最新喷雾式香水瓶喷雾原理与洗发精瓶子出水原理分析与比较.docx

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最新喷雾式香水瓶喷雾原理与洗发精瓶子出水原理分析与比较

喷雾式香水瓶喷雾原理与洗发精瓶子出水原理分析与比较

喷雾式香水瓶喷雾原理与洗发精瓶子出水原理简析与比较

【摘要】本文就香水瓶和洗发水瓶的出水原理进行定性分析与比较，主要运用了压强理论、伯努利方程、连续性方程，从器械构造及流体力学知识方面，较为详细地阐述了球压式喷嘴、按压式喷嘴及普通手挤式喷嘴的出水原理及特点,并得出液体的粘稠度是决定出水方式的关键因素这一结论。

希望通过本文的分析，能帮助工程技术人员加深对相关出水原理的理解，为相关工程方面问题的研究与解决做好铺垫。

【关键字】香水瓶洗发水瓶子喷雾出水原理球压式按压式手挤式伯努利方程连续性方程流体力学雾化

AnalysisandComparisonof

theSprayofPerfumeandtheOutflowofShampoo

【Abstract】Thearticlediscussedabouttheanalysisofthesprayofperfumeandtheoutflowofshampoo,andmakeacomparisonbetweentwodifferentwaysaswell.Thediscussioninvolvesthetheoryofpressure,Bernoulliequation,andthecontinuityequation,makinganelaboratedescriptionofhowthefluidscomeoutandwhatistheircharacteristicsintheaspectsofmechanicalstructureandfluidmechanics,andadditionallygetsaconclusionthattheviscosityofthefluidplaysthekeyroleindecidingthewaysofoutflow.Thearticleaimsathelpingengineersandtechnisistsgetadeeperunderstandingofthereasonoftheoutflowandgetpreparedforrelevantresearchandinvention.

