基于ICEM和FLUENT溫室霧化噴頭內(nèi)部流場分析

郝　磊，高　雄，陳鐵英

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特　010018；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)機械技術(shù)推廣站，呼和浩特　010010)

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基于ICEM和FLUENT溫室霧化噴頭內(nèi)部流場分析

郝磊1，高雄1，陳鐵英2

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特010018；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)機械技術(shù)推廣站，呼和浩特010010)

摘要：為了解噴嘴內(nèi)部流場變化情況，并為今后噴頭外部流場特性研究提供理論依據(jù)和方法，根據(jù)計算流體力學的基本理論，綜合運用ICEM網(wǎng)格劃分與FLUENT流體分析軟件對Y1/4AT-19V霧化噴頭內(nèi)部流場進行了模擬仿真。結(jié)果表明：增加入口壓力，出口速度顯著提高；出口近壁面處速度明顯小于中心處速度；在噴頭直形出口處，速度增大，壓力減小。

關(guān)鍵詞：溫室;霧化噴頭；速度場分析；壓力場分析；ICEM；FLUENT

0引言

近年來，為滿足不同季節(jié)都有新鮮蔬菜、水果供應(yīng)的需要，我國溫室總面積達到了40萬hm2多[1]。溫室內(nèi)長期密閉、光照不足、高溫、高濕，極易產(chǎn)生病蟲害。目前,我國農(nóng)藥噴灑水平普遍處于落后狀態(tài)，農(nóng)藥噴灑過程涉及的有關(guān)理論研究不足，農(nóng)藥的利用率很低，大部分的農(nóng)藥都流失到土壤、河流及空氣中，對環(huán)境造成了嚴重污染[2]。因此，改善施藥技術(shù)和提高農(nóng)藥噴霧性能尤為重要。

農(nóng)藥噴灑最關(guān)鍵的是液體的霧化過程，液體霧化的質(zhì)量直接決定了農(nóng)藥利用率的高低。噴頭是噴霧機實現(xiàn)噴霧作業(yè)的終端件，噴頭類型的選擇是由農(nóng)藥品種和目標物的表面所決定的，而我國95%以上的噴霧器上仍使用圓錐霧噴頭[3]。噴頭在噴霧裝置中起著非常關(guān)鍵的作用，決定著施藥量、霧滴大小和均勻度等[4]。噴頭對流體的控制是以流體在噴頭內(nèi)腔中流動的運動學和動力學規(guī)律為基礎(chǔ)的，所以噴頭的正確設(shè)計需要掌握噴頭內(nèi)腔流體的流動狀況及流體與噴嘴的固體壁面之間的動力學關(guān)系。國內(nèi)學者對噴頭進行了大量的研究，用各種不同的數(shù)值方法(有限元法、邊界元法、流線法等)分析噴頭內(nèi)部流場。袁壽其[5]等人用有限體積法對全射流噴頭內(nèi)部流場特性進行數(shù)值模擬，并與試驗結(jié)果相比較，得到全射流噴頭內(nèi)部流場在直射和附壁狀態(tài)下的速度矢量圖。本文通過研究3WZ-25型動力噴霧機使用的Y1/4AT-19V霧化噴頭，進行噴頭內(nèi)部流場仿真，為今后結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1建立模型

1.1幾何模型

噴頭幾何模型如圖1所示。噴頭有4個矩形入水口，入口尺寸長L1=2mm、寬B1=1.5mm、高H1=1mm；噴頭出口為錐直形，出口直徑D2=0.66mm、長度L2=1mm、錐角α=45°。直射孔產(chǎn)生直流經(jīng)過對流混合在一起形成具有直射流和旋流的強烈紊流運動，經(jīng)過噴頭形成細水霧。

