豆基蛋白膠氣泡霧化機(jī)理的數(shù)值模擬1)

張文程 花 軍 賈 娜 Sheldon Q.Shi

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (美國(guó)北德州大學(xué))

豆基蛋白膠(簡(jiǎn)稱(chēng)豆膠)是一種環(huán)保型植物蛋白膠，它具有生產(chǎn)周期短、產(chǎn)量大、價(jià)格低廉、原料可再生以及膠接制品無(wú)游離甲醛釋放等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前很多學(xué)者正在研究用它替代醛類(lèi)膠，用于人造板的生產(chǎn)，以解決醛類(lèi)膠釋放甲醛量大、污染環(huán)境且能源不可再生等問(wèn)題。由于豆膠的膠黏強(qiáng)度低，耐水性差，必須進(jìn)行改性處理，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都致力于其改性的研究，并取得了一定的成果［1-7］。Rogers和Li研究了以1，3-二氯-2-丙醇(DCP)為交聯(lián)劑對(duì)大豆分離蛋白進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)用它制備的膠合板的膠合性能和耐水性能有所提高。李永輝等采用堿溶酸沉法從低溫脫脂大豆粉中提取大豆分離蛋白(SPI)，應(yīng)用十二烷基硫酸鈉對(duì)SPI進(jìn)行化學(xué)改性，顯著提高了SPI膠黏劑在木片膠合中的黏接性能、耐候性能和耐水性能。改性后的豆膠膠黏強(qiáng)度及耐水性有所提高，但黏度高、流動(dòng)性差等缺點(diǎn)仍難以滿足人造板的施膠工藝要求，致使它的應(yīng)用受到了制約。張亞慧等對(duì)改性后的豆膠的合成和應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：改性的豆膠是一種非牛頓流體，它的黏度很高，它大部分用于膠合板的生產(chǎn)，在纖維板及刨花板的生產(chǎn)中使用還有很多困難［8］。

豆膠的非牛頓流體性質(zhì)決定了一般的方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)膠液的良好霧化，尋找一種能夠?qū)⑦@種非牛頓流體性質(zhì)的膠液進(jìn)行有效霧化的方法具有實(shí)際應(yīng)用意義。

氣泡霧化是一種能夠克服豆膠高黏度特點(diǎn)的霧化方法，其霧化原理并不是通過(guò)克服液體的黏性，而是通過(guò)克服液體的表面張力來(lái)達(dá)到霧化目的。因此，筆者擬采用一種氣泡霧化噴嘴的方法，對(duì)氣泡霧化噴嘴的流場(chǎng)進(jìn)行建模，并對(duì)牛頓液體和非牛頓液體在氣泡霧化噴嘴中與空氣的混合情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，深入了解氣泡霧化噴嘴中非牛頓流體的流動(dòng)情況，為豆膠在人造板生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 豆膠本構(gòu)方程與性能參數(shù)的確定

牛頓流體與非牛頓流體的不同在于切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系，切應(yīng)力與剪切速率的比值為恒定值的流體是牛頓流體，切應(yīng)力與剪切速率的比值不為恒定值的流體是非牛頓流體。豆膠屬于非牛頓流體的范疇，非牛頓流體主要包括膨脹性流體、假塑性流體與塑性流體3種類(lèi)型，如圖1所示［9］4。

a、b、c、d 4種流體的切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系依次滿足以下4個(gè)方程：

式中：τ為切應(yīng)力(N);˙γ為剪切速率(s-1);μ為動(dòng)力黏度(Pa·s);τ0為屈服切應(yīng)力(N);k為稠度系數(shù)(Pa·sn-1);n為冪律指數(shù)。

從4個(gè)方程可以看出，a為牛頓流體，方程(1)表明，它的切應(yīng)力與剪切速率之比為恒定值，即它的黏度是固定的。b、c、d 3種流體均為非牛頓流體，其中b為膨脹性流體，方程(2)表明它的曲線斜率(即黏度)隨著剪切率的增大而增大;c為假塑性流體，方程(3)表明它的曲線斜率隨著剪切率的增大而減小;d為塑性流體，方程(4)表明它受力后不能立刻變形，必須施加足以破壞其結(jié)構(gòu)性的力才能發(fā)生剪切變形，因此這類(lèi)流體存在屈服切應(yīng)力。

