不同面積比射流混藥器的混藥特性試驗
2016-03-23 04:34:18盛云輝邱白晶陳加棟
農機化研究 2016年4期
盛云輝,邱白晶,陳加棟
(江蘇大學 現代農業裝備與技術省部共建教育部重點實驗室/江蘇省重點實驗室，江蘇 鎮江 212013)
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不同面積比射流混藥器的混藥特性試驗
盛云輝,邱白晶,陳加棟
(江蘇大學 現代農業裝備與技術省部共建教育部重點實驗室/江蘇省重點實驗室，江蘇 鎮江212013)
摘要：建立射流混藥器模型函數特性方程，理論分析不同結構參數的射流混藥器混藥狀態下的壓力比h與混藥比q的函數關系，對面積比m∈(0.86,12.76)內25種面積比的射流混藥器在工作壓力范圍0.4～1.2MPa內5個工作壓力水平下進行在線混藥特性試驗，分析不同面積比射流混藥器的壓力比與混藥比的變化規律。試驗結果表明：射流混藥器的h-q特性曲線斜率只與面積比m有關，與工作壓力無關；不同面積比的射流混藥器的壓力比h和混藥比q都呈線性遞減，小面積比的射流混藥器具有小混藥比及高壓力比的特點。定壓力比h=0.35時，只有面積比m<4.34的射流混藥器處于混藥工作狀態(q>0)，其他面積比的射流混藥器均處于回流狀態(q<0)。面積比m對射流混藥器的混藥區間hj影響顯著，面積比m從1.34增大到4.13，混藥區間hj從0.68衰減到0.35，降幅48.5%。以最大混藥比q>0.1、混藥區間hj>0.35為設計需求，射流混藥器的面積比m范圍為1.73～4.13。
關鍵詞：射流混藥器；面積比；混藥區間；流速系數
0引言
在線混藥技術[1-2]實現農藥和水分開儲存，農藥和水能實時在線混合，具有高效、環保、安全的優點，是植保機械的發展趨勢，受到國內外學者的廣泛關注[3-4]。射流混藥器是利用管道系統內部的水力完成農藥和水的在線混合的在線混藥裝置，是整個在線混藥噴霧系統的關鍵部件之一[5]。
何培杰[6-7]等對射流混藥器的混合管進行了數值計算，得出了徑向速度和軸向速度在混合管內的分布規律，并試驗研究3種面積比下的射流混藥器結構和性能間的內在關系。邱白晶、徐溪超等[8-9]通過流體動力學CFD數值模擬的方法研究了面積比、嘴管距等結構參數對射流混藥器流動性能的影響和面積比對混藥均勻性影響。周良富[10]等通過CFD數值計算結合試驗來確定射流混藥器最佳面積比及最佳嘴管距范圍。Flloben等[11]和Vondricka[12]等分別將射流混藥裝置應用于在線混藥噴霧系統中對混藥濃度進行試驗研究。邱白晶等[13]將射流混藥器應用于在線混藥噴霧系統中，研究結構參數不同的射流混藥器的工作狀態及混藥均勻性。以上主要通過流體動力學數值計算和試驗方法來研究結構參數對射流混藥器的流動性能影響和射流混藥器在噴霧系統中的混合的效果。但現實中未了解射流混藥器的運行特性就進行在線混藥噴霧，往往使射流混藥器處于失效的回流狀態[13-14]，工作流體流進藥箱,藥液未進混藥器，射流混藥器未起到在線混藥作用；而用壓力比、混藥比、面積比建立模型函數來描述不同結構參數射流混藥器混藥狀態下混藥特性，并研究面積比對混藥區間影響的研究尚未見報道。
本文建立射流混藥器特性方程來描述不同結構參數的射流混藥器混藥狀態下壓力比與混藥比間函數關系，理論和試驗研究面積比對射流混藥器壓力比與混藥比變化規律的影響。同時，定義混藥狀態下最大壓力比hj為射流混藥器混藥區間，分析面積比對射流混藥器混藥區間的影響。
1射流混藥器
1.1結構
射流混藥器是射流泵技術在植保機械上的運用，利用湍射流絮動擴散作用實現藥液的抽吸及在線混合[6，6-16]。以射流混藥器和噴桿噴霧機為設備基礎搭建的在線混藥噴霧系統如圖1所示。在噴霧系統中，射流混藥器的混藥量與工作狀態主要受混藥器進、出口壓力影響，且不同結構參數的混藥器受影響程度差異明顯[9,14]。射流混藥器主要由射流嘴、吸藥管、吸藥室、混藥管及擴散管等部件構成，如圖2所示。
1.水箱 2.調壓閥T1 3.壓力表P1、P2 4.真空表PS
1.射流嘴 2.吸藥管 3.吸藥室 4.混藥管 5.擴散管
