養殖場泡沫槍設計及流體力學數值模擬研究

甘露萍, 何中秋, 王攀然, 張 建, 代有兵， 孫付春

(1.成都大學 機械工程學院， 四川 成都 610106； 2.成都農業科技職業學院， 四川 成都 611130；3.成都和盛獸醫技術服務有限公司， 四川 成都 610066)

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養殖場泡沫槍設計及流體力學數值模擬研究

甘露萍1, 何中秋1, 王攀然1, 張 建2, 代有兵3， 孫付春1

(1.成都大學 機械工程學院， 四川 成都 610106； 2.成都農業科技職業學院， 四川 成都 611130；3.成都和盛獸醫技術服務有限公司， 四川 成都 610066)

設計了一款用于養殖場的輕便型桿式手柄泡沫槍，并基于CAD和Fluent軟件對影響泡沫槍工作性能和效率的發泡裝置進行了三維建模和流體動力學數值模擬實驗.通過分析發泡裝置壓力場對射流器的影響，得到發泡裝置結構參數的最佳范圍.仿真分析結果為養殖場用泡沫槍的設計和改進提供了理論依據，對各種用途射流器的設計與應用有指導意義.

泡沫槍；發泡裝置；流體動力學；數值模擬

0 引 言

目前，養殖場使用的泡沫槍大多采用高壓水泵真空吸入原理，通過相關發泡裝置將液態泡沫型清潔消毒劑轉化為氣相泡沫形式，泡沫與待清潔消毒表面直接接觸后，通過潤濕、乳化、滲透、分散及增溶等方式，去除表面的油脂、蛋白質、污垢、生物膜等，以達到清潔與消毒的目的.本研究結合目前國內外槍式手柄結構泡沫槍的問題和使用現狀，在對其發泡裝置的工作原理[1-2]和結構特點[3-6]進行深入分析的基礎上，對射流器結構進行優化，設計一款適用于不同手掌大小人群使用且經濟實惠的桿式手柄泡沫槍.

1 養殖場用泡沫槍設計

本研究設計的養殖場用桿式手柄泡沫槍結構如如圖1所示.該手柄泡沫槍包括射流器、擴散管、手柄、水管、 快速接頭.擴散管與射流器外殼之間為過盈配合，并在射流器外殼開環形槽用銷釘固定，射流器外殼與雙頭螺紋螺釘之間安裝密封圈以防液體泄漏.雙頭螺紋螺釘另一端采用螺紋連接手柄，之間設密封圈防止泄漏，靠近手柄頭部設球式開關控制水流，手柄尾部采用螺紋聯接并設密封圈防止泄漏，通孔螺釘與水管之間為過盈聯接并采用水管鎖緊圈緊固.水管另一頭采用快速接頭與水龍頭相連.

1.擴散器；2.射流器外殼；3.環槽；4.密封圈；5.雙頭螺紋螺釘；6.手柄；7.密封圈；8.球閥；9.密封圈；10.雙頭通孔螺釘；11.鎖緊圈；12.水管；13.快速接頭；14.水龍頭

圖1 桿式手柄泡沫槍結構示意圖

作為重要結構的射流器由2部分構成，即射流器外殼與雙頭螺紋螺釘(見圖2).射流器的噴嘴開設在雙頭螺紋螺釘內，混合段與擴散段設在射流器外殼內，外殼與雙頭螺釘之間形成真空室減少了噴嘴、混合段分開制造的成本以及裝配的繁瑣性.

圖2 謝流器結構示意圖

泡沫槍的發泡裝置主要由噴嘴、吸氣管、吸入室、漸縮段、喉管段、擴散段組成.由于發泡裝置設計合理與否直接決定泡沫槍噴射泡沫的質量，對其進行數值模擬也是優化其性能參數的關鍵環節.

2 發泡裝置流體動力學建模

在對發泡裝置進行流體動力學數值模擬之前，需分析發泡裝置內部結構特點，建立內部流場的網絡模型和計算模型[7-9]，然后根據實際情況確定合理的邊界條件，確定發泡裝置內部流場的計算模型.

2.1 幾何模型和網格模型的建立

發泡裝置作為一個整體，要生成結構化網格存在一定的難度，對此，本研究選用GAMBIT軟件來對流場區域進行非結構化網格劃分，劃分網格的形式以四面體網格為主，即Elements選項采用Quad，Type選項采用Pave.網格劃分結果如圖3所示.

圖3 網格劃分結果

2.2 FLUENT軟件參數選擇及設置

2.2.1 求解器及其運行環境選擇.