前言

香水瓶、洗发水瓶是我们生活中常见的物品，但关于它们的设计领域，我们却很少涉及。

在化妆品器械元件设计领域中，没有关于香水瓶、洗发水瓶瓶口的机械构造及出水原理介绍及相对专业的理论分析。

本文就香水瓶和洗发水瓶的出水原理进行定性分析与比较，希望能填充这方面空缺，为工程技术人员提供一个理论参照。

喷雾式香水瓶喷雾原理

香水是一种混合了香精油、固定剂与酒精的液体，用来让物体（通常是人体部位）拥有持久且悦人的气味。

由于过量的香水对人体不益，同时为了达到喷洒范围大，喷射均匀等良好的效果，我们通常要求香水以雾状形式喷射。

生活中常见的香水瓶有两种形式：

一种是球压式喷嘴，如图1；另一种是按压式喷嘴，如图2。

两种喷嘴的喷雾原理不尽相同，本文将分别对两种喷嘴结构原理进行阐述。

图1图2

球压式喷嘴

1）喷嘴结构

图3所示的是一种改进后的球压式喷嘴的组装示意图。

其中伸降头（3）、锁头（4）等是为了防止香水在不用的时候渗漏而设置，与喷雾原理无关，故在此不予以讨论。

图3②

有图可见，球压式包括喷头

（1）、座体（3）、外盖（5）、气囊（6）、汲水管（7）等构件所组成。

使用时，挤压气囊，就会有香水喷出，松开后香水停止喷洒。

2）物理模型

将该香水喷头主要部分提取出来，转化为物理模型，如图4所示。

其中管

（1）为进气杆，右端为小孔嘴；管

（2）为汲水管，下部插入液体（香水）中，（3）为通气管，用于平衡瓶子内外压强。

由于下面的讨论中出现了对气流的分析，因此，首先要确定该气流的可压缩性。

在工程问题中，通常将低速流动的气体看作不可压缩流体，将高速流动的气体看作可压缩流体。

对于速度大小，在空气动力学中，通常用马赫数（Machnumber）来度量。

马赫数是速度与当地声速的比值。

由实践表明，当马赫数

，即当速度

时，气流被划分为低速气流。

这时，我们可以认为该气流是不可压缩流体，可以不用考虑其密度的变化以及热力学关系，运用不可压缩流理论对其进行分析。

虽然由气囊喷出的气流速度较大，但较0.3的马赫数来说，该速度仍较小，属低速气流，因此，之后的讨论可以从按不可压缩流理论对香水喷嘴进行分析。

后文中所提到的所有“高速气流”均指小于0.3马赫数以下的相对高速气流。

这是使用连续性方程及伯努利方程的必要前提。

下面将运用伯努利能量方程与连续性方程对该模型进行流体力学知识分析。

a）出水原理——伯努利方程

假设管

（1）中以恒定的流量输入空气，管

（1）中的气体状态稳定，。

由于管

（1）右端为尖嘴口，管口直径很小，根据连续性方程

可知，在管

（1）出口处，管

（2）的上端M位置，将会产生横向的高速气流。

由伯努利方程

图4

可知，在同一流线上，能量守恒。

由于M位置的气流速度v很大，可知该位置的动能很大，而位置势能较之前无变化，故而M处的压能远小于N处压能，即M处压强远小于N处压强。

虽然N处的气体也有一定压强，但由于其速度不太大，可假定N处压强约等于大气压强，与瓶子溶液上方U处压强一样大。

那么，由之前的分析可以知道M处压强远小于大气压强，同时也远小于U处压强。

因此，容器中的液体被压入汲水管并上升至管

（2）出口。

b）雾化原理

流体上升到

（2）管出口处后，被高速流动的气体吹散成雾状，并随气体喷射出去。

水滴雾化的过程如图5—图7所示。

图5图6图7

高速流动气体将液体吹散可以该雾化模型来定性分析。

假设A是一个水平方向静止大水滴，由于表面张力作用呈现球形，如图5。

首先，假定水滴为刚体，不会变形。

当高速流动的气体吹到水滴表面时，

处气流的水平速度变为0，由伯努利方程可知，所有动能转化为压能，而

时，气流受到阻碍绕流，虽然水平速度变小，但大于0，即动能部分变为压能，

越大，速度变化量越小，转化来的压能也越小。

可见，在水滴的表面压强分布不均，

处压强最大，随

增大，压强减小。

图8

由于水滴并非刚体，当表面作用有压力时会发生形变。

首先考虑水滴上某个表面微元dA，其表面作用有压强p，此时液体会通过变形如图8所示，使表面张力产生的合力与压力平衡，因此有

。

由公式可见，当压力增大时，由于s、dl、dA都是定值，水滴只能通过减小角度来达到表面的平衡。

当p很大时，该角度会变得很小。

现在我们考虑整个水滴的情况。

如果水滴左表面压力均布或相差不大时，由于水滴的形状与受力对称，故水滴左表面任何一处变形相同，则水滴仍保持球形，并在压力的作用下，做向右运动。

而当水滴左表面作用有分布不均的压力时，由于压力大的地方变形大，压力小的地方变形小，则水滴会发生变形。