本文用無量參數壓力比、混藥比、面積比，來描述不同結構參數射流混藥器在不同工作參數下混藥特性[6-18]，建立射流混藥器混藥狀態下三者的模型函數：射流混藥器特性方程。
1.2射流混藥器結構參數
試驗所用射流混藥器的結構如圖2所示。本文研究不同面積比m射流混藥器混藥特性。依式(3)面積比定義可知：面積比的改變是通過不同尺寸規格的射流嘴與混藥管的配合實現。故將射流嘴出口直徑和混藥管直徑作為可變參數，試驗中可變，取值如表1所示。射流混藥器其它結構參數在其優化值范圍內取值[8-10，17-18]，作為固定參數，試驗時固定不變。射流混藥器選用有機玻璃材料制作，加工時保證射流嘴與混藥管的同軸度。
表1 可變參數及面積比取值
固定參數取值：射流嘴收斂角θ=14°,混藥管入口角度β=60°,擴散口角度δ=9°；射流嘴進口直徑d0=11mm,吸藥管直徑ds=4mm;嘴管距L1=3.5mm,混藥管長度L2=36mm,擴散管長度L3=35mm。
2模型函數—射流混藥器特性方程
2.1模型參數
壓力比為
(1)
混藥比為
(2)
其中，Q0、Qs、Qc為混藥器進口工作流體的體積流量、混藥量、混藥器出口混合液的體積流量(m3/s)。
面積比為
(3)
其中，AΙ、AⅡ為射流嘴出口和混藥管截面積(m2)；dΙ、dⅡ為射流嘴出口和混藥管直徑(m)。
2.2射流混藥器特性方程
運用湍流射流和流體力學基本原理，按以下步驟推導出模型函數射流混藥器的特性方程[18-20]。假設工作液體和被抽吸藥液在射流嘴出口截面I-I與藥管進口截面Ⅱ-Ⅱ間不發生混合，沒有能量損失。工作液體和被抽吸藥液在混藥管的進口截面Ⅱ-Ⅱ上流速和壓力均勻分布，即工作流體在截面I-I和截面Ⅱ-Ⅱ上流速、壓力相等[19]。工作流體在截面Ⅱ-Ⅱ上過流截面面積為A0Ⅱ，藥液在截面Ⅱ-Ⅱ上過流截面面積為AsⅡ，則有AⅡ=A0Ⅱ+AsⅡ，AΙ=A0Ⅱ。
1)由流體運動連續性方程結合混藥比及面積比定義求射流混藥器內各個部件進、出口流體流速[6]。
v0Ι=v0Ⅱ=Q0/AΙ
(4)
(5)
(6)
其中，v0Ι、v0Ⅱ為工作流體在射流嘴出口的流速及工作流體在混藥管進口截面Ⅱ-Ⅱ處的流速(m/s)；vsⅡ為藥液在截面Ⅱ-Ⅱ處的流速(m/s)；vⅢ為混合液在截面Ⅲ-Ⅲ處的流速(m/s)；As為吸藥口截面積(m2)。
2)在混藥管內由于工作流體與藥液兩股液體發生在線混合，在混藥管入口段其內部速度場沿混藥管半徑方向有較大不均勻性，如圖3所示。用帶流速系數修正的動量方程來表示混藥管混合液體能量變化[18]。
圖3 混藥管
對混藥管進口截面Ⅱ-Ⅱ和混藥管出口截面Ⅲ-Ⅲ，列動量量方程為
φ2(Q0v0Ⅱρ0+QsvsⅡρs)-ρ(Q0+Qs)vⅢ
=(PⅡ-PⅢ)AⅡ
(7)
其中，PⅡ、PⅢ為截面Ⅱ-Ⅱ與截面Ⅲ-Ⅲ的壓力。
本研究忽略液體流動體積變化且認為藥液和工作流體密度相等，即ρ0=ρs=ρc。
3)在射流嘴、吸藥管—吸藥室及擴散管內沒有發生兩股液體混合，流速沿半徑方向均勻分布，但液體的流動截面存在漸縮，轉折和漸擴如圖4和圖5所示。射流混藥器工作時這些部件內液體能量變化用帶流速系數修正的伯努利方程來表示[19]。
在射流嘴進口截面0-0和混藥管進口截面Ⅱ-Ⅱ處，對工作流體列伯努利方程為
(8)
在吸藥口截面s-s和混藥管進口截面Ⅱ-Ⅱ處，對被吸藥液列伯努利方程為
(9)
圖4 射流嘴、吸藥管-吸藥室
圖5 擴散管
在混藥管出口截面Ⅲ-Ⅲ和擴散管出口截面c-c處，對混合液列努利方程為
(10)
其中,φ1為射流嘴流速系數，φ2為混藥管流速系數；φ3為擴散管流速系數；φ4為混藥管入口流速系數。
在動量方程和伯努利方程中，帶入相應的射流混藥器各個部件的進出口截面的流速，結合壓力比、混藥比的定義，得模型函數射流混藥器特性方程[18]為
=f(q,m,φ)
(11)
2.3模型函數h-q特性曲線
模型函數射流混藥器特性方程是壓力比、混藥比、面積比和4個流速系數的函數關系式，反映出射流混藥器結構參數對混藥器混藥特性影響。圖6為假設面積比m=2、4個流速系數均為0.9的h-q特性曲線。由圖6可知：壓力比h和混藥比q呈遞減關系，射流混藥器混藥狀態下工況點均落在曲線第I象限的BC區間上，而回流狀態下的工況點均落在第Ⅱ象限；混藥比q=0的工況點為射流混藥器混藥與回流狀態的臨界點。設此點壓力比為hj，即壓力比h