根據不同求解器的性質，本研究選擇分離式求解器，在計算模型方面，根據已建立的網絡模型，在SPACE中選擇2D選項.由于整個計算過程流體都是連續的，所以時間屬性選擇為定常流動，計算時速度為絕對速度.

2.2.2 物理計算模型選擇.

本研究的發泡裝置內部流場計算過程中不考慮傳熱問題，所以不用激活能量方程.在FLUENT方程的控制條件下，仿真選擇標準κ-ε湍流黏度模型，κ-ε模型本身具有穩定性、經濟性和較高的計算精度.由于發泡裝置會出現氣液兩相同時存在的情況，所以在仿真模擬中需考慮采用多相流模型，經分析選用VOF多相流模型.

2.2.3 邊界條件設定.

本研究的發泡裝置壁面采用無滲流、無滑移、絕熱邊界，引射進口設置為壓力進口邊界，流體出口定義為壓力出口邊界，噴嘴進口設置為速度進口邊界.為方便研究，模擬計算中選擇不可壓縮介質Water-liquid作為分析的材料.Water-liquid密度為998.2 kg/m3，動力黏度系數為0.001003 kg/m.s.

1)進口.以噴嘴進口作為速度進口邊界條件，流量入口等同于速度入口，將進口邊界設置為速度進口為18 m/s，無徑向速度和切向速度.引射進口邊界，采用壓力入口邊界設置.由于噴霧的過程一般保持溫度在室溫20 ℃～30 ℃，所以數值模擬假定過程均在常溫下進行，即300 K.

2)出口.出口邊界條件，采用壓力出口邊界條件.

3)其他.其他邊界為黏性固體壁面邊界，假定速度無滑移，速度和3個湍流量值k、ε、g均可設定為零.

2.2.4 求解控制參數的設置.

當完成上述網格、計算模型、材料和邊界條件的設置之后，為了更好地控制求解的過程，需對某些參數進行設置，選擇合理的離散格式、設置欠松弛因子、初始化場變量及激活監視變量等.初始化設置對于解的收斂十分的重要，對此，可根據區域里邊界條件來計算初值，收斂精度選擇FLUENT軟件提供的默認值為10-3.

3 發泡裝置數值模擬實驗

泡沫形成質量直接影響泡沫槍的工作性能和使用效果.由泡沫的形成過程可知，發泡裝置通過壓力模擬其內部結構參數變化對其性能的影響是泡沫形成的關鍵因素.而在發泡裝置中影響其壓力的最主要因素是發泡裝置的內部空間的大小，所以凡是影響其內部空間大小的因素都影響泡沫槍的工作性能和使用效果，如出口錐角、混合出口、引射進口、混合室長度和直徑等.

3.1 出口錐角

在模擬流體擴壓室錐角對發泡裝置影響規律的實驗中，保持設置參數、邊界條件和流體的物性不變，以及發泡裝置的其他部件的相對位置與尺寸不變的情況下，只改變錐角的大小(由于錐角的改變不易調節，所以通過改變出口直徑的辦法間接改變擴壓室錐角)，分別對出口直徑為5 mm至13 mm之間的不同結構進行模擬，結果如圖4、表1所示.

圖4 不同出口直徑的速度云圖

由圖4可知，當出口直徑為11 mm時，壁流效應較嚴重，且引口壓力開始降低.由表1數據可知，當出口直徑為5 mm時，工作流體和引射流體混合效果較好.但隨著錐角的增大，擴壓室產生壁流效應，工作流體和引射流體的混合效果變差，隨著錐角增大，最大壓力逐漸減小，引流壓力也隨之減小.

因此，為了得到較高的壓力，保證引口有足夠的壓力并盡量降低壁流效應，出口直徑應設置在5～7 mm范圍內.

3.2 混合室參數

在數值模擬混合室直徑對發泡裝置影響規律的實驗中，保持設置參數、邊界條件和流體的物性不變，以及射流器發泡裝置的其他部件相對位置與尺寸不變的情況下，改變混合室直徑的大小，分別對混合室直徑為1、1.5、2、2.5、3 mm的發泡裝置性能進行模擬，結果如圖5、表2所示.

圖5 不同混合室直徑的速度云圖

由圖5可知，隨著混合室直徑的增大，壁面效應沒有較大的變化.由表2數據可知，隨著混合室直徑逐漸減小，引射口壓力經歷了先增大后減小的過程.當混合室直徑為2.5 mm時，此時的引射口壓力處于一個較大值，隨著混合室直徑的進一步的減小，引射口壓力開始降低，引射效果也隨之降低，此時發泡裝置的處理能力減小.

綜合考慮引射口壓力，壁面效應和內部最大壓力因素對發泡裝置的影響，混合室直徑選為1.7mm左右較好.