由于来流是高速气流，所以当水滴直径较大时，高速气流在水滴表面产生的压力相差较大，水滴变形剧烈，如图6所示。

由于对称性，从M-M截面将水滴截开，只考虑上半水滴，如图9所示。

此时水滴受到空气对其压力P（向上为正），水滴内部压力Pw（向上为正），以及水滴的表面张力S（向下为正），当水滴处于平衡状态时满足方程，

。

由于压强梯度，空气对水滴的合力竖直方向的分力向上，水滴内部压力向上，故有

。

当压强梯度很大时，P很大，表面张力S不足以平衡空气对水滴的作用力时，水滴被撕裂，形成小水滴，如图7。

这样的过程循环往复，直至水滴直径很小，水滴表面的压力梯度很小，形变减小，水滴的表面张力足以与空气压力梯度平衡，水滴不再撕碎，雾化过程终止。

上面的分析仅考虑了压强的作用，未考虑气流对水滴的切应力作用。

若进一步定性考虑切应力作用，我们知道，由于气流沿水滴表面绕流，则在竖直方向上，切向力方向与压强梯度形成的合力在同一个方向，故切应力会加遽雾化效果。

另外，上述内容也未考虑空气流体绕流后在水滴背面产生涡旋从而加速水滴破碎的可能性。

按压式喷嘴

3）喷嘴结构

如图10是某按压式喷嘴的组装图。

由喷嘴、按压头、压缩杆（活塞）、底座工作室、底座构成。

剖面结构简图如图图11所示，其底座工作室中包括压缩杆下的活塞，活塞座，弹簧，止回阀（圆珠）等关键部件。

其中活塞为开口活塞，通过与活塞座连接，达到当压缩杆向上运动时，工作室对外敞开，向上运动时，工作室封闭的效果。

图10图11

4）物理模型

绘制按压式香水喷嘴的剖面简图如图12，其中各部件为封盖及小孔喷嘴

（1），压缩杆

（2）（3），活塞座（5），弹簧（8），止回阀（6）（圆珠），汲水管（10）等关键部件。

下面将运用流体力学知识，通过对机械构造的分析来解释这种喷嘴的出水原理。

在此之前，首先要明确该问题中，液体是不可压缩流体，气体符合体积缩小，压强增大原理。

c）出水原理——机械构造分析

排气过程：

假设起始状态下，底座工作室中无液体。

按下按压头，压缩杆带动活塞，活塞推动活塞座下移，弹簧被压缩，工作室中体积压缩，气压增大，止水阀封住汲水管上端口。

由于活塞与活塞座并非完全封闭，气体挤开活塞与活塞座的间隙，使其分离，气体逃逸。

吸水过程：

排气后，松开按压头，压缩的弹簧被释放，推动活塞座上移，活塞座与活塞间的间隙闭合，并推动活塞以及压缩杆一起向上移动。

工作室中体积增大，气压减小，近似真空，使得止水阀打开容器内液面上方的气压将液体压入工作室，完成吸水过程。

图12

出水过程：

原理同排气过程。

不同的是，此时，工作室中已充满液体。

当按下按压头后，一方面，止水阀封住汲水管上端，防止液体从汲水管回到容器中去；另一方面，由于液体（不可压缩流体）受挤压，液体将冲开活塞与活塞座的间隙，流入压缩管。

并从喷嘴中出来。

d）雾化原理——连续性方程

当流体从压缩管流到喷口管道，并从小孔喷嘴中喷出时，由于液体是不可压缩流体，因此应用连续性方程

（定性分析）

可见，由于喷嘴口很小，若按压顺畅（即在压缩管中具有一定流速），则当液体从小孔中流出时，液体流速很大，也就是说，此时的空气相对液体有一很大的流速，相当于高速气流冲击水滴的问题。

因此之后的雾化原理分析与球压式喷嘴完全相同，空气将大水滴冲击成小水滴，一步步细化水滴。

同时，高速流动的液体也会带动喷嘴口附近的气体流动，使得喷嘴口附近气体的速度变大，压强变小，形成局部的负压区。

从而，使周围空气掺入到液体中，形成气液混合体，使液体产生雾化效果。

洗发精瓶子出水原理

分析完香水的出水原来后，我们来分析洗发精的出水原理。

市场上的洗发精瓶子通常有两种出水方法，一种是普通挤压式出水，如图13,另一种类似于上述第二种香水出水方式，按压式出水。

由于前者原理较简单，后者与香水类似，故对于洗发精瓶子出水原理只做简单分析。

普通挤压式出水

这种出水方式的原理很简单，其关键在于瓶子的材料需为可挤压材料。

当我们未使用洗发水时，正置洗发水瓶子，洗发水上方气体与空气连同，气压一样。

当我们要使用洗发水时，我们将瓶子倾倒过来，由于洗发水的粘稠度很大，洗发水缓慢地流至瓶口，洗发液在瓶口处，而空气在瓶底。

当洗发液的瓶子出水口较小时，洗发液表面张力能与欲下落的洗发液的重力平衡，而使洗发液难以仅靠重力作用下落。

这时，我们需要挤压瓶身，是容器体积变小。

由于洗发水为不可压缩流体，因此挤压后，空气所占的体积变小，压强变大，大于大气压强，将粘稠的洗发水挤压出瓶口。

按压式出水

按压式出水洗发精的按压头物理构造与按压式香水的类似，不同之处在于洗发精的按压头的整个构造都较香水瓶的大很多，特别是出口，香水瓶的出口细如尖针，而洗发水的出口通常为