圖6 h-q特性曲線
3試驗設計
測試不同工作壓力下、不同面積比射流混藥器的混藥特性，研究面積比對射流混藥器混藥狀態下壓力比與混藥比變化趨勢及混藥區間的影響。在如圖1(b)的在線混藥噴霧系統中，對面積比m∈(0.86,12.76)內25種不同面積比射流混器進行混藥特性試驗。為消除因噴頭流量特性對射流混藥器造成負載效應，無法試驗出混藥器完整的混藥特性[13]，故試驗是在系統未接噴頭下進行，通過調節噴霧管路中節流調壓閥T2，改變管路阻力，來實現射流混藥器的運行工況的改變。
3.1試驗工況設計
根據式(1)、式(2)可知：壓力比為射流混藥器進口和吸藥口的總壓差與射流混藥器進口出口和吸藥口的總壓差比值。計算壓力比需知混藥器進口、出口及吸藥口的壓力和流速；混藥比為混藥量與工作流體流量的比值。由流體運動的連續性可知：混藥量為混藥器出口流量與進口工作流體流量差，測量出射流混藥器進、出口體積流量，混藥比便確定；再結合混藥器進、出口截面積，換算出混藥器進、出口流速。由流體力學原理及射流混藥器的工作原理可知：射流混藥器工作流體流量及混藥量主要受射流混藥器進、出口壓力影響[13-14]，故設定射流混藥器進口工作壓力和出口混合液壓力為輸入主變量，改變混藥器進、出口壓力來改變混藥器的運行工況，將工作流體流量、混藥器出口流量及吸藥口壓力作為輸出檢測量。
3.2工況實施
選定某一面積比射流混藥器接入如圖1(b)所示的在線混藥試驗噴霧系統進行在線混藥試驗。通過柱塞泵調壓閥T1固定工作壓力P0為0.4MPa水平(精度等級0.4，Y-150型壓力表P1測得)，節流調壓閥T2處于全開狀態，此為射流混藥器運行的第1個工況點；再調節節流調壓閥T2以步長0.02MPa等間距遞增混藥器出口壓力Pc(精度等級0.4，Y-150型壓力表P2測得)，均勻變換射流混藥器運行的工況點，實現壓力比的改變，逐漸使射流混藥器由混藥狀態進入回流狀態。同時，在每個工況點下監測混藥器進口流量Q0(精度等級1%，LWGY-10型渦輪流量計Q1測得)、出口流量Qc(精度等級1%，LWGY-10型渦輪流量計Q2測量)及吸藥口壓力Ps(精度等級0.4，Y-150型真空表測PS得)，再改變工作壓力水平，重復測量。試驗設計0.4、0.6、0.8、1.0、1.2MPa這5個工作壓力水平，完成5個工作壓力下混藥特性試驗后，再改變混藥器的面積比，重復試驗。依次完成25種面積比射流混藥器的混藥特性試驗。最后，將試驗測量的壓力、流量數據按式(1)、式(2)換算成壓力比和混藥比，繪制出不同面積比射流混藥器的h-q特性曲線，并統計不同面積比射流混藥器的混藥區間hj。
試驗所用工作流體介質為清水，模擬藥液為質量濃度c1=0.1g/L的胭脂紅溶液(密度等同于清水介質)。試驗時，藥箱和射流混藥器處同一高度平面，在試驗過程中不斷向藥箱中加模擬藥液來維持液面高，以消除高度差對求解壓力比的影響。
4試驗結果與分析
4.1射流混藥器混藥特性分析
25種不同面積比射流混藥器在工作壓力0.4～ 1.2MPa范圍內5個工作壓力水平下，進行在線混藥特性試驗，繪制不同面積比射流混藥器的h-q特性曲線，如圖7所示。由圖7可知：不同面積比射流混藥器壓力比和流量比都呈現近似線性遞減，當q>0時，射流混藥器處于混藥狀態，反之處于回流狀態；面積比越大，h-q特性曲線的斜率的絕對值越小，混藥比q=0時的回流壓力比越小，即混藥區間hj越小。5個工作壓力水平下，同面積比射流混藥器h-q特性曲線試驗點基本重合。考慮試驗誤差，可認為不同工作壓力下同面積比的射流混藥器的特性曲線相同。這驗證了理論特性方程式(11)，特性方程只是壓力比、面積比、混藥比及射流混藥器各個部件的流速系數的函數關系，與具體工作壓力無關。相同特性曲線意味著同面積比射流混藥器在不同工作壓力下混藥區間hj相同，如表2所示。試驗中發現：射流混藥器混藥在狀態下，存在壓力比遞增而混藥比不變工況點如圖7(a)、圖7(b)所示。工程中，將這種現象稱為汽蝕[6，21]。小面積比的射流混藥器或高工作壓力下運行的射流混藥器易發生汽蝕現象。