圖1 流體流變曲線

廣大學(xué)者對(duì)豆膠的流變特性進(jìn)行了研究［10］，如張亞慧等對(duì)一種改性的豆膠的黏度在不同剪切速率下的變化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：豆膠流變特性主要特點(diǎn)在于其表觀黏度隨剪切速率的增大而減小，它屬于非牛頓流體中的一種典型的假塑性流體。假塑性流體具有很多本構(gòu)方程模型，主要有冪律方程、埃利斯方程以及米特方程這3種，它們的區(qū)別在于適用的范圍不一樣。本研究基于豆膠剪切速率不高的特性，選用應(yīng)用普遍且形式簡(jiǎn)單的冪律方程作為其本構(gòu)方程。

冪律方程的形式如下［11］：

式中：T為溫度(K)。

其表觀黏度的表達(dá)式為：

通過(guò)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)可以得到表觀黏度和剪切速率的關(guān)系，通過(guò)這種關(guān)系可以計(jì)算出其他的參數(shù)，從而確定豆膠的冪律方程。文中選用的材料為改性的豆膠，其主要參數(shù) k=0.89Pa·sn-1，n=0.62。

2 氣泡霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)及霧化機(jī)理

2.1 氣泡霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)

能夠?qū)崿F(xiàn)液體霧化的噴嘴有很多，其中包括壓力式霧化噴嘴以及氣流式霧化噴嘴等［12-13］?；诙鼓z的高黏度特性，一般噴嘴是無(wú)法實(shí)現(xiàn)霧化的，筆者選擇氣泡霧化噴嘴這一對(duì)黏度并不敏感的霧化方式進(jìn)行模擬研究。氣泡霧化噴嘴主要由進(jìn)液口1，空腔2，進(jìn)氣口3，通氣管4，混合室5及出口6等部分組成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 氣泡霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)液口1連接泵，通入一定壓力的液體，進(jìn)氣口3連接空氣壓縮機(jī)，通入一定壓力的氣體，氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入空腔2，通過(guò)通氣孔4進(jìn)入混合室5與進(jìn)液口通入的液體進(jìn)行混合產(chǎn)生氣泡，最后氣液混合物從出口6噴出。

2.2 氣泡霧化噴嘴的霧化機(jī)理

氣泡霧化噴嘴方法的霧化機(jī)理與傳統(tǒng)的霧化方法有本質(zhì)區(qū)別，傳統(tǒng)的霧化方法是借助于液體或氣體的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)液體霧化;而氣泡霧化噴嘴方法是使液體和氣體在共同流動(dòng)過(guò)程中形成氣液兩相流動(dòng)的氣泡流動(dòng)，通過(guò)氣泡體積的變化實(shí)現(xiàn)液體的霧化，其方法如圖3所示［14］。在噴嘴的上部，通過(guò)泵的方式經(jīng)進(jìn)液口向混合室注入一定壓力的液體，在左側(cè)通過(guò)空氣壓縮機(jī)的方式經(jīng)進(jìn)氣口注入具有一定壓力的空氣或蒸汽進(jìn)入空腔，進(jìn)入空腔的空氣或蒸汽通過(guò)混合室上的各個(gè)微孔進(jìn)入混合室的液體中;由于氣體的壓力比液體的壓力高，使之在液體中形成大量的微小氣泡，從而在混合室中形成氣泡流動(dòng)。氣泡在兩相流動(dòng)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)、加速、變形，在噴嘴出口將液體擠壓成細(xì)絲線狀噴射而出;同時(shí)在離開(kāi)噴嘴出口極短的時(shí)間和距離內(nèi)，氣泡由于內(nèi)外壓差的驟然變化而急劇膨脹，直至爆炸，將液絲、液線炸成更加細(xì)微的顆粒實(shí)現(xiàn)霧化。

3 氣泡霧化噴嘴流場(chǎng)模型的建立

3.1 氣泡霧化噴嘴流場(chǎng)模型的主要參數(shù)

