基于Venturi效應(yīng)的兩相流霧化噴嘴設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

陸岱鵬 陶建平 王玨

摘要：現(xiàn)有的兩相流霧化噴嘴普遍存在著出口氣流速度低、霧滴粒徑大且霧滴粒徑分布不均勻等缺點(diǎn)，不適合應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的植物防治。為解決上述問(wèn)題，結(jié)合Venturi閥芯可以產(chǎn)生高的氣液兩相速度差和負(fù)壓吸水的效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種基于Venturi效應(yīng)的兩相流霧化噴嘴。運(yùn)用CFD數(shù)值模擬的方法分析了Venturi式兩相流霧化噴嘴的流場(chǎng)密度、壓力、速度及噴嘴出口平面速度分布規(guī)律，數(shù)值仿真結(jié)果表明，氣壓在0.2、0.3、0.4 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的出口速度分別為338、410、426 m/s;對(duì)試制的霧化噴嘴的物理樣機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，主要測(cè)試噴嘴的出氣口風(fēng)速和霧滴粒徑大小與分布，探究不同氣壓對(duì)Venturi式噴嘴霧化性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，氣壓在0.2、0.3、0.4 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的出口速度分別為345.5、425.7、437.4 m/s，噴嘴出口速度的實(shí)測(cè)值與仿真值得相對(duì)偏差在5%以?xún)?nèi);當(dāng)氣壓在0.2、0.3 MPa時(shí)，Venturi式霧化噴嘴的霧滴粒徑在3～65 μm內(nèi)，達(dá)到85%以上，而當(dāng)氣壓達(dá)到0.4 MPa時(shí)，霧滴粒徑在3～65 μm內(nèi)，達(dá)到98%;氣壓在0.2、0.3、0.4 MPa時(shí)，分別為45.64、43.16、36.75 μm，可以得出Venturi式霧化噴嘴的霧滴粒徑細(xì)小，達(dá)到煙霧級(jí)且分布均勻;在相同水壓下，隨著氣壓的增大，霧滴粒徑的D10、D50、D90和Dav均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。該研究可為Venturi式兩相流霧化噴嘴在植物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：Venturi效應(yīng);兩相流霧化噴頭;流體動(dòng)力學(xué)分析;霧化特性

中圖分類(lèi)號(hào)：S491 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）12-0250-06

設(shè)施農(nóng)業(yè)中的果菜類(lèi)作物，在其生長(zhǎng)的中后期，由于枝葉的遮蔽作用，使得農(nóng)藥?kù)F滴難以沉積到冠層內(nèi)部以及葉片背部等部位。目前在設(shè)施農(nóng)業(yè)中大量使用手持噴槍、背負(fù)式噴霧器、背負(fù)式機(jī)動(dòng)彌霧噴粉機(jī)、熱煙霧機(jī)和常溫?zé)熿F機(jī)等[1-4]，存在作業(yè)效率和農(nóng)藥利用率低、施藥人員安全性能差的問(wèn)題[5]。近幾年，為解決這些問(wèn)題，Nuyttens等研制了溫室用豎直噴桿噴霧機(jī)[6-7]，湯根法等研制了溫室大棚用小型推車(chē)式噴霧機(jī)[8]，石建業(yè)等研制了智能遙控拉移動(dòng)式溫室專(zhuān)用噴霧機(jī)[9]，祁力鈞等研制了具有噴頭變速搖擺功能和自動(dòng)進(jìn)、排藥功能的溫室搖擺式變量彌霧機(jī)[10]，管春松等研制了溫室大棚用導(dǎo)風(fēng)管式煙霧機(jī)[11]。對(duì)上述施藥機(jī)具及其性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)普遍存在霧滴粒徑大，達(dá)不到煙霧級(jí)且霧滴粒徑分布不均勻等問(wèn)題。究其根本原因，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的施藥機(jī)具的核心部件——噴嘴的霧化機(jī)制主要采用壓力霧化、離心霧化及靜電霧化等1種或多種霧化方式相結(jié)合的方法，存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、霧化效果不穩(wěn)定及噴嘴容易堵塞等缺點(diǎn)[12]。根據(jù)Llop等的研究可知，風(fēng)送輔助可以顯著提高溫室和冠層密集作物噴霧效果[13-14]，同時(shí)考慮到氣液兩相流霧化噴嘴出口氣流速度大，能夠促進(jìn)設(shè)施空間內(nèi)的氣流擾動(dòng)，提高農(nóng)藥?kù)F滴的沉積率。但是目前市面上沒(méi)有專(zhuān)門(mén)適用于設(shè)施農(nóng)業(yè)用的兩相流霧化噴嘴，現(xiàn)有的兩相流霧化噴嘴普遍具有出口氣流速度低、霧滴粒徑大且霧滴粒徑分布不均勻等問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，結(jié)合Venturi喉管可以產(chǎn)生高的氣液兩相速度差和負(fù)壓吸水的效應(yīng)，本研究擬設(shè)計(jì)一種基于Venturi效應(yīng)的兩相流霧化噴嘴，以滿(mǎn)足設(shè)施農(nóng)業(yè)中植物防治的需求。通過(guò)CFD數(shù)值模擬的方法對(duì)Venturi式噴嘴的流場(chǎng)密度、壓力、速度及噴嘴出口平面速度分布規(guī)律進(jìn)行了探討，并試驗(yàn)研究了該噴嘴的霧化特性。