3.3 混合室長度

在模擬混合室直徑對發泡裝置影響的實驗中，保持操作參數、邊界條件和流體的物性不變，以及保持射流器發泡裝置的其他部件的相對位置與尺寸不變情況下，只改變混合室長度的大小，分別對混合室長度為5 mm至13 mm不同結構的發泡裝置性能進行模擬，結果如圖6、表3所示.

由表3和圖6可以看出，當混合室長度小于5 mm時，由于發泡裝置的混合室長度較短，流動阻力較小，工作流體在混合室時不足以產生足夠的低壓，引射效果相對較低，使得發泡裝置不能達到較高的引射效率；當混合室長度大于9 mm時，相同條件下的流動阻力增大，此時引射口壓力隨著混合室長度的增加而減小，引射效果性能也變差.

綜合比較，考慮到混合室長度對流動阻力和引射口壓力的雙重影響，混合室長度選擇范圍在7～9 mm之間為佳.

3.4 工作進口直徑

在模擬工作進口直徑對發泡裝置的影響數值模擬中，保持設置參數、邊界條件和流體介質的物性不變，以及射流器的其他結構尺寸也不發生變化情況下，只改變進口直徑的大小，分別對進口直徑為6～10 mm之間的發泡裝置性能進行模擬，結果如圖7、表4所示.

圖7 不同工作進口直徑的速度云圖

由表4和圖7可知，隨著工作進口直徑的增大，工作流體進入發泡裝置的流動阻力減小，引射口壓力逐漸增大，引射性能提高.在6～10 mm的范圍內模擬結果可以看出，增大工作流體的進口直徑，混合室的內部壓力隨之增大.由速度云圖可以看出，發泡裝置的壁面效應降低沒有得到較大的改變.在進口直徑等于9～10 mm時，可以得到較高的引射口壓力和較大的內部壓力，發泡裝置的引射效果性能得以改善.所以，發泡裝置的工作進口直徑設置在9～10 mm范圍內較佳.

3.5 引射流體進口直徑

在模擬引射進口直徑對發泡裝置的影響數值模擬中，保持設置參數、邊界條件和流體介質的物性不變，以及發泡裝置的其他結構尺寸也不發生變化情況下，只改變引射流體進口直徑的大小，分別對引射流體進口直徑為2～6 mm的發泡裝置性能進行模擬，結果如圖8、表5所示.

圖8 不同引射流體進口直徑的速度云圖

由表5和圖8可知，隨著引射流體進口直徑的增大，發泡裝置的引射壓力也隨之增大，引射性能提高.由速度云圖可以看出，隨著引射進口直徑的增大，引射流量的流動阻力也增大，在進口直徑為2～6 mm范圍內的模擬中，工作流和引射流混合后，在d=5 mm時擴壓室流動的壁流效應較好.綜合考慮，引射流體進口直徑在4 mm較為理想.

4 結 論

本研究根據泡沫槍發泡裝置的工作原理和結構特點，設計了一款養殖場用輕便型桿式手柄泡沫槍.借助CAD建模和Fluent軟件對泡沫槍的發泡裝置進行了流體力學模擬實驗，獲得了發泡裝置在不同結構參數下的速度云圖和壓力值表.仿真模擬結果表明，發泡裝置的各結構參數均有一個最佳取值范圍.本研究為泡沫槍結構參數的改進和設計提供了依據，可有效降低泡沫槍的研發成本，縮短了產品的設計研發周期，同時也為泡沫槍后續進一步的研究提供技術基礎.

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Design of Foaming Guns with Rod Handles on Livestock Farm and Research on Fluid Dynamics Numerical Simulation

GANLuping1，HEZhongqiu1，WANGPanran1，ZHANGJian2，DAIYoubing3,SUNFuchun1

(1.School of Mechanical Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China; 2.Chengdu Agriculture College, Chengdu 611130, China;3.Chengdu Hesheng Veterinary Technical Services Co., Ltd., Chengdu 610066, China)

This paper designs a portable foaming gun with a lever handle for livestock farm.The 3D modeling and the fluid dynamics numerical simulation experiment based on CAD and Fluent software are carried out on the foaming devices that may influence the working performance and efficiency of the foaming guns.By analyzing the effects of pressure field on the jet device,the optimum range of the structure parameters of the foaming device is obtained.The simulation results provide a theoretical basis for the design and improvement of the foaming guns on livestock farm,and it has guiding significance to the design and application of various kinds of jet devices.

foam gun;foaming device;computational fluid dynamics;numerical simulation

1004-5422(2017)02-0187-05

2016-11-15.

甘露萍(1975 — )， 女， 博士， 副教授， 從事機械設計與理論研究.

TQ320.5+2

A