基于離散相模型的超聲霧化噴嘴霧滴沉積特性研究

王梅香，張彥斐，宮金良

(1. 山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山東 淄博 255049；2.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院, 山東 淄博 255049)

目前，農(nóng)藥利用率僅為35%[1-2],農(nóng)藥過量施用引起的環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量問題日益嚴(yán)重。霧滴沉積量是影響農(nóng)藥利用率的重要指標(biāo)，其受噴嘴性能、氣象條件、施藥技術(shù)等影響，理想的情況是應(yīng)盡量使霧滴沉積到靶標(biāo)區(qū)域以減少非靶標(biāo)區(qū)域的農(nóng)藥漂移[3-4]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對霧滴沉積特性影響因素的研究主要集中于噴施高度[5-7]、噴施壓力[8-9]、氣流速度[10-12]和噴施角度[13-15]。Delele 等[16-17]對果園風(fēng)送式噴霧機(jī)噴施壓力進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明噴施壓力對噴霧機(jī)的霧滴參數(shù)有一定影響。Baetens等[18]對風(fēng)送式噴桿噴霧機(jī)霧滴漂移分布規(guī)律進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果顯示噴桿高度和風(fēng)速對霧滴漂移影響較大。Fritz[19]建立了WTDISP(wind tunnel dispersion)模型，得到不同噴嘴在風(fēng)洞條件下的漂移規(guī)律。孫國祥等[20-21]對不同噴施高度和風(fēng)速下的霧滴沉積特性進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示霧滴的沉積量隨噴霧高度和風(fēng)速的增加逐漸減小。李東紅等[22]在無風(fēng)條件下以噴嘴角度為實(shí)驗(yàn)因素，進(jìn)行了噴霧沉積實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了噴嘴角度對霧滴沉積影響顯著。王景旭等[23]研究了靶標(biāo)對霧滴運(yùn)動(dòng)的遮擋長度與噴霧角度的關(guān)系，結(jié)果表明隨著噴霧角度的增加，進(jìn)口處的噴霧有效幅寬減小。宋堅(jiān)利等[24]通過實(shí)驗(yàn)表明，改變噴霧方向角會(huì)增加藥液在水平靶標(biāo)上的沉積量。綜述已有研究，大多數(shù)都只是研究噴施角度、氣流速度、噴施壓力及噴施高度各自對沉積量的影響，并未探討噴施角度與氣流速度對沉積量的綜合影響。由于在藥液噴施過程中，氣流速度是產(chǎn)生霧滴漂移的主要因素，而改變噴施角度能夠有效增加霧滴在水平靶標(biāo)上的沉積量；因此，研究不同氣流速度下的最佳噴施角度具有重要意義。

本文采用Species Transport模型和Discrete Phase模型對農(nóng)用超聲霧化噴嘴在不同風(fēng)速、不同噴施角度下的霧滴沉積特性進(jìn)行仿真分析，研究不同工作條件對霧滴沉積量的影響，從而得到不同風(fēng)速下的最佳噴施角度，以期為農(nóng)用超聲霧化噴嘴精量施藥提供理論依據(jù)。

1 模擬區(qū)域幾何模型及流體計(jì)算模型的建立

1.1 幾何模型的建立

為提高噴嘴霧化效果，將超聲理論應(yīng)用到液體射流霧化中[25-26]，根據(jù)Hartmann哨原理，在Design Modeler中建立農(nóng)用超聲霧化噴嘴的幾何模型，如圖1所示。藥液從進(jìn)口管流入，經(jīng)噴嘴斜壁加速后由高速噴孔噴出進(jìn)入諧振腔，產(chǎn)生的超聲波對藥液產(chǎn)生空化作用，使藥液破碎霧化成均勻的細(xì)小霧滴，從藥液出口噴出。幾何模型中，選取噴孔直徑為1.5 mm，藥液進(jìn)口管直徑為10 mm，高速噴孔與諧振腔之間的距離為3 mm，藥液出口直徑為2 mm，諧振腔直徑為3 mm，諧振腔深度為4 mm。

建立霧滴沉積仿真區(qū)域幾何模型，模擬計(jì)算域?yàn)殚L4 m、寬0.8 m、高0.8 m的長方體，如圖2所示。定義霧滴沉積面幾何中心為原點(diǎn)，風(fēng)速沿x軸正方向(水平向右)進(jìn)入，噴嘴位于長方體上平面的幾何中心處，坐標(biāo)為(0,0.8,0)。

