基于模型與CFD輔助的射流式混藥器設(shè)計(jì)

房開拓 邱威 周良富

摘要：射流式混藥器結(jié)構(gòu)簡單，是實(shí)現(xiàn)藥水分離的最簡單有效的關(guān)鍵部件之一。針對(duì)混藥器內(nèi)部流體流動(dòng)過程的復(fù)雜性，目前沒有通用的理論模型來指導(dǎo)設(shè)計(jì)計(jì)算，沒有直觀的試驗(yàn)方法觀察內(nèi)部流動(dòng)的問題。從非彈性介質(zhì)的動(dòng)量定理出發(fā)，推導(dǎo)出射流式混藥器的特性方程，建立面積比、噴嘴與混合室距離的理論計(jì)算模型。采用多相流Mixture模型中的Zwart-Gerber-Belamri空化模型法，模擬分析混藥器內(nèi)部的相變過程。研究結(jié)果顯示理論模型法、仿真法與試驗(yàn)方法的擬合優(yōu)度大于0.98，證明研究方法的有效性。射流式混藥器在低壓力比下會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象，空化產(chǎn)生的氣體使引射流量保持穩(wěn)定，該特性能夠滿足穩(wěn)定的混藥比要求。設(shè)計(jì)面積比為1.31的混藥器，混藥比為0.049 8，混藥比變異系數(shù)為1.23%。引射流體與工作流體在距離噴嘴出口40 mm處，其速度場(chǎng)已趨于一致，即混藥器的混藥均勻性可以滿足實(shí)際需求。該研究為射流式混藥器研究與應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：混藥器；射流；空化；植保機(jī)械；CFD

中圖分類號(hào)：S482

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2023） 04-0065-06

Abstract： The jet mixer has a simple structure and it is one of the most simple and effective key components to realize the separation of medicine and water. In view of the complex internal fluid flow process of the mixer， there is currently no general theoretical model to guide the design calculation， and there is no intuitive test method to observe the internal flow problem. Based on the momentum theorem of inelastic media， this paper derives the characteristic equation of the jet mixer， and establishes a theoretical model for calculating the area ratio and the distance between the nozzle and the mixing chamber. The Zwart-Gerber-Belamri cavitation model in the multiphase flow Mixture model is used to simulate and analyze the process of phase change inside the mixer. The research results show that the goodness of fit between the theoretical model method， the simulation method and the test method is greater than 0.98， which proves the effectiveness of the research method. The jet mixer will have cavitation at a low pressure ratio. The gas produced by cavitation keeps the jet flow stable. This feature is conducive to the high requirement of the mixer for the stability of the mixing ratio. The design area ratio of the mixer is 1.31， and the mixing ratio is 0.049 8， and the variation coefficient of the mixing ratio is 1.23%. The velocity field of the ejector fluid and the working fluid at a distance of 40 mm from the nozzle outlet has tended to be the same， that is， the uniformity of the mixing of the medicine mixer can meet the actual demand. This research provides technical support for the research and application of jet mixer.

Keywords：? mixer; jet; cavitation; plant protection machine; CFD

0 引言

射流式混藥器是實(shí)現(xiàn)藥水分離、農(nóng)藥在線混合的最簡單有效的方法之一，而射流式混藥器屬于無動(dòng)力部件，具有無故障不堵塞等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。但混藥器內(nèi)部流體流動(dòng)過程復(fù)雜，目前還沒有通用的理論模型來指導(dǎo)設(shè)計(jì)計(jì)算，沒有直觀的試驗(yàn)方法觀察內(nèi)部流動(dòng)?；焖幤髟O(shè)計(jì)對(duì)加快促進(jìn)藥水分離，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥減施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)上述問題，國內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)射流式在線混藥裝置設(shè)計(jì)、仿真與試驗(yàn)開展了大量的研究工作?，F(xiàn)有的研究認(rèn)為面積比、噴嘴與混合室距離是影響混藥器性能的最主要兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，相同面積比下的混藥比是一致的［3-5］。周良富等［6］結(jié)合CFD技術(shù)試驗(yàn)研究了不同面積比和噴嘴位置的混藥性能，總結(jié)出特定工況下最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在混藥器的混藥特性方面，重點(diǎn)關(guān)注壓力比與混藥比之間的關(guān)系，認(rèn)為混藥均勻性和混藥比穩(wěn)定性是其兩個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)［7-9］。宋海潮等［10］還開展了旋流器對(duì)混藥均勻性的影響研究，認(rèn)為旋流器能夠?qū)崿F(xiàn)脂溶性農(nóng)藥和水均勻混合。在內(nèi)部流場(chǎng)特性分析方面，主要采用k-epsilon標(biāo)準(zhǔn)兩方程模型模擬了內(nèi)部流體的混合過程［11-13］，文獻(xiàn)［13-16］采用數(shù)值分析與試驗(yàn)相結(jié)合方法研究了射流泵與噴嘴內(nèi)部在不同工況下的汽蝕現(xiàn)象。也有學(xué)者采用Mixture模型模擬分析了混藥器內(nèi)部的相變過程，認(rèn)為空化不利于流體設(shè)備的壽命與運(yùn)行，但混藥器就是利用了空化后引射流體量不隨出口壓力的變化而變化這一特點(diǎn)，保證了混藥比的穩(wěn)定性，才使混藥器在植保機(jī)械中得以應(yīng)用［17-18］。這些研究為混藥器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供一定的技術(shù)支撐，但依然沒有有效的定量方法指導(dǎo)射流式混藥器設(shè)計(jì)與性能分析。本文旨在通過理論分析建立混藥器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)模型，運(yùn)用仿真分析方法與試驗(yàn)方法驗(yàn)證混藥性能，總結(jié)出簡單有效的設(shè)計(jì)與分析方法，設(shè)計(jì)出混藥比穩(wěn)定的射流式混藥器。

