一種農(nóng)用氣液兩相噴頭的設(shè)計(jì)與噴霧特性仿真

李雪 陸岱鵬 王士林 張美娜 雷嘵暉 呂曉蘭

摘要： 基于文丘里原理設(shè)計(jì)了一款農(nóng)用氣液兩相噴頭，并采用k-8湍流模型，利用FLUENT和CFX求解器對(duì)噴頭內(nèi)部氣流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)（ CFD）仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：噴頭出口平面中心區(qū)域的氣流速度達(dá)到亞音速和超音速，噴頭出口的氣流速度隨著兩相壓力的增加而增加;當(dāng)氣相入口壓力一定時(shí)，液相人口壓力的增大可使噴頭下方兩側(cè)氣流朝噴頭軸向集中，噴口中心區(qū)域氣流速度的實(shí)測(cè)值與仿真值的相對(duì)偏差≤10%，仿真結(jié)果真實(shí)可靠。霧滴粒徑測(cè)試結(jié)果表明：在0.05 MPa的恒定水壓下，霧滴粒徑隨著氣壓的增高而降低;在常用工作氣壓下，距噴頭噴射距離1.6 m處，粒徑65 μm以下的霧滴比例≥85%，霧滴體積中徑（D50）<50 μm。所設(shè)計(jì)的噴頭霧化性能優(yōu)異，可獲得煙霧級(jí)霧滴，適用于在設(shè)施農(nóng)業(yè)中進(jìn)行整棚彌散性噴霧防治病蟲害。

關(guān)鍵詞：氣液兩相;噴頭;文丘里效應(yīng);計(jì)算流體力學(xué)（ CFD）;噴霧特性

中圖分類號(hào)：S491

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)： 1000-4440（ 2019） 03-0722-07 噴頭是決定植保機(jī)械噴霧性能的關(guān)鍵部件之一，與霧滴粒徑、霧滴分布均勻度和施藥量等關(guān)鍵指標(biāo)直接相關(guān)1-3]。目前，中國植保機(jī)械上使用的噴頭多為液力式圓錐霧噴頭和扇形霧噴頭，種類單調(diào)，生產(chǎn)規(guī)格不一，霧化質(zhì)量參差不齊。國外除了常見的液力式圓錐霧和扇形霧噴頭，還有專用的防飄失噴頭和技術(shù)先進(jìn)的變量噴頭，品種多樣，并具有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4-7]。在噴頭的研制上，中國落后于發(fā)達(dá)國家。特別是在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，配套專用的植保機(jī)械和關(guān)鍵部件十分缺乏，噴霧方式多為大容量噴霧，這種作業(yè)方式的農(nóng)藥有效利用率不足30%[8-10]，大量霧滴流失到地面，增加了土壤濕度，為病蟲害多次爆發(fā)提供條件，同時(shí)引起環(huán)境污染和食品安全等問題，此外大容量噴霧在作物成株期，霧滴不容易穿透植株冠層，難以在葉片背面沉積，致使病蟲害防治不徹底。

與大田和果園植保作業(yè)不同，設(shè)施植保作業(yè)在一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境中進(jìn)行，沒有自然風(fēng)的干擾，同時(shí)高溫高濕的獨(dú)特環(huán)境，在導(dǎo)致作物易患病蟲害之外，還會(huì)使設(shè)施內(nèi)部蚊蠅蛾等飛行蟲害（適宜農(nóng)藥霧滴尺寸10- 30 μm）頻發(fā)[11-13]。因此，設(shè)施植保作業(yè)應(yīng)主要考慮如何提升霧滴在整個(gè)棚室內(nèi)部的彌散性，對(duì)棚室內(nèi)部整個(gè)空間進(jìn)行防治，而忽略霧滴飄失。較細(xì)霧滴[氣霧（粒徑≤50 μm）、彌霧（50μm<粒徑≤100¨m）]的彌散性以及在固體表面的黏附性要顯著優(yōu)于較粗霧滴[常規(guī)霧（100 μm<粒徑≤200μm）、粗霧滴（粒徑>200 μm）][14]。而中國農(nóng)用噴頭常用壓力下所產(chǎn)生的霧滴粒徑一般為80 - 200 μm[15]，適合進(jìn)行目標(biāo)性強(qiáng)的作業(yè)，霧滴彌散性相對(duì)較差。因此，本研究針對(duì)設(shè)施栽培獨(dú)有的環(huán)境特點(diǎn)和防治對(duì)象，研制一種能夠產(chǎn)生煙霧級(jí)霧滴的農(nóng)用氣液兩相噴頭，并對(duì)噴頭進(jìn)行噴霧特性仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 材料與方法