圖7 h-q特性曲線
4.2混藥比和壓力比定量分析
壓力比和混藥比是評價射流混藥器性能的重要參數。本文設定混藥比q=0.2和壓力比h=0.35分別來研究面積比對射流混藥器性能影響。
定混藥比q=0.2，射流混藥器壓力比h與面積比m呈反比關系，面積比m=2.21、3.39、4.34、6.92、8.85射流混藥器的壓力比h分別為0.45、0.37、0.33、0.22、0.18；而面積比m=1.34射流混藥器的最大混藥比為0.096無法達到設定的混藥比q=0.2的要求。試驗發現：面積比為1.032和0.857的射流混藥器一直處于混藥比q<0回流狀態，沒有工程價值。
定壓力比h=0.35，混藥比q隨面積比m先遞增后遞減，面積比達到某一值后混藥比q<0，表示壓力比h=0.35，該面積比的射流混藥器已進入回流狀態。如面積比m為1.34、2.21、2.64、3.39、4.43的射流混藥器的混藥比分別為0.096、0.25、0.30、0.21、-0.05，面積比達到4.43后，混藥比q<0，射流混藥器處于回流狀態，即面積比m≥4.43的混藥器的混藥區間hj小于0.35。綜上所述，小面積比的射流混藥器具有高壓力比、低混藥比的特點，更符合工程應用。
4.3面積比對混藥區hj間影響
混藥區間hj代表射流混藥器混藥狀態下壓力比范圍，射流混藥器混藥區間越寬，運用到在線混藥噴霧系統進行噴霧作業時混藥性能越好,研究面積比對混藥區間影響具有工程意義。
由混藥特性分析知：同面積比的射流混藥器在不同工作壓力下混藥狀態特線曲線相同，有相同的混藥區間hj。由壓力比的定義可知：相同工作壓力，混藥區間越大回流發生時混藥器出口壓力越大；相同的混藥區hj，工作壓力越高則回流發生時混藥器出口壓力越大。不考慮管路壓力損失，混藥出口壓力等于在線混藥噴霧系統噴霧壓力，目前常用農用噴頭正常噴霧的最低噴霧壓力為0.2MPa[13，15]。大面積比的射流混藥器由于混藥區間很小，高工作壓力下回流時混藥器出口壓力也可能達不到噴頭最低噴霧壓力，具體如表2所示。如面積比m=8.86的射流混藥器在1MPa工作壓力下混藥器出口壓力才達到最低噴霧壓力；而面積比m=12.76的射流混藥器，在1.2MPa工作壓力下，發生回流時出口壓力才0.19MPa，無法實現在線混藥噴霧。所以，運用到在線混藥噴霧系統中的射流混藥器，其面積應該控制在一定范圍內。
表2 不同工作壓力下射流混藥器混藥區間及回流發生壓力
圖8 面積比對混藥區間影響曲線
(12)
混藥區間hj與面積比m呈非線性遞減，近似正態分布。面積比1.32的射流混藥器器混藥區間為0.68；當面積比增大到4.13時，混藥區間降幅48.5%衰減到0.35；而面積比從4.13增大至8.86時，混藥區間只下降0.16，減小到0.19，但此時射流混藥器的混藥區間太小無法進行在線混藥噴霧，沒有工程應用價值。若以最大混藥比q>0.1、混藥區間hj>0.35為射流混藥器設計要求，參考圖7(d)和圖8，確定可應用于實際在線混藥噴霧系統的射流混藥器的面積比m范圍為1.73～4.13。
5結論
1)射流混藥器h-q特性曲線中壓力比和混藥比呈近似線性遞減，特性曲線的斜率只與面積比有關，與具體工作壓力水平無關。
2)定混藥比q=0.2，射流混藥器壓力比h與面積比m呈反比關系；定壓力比h=0.35，混藥比q隨面積比m先遞增后遞減，面積比m>4.43的射流混藥器在壓力比h=0.35的工況點均處于回流狀態;小面積比的射流混藥器具有小混藥比，高壓力比的特點。
3)射流混藥器的混藥區間hj隨面積比m呈近似正態分布。當面積比從m從1.34增大到4.13，混藥區間hj從0.68衰減到0.35降幅48.5%，以最大混藥比q>0.1、混藥區間hj>0.35為設計要求，射流混藥器的面積比m范圍為1.73～4.13。
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Mixing Characteristic Experiment of Different Area Ratio of Jet-mixing Apparatus
