豆膠氣泡霧化噴霧器的三維設(shè)計(jì)及其數(shù)值模擬

蘇云鵬，陳光偉

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍　江哈爾濱　150040）

豆膠氣泡霧化噴霧器的三維設(shè)計(jì)及其數(shù)值模擬

蘇云鵬，陳光偉

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）

設(shè)計(jì)了一種注氣內(nèi)管內(nèi)徑漸變的高粘度豆膠氣泡霧化噴霧器，并應(yīng)用流體分析軟件，對(duì)噴霧器內(nèi)部氣液兩相混合流體特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。主要模擬了噴霧器內(nèi)部氣液兩相流的速度場(chǎng)分布、壓力場(chǎng)分布并分析了模擬結(jié)果。分析表明：在設(shè)計(jì)的氣泡霧化噴霧器內(nèi)部，豆基蛋白膠能夠與空氣進(jìn)行很好地混合，其內(nèi)部壓力場(chǎng)分布、速度場(chǎng)分布符合流體力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。模擬結(jié)果對(duì)以后的多相流流動(dòng)分析以及氣泡霧化的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

多相流；氣泡霧化；數(shù)值模擬

0　引言

大豆蛋白膠黏劑（以下簡(jiǎn)稱豆膠）是以大豆蛋白為基質(zhì)，經(jīng)酸、堿、?；肮簿鄹男院笾瞥傻囊环N環(huán)保型膠黏劑，它具有以再生資源為原料，生產(chǎn)加工過(guò)程簡(jiǎn)單、膠接制品無(wú)游離甲醛釋放等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，改性后的豆膠黏度高、流動(dòng)性差，限制了它在“三板”（指纖維板、刨花板和膠合板）生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍，目前僅用于膠合板的生產(chǎn)。目前改性方法不加入甲醛進(jìn)行共聚，改性后的大豆蛋基膠仍是一種無(wú)醛膠黏劑［1］。

纖維板與刨花板生產(chǎn)中，通常采用管道供膠、再使膠液與木材纖維或刨花共混的方式進(jìn)行施膠；而豆膠過(guò)高的黏度使其在與纖維或刨花混合時(shí)難以分散，膠液的分布不均勻，從而造成成品板材的強(qiáng)度出現(xiàn)差異，質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。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［2］。它具有液滴尺寸更小和要求的氣液的質(zhì)量比較低等優(yōu)點(diǎn)［3］。

為此，本文針對(duì)豆膠黏度高的缺點(diǎn)，利用液體氣泡霧化原理，設(shè)計(jì)了一種用于豆膠氣泡霧化的噴膠裝置。該裝置利用豆膠為假塑性非牛頓流體的特性，采用高速、高壓空氣沖破豆膠基團(tuán)，加快豆膠的流動(dòng)速度，并使其與壓縮空氣充分混合，達(dá)到降低膠液的黏度、提高其流動(dòng)性、以及與纖維和刨花混合的均勻性的目的，使其能夠用于纖維板或刨花板的生產(chǎn)。

1　氣泡霧化機(jī)理及氣泡霧化噴霧器的三維設(shè)計(jì)

1.1氣泡霧化機(jī)理

氣泡霧化的機(jī)理是把壓縮空氣或蒸汽用適當(dāng)?shù)姆绞阶⑷氲揭后w中，并使兩者在噴霧器的混合室內(nèi)形成穩(wěn)定的氣液兩相流動(dòng)［4］；在噴霧器出口處，由于氣體對(duì)液體的擠壓和剪切作用，液體形成含有大量微小氣泡的液絲或液線噴出；在離開(kāi)噴口極短的距離內(nèi)，由于氣泡內(nèi)外壓差的急劇變化，氣泡急劇膨脹直至破裂，同時(shí)將包裹在其周?chē)囊耗みM(jìn)一步破碎，形成更加細(xì)微的霧液顆粒［5～10］。

1.2氣泡霧化裝置的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)表明，豆膠屬于非牛頓流體中的一種假塑性流體，其主要特點(diǎn)在于其表觀黏度隨剪切速率的增大而減小。設(shè)計(jì)的氣泡霧化裝置正是利用了豆膠的這一特征；在結(jié)構(gòu)上，一方面該噴膠裝置的膠液流通管道內(nèi)徑是漸變的，管內(nèi)直徑沿豆膠流動(dòng)方向逐漸減小，這可以增大膠液在管內(nèi)的流動(dòng)速度；另一方面，通入管道的通氣孔呈切向進(jìn)入管道，從而使膠液產(chǎn)生附加旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，增強(qiáng)氣膠兩相的混合效果，從而實(shí)現(xiàn)更好的霧化。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件采用Pro/ENGINEER，利用該軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)（Parametric）技術(shù)，使用拉伸、旋轉(zhuǎn)、螺旋掃描等建模方法設(shè)計(jì)完成了氣泡霧化裝置的外管、噴霧器主體、進(jìn)膠管接頭、進(jìn)氣管接頭、緊固螺母、內(nèi)外管密封圈等零件的三維設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了裝配。裝配后的氣泡霧化噴膠裝置如圖1所示。圖2是該霧化裝置的爆炸圖。

圖1　高粘度豆膠氣泡霧化噴霧器的裝配圖Fig.1 Assembly drawing of effervescent atomizer on soy protein adhesive

圖2　高粘度豆膠氣泡霧化噴霧器的爆炸圖Fig.2 Explosive drawing of effervescent atomizer on soy protein adhesive