采用圖3所示結(jié)構(gòu)的氣泡霧化噴嘴建立流場(chǎng)模型，其設(shè)計(jì)的噴嘴結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如下：進(jìn)氣口直徑25mm，進(jìn)液口直徑8 mm，通氣孔直徑1 mm，出口直徑8 mm，混合室總長(zhǎng)為95 mm，噴嘴的混合室上布滿了微小的通氣孔，通氣孔分別在混合室圓周方向的 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°方向以及軸向方向相隔2 mm分布，共20組160個(gè)，建立的流場(chǎng)模型如圖4所示。

圖3 氣泡霧化原理圖

圖4 流場(chǎng)模型圖

3.2 噴嘴模型的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的質(zhì)量對(duì)計(jì)算的精度和穩(wěn)定性有著很大的影響。網(wǎng)格按網(wǎng)格點(diǎn)之間的鄰近關(guān)系可分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格?；诓煌W(wǎng)格的特點(diǎn)，且本研究所擬噴嘴的流場(chǎng)模型比較復(fù)雜，對(duì)流場(chǎng)模型先進(jìn)行區(qū)域分割，分成進(jìn)液口、進(jìn)氣口及空腔、通氣孔、混合室及出口4部分。進(jìn)液口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用的是簡(jiǎn)單的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有序且規(guī)則，處理邊界條件方便，計(jì)算精度高;其余部分由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜很難生成六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，采用的是混合網(wǎng)格，以四面體網(wǎng)格為主體，在進(jìn)氣口及空腔連接處、通氣孔與空腔連接處等復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分包含六面體、錐體以及楔形網(wǎng)格。這種網(wǎng)格既能在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)上生成網(wǎng)格，又保證了計(jì)算精度。整個(gè)流場(chǎng)總網(wǎng)格數(shù)為290 680個(gè)，劃分完網(wǎng)格后的流場(chǎng)如圖5所示。

圖5 噴嘴流場(chǎng)模型的網(wǎng)格劃分

本研究擬模擬的結(jié)果在Z=0截面顯示，基于上述網(wǎng)格劃分之后該截面的網(wǎng)格如圖6所示。

圖6 Z=0截面網(wǎng)格劃分

4 豆膠氣泡霧化機(jī)理的數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模擬的方法

采用多相流中的混合模型模擬氣液兩相在噴嘴混合室中的混合?；旌夏Ｐ褪且环N簡(jiǎn)化的多相流模型，它用于模擬有強(qiáng)耦合的各相同性多相流和各相有不同速度的多相流。混合模型適用于分散相的體積率超過(guò)10%的黏性流動(dòng)，用于兩相流時(shí)只有一相是可壓縮流體［15］。本研究模擬混合室中水(牛頓流體)和空氣以及豆膠(非牛頓流體)和空氣的混合，材料的性質(zhì)及流場(chǎng)模型的特點(diǎn)都是符合多相流混合模型所要求的這些條件的。壓力和速度的耦合采用Simple［9］25方法。

4.2 邊界條件的設(shè)置

入口邊界條件：氣體入口和液體入口均設(shè)置為速度型入口。氣體入口流量28.5 m3/h，液體的入口流量0.46 m3/h。進(jìn)液口、進(jìn)氣口及出口的水力直徑分別與它們各自的進(jìn)口及出口直徑相等。湍流強(qiáng)度I按下式計(jì)算：

式中：Re為入口處雷諾數(shù)。

出口邊界條件：出口設(shè)置為壓力型出口，出口壓力為一個(gè)大氣壓。

壁面邊界條件：固體壁面采用無(wú)速度滑移和無(wú)質(zhì)量滲透條件。

4.3 模擬選擇的材料

牛頓流體：水，密度為1×103/kg/m3，動(dòng)力黏度為 1.005×10-3Pa·s。

非牛頓流體：改性的豆膠，密度為1.15×103kg/m3，k=0.89Pa·sn-1，n=0.6。

氣體：空氣，密度為1.293 kg/m3，動(dòng)力黏度為17.9×10-6Pa·s。

4.4 模擬結(jié)果與分析

分別對(duì)水(牛頓流體)與空氣、豆膠(非牛頓流體)與空氣在噴嘴內(nèi)部的混合情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到它們的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、組分體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)分布圖。