1 總體結(jié)構(gòu)

射流式混藥器主要采用文丘里原理，藥箱中的清水在液泵的高壓作用下以很高的速度經(jīng)噴嘴噴出，吸走接收室的空氣使之產(chǎn)生真空，低壓農(nóng)藥母液在大氣壓作用下被吸進(jìn)接收室，與水一并進(jìn)入混合室，均勻混合并升壓后進(jìn)入噴霧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)藥、水分離在線混合的功能。因此設(shè)計(jì)的射流式混藥器主要包括殼體、射流噴嘴和擴(kuò)散管三部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中工作流體為水箱清水、引射流體為農(nóng)藥母液，混合流體為藥水混合體。

1.1 工作原理

射流混藥器是在吸藥管中產(chǎn)生真空，以吸入農(nóng)藥液體并使之與清水混合成為噴霧藥液的裝置。由混藥器內(nèi)部流體壓力速度變化圖1可知，高壓流體流經(jīng)噴嘴時(shí)，逐步將壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，壓力由進(jìn)口壓力PP降低到P2，進(jìn)入擴(kuò)散管后流體壓力迅速增大，由P2快速上升到PC。從以上理論分析可知，射流混藥器的理論性能指標(biāo)是接收室所產(chǎn)生的壓力P2（真空度），當(dāng)真空度降至液體的飽和蒸汽壓力時(shí)，內(nèi)部流體發(fā)生汽化，汽化產(chǎn)生的蒸汽泡在進(jìn)入擴(kuò)散管升壓的過程急劇冷凝破裂，消耗大量能量。

1.2 性能指標(biāo)及要求

混藥器的性能要求為在低耗能的情況下實(shí)現(xiàn)藥液高效均勻混合。具體指標(biāo)定義如下。

3 射流混藥性能研究

3.1 試驗(yàn)方法

混藥性能試驗(yàn)方法包括內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值分析與壓力流量實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法。

3.1.1 幾何建模及離散化

根據(jù)上述模型確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立仿真幾何模型。將射流泵結(jié)構(gòu)參數(shù)，在Ansys軟件ICEM模塊中進(jìn)行建模，并完成計(jì)算域的離散化，要求采用四邊形網(wǎng)格劃分方案、網(wǎng)格間距小于0.2 mm，網(wǎng)格最大縱橫比小于2.5。

3.1.2 計(jì)算模型

混藥器工作原理簡單，但其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，特別是在高壓作用下射流泵內(nèi)部發(fā)生空化現(xiàn)象，空化中的氣泡生成、發(fā)展和破碎，很難直觀用理論和試驗(yàn)方法獲得。研究表明采用多相流Mixture模型中的Zwart-Gerber-Belamri空化模型可以捕獲流體機(jī)械內(nèi)部空化過程的氣相變化過程［17-18］。內(nèi)部流體湍流流動(dòng)過程主要采用模型為RNG k-ε兩方程模型。

3.1.3 邊界條件

混藥器三端邊界均采用壓力邊界條件Pressure-inlet，混合相入口總壓為實(shí)際工作總壓值。邊界湍流強(qiáng)度均設(shè)為2%，水力直徑按三端實(shí)際尺寸，即水力直徑為截面直徑?？栈瘔毫Ω鶕?jù)工作流體的溫度設(shè)置相應(yīng)的飽和蒸汽壓力，如25 ℃的飽和蒸汽壓力3 540 Pa。

3.1.4 求解方法

采用壓力—速度耦合求解算法，壓力方程采用二階迎風(fēng)，其他方程采用QUICK法離散，設(shè)置計(jì)算殘差為10-6，采用Hybird Initialization進(jìn)行初始化。

3.1.5 后處理

通過氣相體積分?jǐn)?shù)評(píng)價(jià)空化的程度，同時(shí)監(jiān)測(cè)出口端流量，驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.6 壓力流量測(cè)試

