噴霧式香水瓶噴霧原理與洗發(fā)精瓶子出水原理分析與比較

1、噴霧式香水瓶噴霧原理與洗發(fā)精瓶子出水原理簡析與比較課程名稱:流體力學(xué)指導(dǎo)老師swy姓 名：cyd 學(xué) 號:噴霧式香水瓶噴霧原理與洗發(fā)精瓶子出水原理簡析與比較【摘要】本文就香水瓶和洗發(fā)水瓶的出水原理進(jìn)行定性分析與比較，主要運用了壓強(qiáng)理論、 伯努利方程、連續(xù)性方程，從器械構(gòu)造及流體力學(xué)知識方面，較為詳細(xì)地闡述了球壓式噴嘴、 按壓式噴嘴及普通手?jǐn)D式噴嘴的出水原理及特點，并得出液體的粘稠度是決定出水方式的關(guān)鍵 因素這一結(jié)論。希望通過本文的分析，能幫助工程技術(shù)人員加深對相關(guān)出水原理的理解，為相 關(guān)工程方面問題的研究與解決做好鋪墊?！娟P(guān)鍵字】香水瓶 洗發(fā)水瓶子 噴霧 出水 原理 球壓式 按壓式 手?jǐn)D式 伯

2、努 利方程 連續(xù)性方程 流體力學(xué) 霧化Analysis and Comparison ofthe Spray of Perfume and the Outflow of ShampooAbstract The article discussed aboutthe analysis of thespray of perfume and the outflow of shampoo, and make a comparison between two different ways as well. The discussion involves the theory of pressure, Be

3、rnoulli equation, and the continuity equation, making an elaborate description of how the fluids come out and what is their characteristics in the aspects of mechanical structure and fluid mechanics, and additionally gets a conclusion that the viscosity of the fluid plays the key role in deciding th

4、e ways of outflow. The article aims at helping engineers and technisists get a deeper understanding of the reason of the outflow and get prepared for relevant research and invention.刖言香水瓶、洗發(fā)水瓶是我們生活中常見的物品，但關(guān)于它們的設(shè)計領(lǐng)域，我們卻很少涉及。 在化妝品器械元件設(shè)計領(lǐng)域中，沒有關(guān)于香水瓶、洗發(fā)水瓶瓶口的機(jī)械構(gòu)造及出水原理介紹及 相對專業(yè)的理論分析。本文就香水瓶和洗發(fā)水瓶的出水原理進(jìn)行定性分析與比

5、較，希望能填充 這方面空缺，為工程技術(shù)人員提供一個理論參照。噴霧式香水瓶噴霧原理香水是一種混合了香精油、固定劑與酒精的液體，用來讓物體（通常是人體部位）擁有持 久且悅?cè)说臍馕?。由于過量的香水對人體不益，同時為了達(dá)到噴灑范圍大，噴射均勻等良好的 效果，我們通常要求香水以霧狀形式噴射。生活中常見的香水瓶有兩種形式：一種是球壓式噴 嘴，如圖1；另一種是按壓式噴嘴，如圖2。兩種噴嘴的噴霧原理不盡相同，本文將分別對兩種 噴嘴結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行闡述。圖1圖2圖3如圖4所示。其中管（1）為進(jìn)氣桿，球壓式噴嘴1）噴嘴結(jié)構(gòu)圖3所示的是一種改進(jìn)后的球壓式噴嘴的組裝示意圖。其中伸降頭（3）、鎖頭（4）等是為了防止香水在不

6、用的時候滲漏而設(shè)置，與噴霧原理無關(guān)，故在此不予以討論。有圖可見，球壓式包括噴頭（1）、座體（3）、外蓋（5）、氣囊（6）、汲水管（7）等構(gòu)件所組成。使用時，擠壓氣囊，就會有香水噴出，松開后香水停止噴灑。2）物理模型將該香水噴頭主要部分提取出來，轉(zhuǎn)化為物理模型，右端為小孔嘴；管（2）為汲水管，下部插入液體（香水）中，（3）為通氣管，用于平衡瓶子內(nèi) 外壓強(qiáng)。百度百科中國專利-國家知識產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫，專利號200420107900.8，實用新型類，專利權(quán)屬劉振富中國專利-國家知識產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫，專利號02338732.7，外觀設(shè)計專利類，專利權(quán)屬香奈兒股份 有限公司由于下面的討論中出現(xiàn)了對氣流的