4.4.1 壓力場(chǎng)模擬與分析

壓力場(chǎng)分布圖用于顯示流場(chǎng)各部分的壓力以及整個(gè)流場(chǎng)的壓力變化。圖7中，水與空氣在進(jìn)液口和進(jìn)氣口的壓力很高，沿著出口的方向壓力逐漸降低，在混合室中部及出口處發(fā)生明顯的變化，出口的位置是一個(gè)大氣壓，這符合流體的伯努利方程。

圖7 Z=0截面壓力分布圖(水)

圖8中，豆膠從進(jìn)液口進(jìn)來(lái)，到通氣孔上端，壓力就開(kāi)始變化，隨著液體往下走，壓力越來(lái)越小，與水所不同的是混合室壓力變化稍快且變化的次數(shù)多，但完全符合流速慢處壓力高，流速快處壓力低這個(gè)特點(diǎn)。

4.4.2 速度矢量場(chǎng)模擬與分析

速度矢量場(chǎng)分布圖用于顯示流場(chǎng)中各個(gè)點(diǎn)流體的流動(dòng)速度及方向。從圖9可以看出，氣體在空腔位置的速度比較平緩，進(jìn)入小孔之后開(kāi)始加速，而水在進(jìn)入混合室之前也是保持低速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)進(jìn)入混合室之后隨著氣體一起加速，最后到達(dá)噴嘴出口的速度達(dá)到了最大，符合噴嘴噴霧流體流速變化的要求。

圖8 Z=0截面壓力分布圖(豆膠)

圖9 Z=0截面速度矢量分布圖(水)

圖10與圖9相似，豆膠與空氣混合呈現(xiàn)一個(gè)逐漸加速的過(guò)程，到達(dá)出口處速度達(dá)到了最大，所不同之處在于速率的大小略有不同，但不影響整個(gè)流場(chǎng)的速度走勢(shì)。

圖10 Z=0截面速度矢量分布圖(豆膠)

4.4.3 組分體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)模擬與分析

組分體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)分布圖用于顯示流場(chǎng)中各部分液體和氣體的體積，充分反映液體和氣體的混合情況。圖11中，水處在氣體的包圍中，越往下，水的體積份量越小，這是符合設(shè)計(jì)要求的。因?yàn)殡S著氣體的速度越快，氣泡產(chǎn)生的會(huì)越多，且在加速的過(guò)程中氣泡會(huì)和其他氣泡匯合在一起變大，由此證明氣體和水的混合達(dá)到了預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 Z=0截面氣體所占的體積分?jǐn)?shù)(水)

圖12中，混合室中，同一高度，橫向來(lái)看，中心位置豆膠的比例大并向徑向位置逐漸減小;垂直方向，有些地方比較飽滿，有些地方比較稀薄，沒(méi)有呈現(xiàn)一個(gè)液體體積比完全逐漸下降的過(guò)程，這與圖11略有差別。

圖12 Z=0截面氣體所占的體積分?jǐn)?shù)(豆膠)

4.4.4 模擬結(jié)果

從水與空氣、豆膠與空氣的模擬結(jié)果來(lái)看，在相同的邊界條件下，兩者的壓力場(chǎng)、速度矢量場(chǎng)分布大體相同，只是在變化的快慢與幅度上稍有區(qū)別;而組分體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)相對(duì)來(lái)說(shuō)區(qū)別較明顯，從混合室內(nèi)部的體積分布來(lái)看，與水不同的是，豆膠的體積分?jǐn)?shù)在局部區(qū)域并沒(méi)有呈現(xiàn)一個(gè)垂直方向逐漸下降的過(guò)程。這是因?yàn)樗桥ｎD流體，它的黏度是不變的，豆膠是非牛頓流體，它的表觀黏度會(huì)隨著環(huán)境的變化而發(fā)生變化，黏度發(fā)生了變化就會(huì)影響它的流動(dòng)特性，從而影響到局部體積分?jǐn)?shù)的分布。兩者的模擬結(jié)果均可以通過(guò)改變邊界條件來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)改變氣體入口速度、豆膠入口速度等一些條件可以讓豆膠與空氣的混合模擬結(jié)果更加接近于水與空氣的混合模擬結(jié)果，這也是下一步研究的方向。

