煙霧機噴嘴霧化仿真研究

朱增強 ，王冉冉

（1.泰山管委櫻桃園管理區(qū)，山東 泰安271000；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安271018；3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安271018）

0 引言

植物保護機械和農(nóng)藥、防治技術(shù)一樣被譽為化學(xué)防治的三大支柱之一。植保機械的生產(chǎn)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然產(chǎn)物，它的高效防治病蟲害的作用已被人所共知?，F(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)表現(xiàn)了對植保機械很強的依賴性，已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展不可缺少的重要組成部分，是推動我農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要因素[1]。

煙霧機通常采用氣力霧化的方式，它作為一種可以產(chǎn)生煙霧的機械，是煙霧載藥技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備[2-5]，主要應(yīng)用于大田、林地和設(shè)施農(nóng)業(yè)中的病蟲害防治或施肥，由于其具有省水、省藥、附著性好、藥液噴灑均勻、操作方便等優(yōu)點[6-7]，在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用極為廣泛。

本文通過多物理場耦合進行研究，利用偏微分方程組（PDEs）描述煙霧機的霧滴在出口處的霧化中，霧滴大小和霧滴速度隨的變化規(guī)律。同時通過FLUENT進行仿真，研究霧滴大小及速度，與煙霧機壓力等參數(shù)之間的關(guān)系，對煙霧機的設(shè)計和參數(shù)提升具有至關(guān)重要的意義。

1 霧化及仿真原理

在本文中，仿真的噴頭選用內(nèi)混式雙流體噴頭，該噴頭采用氣力的方式實現(xiàn)霧化，其原理可以描述為：用高速氣流撞擊液體農(nóng)藥，進而將農(nóng)藥粉碎成較小的霧滴顆粒。這種方式也可以稱之為雙流體噴頭。噴頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 內(nèi)混式雙流體噴嘴示意圖

本文通過計算機仿真噴頭的霧化性能，用計算流體動力學(xué)方法中歐拉拉格朗模型對噴頭的外流場進行了數(shù)值模擬，分別模擬了不同型號的霧化噴頭對噴霧效果的影響及壓力對霧化性能影響。

2 數(shù)學(xué)模型

內(nèi)混式噴頭噴出煙霧時，屬于外流場液滴和空氣場的耦合，若仿真其液滴大小及其噴頭外的速度，需統(tǒng)籌考慮液滴的升力、重力，以及液體及氣體屬性受溫度影響等因素，本文中，液體體積占整個流場的比率小，氣流動量相對霧滴而言較大，因此本文的模型忽略了液滴和氣體的耦合，仿真中，主要考慮流場中氣體的流動參數(shù)。仿真中，氣場的壓力較小，為簡化計算，本文按照穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動來完成。同時仿真中忽略了溫度變化對流體性質(zhì)的影響，則流場內(nèi)的氣體流動可用公式（1）、（2）描述：

連續(xù)方程

動量方程

式中：ρ= Σαpρp為混合密度；νˉ= Σαpρp為混合速度。

3 計算仿真

本文的霧化噴頭所建立的仿真模型包括噴頭和霧化場兩個部分。模擬仿真中霧化場的計算區(qū)域按照六面體設(shè)計。計算模型的網(wǎng)格劃分采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，由于噴嘴的尺寸遠小于霧化場，為使收斂容易，需要利用尺寸函數(shù)，網(wǎng)格劃分時對噴嘴部分進行加密處理。

仿真采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型進行計算，其中離散模型采用CFD中的歐拉-拉格朗日公式，同時液滴處理使用離散相，空氣處理使用連續(xù)相處理。

單顆粒求解運動控制方程如公式（3）所示。在FLUENT中，利用對拉格朗日公式下顆粒作用力的積分，來求解離散相顆粒的軌跡。顆粒沿軌道運動的過程中，受到曳力、壓力、梯度力、虛擬質(zhì)量力和重力的作用，顆粒速度將沿軌道發(fā)生變化。