2　氣泡霧化噴霧器流場(chǎng)模型的建立

2.1氣泡霧化噴霧器流場(chǎng)模型的建立

應(yīng)用前處理軟件GAMBIT幾何建模，可以采用點(diǎn)、線、面、體的形式逐步構(gòu)建，也可以直接生成面或體來(lái)完成建模。如果需要構(gòu)建的幾何體十分復(fù)雜，則可以在三維設(shè)計(jì)軟件中完成建模后再導(dǎo)入GAMBIT。利用第二種方法建立了氣泡霧化噴霧器流場(chǎng)模型。

2.2噴霧器模型內(nèi)部流場(chǎng)三維網(wǎng)格劃分

利用TGrid程序?qū)φw進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將體主要?jiǎng)澐譃樗拿骟w網(wǎng)格單元，但在適當(dāng)?shù)奈恢每梢园骟w、椎體和楔形單元。整個(gè)流場(chǎng)總網(wǎng)格數(shù)為387432個(gè)。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3所示。

圖3　Z=0截面網(wǎng)格劃分Fig.3 Z=0 Section meshing

3　豆膠氣泡霧化機(jī)理的數(shù)值模擬

3.1構(gòu)建計(jì)算模型

Mixture模型是一種多相流模型，可用于模擬兩相或多相具有不同速度流體或顆粒的流動(dòng)。該模型主要實(shí)現(xiàn)求解混合相的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、第二相的體積分?jǐn)?shù)及相對(duì)速度方程等功能。Mixture模型適用于離散相的體積率超出10%的黏性流動(dòng)，用于兩相流時(shí)只有一相是可壓縮流體［11］。

使用Mixture模型模擬氣液兩相在噴霧器混合室中的混合，并選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon［2 eqn］紊流模型。

3.2設(shè)置流體物理屬性

高粘度豆膠屬于非牛頓流體，在定義非牛頓流體材料時(shí)主要定義其密度和黏度。非牛頓流體的黏度與梯度滿足冪律關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得其密度為1.15×103kg/m3，k= 0.89Pa·sn-1，n=0.6。定義氣體為空氣，密度為1.225kg/m3，動(dòng)力黏度為1.789×10-5Pa·s。

3.3設(shè)置邊界條件

入口邊界條件：進(jìn)氣口和進(jìn)液口均設(shè)置為VELOCITY_INLET。出口邊界條件：出口設(shè)置為PRESSURE_OUTLET，出口壓力為1.013×105Pa。氣體入口流量：19.72m3/h，液體的入口流量：0.55m3/h。水利直徑分別為：進(jìn)液口14mm、進(jìn)氣口16mm和出口孔2.5mm。

3.4求解與分析

對(duì)豆膠（非牛頓流體）與空氣在噴霧器內(nèi)部的混合流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到其速度場(chǎng)分布圖、壓力場(chǎng)分布圖。

4　模擬結(jié)果分析

4.1速度場(chǎng)模擬與分析

速度場(chǎng)分布圖用于顯示流場(chǎng)中流體的流動(dòng)速度分布。從圖4可以看出，在氣液比為0.04的情況下，處于空腔位置的氣體和進(jìn)入混合室之前的水都以平緩速度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)進(jìn)入混合室的水和壓縮空氣在各個(gè)注氣孔末端相遇時(shí)，形成的氣液兩相流流速驟然升高至440m/s，氣液兩相流在噴霧器出口處速度達(dá)到了最大值1170m/s，符合噴霧器噴霧流體流速變化的要求。

圖4　Z=0截面速度場(chǎng)分布圖Fig.4 Z=0 Sectional velocity distribution

4.2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5中，在氣液比為0.04的情況下，水與空氣在進(jìn)液口和進(jìn)氣口的壓力比較平穩(wěn)，在混合室中下部沿著流動(dòng)的方向壓力逐漸降低，在出口處發(fā)生明顯的變化，出口的位置是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，這符合流體的伯努利方程。

圖5　Z=0截面壓力場(chǎng)分布圖Fig.5 Z=0 Sectional pressure distribution

5　結(jié)論與討論

本文在分析高粘度豆膠流動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，利用三維設(shè)計(jì)分析軟件設(shè)計(jì)了一種注氣內(nèi)管內(nèi)徑漸變的氣泡霧化噴霧器，并對(duì)霧化過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬：采用Mixture模型，對(duì)豆膠和空氣在噴霧器內(nèi)部的混合情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到它們的速度場(chǎng)分布圖、壓力場(chǎng)分布圖。模擬結(jié)果表明:在注氣內(nèi)管內(nèi)徑漸變的氣泡霧化噴霧器中，豆膠能與空氣實(shí)現(xiàn)很好的混合對(duì)完成良好的霧化起到促進(jìn)作用。

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Numerical Simulation of Three-dimensional Design on Effervescent Atomizer of Soy Protein Adhesive

SU Yun-Peng，CHEN Guang-Wei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China）

An effervescent atomizer of soy protein adhesive is designed，with using a three-dimensional design and analysis software.Twophase fluid which is gas-liquid mixture inside the nozzle is simulated.The main simulation includes the velocity distribution and the pressure distribution of the two-phase flow inside the atomizer and the simulation results are analyzed.Analysis shows that：In this atomizing sprayer，the soy protein adhesive can be well mixed with the air，and finally complete in good atomization beneath the sprayer.Its internal pressure distribution and velocity distribution are consistent with the mechanics of fluid movement.The results are of certain guiding significance for the analysis and research of multiphase flow and effervescent atomization.

multiphase flow；effervescent atomization；numerical simulation

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.030

1002-6673（2015）01-084-03

2014-11-22

蘇云鵬（1990-），男，黑龍江省佳木斯人，碩士研究生。研究方向：機(jī)械制造工程及自動(dòng)化；通信作者：陳光偉（1973-），黑龍江省哈爾濱人，博士，副教授。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。