7、分析，因此，首先要確定該氣流的可壓縮性。在工程問 題中，通常將低速流動的氣體看作不可壓縮流體，將高速流動的氣體看作可壓縮流體。對于速 度大小，在空氣動力學(xué)中，通常用馬赫數(shù)（Mach number）來度量。馬赫數(shù)是速度與當(dāng)?shù)芈曀俚?比值。由實踐表明，當(dāng)馬赫數(shù)的v 0.3，即當(dāng)速度k v 340 x0.3 = 102m/s時，氣流被劃分為 低速氣流。這時，我們可以認(rèn)為該氣流是不可壓縮流體，可以不用考慮其密度的變化以及熱力 學(xué)關(guān)系，運用不可壓縮流理論對其進(jìn)行分析。雖然由氣囊噴出的氣流速度較大，但較0.3的馬赫數(shù)來說，該速度仍較小，屬低速氣流， 因此，之后的討論可以從按不可壓縮流理論對香水噴嘴進(jìn)行分析

8、。后文中所提到的所有“高速 氣流均指小于0.3馬赫數(shù)以下的相對高速氣流。這是使用連續(xù)性方程及伯努利方程的必要前 提。下面將運用伯努利能量方程與連續(xù)性方程對該模型進(jìn)行流體力學(xué)知識分析。a）出水原理一一伯努利方程圖4假設(shè)管（1）中以恒定的流量輸入空氣，管（1）中的 氣體狀態(tài)穩(wěn)定，。由于管（1）右端為尖嘴口，管口直徑很 小，根據(jù)連續(xù)性方程AV = A V n V 江- 1 12 2A d 2可知，在管（1）出口處，管（2）的上端M位置，將 會產(chǎn)生橫向的高速氣流。由伯努利方程z + L + 竺=constY2g可知，在同一流線上，能量守恒。由于位置的氣流速度v很大，可知該位置的動能很大， 而位置勢能較

9、之前無變化，故而M處的壓能遠(yuǎn)小于N處壓能，即M處壓強(qiáng)遠(yuǎn)小于N處壓強(qiáng)。雖 然N處的氣體也有一定壓強(qiáng)，但由于其速度不太大，可假定N處壓強(qiáng)約等于大氣壓強(qiáng)，與瓶子 溶液上方U處壓強(qiáng)一樣大。那么，由之前的分析可以知道M處壓強(qiáng)遠(yuǎn)小于大氣壓強(qiáng)，同時也遠(yuǎn) 小于U處壓強(qiáng)。因此，容器中的液體被壓入汲水管并上升至管（2）出口。b）霧化原理流體上升到（2）管出口處后，被高速流動的氣體吹散成霧狀，并隨氣體噴射出去。水滴霧國防科工委“十五”規(guī)劃教材力學(xué)空氣與氣體動力學(xué)引論第15頁，共576頁，李鳳蔚主編，宋 文萍、楊永、李杰、桑為民編，2007年5月第一版，西北工業(yè)大學(xué)出版社化的過程如圖5一圖7所示。圖5圖6圖7高速流動

10、氣體將液體吹散可以該霧化模型來定性分析。假設(shè)A是一個水平方向靜止大水滴， 由于表面張力作用呈現(xiàn)球形，如圖5。首先，假定水滴為剛體，不會變形。當(dāng)高速流動的氣體吹到水滴表面時，= 0處氣流的水平速度變?yōu)?，由伯努利方程可知，所有動能轉(zhuǎn)化為壓能，O而0 0時，氣流受到阻礙繞流，雖然水平速度變小，但大于0，即動能部分變?yōu)閴耗埽?越大，O速度變化量越小，轉(zhuǎn)化來的壓能也越小?？梢?，在水滴的表面壓強(qiáng)分布不均，0=0處壓強(qiáng)最大，隨0增大，壓強(qiáng)減小。pdA數(shù)元左祖圖摭元正視圖由于水滴并非剛體，當(dāng)表面作用有壓力時會發(fā)生形變。 首先考慮水滴上某個表面微元dA，其表面作用有壓強(qiáng)p，此 時液體會通過變形如圖8所示，使表

11、面張力產(chǎn)生的合力與壓 力平衡，因此有sdl - cos a = pdA。由公式可見，當(dāng)壓力增大時，由于s、dl、dA都是定值，水滴只能通過減小角度來達(dá)到表面的平衡。當(dāng)p很大時，該角度會變得很小。現(xiàn)在我們考慮整個水滴的情況。如果水滴左表面壓力均布或相 差不大時，由于水滴的形狀與受力對稱，故水滴左表面任何一處變 形相同，則水滴仍保持球形，并在壓力的作用下，做向右運動。而 當(dāng)水滴左表面作用有分布不均的壓力時，由于壓力大的地方變形大， 壓力小的地方變形小，則水滴會發(fā)生變形。由于來流是高速氣流， 所以當(dāng)水滴直徑較大時，高速氣流在水滴表面產(chǎn)生的壓力相差較大， 水滴變形劇烈，如圖6所示。由于對稱性，從M-M

