PWB 直形流道微噴嘴噴油壓力5 bar之平均粒徑擾動值(drms)分布圖 127 圖4-40 PWB 直形流道微噴嘴噴油壓力10 bar之平均粒徑擾動值(drms) 分布圖 128 圖4-41 PWB 直形流道微噴嘴噴油壓力15 bar之平均粒徑擾動值(drms)分布圖 129 圖4-42 PWB 直型流道微噴嘴噴在不同軸向截面位置之平均粒徑值比較圖 130 圖4-43 PWB 直型流道微噴嘴噴在不同軸向截面位置之平均粒徑擾動值圖 131 圖4-44 PWB 弧形流道微噴嘴噴油壓力5 bar之平均粒徑值(d32)分布圖 132 圖4-45 PWB 弧形流道微噴嘴噴油壓力10 bar之平均粒徑值(d32)分布圖 133 圖4-46 PWB 弧形流道微噴嘴噴油壓力15 bar之平均粒徑值(d32)分布圖 134 圖4-47 PWB 弧形流道微噴嘴噴油壓力5 bar之平均粒徑擾動值(drms)分布圖 135 圖4-48 PWB 弧形流道微噴嘴噴油壓力10 bar之平均粒徑擾動值(drms)分布圖 136 圖4-49 PWB 弧形流道微噴嘴噴油壓力15 bar之平均粒徑擾動值(drms)分布圖 137 圖4-50 PWB 弧形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之平均粒徑值比較圖 138 圖4-51 PWB 弧形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之平均粒徑值擾動量比較圖 139 圖4-52 PWA 直形流道微噴嘴噴油壓力5 bar之速度向量圖 140 圖4-53 PWA 直形流道微噴嘴噴油壓力10 bar之速度向量圖 141 圖4-54 PWA 直形流道微噴嘴噴油壓力15 bar之速度向量圖 142 圖4-55 PWA 直形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之徑向速度值比較圖 143 圖4-56 PWA 直形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之徑向速度擾動值比較圖 144 圖4-57 PWA 直形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之軸向速度值比較圖 145 圖4-58 PWA 直形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之軸向速度擾動值比較圖 146 圖4-59 PWA 弧形流道微噴嘴噴油壓力5 bar之速度向量圖 147 圖4-60 PWA 弧形流道微噴嘴噴油壓力10 bar之速度向量圖 148 圖4-61 PWA 弧形流道微噴嘴噴油壓力15 bar之速度向量圖 149 圖4-62 PWA 弧形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之徑向速度值比較圖 150 圖4-63 PWA 弧形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之徑向速度擾動值比較圖 151 圖4-64 PWA 弧形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之軸向速度值比較圖 152 圖4-65 PWA 弧形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之軸向速度擾動值比較圖 153 圖4-66 PWB 直形流道微噴嘴噴油壓力5 bar之速度向量圖 154 圖4-67 PWB 直形流道微噴嘴噴油壓力10 bar之速度向量圖 155 圖4-68 PWB 直形流道微噴嘴噴油壓力15 bar之速度向量圖 156 圖4-69 PWB 直形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之徑向速度值比較圖 157 圖4-70 PWB 直形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之徑向速度擾動值比較圖 158 圖4-71 PWB 直形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之軸向速度值比較圖 159 圖4-72 PWB 直形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之軸向速度擾動值比較圖 160 圖4-73 PWB 弧形流道微噴嘴噴油壓力5 bar之速度向量圖 161 圖4-74 PWB 弧形流道微噴嘴噴油壓力10 bar之速度向量圖 162 圖4-75 PWB 弧形流道微噴嘴噴油壓力15 bar之速度向量圖 163 圖4-76 PWB 弧形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之徑向速度值比較圖 164 圖4-77 PWB 弧形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之徑向速度擾動值比較圖 165 圖4-78 PWB 弧形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之軸向速度值比較圖 166 圖4-79 PWB 弧形流道微噴嘴在不同軸向截面位置之軸向速度擾動值比較圖 167 圖4-80 噴霧流場空間發展圖 168 圖5-1 噴射係數理論與實際值之比較圖 169 圖5-2 PWA 型微噴嘴不同流道形狀之平均粒徑值比較圖 170 圖5-3 PWA 型微噴嘴不同流道形狀之平均粒徑擾動值比較圖 171 圖5-4 PWA 型微噴嘴不同流道形狀之徑向速度值比較圖 172 圖5-5 PWA 型微噴嘴不同流道形狀之徑向速度擾動值比較圖 173 圖5-6 PWA 型微噴嘴不同流道形狀之軸向速度值比較圖 174 圖5-7 PWA 型微噴嘴不同流道形狀之軸向速度擾動值比較圖 175 圖5-8 PWB 型微噴嘴不同流道形狀之平均粒徑值比較圖 176 圖5-9 PWB 型微噴嘴不同流道形狀之平均粒徑擾動值比較圖 177 圖5-10 PWB 型微噴嘴不同流道形狀之徑向速度值比較圖 178 圖5-11 PWB 型微噴嘴不同流道形狀之徑向速度擾動值比較圖 179 圖5-12 PWB 型微噴嘴不同流道形狀之軸向速度值比較圖 180 圖5-13 PWB 型微噴嘴不同流道形狀之軸向速度擾動值比較圖 181 圖5-14 直型流道微噴嘴不同渦旋腔深度，與ATO 1& ATO 2之平均粒徑值比較圖 182 圖5-15 直型流道微噴嘴不同渦旋腔深度，與ATO 1& ATO 2之平均粒徑擾動比較圖 183 圖5-16 直型流道微噴嘴不同渦旋腔深度，與ATO 1& ATO 2之徑向速度比較圖 184 圖5-17 直型流道微噴嘴不同渦旋腔深度，與ATO 1& ATO 2之徑向速度擾動比較圖 185 圖5-18 直型流道微噴嘴不同渦旋腔深度，與ATO 1& ATO 2之軸向速度比較圖 186 圖5-19 直型流道微噴嘴不同渦旋腔深度，與ATO 1& ATO 2之軸向速度擾動比較圖 187 圖5-20 弧形流道微噴嘴不同渦旋腔深度，與ATO 1& ATO 2之平均粒徑值比較圖 188 圖5-21 弧形流道微噴嘴不同渦旋腔深度，與ATO 1& ATO 2之平均粒徑擾動值比較圖 189 圖5-22 弧型流道微噴嘴不同渦旋腔深度，與ATO 1& ATO 2之徑向速度比較圖 190 圖5-23 弧型流道微噴嘴不同渦旋腔深度，與ATO 1& ATO 2之徑向速度擾動值比較圖 191 圖5-24 弧型流道微噴嘴不同渦旋腔深度，與ATO 1& ATO 2之軸向速度比較圖 192 圖5-25 弧型流道微噴嘴不同渦旋腔深度，與ATO 1& ATO 2之徑向速度比較圖 193 附錄一 乾洗油規範 194 附錄二 各型微噴嘴之幾何尺寸 195 附錄三 微噴嘴應用示意圖 196

    第七章 參 考 文 獻
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