1 噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 兩相流噴嘴霧化原理分析

氣液兩相流噴嘴，其霧化過(guò)程涉及到復(fù)雜的兩相流，從流體力學(xué)角度分析，可認(rèn)為雷諾數(shù)（Re）和韋伯?dāng)?shù)（We）是霧滴分裂和破碎的2個(gè)重要因素。Re和 We的求解方程為[15]

通過(guò)以上對(duì)噴嘴的霧化原理分析，可以明顯看出，氣液兩相速度差是影響噴嘴霧化性能的重要因素，同時(shí)考慮到超低量噴霧是植物保護(hù)行業(yè)大力推廣的一種施藥技術(shù)，所以在提高噴嘴出口速度的同時(shí)，還要降低噴嘴的進(jìn)液量，降低噴嘴供液壓力，盡可能采用負(fù)壓吸水的原理，這樣不僅可以降低噴嘴的供液量，同時(shí)還可以減小噴嘴的磨損，延長(zhǎng)噴嘴的使用壽命，因此結(jié)合Venturi效應(yīng)，設(shè)計(jì)一種基于Venturi效應(yīng)的兩相流霧化噴嘴。

1.2 Venturi式兩相流霧化噴嘴

本研究設(shè)計(jì)一種基于Venturi效應(yīng)的兩相流霧化噴嘴，通過(guò)Venturi效應(yīng)的作用增大噴嘴出口氣流速度，并在喉管處產(chǎn)生負(fù)壓進(jìn)行吸水，為使分散的液滴與氣流的相對(duì)速度最大，對(duì)供水的方式主要要求是使液滴在喉管部整個(gè)截面上盡可能快的均勻分布，供水方式主要分為徑向內(nèi)噴、軸向噴水、溢流供水3種，研究發(fā)現(xiàn)，徑向內(nèi)噴適用于小流量的情況下。因此本設(shè)計(jì)采用徑向內(nèi)噴的供水方式，從而既能增大氣液兩相速度差，又減小了流量且可以負(fù)壓吸水，以提高霧化性能，是非常合理的方法。

1.2.1 Venturi式霧化噴嘴結(jié)構(gòu) 為了提高氣液兩相速度差以提高噴嘴的霧化性能，在現(xiàn)有兩相流霧化噴嘴外部結(jié)構(gòu)不變的前提下，本研究應(yīng)用Venturi效應(yīng)對(duì)噴嘴內(nèi)部閥芯的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)[17]。從圖1-a可以看出，原霧化噴嘴內(nèi)部閥芯的氣流通道為錐形結(jié)構(gòu)（圖中虛線(xiàn)部分），其收縮錐角（γ）為15°，保持閥芯出口直徑和閥芯總長(zhǎng)不變，則閥芯出口直徑（D1）為 2.2 mm，進(jìn)水口直徑（D3）為3.6 mm，閥芯總長(zhǎng)（L） 為9.5 mm。將錐形結(jié)構(gòu)改為Venturi結(jié)構(gòu)，Venturi式閥芯實(shí)物見(jiàn)圖1-b所示。