12、截面將水滴截開，只考慮上半水滴，如圖9所示。此時水滴受到空氣對其壓力P （向上 為正），水滴內(nèi)部壓力Pw（向上為正），以及水滴的表面張力S （向下 為正），當(dāng)水滴處于平衡狀態(tài)時滿足方程，S = P + P。由于壓強(qiáng)梯度，空氣對水滴的合力豎直方向的分力向上，水滴內(nèi)部壓力向上，故有P0；P 0。當(dāng)壓強(qiáng)梯度很大時，P很大，表面張力S不足以平衡空氣對水滴的作用力時，水滴被撕裂，形成小水滴，如圖7。這樣的過程循環(huán)往復(fù)，直至水滴直徑很小，水滴表面的壓 力梯度很小，形變減小，水滴的表面張力足以與空氣壓力梯度平衡，水滴不再撕碎，霧化過程 終止。上面的分析僅考慮了壓強(qiáng)的作用，未考慮氣流對水滴的切應(yīng)力作用。若進(jìn)一

13、步定性考慮切 應(yīng)力作用，我們知道，由于氣流沿水滴表面繞流，則在豎直方向上，切向力方向與壓強(qiáng)梯度形 成的合力在同一個方向，故切應(yīng)力會加遽霧化效果。另外，上述內(nèi)容也未考慮空氣流體繞流后 在水滴背面產(chǎn)生渦旋從而加速水滴破碎的可能性。按壓式噴嘴1）噴嘴結(jié)構(gòu)如圖10是某按壓式噴嘴的組裝圖。由噴嘴、按壓頭、壓縮桿（活塞）、底座工作室、底座 構(gòu)成。剖面結(jié)構(gòu)簡圖如圖圖11所示，其底座工作室中包括壓縮桿下的活塞，活塞座，彈簧，止 回閥（圓珠）等關(guān)鍵部件。其中活塞為開口活塞，通過與活塞座連接，達(dá)到當(dāng)壓縮桿向上運動 時，工作室對外敞開，向上運動時，工作室封閉的效果。氣動化元件及系統(tǒng)設(shè)計第260頁，共566頁，北方工

14、業(yè)大學(xué)流體傳動與控制教研室、濟(jì)南華能氣動 元器件公司合作編著，機(jī)械工業(yè)出版社，1996年8月第一版圖10圖112）物理模型繪制按壓式香水噴嘴的剖面簡圖如圖12,其中各部件為封蓋及小孔噴嘴（1）,壓縮桿（2） （3）,活塞座（5），彈簧（8），止回閥（6）（圓珠），汲水管（10）等關(guān)鍵部件。下面將運用流 體力學(xué)知識，通過對機(jī)械構(gòu)造的分析來解釋這種噴嘴的出水原理。在此之前，首先要明確該問 題中，液體是不可壓縮流體，氣體符合體積縮小，壓強(qiáng)增大原理。a）出水原理一一機(jī)械構(gòu)造分析排氣過程：假設(shè)起始狀態(tài)下，底座工作室中無液體。按下按 壓頭，壓縮桿帶動活塞，活塞推動活塞座下移，彈簧被壓縮，工作 室中體積壓縮

15、，氣壓增大，止水閥封住汲水管上端口。由于活塞與 活塞座并非完全封閉，氣體擠開活塞與活塞座的間隙，使其分離， 氣體逃逸。吸水過程：排氣后，松開按壓頭，壓縮的彈簧被釋放，推動活 塞座上移，活塞座與活塞間的間隙閉合，并推動活塞以及壓縮桿一 起向上移動。工作室中體積增大，氣壓減小，近似真空，使得止水 閥打開容器內(nèi)液面上方的氣壓將液體壓入工作室，完成吸水過程。出水過程：原理同排氣過程。不同的是，此時，工作室中已充 滿液體。當(dāng)按下按壓頭后，一方面，止水閥封住汲水管上端，防止圖12液體從汲水管回到容器中去；另一方面，由于液體（不可壓縮流體）受擠壓，液體將沖開活塞中國專利-國家知識產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫，專利號98

16、246941.1，實用新型類，專利權(quán)屬陳樂玲中國專利-國家知識產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫，專利號201020000867.4，實用新型類，專利權(quán)屬寧波圣捷噴 霧泵有限公司 HYPERLINK /allanhmy/blog/item/83cf1f395b07ebfbb211c785.html /allanhmy/blog/item/83cf1f395b07ebfbb211c785.html與活塞座的間隙，流入壓縮管。并從噴嘴中出來。b）霧化原理一一連續(xù)性方程當(dāng)流體從壓縮管流到噴口管道，并從小孔噴嘴中噴出時，由于液體是不可壓縮流體，因此 應(yīng)用連續(xù)性方程（定性分析）AV = A V n V 泛-1112 2A

