基于ANSYS霧化噴嘴流場分析及參數優化

郝　磊，高　雄，陳鐵英，王海超

(1.內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特　010018；2.內蒙古農牧業機械技術推廣站，呼和浩特　010010)

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基于ANSYS霧化噴嘴流場分析及參數優化

郝磊1，高雄1，陳鐵英2，王海超1

(1.內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特010018；2.內蒙古農牧業機械技術推廣站，呼和浩特010010)

摘要：噴嘴是噴霧作業的終端件，也是核心部件之一。噴嘴的錐形面處是流場速度和壓力變化的關鍵部位，噴嘴入口對噴嘴出口流量和速度有很大影響。為此，運用ANSYS軟件模擬了液力式霧化噴嘴的內部流場和噴嘴外部霧化場霧滴分布和速度分布情況，對比分析了不同結構參數對噴嘴流場的影響，為噴嘴結構參數的合理選擇提供了一定的參考。

關鍵詞：霧化場霧滴分布；噴嘴錐形面錐角；速度分布；參數優化

0引言

近年來，為了徹底解決長期困擾我國北方地區冬季新鮮蔬菜供應問題，滿足不同季節都有新鮮蔬菜水果供應，我國溫室總面積達到了40萬hm2[1]多。溫室內長期密閉、光照不足、高溫、高濕，極易產生病蟲害，因此溫室農藥的噴灑對溫室農產品產量有直接的影響。同時，農藥的利用率很低。據統計，65%的藥液都流失到土壤、河流、空氣中，僅有0.03%的藥液起到了殺蟲作用[2]。農藥的噴灑依靠噴霧器，目前我國對溫室、大棚等密閉環境中的害蟲防治仍以手動噴霧器施藥為主，該噴霧方式存在流量過大、霧滴粒徑一般情況大于150μm及粒徑均勻性差等缺點。噴嘴是植保機械和噴霧器中的核心部件之一，其性能的優劣直接影響施藥量、霧滴大小和均勻度等。按照噴嘴的霧化方式來分，大體可分為液力式霧化噴嘴、氣力式霧化噴嘴、旋轉式霧化噴嘴、超聲波霧化噴嘴及靜電霧化噴嘴；按形狀可分為圓柱形噴嘴、扇形噴嘴；按孔數可分為單孔噴嘴和多孔噴嘴；按壓力可分為低壓噴嘴、高壓噴嘴及超高壓噴嘴等[3]。液力式和氣力式噴嘴是所有應用中最為廣泛采用的噴嘴，最主要的特征是通過外部作用對流體施加壓力，導致流體以相對較高的速度噴入周圍氣體介質中[4]。我國在植保機械的基礎理論和基礎零部件的研究與應用方面還有所欠缺。據相關資料顯示，目前絕大部分試驗研究所用的噴嘴都是進口噴嘴[5]，農藥的施用技術仍停留在大容量、大霧滴噴霧水平上，過分強調了藥液從植株葉片上開始流淌為噴霧均勻的指標，浪費了大量的資源[6]。

1霧化機理

噴霧是一個動態過程，受到噴嘴結構、外部環境多種因素的影響。一般來說，霧化過程大致分為3種類型：液滴破碎、液柱破碎和薄膜破碎[7]。這3種破碎形式在同一霧化過程中同時存在、相互作用。本文研究的是Y1/4AT-19V液力式霧化噴嘴，其霧化過程是：首先，由于受外力的作用，液體從細水霧噴嘴流道通過形成很細的水射流或很薄的水膜，然后射流或薄膜從噴嘴出口噴出，克服表面張力，從液膜分裂成細線，加上湍流徑向分速度和周圍空氣相對速度的影響，使液體破碎成細小的水滴。

2建立模型

2.1　幾何模型

液力式霧化噴嘴二維結構如圖1所示。

圖1　液力式霧化噴嘴二維結構示意圖

2.2　網格化分

本文運用ICEM CFD劃分網格軟件。在劃分網格時，考慮到計算邊界結構和流場的復雜性，采用三角形非結構網格。為了模擬噴嘴的外部流場,建立的仿真模型包括2個部分：一是噴頭出口，二是霧化場。將噴頭霧化場尺寸簡化為矩形。劃分網格如圖2所示。