毫米左右的孔口。

按压式出水洗发精的出水原理也同香水一样，都是通过机械方式改变按压头底座空心工作室的压强，从而达到吸液与出液的效果。

与香水不同的是，当洗发水从孔口中出来时，并不是以水雾的形式，而是以粘稠液体的形式缓慢地流出。

香水出水与洗发精出水比较

香水出水与洗发精出水方式在原理方面有很多相通之处，但又有很多不同之处。

下面将对两种出水方式进行比较。

首先，对香水、洗发精本身的液体特性及期望的出水效果、出水方式进行比较。

液体种类

粘度（分子内聚力）

可压缩性

出水效果要求

出水状态

出水方式

香水

小

不可压缩

均匀、细、范围大

雾状

球压式喷嘴

按压式喷嘴

洗

发

精

大

不可压缩

集中、大量

液体状

挤压瓶式

可见，根据人们的不同需要，香水与洗发精有不同的出水状态：

香水要求为雾化状态，而洗发精是普通液体状的。

但我们更要关注到，洗发精与香水这两种流体本身性质的不同。

香水的粘稠度很小，而洗发精的粘性很大。

也就是说洗发精的分子内聚力较香水的大得多。

而液体本身的特性决定了他们能否以期望的状态出水。

下面从着重从液体粘度方面对液体的出水状态及出水方式进行阐述。

出水状态

液体粘度决定了香水有条件以雾化方式出水，而洗发水则没有雾化出水的良好条件。

我们从两个角度来分析原因。

5）液体流速

由于洗发精的粘度大，在相同外力作用下，洗发精的速度改变慢，速度小。

虽然有连续性方程可以看到速度与管道直径的平方成反比。

但由于洗发精的粘度大，流速小，在管道狭小的地方容易造成堵塞，洗发精难以从小孔出来，从而导致挤压困难，而非产生高速流体，从而产生雾化效果。

而洗发水的粘度小，则阻滞力小，为产生高速流体创造了良好条件。

6）雾化原理

我们知道雾化效果跟液体的表面张力有关。

由于洗发精的液体粘度很大，即洗发精的内聚力很大，表面张力很大。

这意味着即使流速很大，洗发精很难发生雾化。

而相反，由于香水的粘度小，表面张力小，这为雾化创造了良好条件。

出水方式

为什么香水不能以普通挤压瓶子的方式出水，洗发精不能以球压方式出水？

除了香水需要雾化，洗发精不要求雾化这个原因外，液体本身特性也是很重要的一个原因。

下面做两个假设，用反证的方法进行阐述。

7）假使香水用普通挤压瓶子的方式出水

我们知道，当我们倒置洗发精瓶子时，由于洗发精的粘度很大，表面张力及分子间的粘滞力能够平衡重力作用，使得洗发精不会再重力的作用下从瓶口流出。

这样我们就可以通过挤压瓶子的方式来控制洗发精的出流量。

如果香水用普通挤压瓶子的方式出水，由于香水的粘度小，表面张力及分子间的粘滞力小，当我们倒置瓶子时，香水会在重力作用下流出孔口，无法控制用量。

即使当流出一定香水后，瓶内的压强比外面小，由于香水流体变形容易，外面的大气会从孔口处挤入瓶中，使得香水断续出水。

可见如果香水用普通挤压瓶子的方式出水，则不能控制香水的出水量，更不说均匀喷洒的效果，不利于使用。

8）假设洗发水用球压式喷嘴方式出水

当高速气流流过汲水管上端口时会产生低于溶液上方的压强，溶液上方的空气会将液体压至汲水口。

这点与香水喷嘴无异。

然而洗发水的粘度很大，阻滞力很大，使得洗发水上升的加速度很小，速度缓慢。

而气囊中的气体有限，由气囊产生的高速气流只有短短的几秒。

因此这样短暂的时间一般是无法将洗发水吸出瓶口的。

所以使用球压式喷嘴方式使洗发水出水是不可行的。

除了上述出水方式的区别外，即使对于洗发水与香水共有的出水方式，两者在构造上也有显著的区别，主要包括管径大小及喷嘴口大小不同。

这也主要与洗发水的粘滞力大于香水及香水要求喷雾效果等原因有关，在此不再赘述。

总结

以上是运用流体力学知识对喷雾式香水出水原理及洗发水出水原理的简要分析与比较。

事实上，香水与洗发水是两种粘稠度性质截然不同的液体的典型，上述喷嘴方式也是各有各的特点。

通过上面的分析，我们可以知道，一方面，粘稠度大的液体适合按压式与挤压式出水方式，出水状态为普通流体；粘稠度小的液体适合球压式与按压式出水方式，出水状态为雾状。

另一方面，如果希望液体出水达到雾状效果，首先要降低其粘稠度，再使用合适的结构；相反，如果希望能用普通挤压式出水方式，则需要增大液体粘稠度，从而有利于量的控制。

希望上述原理分析能帮助工程技术人员加深对喷嘴构造的理解，达到触类旁通的效果，从而有利于以后对喷嘴结构的设计与改进。