圖1　Y1/4AT-19V噴頭二維結(jié)構(gòu)示意圖

1.2網(wǎng)格化分

本文運用ICEM軟件劃分網(wǎng)格。ICEM具有強大的處理復雜模型能力和網(wǎng)格質(zhì)量高等優(yōu)點，可以實現(xiàn)任意復雜的幾何體進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分或?qū)唵螏缀误w進行六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。在劃分網(wǎng)格時，考慮到計算邊界結(jié)構(gòu)和流場的復雜性，采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，可以有效消除結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中節(jié)點的結(jié)構(gòu)性限制，提高計算的靈活性與準確性。劃分網(wǎng)格如圖2所示，生成的網(wǎng)格總數(shù)為個183 900個。

1、2、3、4.液體入口　5.液體出口　6.壁面

1.3輸出網(wǎng)格

完成模型的創(chuàng)建和網(wǎng)格的劃分以后，選擇求解器并輸出網(wǎng)格。本文使用默認的求解器直接輸出網(wǎng)格。

2數(shù)值計算

2.1輸入并檢查網(wǎng)格

啟動FLUENT三維單精度求解器，輸入上文所保存的網(wǎng)格文件并對其進行檢查。因為在ICEM 建模時所使用的長度單位為mm，而FLUENT 默認的是m，因此在檢查完網(wǎng)格后需對單位進行更改。

2.2計算模型

本文主要研究水在噴頭內(nèi)部的流動特性。假設(shè)流體為連續(xù)、等溫、不可壓縮牛頓流體流動[6]，必須滿足連續(xù)性方程。其連續(xù)方程為

(1)

其中，vx、vy、vz代表x、y、z方向的速度分量；ρ代表液體密度。

動量守恒方程為

(2)

式中xi—分別代表各坐標分量x、y、z；

μi—x、y、z方向的平均相對速度分量；

p—相對于包括了湍流動能k和離心力的壓力；

εijk—張量；

μe—有效粘性系數(shù)。

由于噴嘴口的橫截面積急劇收縮，射流在流經(jīng)此處時呈高速湍流狀態(tài),因此采用標準的K-ε方程[7]，其湍流動能K與耗散率ε的表達式分別為

GK+GB-ρε-YM+SK

(3)

(4)

2.3邊界條件與計算方法

研究基于有限體積法對控制方程進行離散, 動量方程、湍動能方程和湍動能耗散率均采用一階迎風差分格式進行計算。采用標準K-ε湍流模型進行數(shù)值計算。

根據(jù)3WZ-25型動力噴霧機正常工作壓力為2.0MPa，設(shè)置入口邊界條件為Pressure-inlet、出口邊界條件為Pressure-outlet、壁面設(shè)置為wall。

3計算結(jié)果與分析

3.1壓力場分析

噴頭在2、2.5、3MPa時，Z截面的壓力場分布分別如圖3～圖5所示。

圖3　Z截面壓力分布圖

圖4　Z截面壓力分布圖

圖5　Z截面壓力分布圖

從圖3～圖5可以看出：入口壓力增加，噴頭內(nèi)部壓力增加，噴頭出口從錐形面過渡到直形面過程，橫截面積減小，速度增大，壓力逐漸減小。在出口直形面末端，壓力達到負值，有助于抽吸上游水。

3.2速度場分析

噴頭在2MPa時，Z截面的速度場分布如圖6和圖7所示；噴頭在2.5MPa時，Z截面的速度場分布如圖8和圖9所示；噴頭在3MPa時，Z截面的速度場分布如圖10和圖11所示。

從圖6、圖8和圖10可以看出：入口壓力增加，出口速度明顯提高；流體流經(jīng)收縮錐面，軸向速度均增大，在錐形面和直形面連接處軸向速度急劇增加，并且通過直形通道進一步加速，使軸向速度達到最大；在出口近壁面處速度明顯小于中心處速度，原因是由于壁面存在摩擦力，所以近壁面速度減小。從圖7、圖9和圖11可以看出：液體經(jīng)過4個入口，到達交匯處形成直射流和旋流使液體加速，液體進入直徑稍大的旋轉(zhuǎn)室，提高射流的徑向速度, 噴霧的旋流特性增強，從而有利于提高噴頭的霧化角[8]、增大細水霧的覆蓋范圍；液體經(jīng)過錐直形出口噴出，進一步提高細水霧的徑向動量和出口流量。