為減少氣流在擴(kuò)張段的摩擦磨損和損失，擴(kuò)張段中心角不宜太小，本研究選取擴(kuò)張段中心角（θ）為24°，收縮段的中心角（β）為13°，Venturi結(jié)構(gòu)的求解方程為經(jīng)閥芯結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的噴嘴稱(chēng)為Venturi式霧化噴嘴，其具體結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖2-a，本Venturi式兩相流霧化噴嘴所有材質(zhì)均為SUS304，主要由超聲頭、 閥芯結(jié)構(gòu)、 進(jìn)氣管、安裝螺母等部件組成。超聲頭為圓柱體狀，靠近噴嘴出口處設(shè)有一定深度的同心盲孔，通過(guò)鋼絲與超聲頭進(jìn)行連接。超聲頭與進(jìn)氣管通過(guò)螺紋連接并將閥芯結(jié)構(gòu)固定在連接套管內(nèi)部。進(jìn)氣管上被加工的2個(gè)平面與連接套管內(nèi)壁組成了水流通道，水流從進(jìn)水口進(jìn)入噴嘴，并充滿(mǎn)閥芯結(jié)構(gòu)與連接套管中間的間隙，經(jīng)閥芯出水口進(jìn)Venturi結(jié)構(gòu)。壓縮空氣從進(jìn)氣口進(jìn)入噴嘴，經(jīng)閥芯處Venturi結(jié)構(gòu)加速與出水口的水混合并高速向外噴出，高速的水氣混合流與振動(dòng)腔碰撞破碎成彌散微細(xì)霧滴群。Venturi式霧化噴嘴實(shí)物見(jiàn)圖 2-b所示。

2 數(shù)值模擬

為了驗(yàn)證噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，本研究建立了噴嘴的氣流場(chǎng)三維模型，對(duì)所設(shè)計(jì)的噴嘴進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真，分析Venturi式氣液兩相流霧化噴嘴的流場(chǎng)密度、壓力、速度及噴嘴出口平面速度分布規(guī)律，并探究不同氣壓對(duì)噴嘴霧化性能的影響規(guī)律。

2.1 流體控制方程

由于噴嘴射流場(chǎng)處于高湍流狀態(tài)，因此采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型[18-19]，其湍動(dòng)能k和耗散率ε方程如下：

2.2 數(shù)值模型與邊界條件

在Gambit軟件中建立噴嘴的氣流場(chǎng)模型，噴嘴長(zhǎng)度為 64 mm，分別有氣相和液相2個(gè)圓形入口，其直徑分別為 134、12.0 mm，噴嘴出口直徑為2.2 mm的圓形平面，其下方約3.5 mm處有內(nèi)徑為2.0 mm，外徑為2.6 mm，高度為 33 mm 的一空芯圓柱，底面封閉，主要用于液滴2次霧化;噴嘴氣流場(chǎng)模型見(jiàn)圖3。

考慮到噴嘴在氣相和液相進(jìn)口面的鉛垂面具有面對(duì)稱(chēng)特性，因此選擇噴嘴一半幾何模型作為研究對(duì)象;為了模擬氣相從噴嘴入口至流向大氣環(huán)境的流場(chǎng)特性，需建立噴嘴出口處的大氣環(huán)境計(jì)算域，并對(duì)整個(gè)流場(chǎng)計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在壁面及噴嘴出口處附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為50萬(wàn)，其網(wǎng)格示意見(jiàn)圖4。

氣體流動(dòng)具有明顯的紊流和可壓縮特性，其速度、壓力及密度變化較大，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模擬，各離散方程均為二階離散格式。噴嘴氣相非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置如下：（1）氣相入口。壓力進(jìn)口邊界條件;（2）幾何對(duì)稱(chēng)面。對(duì)稱(chēng)邊界條件;（3）氣相出口。壓力出口邊界條件為環(huán)境大氣壓力;（4）其他。無(wú)滑移壁面邊界條件。

根據(jù)噴嘴試驗(yàn)工況，分別選定0.2、0.3、0.4 MPa，3個(gè)工況進(jìn)行模擬，由于氣體經(jīng)過(guò)高壓壓縮至空壓機(jī)內(nèi)，氣體溫度較環(huán)境溫度有較大升高，本研究取環(huán)境大氣溫度為300 K，高壓壓縮空氣溫度為360 K，迭代計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為2.5×10-5 s，監(jiān)測(cè)氣相入口質(zhì)量流量直至穩(wěn)定，停止迭代計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