1,3,4,6.壁面　2.入口　5.出口

3數值計算

3.1　輸入并檢查網格

啟動FLUENT三維單精度求解器，輸入上文所保存的網格文件并對其進行檢查，確定網格劃分沒有錯誤。因為在ICEM 建模時所使用的長度單位為mm，而FLUENT 默認的是m，因此在檢查完網格后需對單位進行更改。

3.2　計算方法

采用標準k-ε湍流模型,多相流模型選擇Euleria模型,主相為空氣,輔相為水。動量方程、湍動能方程和湍動能耗散率均采用一階迎風差分格式，采用SIMPLE算法耦合求解壓力與速度的耦合。

3.3　邊界條件

根據之前對錐直形噴頭內部流場仿真，噴頭在2.5MPa時，出口最大速度為6m/s。噴頭出口速度是霧化場的入口速度，因此設置霧化場入口邊界條件為速度入口,出口邊界條件為壓力出口。

4計算結果與分析

4.1　霧化場速度仿真與分析

1)液力式霧化噴嘴速度分布如圖3所示。

圖3　噴嘴霧化場速度云圖

2)噴嘴霧化場軸向速度如圖4所示。

圖4 噴嘴霧化場軸向速度圖

3)噴嘴霧化場徑向速度如圖5所示。

圖5　噴嘴霧化場徑向速度圖

從圖3可以看出：在模擬的噴霧場中，液力式霧化噴嘴噴出的霧滴群形狀成錐形。從圖4可以看出：霧滴的軸向速度隨著距離噴孔軸向距離的增大，其軸向速度減小；霧滴從噴嘴噴出，受到空氣阻力等因素的作用，其速度會逐漸變小并且破碎成更小顆粒[8]。從圖5可以看出：霧滴徑向速度關于軸線對稱分布，隨著徑向距離變大，其徑向速度迅速減小。

4.2　霧化場離散相模型(DPM)模擬分析

采用多相流模型對噴霧場進行模擬，不能得到霧滴的霧化過程，只能簡單地顯示噴霧場的形狀和速度分布情況。采用離散相模型則可以直觀地模擬出霧化過程[9]。

1)連續相流場模擬。 為了用離散相模型模擬霧化過程，必須先進行連續相流場模擬。連續相進口邊界條件為速度入口，其值為6m/s，溫度為300K。出口邊界條件為壓力出口，其值為一個標準大氣壓。相關參數設置完成后，進行迭代計算，殘差曲線收斂后，得到模擬分析結果，如圖6所示。

圖6　連續相流場速度分布圖

2)離散相流場模擬。連續相流場模擬完成后，選擇離散相模型 DPM 且加入霧滴，并選擇湍流模型為標準k-ε模型，得到模擬分析結果，如圖7所示。

圖7　霧滴模擬圖

由圖7可知：隨著時間的增加，霧滴群形狀逐漸成形。可以看出較大的霧滴大多數集中在霧滴群中間，霧滴較小的分布在霧滴群周圍，與實際情況相符。

5參數優化

5.1　增加入口數量

將原噴頭的4個入口改變為6個后的噴嘴二維結構如圖8所示。

圖8　6個入口噴嘴二維結構示意圖

6個入口、4個入口的噴嘴速度、噴嘴軸向速度及噴嘴出口流量如圖9～圖14所示。

圖9　6個入口噴嘴速度分布圖

圖10　6個入口噴嘴軸向速度圖

圖11　4個入口噴嘴速度分布圖

圖12　4個入口噴嘴軸向速度圖

圖13　6個入口噴嘴出口流量

圖14　4個入口噴嘴出口流量

圖9～圖14表明：在相同入口壓力(2.5 MPa)條件下，優化入口數量，使噴嘴入口和出口流量變大，軸向速度顯著提高。這樣既擴大了噴嘴霧化面積，又提高了工作效率。

5.2　改變噴嘴錐形面錐角

本試驗噴嘴錐形面錐角,噴孔直徑0.66mm ,保持噴孔直徑和入口數量不變，將錐角依次改為30°、35°、45°、50°、55°后進行模擬。對模擬結果進行處理后，得到的霧滴軸向速度如圖15所示。