5 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)豆膠流動(dòng)特性的分析研究，確定了其屬于冪律型假塑性流體，并從其表觀黏度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖中得到參數(shù)n和k，確定了其本構(gòu)方程，為下一步混合模擬提供了相關(guān)的參數(shù)。

選擇設(shè)計(jì)了一種氣泡霧化噴嘴，并對(duì)空氣與水在此噴嘴內(nèi)部的混合情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：根據(jù)設(shè)計(jì)的氣泡霧化噴嘴結(jié)構(gòu)建立的流場(chǎng)模型是合理的。

采用相同的邊界條件分別對(duì)水和空氣、豆膠和空氣在噴嘴內(nèi)部的混合情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到它們的壓力場(chǎng)分布圖、速度矢量場(chǎng)分布圖、組分體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)分布圖。模擬結(jié)果表明：在一般的壓力式以及氣流式等霧化噴嘴中，水這種牛頓流體能實(shí)現(xiàn)很好的流動(dòng)以及良好的霧化，豆膠的非牛頓流動(dòng)特性以及其高黏度使其無(wú)法像水一樣在噴嘴中很好地流動(dòng)，造成霧化效果不好。在氣泡霧化噴嘴中，相同的模擬邊界條件下，豆膠能和水一樣與空氣實(shí)現(xiàn)很好的混合。兩者模擬得到的壓力場(chǎng)分布圖及速度矢量場(chǎng)分布圖大體相似，只是在組分體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)分布圖上存在一些小的不同，這些不同能夠通過(guò)下一步的改善邊界條件來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)值模擬研究為豆膠的霧化實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)，為豆膠在纖維板及刨花板生產(chǎn)中應(yīng)用成為可能奠定了基礎(chǔ)。

［1］Li K，Geng X.Formaldehyde-free wood adhesives from decayed wood［J］.Macromolecular Rapid Communi-cations，2005，26(7)：529-532.

［2］Li K，Geng X，Simonsen J，et al.Novel wood adhesives from condensed tannins and polyethylenimine［J］.In-ternational Journal of Adhesion and Adhesives，2004，24(4)：327-333.

［3］季楠.大豆蛋白膠黏劑改性及應(yīng)用研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

［4］童玲.復(fù)合改性大豆基木材膠黏劑的研究［D］.福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2010.

［5］黨蕊.改性豆基蛋白膠粘劑制備及應(yīng)用研究［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2010.

［6］Rogers J，Geng Xinglian，Li Kaichang.Soy based adhesives with 1，3-Dichloro-2-Propanol as a curing agent［J］.Wood and Fiber Science，2004，36(2)：186-194.

［7］李永輝，方申，盛奎川.SDS改性大豆分離蛋白膠黏劑的性能研究［J］.油脂工程，2007(8)：90-93.

［8］張亞慧.改性大豆蛋白膠黏劑的合成與應(yīng)用技術(shù)研究［D］.北京：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，2010.

［9］朱紅鈞，林元華，謝龍漢.FLUENT流體分析及仿真實(shí)用教程［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［10］陳利梅，李德茂，李燕.大豆分離蛋白流變學(xué)特性研究［J］.糧油加工，2010(10)：25-28.

［11］楊玄.非牛頓流體在旋流器中流動(dòng)特性的數(shù)值模擬［D］.青島：中國(guó)石油大學(xué)，2010.

［12］盧平，梁曉燕，章名耀.雙流體噴嘴霧化特性的試驗(yàn)研究［J］.南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版，2008，8(1)：34-37.

［13］Jedelsky J，Jicha M，Slama J，et al.Development of an effervescent atomizer for industrial burners［J］.Energy Fuels，2009，23：6121-6121-6130.

［14］Broniarz-Press L，Ochowiak M，Woziwodzki S.Atomization of PEO aqueous solutions in effervescent atomizers［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2010：651-658.

［15］梁曉燕，王緒倫.氣泡霧化噴嘴內(nèi)部及出口下游的數(shù)值模擬［J］.鍋爐制造，2008(3)：13-16.