1.1 氣液兩相流霧化噴頭的設(shè)計(jì)

基于文丘里原理（圖1）設(shè)計(jì)氣液兩相流霧化噴頭。設(shè)計(jì)的噴頭（圖2）主要由超聲頭、閥芯結(jié)構(gòu)（內(nèi)端頭）、進(jìn)氣管、安裝螺母等部件組成，材質(zhì)為SUS304。其中閥芯采用文丘里結(jié)構(gòu)，為使液滴在閥芯喉管部整個(gè)截面上較快均勻分布，采用了徑向內(nèi)噴的供水方式，以增大氣液兩相速度差，同時(shí)減小流量，提高噴頭的霧化性能。

超聲頭為圓柱體，靠近噴頭出口處設(shè)有一同心盲孔，通過鋼絲與超聲頭連接。超聲頭與進(jìn)氣管通過螺紋連接并將閥芯結(jié)構(gòu)固定在連接套管內(nèi)部。進(jìn)氣管與后蓋形成的套管間隙組成了水流通道。噴頭內(nèi)腔的低壓氣流在閥芯喉管處形成高速氣流，高速氣體和套管中被吸人的低壓液體在狹窄真空區(qū)域充分混合和碰撞后以高速氣霧流的形式噴出，噴出的氣霧流再受到噴頭尖的撞擊進(jìn)行二次霧化，形成煙霧狀的細(xì)小霧滴。

1.2 噴頭噴霧特性試驗(yàn)

1.2.1 霧滴粒徑測(cè)試采用Winner318B工業(yè)噴霧激光粒度分析儀（濟(jì)南微納科技有限公司產(chǎn)品）對(duì)氣液兩相霧化噴頭進(jìn)行粒徑測(cè)量，環(huán)境溫度為26 -28℃。測(cè)試時(shí)噴頭的進(jìn)氣口經(jīng)調(diào)壓閥（臺(tái)灣AIRTAC亞德客公司產(chǎn)品，型號(hào)AR2000）與氣泵（上海奧突斯工貿(mào)有限公司產(chǎn)品，型號(hào)550W-30L）相連，進(jìn)水口經(jīng)調(diào)壓閥與液泵（寧波雷誠泵業(yè)有限公司產(chǎn)品，型號(hào)LS-0416）相連（圖3）。在水壓恒定（0.05 MPa）的前提下測(cè)試不同氣壓下霧滴粒徑的分布，噴頭距離儀器1.6 m，每種工況重復(fù)3次。

1.2.2 噴頭計(jì)算流體力學(xué)仿真試驗(yàn) 為了解噴頭內(nèi)部?jī)上嗔黧w的運(yùn)動(dòng)情況，利用FLUENT和CFX求解器對(duì)噴頭進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（ Computational fluiddynamics，CFD）仿真[16-17]，建立噴頭的氣流場(chǎng)三維模型，分析不同氣壓下氣流速度的變化特性。由于噴頭的氣液兩相流動(dòng)涉及高壓壓縮空氣和液相水，為了觀察噴頭流道內(nèi)外的氣液兩相分布情況，采用VOF模型18]進(jìn)行氣液兩相非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模擬。因此，仿真分為2部分：①對(duì)噴口氣霧流速度起決定性作用的氣流速度進(jìn)行仿真，分析不同壓力下噴頭截面速度變化和出口平面氣流速度分布;②氣液兩相非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)仿真，分析氣霧的分布情況。

1.2.2.1 噴頭氣流速度仿真 選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程[19-20]湍流模型進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模擬，噴頭的氣相人口壓力從0.2 MPa變化至0.5 MPa，將氣體物理屬性設(shè)為可壓縮理想氣體。在Gambit軟件中建立噴頭的氣流場(chǎng)模型，噴頭長度為64.0 mm，分別有氣相和液相2個(gè)圓形人口，其直徑分別為13.4 mm和12.0 mm，噴頭出口直徑為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2.6mm、高度為3.3 mm的一空芯圓柱，底面封閉，用于液滴二次霧化。噴頭氣流場(chǎng)模型如圖4所示。