圖2 模擬區(qū)域幾何模型Fig.2 Geometry model of the simulation area

通過Mesh對已建立的模擬計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。其中網(wǎng)格數(shù)為9.01×107，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1.69×107。

圖3 模擬區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing of simulation area

1.2 流體計(jì)算模型

根據(jù)農(nóng)用超聲霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了便于分析計(jì)算，運(yùn)用有限體積法來控制方程的離散，流場計(jì)算采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的SIMPLEC算法。在ANSYS19.0軟件Fluent模塊中設(shè)置求解器模型為Viscous-Standardk-ε模型、Species Transport模型和Discrete Phase模型,對計(jì)算區(qū)域流場進(jìn)行模擬，其中湍流模型的動(dòng)能方程和擴(kuò)散方程滿足:

Gk+Gb-ρ-YM+Sk,

(1)

(2)

式中：ρ為流體密度；k為湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能耗散率；μ為流體的動(dòng)力粘度；μi為速度分量；xi和yi為坐標(biāo)分量；Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM為湍流脈動(dòng)膨脹對總耗散率影響系數(shù)；Cε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Sk和Sε為源項(xiàng)；模型常量σk=1.0，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σε=1.3。

湍流速度μt為

(3)

式中：ρ為流體密度；k為湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能耗散率；模型常量Cμ=0.09。

在模擬噴霧過程中，離散相運(yùn)動(dòng)方程采用歐拉-拉格朗日方程(Euler-Lagrange equation)求解，離散相顆粒運(yùn)動(dòng)方程為

(4)

式中:u為連續(xù)相速度，m/s；up為顆粒速度，m/s；ρp為顆粒密度，kg/m3；dp為顆粒直徑，m；gx為重力加速度，m/s2；Re為相對雷諾數(shù)；CD為曳力系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同風(fēng)速對霧滴沉積量的影響

基于上述模型參數(shù),對不同風(fēng)速下的霧滴沉積過程進(jìn)行模擬。取噴嘴進(jìn)口壓力為2 MPa、噴施高度為0.8 m、噴施角度為0°，分析風(fēng)速分別為v=0、1、2、3 m/s時(shí)霧滴分布圖，如圖4所示。圖4中，從藍(lán)色到紅色表示霧滴離開噴嘴的時(shí)間越來越長。可以看出，當(dāng)v=0時(shí)，噴嘴噴出的霧滴呈半錐角為30°的圓錐狀分布，霧滴沉積密集區(qū)域位于噴嘴正下方，沉積效果最好；當(dāng)v=1、2、3 m/s時(shí)，隨著入口風(fēng)速的增大，霧滴沉積密集區(qū)域逐漸偏離噴嘴正下方，且向x軸正方向移動(dòng)，風(fēng)速越大，霧滴漂移距離越遠(yuǎn)。

(a)v=0

(b)v=1 m/s

(c)v=2 m/s

(d)v=3 m/s圖4 不同風(fēng)速下霧滴分布云圖Fig.4 Distribution of fog droplets at different wind speeds

通過CFD-Post后處理得到噴施角度為0°時(shí)不同風(fēng)速下霧滴沉積分布曲線，如圖5所示。當(dāng)風(fēng)速v=0時(shí)，霧滴沉積高峰區(qū)主要集中在噴嘴正下方，霧滴沉積量峰值為2.65×10-3μL/cm2；當(dāng)風(fēng)速v=1 m/s時(shí)，霧滴沉積量高峰區(qū)移動(dòng)到0.5 m處，霧滴沉積量峰值為1.92×10-3μL/cm2；當(dāng)風(fēng)速v=2 m/s時(shí)，霧滴沉積量高峰區(qū)移動(dòng)到1.25 m處，霧滴沉積量峰值為1.25×10-3μL/cm2；當(dāng)風(fēng)速v=3 m/s時(shí)，霧滴沉積量高峰區(qū)移動(dòng)到1.75 m處，霧滴沉積量峰值為0.81×10-3μL/cm2。

圖5 不同風(fēng)速下霧滴沉積分布曲線Fig.5 Distribution curve of droplet deposition under different wind speeds