本研究?jī)H顯示氣相入口壓力P0=0.4 MPa 的對(duì)稱(chēng)截面處的密度、壓力、速度及噴嘴出口平面速度云圖。從圖5至圖8中可以看出，由于氣體經(jīng)過(guò)空壓機(jī)內(nèi)處于高壓狀態(tài)，噴嘴入口處區(qū)域的氣體密度、壓力均比其他區(qū)域要大，密度約為常溫常壓下的3～5倍，隨著氣體在流道內(nèi)流動(dòng)，壓力和密度逐漸降低，壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能并在噴嘴喉部區(qū)域使速度達(dá)到最大，超過(guò)420 m/s;在噴頭出口處平面，在中心區(qū)域的速度最大，而靠近壁面附近區(qū)域的速度則明顯偏低，由于高速氣體的流出導(dǎo)致在噴頭出口處區(qū)域形成明顯負(fù)壓，致使噴嘴外部氣在噴嘴出口靠近壁面的區(qū)域形成回流，當(dāng)氣體流出噴嘴出口，速度呈喇叭狀分布。

為了清楚地了解氣體速度在空間的分布情況，選擇對(duì)稱(chēng)面上距離噴嘴出口平面下方1、10、50、100 mm處直線(xiàn)位置，并對(duì)各線(xiàn)名稱(chēng)分別定義為L(zhǎng)ine1、Line2、Line3、Line4，觀察速度在噴嘴2側(cè)的分布（圖9）。

統(tǒng)計(jì)速度在各線(xiàn)上的分布特性，其沿y方向變化曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖10。從圖10可以看出，離噴嘴出口平面1 mm位置處速度最大能達(dá)到426 m/s;從速度在噴嘴2側(cè)的分布來(lái)看，具有較為明顯的對(duì)稱(chēng)特性，噴嘴正下方區(qū)域速度達(dá)到最大值，且隨著距噴嘴出口平面距離增大，速度衰減幅度也逐漸，如當(dāng)距噴嘴出口平面100 mm時(shí)，其最大速度降至10 m/s以下。

通過(guò)對(duì)氣壓在0.2、0.3、0.4 MPa，3個(gè)工況的模擬，數(shù)值仿真結(jié)果表明，氣壓在0.2、0.3、0.4 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的出口速度分別為338、410、426 m/s;Venturi式兩相流霧化噴嘴能夠產(chǎn)生超音速氣流，對(duì)增大氣液兩相速度差具有顯著效果，且隨著入口壓力的增加，噴嘴出口的速度也相應(yīng)增加，速度在中心區(qū)域的速度最大，而靠近壁面附近區(qū)域的速度則明顯偏低，由于高速氣體的流出導(dǎo)致在噴頭出口處區(qū)域形成明顯負(fù)壓，致使

噴嘴外部氣體在噴嘴出口靠近壁面的區(qū)域形成回流，當(dāng)氣體流出噴嘴出口，速度呈喇叭狀分布。

3.2 性能試驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性和噴嘴的霧化性能，對(duì)Venturi式兩相流霧化噴嘴的出氣口速度及霧滴粒徑與進(jìn)入噴嘴的氣壓進(jìn)行了相關(guān)性試驗(yàn)。

3.2.1 噴嘴出口風(fēng)速及流量測(cè)定 試驗(yàn)于2017年5月10日在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行，當(dāng)日溫度為26～28 ℃，以自來(lái)水的靜止壓力P1=50 kPa作為試驗(yàn)時(shí)的水壓，并保持恒定，分別在不同氣壓下進(jìn)行風(fēng)速測(cè)試試驗(yàn)，每種工況重復(fù)3次。具體試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖11。采用臺(tái)灣先馳ST732熱線(xiàn)式風(fēng)速儀間接測(cè)定霧化噴頭的出風(fēng)口速度。由于ST732熱線(xiàn)式風(fēng)速儀的風(fēng)速測(cè)量范圍是0～40 m/s，所以根據(jù)能量守恒原理，間接地求出噴嘴的出口速度，為了方便計(jì)算，記測(cè)試處的速度值為v1，測(cè)試處出口的截面積為S1，本試驗(yàn)中S1=176.7 mm2，噴嘴的出口速度值為v2，噴嘴的出口截面積為S2，本試驗(yàn)中S2=3.8 mm2，則由耗氣量Q= v1 ·S1= v2 ·S2，可以得到噴嘴的出氣口速度，為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，計(jì)算出氣口速度與仿真值的偏差，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。噴嘴的出口速度均達(dá)到超音速，且隨著氣壓的增加，噴嘴出口速度也相應(yīng)增加;噴嘴出口速度的實(shí)測(cè)值與仿真值得相對(duì)偏差在5%以?xún)?nèi)，進(jìn)一步說(shuō)明對(duì)噴嘴的流場(chǎng)分析，可以較高精度地預(yù)測(cè)噴嘴的出氣口速度。