式中，vk為顆粒k的運動速度；mk為該顆粒的質(zhì)量；（ΣF）k為顆粒所受的合力。

軌跡方程：

運動方程：

式中，F(xiàn)D（u-up）為顆粒的單位質(zhì)量曳力。

式中，u為連續(xù)相密度；up為連續(xù)相動力黏度；ρ為離散相密度；dp為離散相直徑；Re為相對雷諾數(shù)。

仿真中曳力在霧化過程中占主要作用。本文涉及離散相液低崩裂的非穩(wěn)態(tài)流動模型，利用液滴形狀的變化的動態(tài)形式，選用動態(tài)曳力模型，確定曳力系數(shù)。

液滴為球形，其曳力系數(shù)表達式如式（7）、（8）所示。

液滴為非球形，其曳力系數(shù)表述式如公式（9）所示。

式中：y為液滴的變形值。

液滴的變性質(zhì)如公式（10）所示。

4 結(jié)果及分析

根據(jù)前文所述條件對噴頭進行仿真，霧化噴頭模擬工作壓力分別取 1.0 MPa、2.0 MPa、3.0 MPa，符合常用壓差標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)實際，本文仿真的噴頭口徑為1.0mm.

由于仿真用k-ε模型，其多項流模型選用eulerian模型，非穩(wěn)態(tài)計算中不考慮能量轉(zhuǎn)移、溫度變化和相對滑移等因素，噴頭的入口壓力為2.0MPa，其出口設(shè)計為正?？諝?，其出口壓力為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，仿真考慮湍流，如公式（11）、（12）、（13）所示。

式中：Q為流量，為0.17 L/s；d為水管直徑，為0.01 m；v為水管中的水流速度，為2.15 m/s；γ為水的運動粘度1.0×10-6m2/s；I為湍流強度，值為0.05.

參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 霧化噴頭模型參數(shù)設(shè)計

噴嘴壓力為1.5 MPa時，霧滴軌跡與速度如圖2所示。

圖2 壓力為1.5MPa時霧滴的軌跡與霧滴的速度

仿真可知，霧滴最大速度為0.959 m/s，霧滴直徑為0.22mm～1.62mm.

噴嘴壓力為2.0 MPa時，霧滴軌跡與速度如圖3所示。

圖3 壓力為2.0MPa時霧滴的軌跡與霧滴的速度

仿真可知，霧滴最大速度1.08 m/s，霧滴直徑為0.058～0.42mm.

噴嘴壓力為2.5 MPa時，霧滴軌跡與速度如圖4所示。

圖4 壓力為2.5MPa時霧滴的軌跡與霧滴的速度

噴嘴壓力為3.0 MPa時，霧滴軌跡與速度如圖5所示。

圖5 壓力為3.0MPa時霧滴的軌跡與霧滴的速度

仿真可知，壓力為3.0 MPa時霧滴的最大速度為1.05 m/s，霧滴直徑為 0.058～0.42 mm.

由仿真數(shù)據(jù)，噴嘴壓力小于2.5 MPa時，壓力增大時，霧滴的運動速度明顯增大，噴嘴壓力大于2.5 MPa，隨著壓力增大，霧滴的運動速度沒有顯著增加，其霧滴大小也沒有顯著變化。因為壓力增大意味著霧化過程需要更多能量，因此，在設(shè)計煙霧機時，需要根據(jù)實際選擇合適壓力。

5 結(jié)論

利用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，使用FLUENT，對拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程的積分求解離散相顆粒的軌跡，從而得到了不同壓力下，煙霧機的霧滴顆粒大小和霧滴在出口處的初始速度，得出了特定情況下，煙霧機關(guān)鍵參數(shù)與煙霧機壓力之間的關(guān)系，為煙霧機的設(shè)計提供了技術(shù)基礎(chǔ)，也為煙霧機參數(shù)的其它仿真提供了參考。