2.2 不同噴施角度對霧滴沉積量的影響

將噴嘴中心軸線與豎直方向的夾角定義為噴施角度α。在噴施高度為0.8 m、入口壓力2 MPa、風(fēng)速為1 m/s的條件下，分析不同噴施角度對霧滴沉積特性的影響，圖6所示為不同噴施角度下的霧滴沉積云圖。由圖6可知，隨著噴施角度從5°～20°不斷增加，霧滴沉積密集區(qū)域逐漸向x軸負(fù)方向移動(dòng)。圖7為不同噴施角度下霧滴沉積分布曲線。在噴施角度分別為5°、10°、15°、20°時(shí)，霧滴沉積高峰區(qū)分別位于0.25 m、0 m、-0.25 m、-0.5 m。當(dāng)噴施角α=10°時(shí)，霧滴沉積密集區(qū)域位于噴嘴正下方，沉積量峰值為2.15×10-3μL/cm2，較噴施角度為0°時(shí)增加了 11.98%，為最佳噴施角度。

圖8所示為風(fēng)速v=2 m/s時(shí)不同噴施角度下霧滴分布云圖。由圖8可知，隨著噴施角度從10°～25°不斷增加，霧滴沉積密集區(qū)域逐漸移動(dòng)到噴嘴正下方靶標(biāo)區(qū)域后繼續(xù)向x軸負(fù)方向移動(dòng)，漂移量減少。圖9為不同噴施角度下霧滴沉積分布曲線。在噴施角度分別為10°、15°、20°、25°時(shí)，霧滴沉積高峰區(qū)分別位于0.5 m、0.25 m、0 m、-0.25 m。當(dāng)噴施角α=20°時(shí)，霧滴沉積密集區(qū)域位于噴嘴正下方，沉積量峰值為1.58×10-3μL/cm2，較噴施角度為0°時(shí)增加了26.4%，為最佳噴施角度。

(a)α=5°

(b)α=10°

(c)α=15°

(d)α=20°

圖7 v=1 m/s時(shí)不同噴施角度下霧滴沉積分布曲線Fig.7 Distribution curve of droplet deposition at different spraying angles at v = 1 m/s

(a)α=10°

(b)α=15°

(c)α=20°

(d)α=25°

圖9 v=2 m/s時(shí)不同噴施角度下霧滴沉積分布曲線Fig.9 Distribution curve of droplet deposition at different spraying angles at v = 2 m/s

圖10所示為風(fēng)速v=3 m/s時(shí)不同噴施角度下霧滴分布云圖。由圖10可知，隨著噴施角度從15°～30°逐漸增加，霧滴沉積密集區(qū)域不斷向x軸負(fù)方向移動(dòng)，沉積量增加、漂移量減少。圖11為不同噴施角度下霧滴沉積分布曲線。在噴施角度分別為15°、20°、25°、30°時(shí)，霧滴沉積高峰區(qū)分別位于0.75 m、0.25 m、0 m、-0.25 m。當(dāng)噴施角α=25°時(shí)，霧滴沉積密集區(qū)域位于噴嘴正下方，沉積量峰值為1.15×10-3μL/cm2，較噴施角度為0°時(shí)增加了41.97%，為最佳噴施角度。

(a)α=15°

(b)α=20°

(c)α=25°

(d)α=30°

圖11 v=3 m/s時(shí)不同噴施角度下霧滴沉積分布曲線Fig.11 Distribution curve of droplet deposition at differentspraying angles at v = 3 m/s

3 結(jié)論

采用Species Transport模型和Discrete Phase模型對農(nóng)用超聲霧化噴嘴的霧滴沉積分布特性進(jìn)行了仿真分析，通過對比不同風(fēng)速和噴施角度下的仿真結(jié)果得到如下結(jié)論：

1)霧滴沉積量以拋物線形式分布，隨著風(fēng)速的增加，霧滴沉積密集區(qū)域不斷遠(yuǎn)離噴嘴正下方，沉積量逐漸減少。在噴施角度為0°、噴施高度為0.8 m、入口壓力為2 MPa的條件下，風(fēng)速為0 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s時(shí)，霧滴沉積密集區(qū)域分別位于0 m、0.5 m、1.25 m、1.75 m，霧滴沉積量峰值分別為2.65×10-3μL/cm2、1.92×10-3μL/cm2、1.25×10-3μL/cm2、0.81×10-3μL/cm2。

2)一定的噴施角度能夠減小風(fēng)速對霧滴漂移的影響，增大沉積量并使沉積密集區(qū)域保持在噴嘴正下方。在噴施高度為0.8 m、入口壓力為2 MPa的條件下，風(fēng)速為1 m/s、2 m/s、3 m/s時(shí)，最佳噴施角度分別為10°、20°、25°，沉積量峰值分別為2.15×10-3μL/cm2、1.58×10-3μL/cm2、1.15×10-3μL/cm2，較噴施角度為0°時(shí)分別增加了 11.98%、26.4%和41.97% 。