一種農用氣液兩相噴頭的設計與噴霧特性仿真

李雪 陸岱鵬 王士林 張美娜 雷嘵暉 呂曉蘭

摘要： 基于文丘里原理設計了一款農用氣液兩相噴頭，并采用k-8湍流模型，利用FLUENT和CFX求解器對噴頭內部氣流場進行了計算流體力學（ CFD）仿真和試驗驗證。結果表明：噴頭出口平面中心區域的氣流速度達到亞音速和超音速，噴頭出口的氣流速度隨著兩相壓力的增加而增加;當氣相入口壓力一定時，液相人口壓力的增大可使噴頭下方兩側氣流朝噴頭軸向集中，噴口中心區域氣流速度的實測值與仿真值的相對偏差≤10%，仿真結果真實可靠。霧滴粒徑測試結果表明：在0.05 MPa的恒定水壓下，霧滴粒徑隨著氣壓的增高而降低;在常用工作氣壓下，距噴頭噴射距離1.6 m處，粒徑65 μm以下的霧滴比例≥85%，霧滴體積中徑（D50）<50 μm。所設計的噴頭霧化性能優異，可獲得煙霧級霧滴，適用于在設施農業中進行整棚彌散性噴霧防治病蟲害。

關鍵詞：氣液兩相;噴頭;文丘里效應;計算流體力學（ CFD）;噴霧特性

中圖分類號：S491

文獻標識碼：A

文章編號： 1000-4440（ 2019） 03-0722-07 噴頭是決定植保機械噴霧性能的關鍵部件之一，與霧滴粒徑、霧滴分布均勻度和施藥量等關鍵指標直接相關1-3]。目前，中國植保機械上使用的噴頭多為液力式圓錐霧噴頭和扇形霧噴頭，種類單調，生產規格不一，霧化質量參差不齊。國外除了常見的液力式圓錐霧和扇形霧噴頭，還有專用的防飄失噴頭和技術先進的變量噴頭，品種多樣，并具有相關的行業標準[4-7]。在噴頭的研制上，中國落后于發達國家。特別是在設施農業領域，配套專用的植保機械和關鍵部件十分缺乏，噴霧方式多為大容量噴霧，這種作業方式的農藥有效利用率不足30%[8-10]，大量霧滴流失到地面，增加了土壤濕度，為病蟲害多次爆發提供條件，同時引起環境污染和食品安全等問題，此外大容量噴霧在作物成株期，霧滴不容易穿透植株冠層，難以在葉片背面沉積，致使病蟲害防治不徹底。

與大田和果園植保作業不同，設施植保作業在一個相對封閉的環境中進行，沒有自然風的干擾，同時高溫高濕的獨特環境，在導致作物易患病蟲害之外，還會使設施內部蚊蠅蛾等飛行蟲害（適宜農藥霧滴尺寸10- 30 μm）頻發[11-13]。因此，設施植保作業應主要考慮如何提升霧滴在整個棚室內部的彌散性，對棚室內部整個空間進行防治，而忽略霧滴飄失。較細霧滴[氣霧（粒徑≤50 μm）、彌霧（50μm<粒徑≤100¨m）]的彌散性以及在固體表面的黏附性要顯著優于較粗霧滴[常規霧（100 μm<粒徑≤200μm）、粗霧滴（粒徑>200 μm）][14]。而中國農用噴頭常用壓力下所產生的霧滴粒徑一般為80 - 200 μm[15]，適合進行目標性強的作業，霧滴彌散性相對較差。因此，本研究針對設施栽培獨有的環境特點和防治對象，研制一種能夠產生煙霧級霧滴的農用氣液兩相噴頭，并對噴頭進行噴霧特性仿真與試驗驗證。

1 材料與方法

1.1 氣液兩相流霧化噴頭的設計

基于文丘里原理（圖1）設計氣液兩相流霧化噴頭。設計的噴頭（圖2）主要由超聲頭、閥芯結構（內端頭）、進氣管、安裝螺母等部件組成，材質為SUS304。其中閥芯采用文丘里結構，為使液滴在閥芯喉管部整個截面上較快均勻分布，采用了徑向內噴的供水方式，以增大氣液兩相速度差，同時減小流量，提高噴頭的霧化性能。

超聲頭為圓柱體，靠近噴頭出口處設有一同心盲孔，通過鋼絲與超聲頭連接。超聲頭與進氣管通過螺紋連接并將閥芯結構固定在連接套管內部。進氣管與后蓋形成的套管間隙組成了水流通道。噴頭內腔的低壓氣流在閥芯喉管處形成高速氣流，高速氣體和套管中被吸人的低壓液體在狹窄真空區域充分混合和碰撞后以高速氣霧流的形式噴出，噴出的氣霧流再受到噴頭尖的撞擊進行二次霧化，形成煙霧狀的細小霧滴。