試驗(yàn)按照植保機(jī)械通用試驗(yàn)方法JB/T 9782—2014中的混藥器試驗(yàn)部分進(jìn)行?；焖幤鞴ぷ髁黧w壓力、出口壓力采用0.4級(jí)精密壓力表測(cè)得，吸入口真空度采用U型水銀壓力計(jì)測(cè)得，吸入流量與出口流量均采用稱重法獲得。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 研究方法驗(yàn)證

3.2.2 流場(chǎng)特性分析

在工作壓力為2 MPa下，出口壓力分別為0.4、0.8、1.3 MPa下，射流式混藥器中心軸線上壓力的變化規(guī)律，如圖3所示。結(jié)合射流式混藥器的工作原理及圖3可知，當(dāng)工作流體在進(jìn)入噴嘴之前，流體壓力不變；流體進(jìn)入工作噴嘴后，流體速度快速增加的同時(shí)，壓力快速降低至負(fù)壓，與引射流體聚集，然后進(jìn)入混合室，混合后進(jìn)入擴(kuò)散管，速度逐步降低的同時(shí)壓力不斷升高，但不同出口壓力下壓力升高的過程是不一致的，即當(dāng)出口壓力為1.3 MPa時(shí)其壓力升高很快，但當(dāng)出口壓力為0.4 MPa時(shí)，其升壓過程緩慢，甚至在前半段的壓力值沒有發(fā)生變化。

其升壓過程的差異原因是流體在混藥器內(nèi)發(fā)生了不同程度的空化，圖4為出口壓力分別為0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.3 MPa下的氣相體積分?jǐn)?shù)分布圖。由圖4可知，出口壓力越小空化現(xiàn)象越嚴(yán)重，內(nèi)部產(chǎn)生的氣體體積分?jǐn)?shù)越大，空化產(chǎn)生的氣體會(huì)嚴(yán)重影響液體的流通，致使吸入量不隨出口壓力的變化而變化，即維持吸入量的穩(wěn)定，這也是射流式混藥器工作穩(wěn)定性的保證。

3.2.3 混藥特性分析

混藥比的穩(wěn)定性及混藥均勻性是混藥特征中最重要的兩個(gè)指標(biāo)。所設(shè)計(jì)的面積比為1.35的混藥器在工作壓力為2.0 MPa下，不同壓力比下的混藥比變化曲線如圖5所示。從圖5可知，在低壓力比下其混藥比是穩(wěn)定的，其平均值為0.049 8，混藥比變異系數(shù)為1.23%，但當(dāng)壓力比大于0.5后混藥比隨壓力比的增速迅速遞減。其主要原因是在低壓力比下混藥器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重空化，而空化產(chǎn)生大量的氣體嚴(yán)重制約了引射流體的流通，使混藥比保持穩(wěn)定。當(dāng)壓力比大于0.5后，空化現(xiàn)象趨緩，氣體減少直至沒有空化，真空度降低，混藥比也快速減小。因此混藥器的工作參數(shù)應(yīng)設(shè)定為壓力比數(shù)值小于0.5為宜。

射流式混藥器實(shí)現(xiàn)了藥水在線混合，因此藥水在流經(jīng)混藥器后的混合均勻性是需重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)，研究主要通過監(jiān)測(cè)噴嘴出口處的工作流體和引射流體的速度分布規(guī)律。圖6為距離噴嘴出口截面距離為20 mm、30 mm、40 mm處截面的速度云圖。由圖6可知，引射流體與工作流體在距離噴嘴出口40 mm處，其速度場(chǎng)已趨于一致，況且混藥器在實(shí)際應(yīng)用過程中，混藥器出口還有很長一段管路才到噴頭處，因此混藥器的混合均勻性是完全可以得到保證的。

4 結(jié)論

1）? 根據(jù)混藥器工況壓力比h為0.4，混藥比q為0.047，設(shè)計(jì)出的混藥器面積比m為1.35，噴嘴與混合室距離S為7.9 mm。

2）? 采用理論方法計(jì)算無空化條件、空化模型仿真分析法均可以得到混藥特性，計(jì)算值、仿真值與試驗(yàn)值具有高度一致性，R2大于0.98。

3）? 在壓力比小于0.5時(shí)，混藥器內(nèi)部開始發(fā)生空化，壓力比越小空化越嚴(yán)重。而空化產(chǎn)生大量的氣體嚴(yán)重制約了引射流體的流通，使混藥比保持穩(wěn)定，因此空化有利于混藥比的穩(wěn)定，建議混藥器的工作參數(shù)設(shè)定為壓力比小于0.5為宜。

4）? 所設(shè)計(jì)面積比為1.35的射流式混藥器在壓力比小于0.5時(shí)，其混藥比可穩(wěn)定在0.049 8附近，且變異系數(shù)為1.23%。引射流體與工作流體在距離噴嘴出口40 mm處，其速度場(chǎng)已趨于一致，即混藥器的混藥穩(wěn)定性與均勻性均可滿足實(shí)際需求。

參 考 文 獻(xiàn)

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