17、d 2可見，由于噴嘴口很小，若按壓順暢（即在壓縮管中具有一定流速）則當(dāng)液體從小孔中流 出時，液體流速很大，也就是說，此時的空氣相對液體有一很大的流速，相當(dāng)于高速氣流沖擊 水滴的問題。因此之后的霧化原理分析與球壓式噴嘴完全相同，空氣將大水滴沖擊成小水滴， 一步步細(xì)化水滴。同時，高速流動的液體也會帶動噴嘴口附近的氣體流動，使得噴嘴口附近氣體的速度變大， 壓強(qiáng)變小，形成局部的負(fù)壓區(qū)。從而，使周圍空氣摻入到液體中，形成氣液混合體，使液體產(chǎn) 生霧化效果。洗發(fā)精瓶子出水原理分析完香水的出水原來后，我們來分析洗發(fā)精的出水原理。市場上的洗發(fā)精瓶子通常有兩 種出水方法，一種是普通擠壓式出水，如圖13，另一種類似

18、于上述第二種香水出水方式，按壓 式出水。由于前者原理較簡單，后者與香水類似，故對于洗發(fā)精瓶子出水原理只做簡單分析。當(dāng)我們要使用洗發(fā)水時，我們將瓶子傾倒過來，由于洗發(fā)水的粘稠度很大，洗發(fā)水緩慢地 流至瓶口，洗發(fā)液在瓶口處，而空氣在瓶底。當(dāng)洗發(fā)液的瓶子出水口較小時，洗發(fā)液表面張力 能與欲下落的洗發(fā)液的重力平衡，而使洗發(fā)液難以僅靠重力作用下落。這時，我們需要擠壓瓶身，是容器體積變小。由于洗發(fā)水為不可壓縮流體，因此擠壓后， 空氣所占的體積變小，壓強(qiáng)變大，大于大氣壓強(qiáng)，將粘稠的洗發(fā)水?dāng)D壓出瓶口。按壓式出水按壓式出水洗發(fā)精的按壓頭物理構(gòu)造與按壓式香水的類似，不同之處在于洗發(fā)精的按壓頭 的整個構(gòu)造都較香水瓶

19、的大很多，特別是出口，香水瓶的出口細(xì)如尖針，而洗發(fā)水的出口通常 為3 4毫米左右的孔口。按壓式出水洗發(fā)精的出水原理也同香水一樣，都是通過機(jī)械方式改變按壓頭底座空心工作 室的壓強(qiáng)，從而達(dá)到吸液與出液的效果。與香水不同的是，當(dāng)洗發(fā)水從孔口中出來時，并不是以水霧的形式，而是以粘稠液體的形 式緩慢地流出。香水出水與洗發(fā)精出水比較香水出水與洗發(fā)精出水方式在原理方面有很多相通之處，但又有很多不同之處。下面將對 兩種出水方式進(jìn)行比較。首先，對香水、洗發(fā)精本身的液體特性及期望的出水效果、出水方式進(jìn)行比較。液體種類粘度（分子內(nèi)聚力）可壓縮性出水效果要求出水狀態(tài)出水方式香水小不可壓縮均勻、細(xì)、范圍大霧狀球壓式噴嘴

20、按壓式噴嘴洗發(fā)精大不可壓縮集中、大量液體狀擠壓瓶式可見，根據(jù)人們的不同需要，香水與洗發(fā)精有不同的出水狀態(tài)：香水要求為霧化狀態(tài)，而 洗發(fā)精是普通液體狀的。但我們更要關(guān)注到，洗發(fā)精與香水這兩種流體本身性質(zhì)的不同。香水 的粘稠度很小，而洗發(fā)精的粘性很大。也就是說洗發(fā)精的分子內(nèi)聚力較香水的大得多。而液體 本身的特性決定了他們能否以期望的狀態(tài)出水。下面從著重從液體粘度方面對液體的出水狀態(tài) 及出水方式進(jìn)行闡述。出水狀態(tài)液體粘度決定了香水有條件以霧化方式出水，而洗發(fā)水則沒有霧化出水的良好條件。我們 從兩個角度來分析原因。1）液體流速由于洗發(fā)精的粘度大，在相同外力作用下，洗發(fā)精的速度改變慢，速度小。雖然有連續(xù)性 方程可以看到速度與管道直徑的平方成反比。但由于洗發(fā)精的粘度大，流速小，在管道狹小的 地方容易造成堵塞，洗發(fā)精難以從小孔出來，從而導(dǎo)致擠壓困難，而非產(chǎn)生高速流體，從而產(chǎn) 生霧化效果。而洗發(fā)水的粘度小，則阻滯力小，為產(chǎn)生高速流體創(chuàng)造了良好條件。2）霧化原理我們知道霧化效果跟液體的表面張力有關(guān)。由于洗發(fā)精的液體粘度很大，即洗發(fā)精的內(nèi)聚 力很大，表面張力很大。這意味著即使流速很大，洗發(fā)精很難發(fā)生霧化。而相反，由于香水的 粘度小，表面張力小，