Sheng Yunhui, Qiu Baijing, Chen Jiadong
(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology/ Ministry of Education & Jiangsu Province,Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)
Abstract：The model function characteristic equation of Jet-mixing apparatus was established, As a function of pressure ratiohand mixed ratioqchanges of different structure parameters of jet-mixing apparatus under the mixing condition were discussed by theoretical analysis.25 different area ratio jet-mixing apparatus within the Area ratio m range from 0.86 to 12.76,were implemented online mixing characteristic test at operating pressure range 0.4～1.2MPa ,5 working pressure levels.The results showed that, the characteristic curve h-q trend related only affaced by the area ratiom,nothing to do with work pressure.Different jet-mixing apparatus pressure ratiohand mixed ratioqare linearly decreasing.when the pressure ratioh=0.35 only area ratio m<4.34,Jet-Mixing apparatus were in mixing condition, other in reflux condition. Area ratiom significantly affected the drug mixed rangehjof jet-mixing apparatus.Area ratiomincreases from 1.34 to 4.13, the mixed rangehjfrom 0.68 down to 0.35, a decline of 48.5%.Area ratio m in the range of 1.73 to 4.13,satisfied greatest mixed ratio q>0.1, mixed range hj>0.35,the design requirements of jet-mixing apparatus.
Key words：jet-mixing apparatus; area ratio; mixed range; flow rate coefficient
文章編號：1003-188X(2016)04-0134-07
中圖分類號：S481
文獻標識碼：A
作者簡介：盛云輝(1990-),男，江蘇鎮江人，碩士研究生，(E-mail) shengyunhui123@sina.com。通訊作者：邱白晶(1961-)，男，江蘇鎮江人，教授，博士，(E-mail)qbj@ujs.edu.cn。
基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201203025-04)
收稿日期：2015-05-18