噴頭在氣相和液相進(jìn)口面的鉛垂面具有面對(duì)稱特性，因此選擇噴頭幾何模型的一半作為研究對(duì)象。為了模擬氣相從噴頭入口至流向大氣環(huán)境的流場(chǎng)特性，建立噴頭出口處的大氣環(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，在壁面及噴頭出口處附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為5. Ox105（圖5）。根據(jù)噴頭后期試驗(yàn)工況，分別選定氣壓0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa及0.5 MPa 4個(gè)工況進(jìn)行氣相模擬。噴頭氣相非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置如下：（1）氣相人口壓力0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa及0.5 MPa;（2）幾何對(duì)稱面，對(duì)稱邊界條件;（3）氣相出口壓力為環(huán)境大氣壓1 atm;（4）其他為無滑移壁面邊界條件。

1.2.2.2 氣液兩相非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)仿真噴頭幾何外形如圖4所示，噴頭氣相流動(dòng)經(jīng)歷了亞音速到超音速的過程，同時(shí)伴隨液相流動(dòng)，過程復(fù)雜。為提高仿真的精度，合理縮減仿真時(shí)間，根據(jù)幾何對(duì)稱性對(duì)噴頭外形進(jìn)行簡(jiǎn)化，選取噴頭圓周方向的1/8作為研究對(duì)象。氣液兩相流動(dòng)計(jì)算域由噴頭出口面下方100mm和噴頭出口面平面外延半徑150 mm組成的扇形區(qū)域，兩側(cè)面（對(duì)稱面）的夾角為450，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，全局網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)約1.7×10（圖6）。

用CFX求解器對(duì)噴頭噴口周圍的氣液兩相流場(chǎng)分布特性進(jìn)行仿真計(jì)算，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k一ε雙方程模型，氣相和液相表面視為均勻相自由表面，氣體選擇可壓縮理想氣體，同時(shí)考慮水的表面張力為0. 072 N/m，主相為氣體。相應(yīng)邊界條件設(shè)置如下：（1）氣相入口邊界條件設(shè)置見表1;（2）液相人口邊界條件設(shè)置見表2，液相溫度設(shè)置為300 K;（3）兩側(cè)對(duì)稱面為對(duì)稱邊界條件;（4）圓柱面及底部扇形面為出口邊界條件，環(huán)境大氣壓為1 atm，環(huán)境溫度為300 K;（5）其他為無滑移的壁面邊界條件。

1.2.3 氣流仿真結(jié)果驗(yàn)證試驗(yàn)為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，對(duì)氣液兩相噴頭出氣口速度隨噴頭氣液入口壓力變化的規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)方法：在噴頭工作后，利用氣流穩(wěn)壓緩沖裝置（圖7），在恒定氣壓下，用熱敏式風(fēng)速儀（智標(biāo)GM8903）測(cè)定裝置出氣口處界面氣流速度，待風(fēng)速儀上數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)重復(fù)3次。塑料管口的速度記為V試，塑料管內(nèi)孔面積為Js管，噴頭出口的速度為V噴，噴頭出口的面積為S噴，則V試XS管=V噴XS噴，V噴=V試×（D管/D噴）2，式中，塑料管內(nèi)徑D管=20.0 mm，噴頭出氣口直徑D噴=2.2 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣液兩相流霧化噴頭的霧滴粒徑

當(dāng)噴霧液的靜止試驗(yàn)水壓Pl=0.05 MPa時(shí)，不同氣壓Po（O.2 MPa、0.3 MPa及0.4 MPa）下霧滴粒徑的分布百分比見表3。由表3可知，當(dāng)氣壓在0.2MPa和0.3 MPa時(shí)，粒徑65μm以下的霧滴占比在85%以上;而當(dāng)氣壓達(dá)到0.4 MPa時(shí)，65 μm以下的霧滴占比高達(dá)98%。霧滴的體積中徑D50均小于50μm。霧滴達(dá)到煙霧級(jí)水平，霧滴圖譜見圖8。