1.2 噴頭噴霧特性試驗

1.2.1 霧滴粒徑測試采用Winner318B工業噴霧激光粒度分析儀（濟南微納科技有限公司產品）對氣液兩相霧化噴頭進行粒徑測量，環境溫度為26 -28℃。測試時噴頭的進氣口經調壓閥（臺灣AIRTAC亞德客公司產品，型號AR2000）與氣泵（上海奧突斯工貿有限公司產品，型號550W-30L）相連，進水口經調壓閥與液泵（寧波雷誠泵業有限公司產品，型號LS-0416）相連（圖3）。在水壓恒定（0.05 MPa）的前提下測試不同氣壓下霧滴粒徑的分布，噴頭距離儀器1.6 m，每種工況重復3次。

1.2.2 噴頭計算流體力學仿真試驗 為了解噴頭內部兩相流體的運動情況，利用FLUENT和CFX求解器對噴頭進行計算流體力學（ Computational fluiddynamics，CFD）仿真[16-17]，建立噴頭的氣流場三維模型，分析不同氣壓下氣流速度的變化特性。由于噴頭的氣液兩相流動涉及高壓壓縮空氣和液相水，為了觀察噴頭流道內外的氣液兩相分布情況，采用VOF模型18]進行氣液兩相非穩態流動模擬。因此，仿真分為2部分：①對噴口氣霧流速度起決定性作用的氣流速度進行仿真，分析不同壓力下噴頭截面速度變化和出口平面氣流速度分布;②氣液兩相非穩態流動仿真，分析氣霧的分布情況。

1.2.2.1 噴頭氣流速度仿真 選擇標準k-ε雙方程[19-20]湍流模型進行非穩態流動模擬，噴頭的氣相人口壓力從0.2 MPa變化至0.5 MPa，將氣體物理屬性設為可壓縮理想氣體。在Gambit軟件中建立噴頭的氣流場模型，噴頭長度為64.0 mm，分別有氣相和液相2個圓形人口，其直徑分別為13.4 mm和12.0 mm，噴頭出口直徑為2.2 mm的圓形平面，其下方約3.5 mm處有內徑為2.0 mm、外徑為2.6mm、高度為3.3 mm的一空芯圓柱，底面封閉，用于液滴二次霧化。噴頭氣流場模型如圖4所示。

噴頭在氣相和液相進口面的鉛垂面具有面對稱特性，因此選擇噴頭幾何模型的一半作為研究對象。為了模擬氣相從噴頭入口至流向大氣環境的流場特性，建立噴頭出口處的大氣環境計算域，并對整個流場計算域進行結構化網格劃分，在壁面及噴頭出口處附近區域進行網格加密，網格節點總數約為5. Ox105（圖5）。根據噴頭后期試驗工況，分別選定氣壓0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa及0.5 MPa 4個工況進行氣相模擬。噴頭氣相非穩態流動數值模擬邊界條件設置如下：（1）氣相人口壓力0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa及0.5 MPa;（2）幾何對稱面，對稱邊界條件;（3）氣相出口壓力為環境大氣壓1 atm;（4）其他為無滑移壁面邊界條件。

1.2.2.2 氣液兩相非穩態流動仿真噴頭幾何外形如圖4所示，噴頭氣相流動經歷了亞音速到超音速的過程，同時伴隨液相流動，過程復雜。為提高仿真的精度，合理縮減仿真時間，根據幾何對稱性對噴頭外形進行簡化，選取噴頭圓周方向的1/8作為研究對象。氣液兩相流動計算域由噴頭出口面下方100mm和噴頭出口面平面外延半徑150 mm組成的扇形區域，兩側面（對稱面）的夾角為450，對計算域進行全結構網格劃分，全局網格節點約1.7×10（圖6）。

用CFX求解器對噴頭噴口周圍的氣液兩相流場分布特性進行仿真計算，湍流模型選擇標準k一ε雙方程模型，氣相和液相表面視為均勻相自由表面，氣體選擇可壓縮理想氣體，同時考慮水的表面張力為0. 072 N/m，主相為氣體。相應邊界條件設置如下：（1）氣相入口邊界條件設置見表1;（2）液相人口邊界條件設置見表2，液相溫度設置為300 K;（3）兩側對稱面為對稱邊界條件;（4）圓柱面及底部扇形面為出口邊界條件，環境大氣壓為1 atm，環境溫度為300 K;（5）其他為無滑移的壁面邊界條件。

1.2.3 氣流仿真結果驗證試驗為了驗證仿真的準確性，對氣液兩相噴頭出氣口速度隨噴頭氣液入口壓力變化的規律進行試驗。試驗方法：在噴頭工作后，利用氣流穩壓緩沖裝置（圖7），在恒定氣壓下，用熱敏式風速儀（智標GM8903）測定裝置出氣口處界面氣流速度，待風速儀上數值穩定后，記錄數據，試驗重復3次。塑料管口的速度記為V試，塑料管內孔面積為Js管，噴頭出口的速度為V噴，噴頭出口的面積為S噴，則V試XS管=V噴XS噴，V噴=V試×（D管/D噴）2，式中，塑料管內徑D管=20.0 mm，噴頭出氣口直徑D噴=2.2 mm。