3.2.2 噴霧試驗(yàn) 試驗(yàn)于2017年5月16日在農(nóng)業(yè)部南京機(jī)械化研究所植保檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，當(dāng)日溫度為26～28 ℃，在水壓恒定的情況下，分別在不同氣壓下進(jìn)行噴霧試驗(yàn)，每種工況重復(fù)3次。具體試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖12。采用Winner318B工業(yè)噴霧激光粒度分析儀（濟(jì)南微納顆粒儀器股份有限公司生產(chǎn)）對(duì)本研究設(shè)計(jì)的霧化噴頭粒徑進(jìn)行測(cè)量，其主要工作原理是以光學(xué)原理為基礎(chǔ)，不同顆粒經(jīng)過(guò)激光截面時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的散射譜[20]。

3.2.3 試驗(yàn)分析 測(cè)試時(shí)，以自來(lái)水的靜止壓力P1=50 kPa作為試驗(yàn)時(shí)的水壓，并保持恒定，氣壓P0的調(diào)節(jié)范圍為 0.2～0.4 MPa。將原始數(shù)據(jù)在霧滴測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行處理，得到氣壓分別為02、0.3、0.4 MPa時(shí)，3種氣壓下噴頭的霧滴所占比例。從表4可以看出，當(dāng)氣壓在0.2、0.3 MPa時(shí)，Venturi式霧化噴嘴的霧滴粒徑在3～65 μm內(nèi)，達(dá)到85%以上，而當(dāng)氣壓達(dá)到0.4 MPa時(shí)，霧滴粒徑在3～65 μm 內(nèi)，達(dá)到98%，完全符合超低量施藥的霧滴要求。

利用霧滴測(cè)試系統(tǒng)分析，D10（累計(jì)霧滴直徑分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到10%所對(duì)應(yīng)的直徑）、D50（累計(jì)霧滴直徑分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%所對(duì)應(yīng)的直徑）、D90（累計(jì)霧滴直徑分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到90%所對(duì)應(yīng)的直徑）、Dav（霧滴直徑分布的平均直徑），對(duì)其分別取平均值。從表5可以看出，氣壓在0.2、0.3、0.4 MPa時(shí)，D50對(duì)應(yīng)的分別為45.64、43.16、36.75 μm;在相同水壓下，隨著氣壓的增大，霧滴粒徑的D10、D50、D90和Dav均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

4 結(jié)論與討論

根據(jù)有限單元法構(gòu)建的兩相流霧化噴頭虛擬樣機(jī)系統(tǒng)，可以較好地檢驗(yàn)噴頭設(shè)計(jì)是否合理，并且可以較高精度地預(yù)測(cè)噴嘴的出氣口速度，噴嘴出口速度的實(shí)測(cè)值與仿真值的相對(duì)偏差在5%以?xún)?nèi)。

氣壓在0.2、0.3、0.4 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的仿真值分別為338、410、426 m/s;Venturi式兩相流霧化噴嘴能夠產(chǎn)生超音速氣流，且隨著入口壓力的增加，噴嘴出口的速度也相應(yīng)增加，在中心區(qū)域的速度最大，而靠近壁面附近區(qū)域的速度則明顯偏低，由于高速氣體的流出導(dǎo)致在噴頭出口處區(qū)域形成明顯負(fù)壓，致使噴嘴外部氣體在噴嘴出口靠近壁面的區(qū)域形成回流，當(dāng)氣體流出噴嘴出口，速度呈喇叭狀分布。

當(dāng)氣壓在0.2、0.3 MPa時(shí)，Venturi式霧化噴嘴的霧滴粒徑在3～65 μm內(nèi)，達(dá)到85%以上，而當(dāng)氣壓達(dá)到0.4 MPa時(shí)，霧滴粒徑在3～65 μm內(nèi)，達(dá)到98%;氣壓在02、0.3、0.4 MPa 時(shí)，D50分別為45.64、43.16、36.75 μm，可以得出Venturi式霧化噴嘴的霧滴粒徑細(xì)小，達(dá)到煙霧級(jí)且分布均勻;在相同水壓下，隨著氣壓的增大，霧滴粒徑的D10、D50、D90和Dav均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

基于本研究結(jié)論，建議對(duì)噴嘴進(jìn)行兩相流模擬分析，進(jìn)一步分析噴嘴在不同氣液比下，霧滴的大小與分布。

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