2.2 噴頭計(jì)算流體力學(xué)仿真結(jié)果

2.2.1 氣流速度仿真結(jié)果 隨著壓縮氣體在流道內(nèi)流動(dòng)，壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能并在噴頭喉部區(qū)域使氣流速度達(dá)到最大，接近500 m/s。在噴頭出口處平面的中心區(qū)域速度最大，而在壁面附近區(qū)域速度則明顯偏低。由于高速氣體的流出導(dǎo)致在噴頭出口區(qū)域形成明顯負(fù)壓，致使噴頭外部氣體在噴頭出口靠近壁面的區(qū)域形成回流，呈喇叭狀分布。

為了解不同壓力下氣流速度的空間分布情況，選擇對(duì)稱面上距離噴頭出口平面下方1 mm、10mm、50 mm以及100 mm處直線位置（圖9），觀察噴頭兩側(cè)的速度分布。速度在各直線上的分布曲線如圖10所示。由圖10可知，距噴頭出口平面1 mm位置處速度最大可達(dá)到450 m/s，速度在噴頭兩側(cè)的分布具有明顯的對(duì)稱性，速度最大值出現(xiàn)在噴頭正下方區(qū)域，且隨著距離增大速度衰減幅度隨之增大，當(dāng)距噴頭出口平面100 mm時(shí)最大速度已降至10m/s以下。

由4個(gè)工況的仿真結(jié)果可知，氣壓為0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa及0.5 MPa時(shí)，噴頭出口中心區(qū)域氣流速度分別為338 m/s、410 m/s、426 m/s和450m/s。說明所設(shè)計(jì)的氣液兩相流霧化噴頭能夠產(chǎn)生超音速氣流，噴頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)增大氣液兩相速度差具有顯著效果。

2.2.2 氣液兩相非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)仿真結(jié)果采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，計(jì)算時(shí)間步長為2. Oxl0 s，計(jì)算總時(shí)長為0. 02 s。t=0 s時(shí)整個(gè)計(jì)算域處于初始狀態(tài)，計(jì)算域內(nèi)的流場(chǎng)速度和湍流強(qiáng)度等參數(shù)均為0，氣體體積分?jǐn)?shù)為1.0，環(huán)境溫度為300 K，共計(jì)算6個(gè)工況（氣壓0.3 MPa，液壓0.05 MPa;氣壓0.3 MPa，液壓0. 10 MPa：氣壓0.4 MPa，液壓0.05 MPa;氣壓0.4MPa，液壓0.10 MPa;氣壓0.5 MPa，液壓0.05MPa;氣壓0.5 MPa，液壓0.10 MPa）。由仿真結(jié)果分析得出，氣流自人口面進(jìn)入，在噴頭喉部的速度達(dá)到最大，約為540 m/s至630 m/s;在喉部下方，由于受噴頭兩側(cè)水流的影響，氣流高速區(qū)主要集中在中間區(qū)域，而兩側(cè)速度很小，形成較大的速度梯度，氣體從噴頭出口面噴出，徑直噴向下方的空芯圓柱，但由于受到空芯圓柱底部壁面的阻擋，氣流發(fā)生反向流動(dòng)從空芯圓柱上表面流出后向兩側(cè)流動(dòng)，隨著離噴頭出口面距離的變大，氣流速度的衰減逐漸增大。從速度分布特征還可以得出，當(dāng)氣相入口壓力一定時(shí)，液相入口壓力的增大可使噴頭下方的兩側(cè)氣流朝噴頭軸向集中，液相分布同樣也具有這一特征。

2.3 氣液兩相流霧化噴頭的氣流仿真結(jié)果驗(yàn)證

噴頭氣流速度測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果（表4）顯示，噴頭出口氣流速度均達(dá)到超音速，且噴頭出口氣流速度隨著兩相壓力的增加而增加，實(shí)測(cè)值與仿真值的相對(duì)偏差≤10%。說明噴頭流場(chǎng)的仿真分析結(jié)果與噴頭實(shí)際噴霧特性的一致性較高。