2 結果與分析

2.1 氣液兩相流霧化噴頭的霧滴粒徑

當噴霧液的靜止試驗水壓Pl=0.05 MPa時，不同氣壓Po（O.2 MPa、0.3 MPa及0.4 MPa）下霧滴粒徑的分布百分比見表3。由表3可知，當氣壓在0.2MPa和0.3 MPa時，粒徑65μm以下的霧滴占比在85%以上;而當氣壓達到0.4 MPa時，65 μm以下的霧滴占比高達98%。霧滴的體積中徑D50均小于50μm。霧滴達到煙霧級水平，霧滴圖譜見圖8。

2.2 噴頭計算流體力學仿真結果

2.2.1 氣流速度仿真結果 隨著壓縮氣體在流道內流動，壓能轉化為動能并在噴頭喉部區域使氣流速度達到最大，接近500 m/s。在噴頭出口處平面的中心區域速度最大，而在壁面附近區域速度則明顯偏低。由于高速氣體的流出導致在噴頭出口區域形成明顯負壓，致使噴頭外部氣體在噴頭出口靠近壁面的區域形成回流，呈喇叭狀分布。

為了解不同壓力下氣流速度的空間分布情況，選擇對稱面上距離噴頭出口平面下方1 mm、10mm、50 mm以及100 mm處直線位置（圖9），觀察噴頭兩側的速度分布。速度在各直線上的分布曲線如圖10所示。由圖10可知，距噴頭出口平面1 mm位置處速度最大可達到450 m/s，速度在噴頭兩側的分布具有明顯的對稱性，速度最大值出現在噴頭正下方區域，且隨著距離增大速度衰減幅度隨之增大，當距噴頭出口平面100 mm時最大速度已降至10m/s以下。

由4個工況的仿真結果可知，氣壓為0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa及0.5 MPa時，噴頭出口中心區域氣流速度分別為338 m/s、410 m/s、426 m/s和450m/s。說明所設計的氣液兩相流霧化噴頭能夠產生超音速氣流，噴頭的設計結構對增大氣液兩相速度差具有顯著效果。

2.2.2 氣液兩相非穩態流動仿真結果采用非穩態計算，計算時間步長為2. Oxl0 s，計算總時長為0. 02 s。t=0 s時整個計算域處于初始狀態，計算域內的流場速度和湍流強度等參數均為0，氣體體積分數為1.0，環境溫度為300 K，共計算6個工況（氣壓0.3 MPa，液壓0.05 MPa;氣壓0.3 MPa，液壓0. 10 MPa：氣壓0.4 MPa，液壓0.05 MPa;氣壓0.4MPa，液壓0.10 MPa;氣壓0.5 MPa，液壓0.05MPa;氣壓0.5 MPa，液壓0.10 MPa）。由仿真結果分析得出，氣流自人口面進入，在噴頭喉部的速度達到最大，約為540 m/s至630 m/s;在喉部下方，由于受噴頭兩側水流的影響，氣流高速區主要集中在中間區域，而兩側速度很小，形成較大的速度梯度，氣體從噴頭出口面噴出，徑直噴向下方的空芯圓柱，但由于受到空芯圓柱底部壁面的阻擋，氣流發生反向流動從空芯圓柱上表面流出后向兩側流動，隨著離噴頭出口面距離的變大，氣流速度的衰減逐漸增大。從速度分布特征還可以得出，當氣相入口壓力一定時，液相入口壓力的增大可使噴頭下方的兩側氣流朝噴頭軸向集中，液相分布同樣也具有這一特征。

2.3 氣液兩相流霧化噴頭的氣流仿真結果驗證

噴頭氣流速度測試結果與仿真結果（表4）顯示，噴頭出口氣流速度均達到超音速，且噴頭出口氣流速度隨著兩相壓力的增加而增加，實測值與仿真值的相對偏差≤10%。說明噴頭流場的仿真分析結果與噴頭實際噴霧特性的一致性較高。

3 結論

設施農業棚室內部高溫高濕，蚊蠅蛾等飛行蟲害頻發，而飛行蟲害的防治對植保機械噴霧性能的要求較高，適宜的霧滴粒徑在10 μm至30 μm之間。因此，設施植保作業應主要考慮提升霧滴在整個棚室內部的彌散性，對棚室內部整個空間進行防治，不用考慮霧滴飄失問題。本研究基于文丘里原理設計了一款農用氣液兩相噴頭，并對噴頭進行了噴霧特性仿真與試驗驗證，得到以下結論：（1）通過霧滴粒徑測試試驗測得，0. 05 MPa的恒定水壓下，霧滴粒徑隨著氣壓的增高而降低，65 μm以下的霧滴占比≥85%，霧滴體積中徑（D50）<50 μm，噴頭霧化性能優異，能夠獲得煙霧級霧滴，可進行超低容量噴霧;（2）噴頭氣流速度場的CFD仿真和試驗驗證結果說明，噴頭能夠產生超音速氣流，噴頭的設計結構對增大氣液兩相速度差具有顯著效果，有利于霧滴的超細霧化。（3）當氣相入口壓力一定時，液相人口壓力的增大可促使噴頭下方兩側的氣流朝噴頭軸向集中，噴頭出口的氣流速度隨著兩相壓力的增加而增加，氣流速度實測值與仿真值的相對偏差≤10%，仿真結果可靠。

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（責任編輯：張震林）