圖15　不同錐角噴嘴軸向速度圖

從圖15可以看出：速度都是約在x=25mm后迅速增大，其原因是由于錐形面收縮； 在α=30°和α=35°之間，隨著錐角增加，出口軸向速度變化不大；在α=35°和α=45°間，隨著錐角增加，出口軸向速度增大明顯；在α=45°和α=55°之間，隨著錐角增加，出口軸向速度幾乎沒有變化。因此，噴嘴錐形面錐角為45°時，霧滴已達到較高的出口軸向速度。

6結論

運用ANSYS軟件模擬了液力式霧化噴嘴的內部流場，對比分析了不同結構參數對噴嘴流場的影響，結果表明：增加噴嘴入口數量，出口流量和軸向速度增加；噴嘴的錐形面處是流場速度變化的關鍵部位，在一定范圍內增大錐角可以提高軸向速度，錐角為45°時，霧滴達到較高的出口軸向速度，其后再增大錐角出口軸向速度幾乎不變。此外，利用多相流模型和離散相模型模擬噴嘴二維網格模型的霧化場和噴嘴霧化形成過程，直觀得到噴嘴霧滴分布和速度分布情況，這些結論可為今后噴嘴的結構設計提供參考。

參考文獻：

[1]孫曉紅.液體霧化及其沉降性能研究[D]．呼和浩特：內蒙古農業大學，2013.

[2] 羅瑤.植保機械噴頭內部流場的數值模擬[D].長沙：湖南農業大學，2008.

[3]王彬.霧化角對壓力式液體霧化效果影響的理論及實驗研究[D].重慶：重慶大學,2007.

[4] 金春玉.空心圓錐霧化噴嘴噴霧實驗與數值研究[D].上海:上海交通大學,2007.

[5]樊榮，師帥兵,楊福增,等. 我國植保機械常用噴頭的研究現狀及發展趨勢[J].農機化研究，2014，36(6):6-9.

[6] 劉玉洲.液力式噴霧機液體霧化的試驗研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2011.

[7] 李冬青.氣力式噴嘴霧化過程的實驗研究與數值模擬[D].杭州：浙江大學，2007.

[8] 汪新智.雙通道氣流式霧化噴嘴模擬計算與優化[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

[9] 黃發光.植保用噴頭的參數化設計[D].楊凌:西北農林科技大學，2014.

Based on ANSYS Atomization Nozzle Flow Field Analysis and Parameter Optimization

Hao Lei1， Gao Xiong1， Chen Tieying2, Wang Haichao1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2.Inner Mongolia Agricultural and Animal Husbandry Machinery Technology Extersion Station, Hohhot 010010, China)

Abstract：Nozzle is the terminal of spray operations, is also one of core parts. Nozzle of the conical surface is the key part of flow velocity and pressure changes, nozzle entrance has a great influence on the nozzle outlet flow and speed.Using the ANSYS software to simulate the internal flow field in hydraulic atomizing nozzle and nozzle external atomized droplets distribution and velocity distribution of comparison and analysis the influence of different structural parameters on the nozzle flow field, for the nozzle structure parameters of reasonable selection have provided the certain basis.

Key words：atomized droplets distribution; nozzle cone angle; velocity distribution; parameter optimization

中圖分類號：S491

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0019-05

作者簡介：郝磊(1989-)，男，內蒙古集寧人，碩士研究生, (E-mail)471871462@qq.com。通訊作者：高雄(1957-)，男，呼和浩特人，副教授，碩士生導師，(E-mail)gao0927cn@aliyun.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(41161045)

收稿日期：2015-07-24