3 結(jié)論

設(shè)施農(nóng)業(yè)棚室內(nèi)部高溫高濕，蚊蠅蛾等飛行蟲害頻發(fā)，而飛行蟲害的防治對(duì)植保機(jī)械噴霧性能的要求較高，適宜的霧滴粒徑在10 μm至30 μm之間。因此，設(shè)施植保作業(yè)應(yīng)主要考慮提升霧滴在整個(gè)棚室內(nèi)部的彌散性，對(duì)棚室內(nèi)部整個(gè)空間進(jìn)行防治，不用考慮霧滴飄失問題。本研究基于文丘里原理設(shè)計(jì)了一款農(nóng)用氣液兩相噴頭，并對(duì)噴頭進(jìn)行了噴霧特性仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：（1）通過霧滴粒徑測(cè)試試驗(yàn)測(cè)得，0. 05 MPa的恒定水壓下，霧滴粒徑隨著氣壓的增高而降低，65 μm以下的霧滴占比≥85%，霧滴體積中徑（D50）<50 μm，噴頭霧化性能優(yōu)異，能夠獲得煙霧級(jí)霧滴，可進(jìn)行超低容量噴霧;（2）噴頭氣流速度場(chǎng)的CFD仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果說明，噴頭能夠產(chǎn)生超音速氣流，噴頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)增大氣液兩相速度差具有顯著效果，有利于霧滴的超細(xì)霧化。（3）當(dāng)氣相入口壓力一定時(shí)，液相人口壓力的增大可促使噴頭下方兩側(cè)的氣流朝噴頭軸向集中，噴頭出口的氣流速度隨著兩相壓力的增加而增加，氣流速度實(shí)測(cè)值與仿真值的相對(duì)偏差≤10%，仿真結(jié)果可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂曉蘭，何雄奎，宋堅(jiān)利，等.標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭霧化過程測(cè)試分析[J].農(nóng)業(yè)T程學(xué)報(bào)，2007，23（9）：95-100.

[2]王雙雙，何雄奎，宋堅(jiān)利，等，農(nóng)用噴頭霧化粒徑測(cè)試方法比較及分布函數(shù)擬合[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（ 20）：34-42.

[3]祁力鈞，胡錦蓉，史巖，等，噴霧參數(shù)與飄移相關(guān)性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（5）：122-125.

[4]樊榮，師帥兵，楊福增，等.我國植保機(jī)械常用噴頭的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，36（6）：6-9.

[5]董福龍，周宏平.國外植保噴頭技術(shù)開發(fā)進(jìn)展[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，40（4）：1-11.

[6]何雄奎，改變我國植保機(jī)械和施藥技術(shù)嚴(yán)重落后的現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（1）：13-15.

[7]曹興喬，我國植保機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2011（ 12）：63-64.

[8]祁力鈞，傅澤田，史巖，化學(xué)農(nóng)藥施用技術(shù)與糧食安全[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18（6）：203-206.

[9] 鄧敏，邢子輝，李衛(wèi).我國施藥技術(shù)和施藥機(jī)械的現(xiàn)狀及問題[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，36（5）：235-238.

[10]傅錫敏，薛新宇.我國施藥技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀及其發(fā)展思路[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2010（5）：13-15.

[11]李中華，孫少磊，丁小明，等，我國設(shè)施園藝機(jī)械化水平現(xiàn)狀與評(píng)價(jià)研究[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，51（6）：1143-1148.

[12]蔣衛(wèi)杰，鄧杰，余宏軍，設(shè)施園藝發(fā)展概況、存在問題與產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，48（ 17）：3515-3523.

[13]郭世榮，孫錦，束勝，等.我國設(shè)施園藝概況及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國蔬菜，2012（ 18）：1-14.

[14]

MATTHEWS G A.Pesticide application methods[M].3rd ed. Ox-ford： Blackwell Science Ltd. 2000.

[15]戴奮奮，袁會(huì)珠，張玲，等.植保機(jī)械與施藥技術(shù)規(guī)范[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[16]袁壽其，朱興業(yè)，李紅，等，全射流噴頭內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36（ 10）：46-49.

[17]沈從舉，賈首星，孟祥金，等.基于SolidWorks的氣泡霧化施藥噴頭3D設(shè)計(jì)與建模[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（1）： 359-362.

[18]張健，方杰，范波芹.VOF方法理論與應(yīng)用綜述[J].水利水電科技進(jìn)展，2005，25（2）：67-70.

[19] LAUNDER B E，SPALDING D B.Lectures in mathematicalmodels of turbulence[M].London： Academic Press， 1972.

[20]王福軍，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

（責(zé)任編輯：張震林）