圖6　Z截面出口速度分布圖

圖7　Z截面速度矢量圖

圖8　Z截面出口速度分布圖

圖9　Z截面速度矢量圖

圖10　Z截面出口速度分布圖

圖11　Z截面速度矢量圖

4結(jié)論

1)采用FLUENT軟件中的K-ε湍流模型對噴嘴內(nèi)部流體進行數(shù)值模擬，能夠較好地模擬噴嘴內(nèi)部流體的旋流產(chǎn)生和加速現(xiàn)象。

2)在壓強不同的條件下，對噴嘴內(nèi)部流體壓力場和速度場進行分析，得到了如下結(jié)論：增加入口壓力，出口速度顯著提高；但同時液體的旋流特性強度會減弱，影響霧化角和霧化范圍。

3)噴嘴入口的布置和出口形狀對液體起到了很好的加速作用，能夠滿足霧化時所需的動量要求。

4)本文僅對噴嘴內(nèi)部進行了數(shù)值模擬，在今后還要使用FLUENT軟件對噴嘴霧化場進行數(shù)值仿真，以便能夠了解噴嘴結(jié)構(gòu)對霧化性能的影響，更好地對噴嘴的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和改進。

參考文獻：

[1]孫曉紅．液體霧化及其沉降性能研究[D]．呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學,2013.

[2]劉玉洲.液力式噴霧機液體霧化的試驗研究[D].呼和浩特: 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，2011.

[3]何雄奎.植保機械化現(xiàn)狀與對策[J].農(nóng)機科技推廣,2005，33(15):34-38.

[4]羅瑤.植保機械噴頭內(nèi)部流場的數(shù)值模擬[D].長沙:湖南農(nóng)業(yè)大學，2008.

[5]袁壽其,朱興業(yè),李紅,等.全射流噴頭內(nèi)部流場計算流體動力學數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2005(10):46-49.

[6]張少峰,宋立麗.壓力旋流噴頭霧化性能的仿真[J].安徽農(nóng)業(yè)科學, 2009,37(17):8098-8100.

[7]楊國來，周文會，劉肥.基于FLUENT的高壓水射流噴嘴的流場仿真[J].蘭州理工大學學報，2008,34(2):48-52.

[8]何光華,周智力,弓永軍,等.直射-旋流霧化細水霧噴頭設(shè)計與仿真[J].機床與液壓,2008(10):81-83.

Greenhouse Nozzle Internal Flow Field Analysis Based on the ICEM and FLUENT

Hao Lei1，Gao Xiong1，Chen Tieying2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China;2.Inner Mongolia Agricultural and Animal Husbandry Machinery Technology Extersion Station, Hohhot 010010, China)

Abstract：To understand the change of the internal flow field in the nozzle,nozzle for the future external flow field characteristics study provides theoretical basis and method, according to the basic theory of computational fluid dynamics, the integrated use of ICEM mesh with FLUENT fluid analysis software for Y1/4AT-19V atomization nozzle internal flow field simulation. The results show that increasing pressure, outlet velocity increased significantly; Exports nearly constant speed are much smaller than the center; In the cone shape at the exit, the speed increase, pressure decrease.

Key words：greenhouse； atomization nozzle; velocity analysis; stress field analysis； ICEM； FLUENT

文章編號：1003-188X(2016)06-0088-05

中圖分類號：S121

文獻標識碼：A

作者簡介：郝磊(1989-)，男，內(nèi)蒙古集寧人，碩士研究生, (E-mail)471871462@qq.com。通訊作者：高雄(1957-)，男，呼和浩特人，副教授，碩士生導師, (E-mail)gao0927cn@ aliyun.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(41161045)

收稿日期：2015-05-05