液體張力對風場中霧滴特性影響的試驗研究

宋 勇,夏侯炳,宋淑然,2,3,4,5,張 龍,李 琨

(1.華南農業大學 a.電子工程學院;b.后勤處,廣州 510642;2.國家柑橘產業技術體系機械化研究室,廣州 510642;3.廣東省農情信息監測工程技術研究中心,廣州 510642;4.廣東省山地果園機械創新工程技術研究中心,廣州 510642;5.廣州市農情信息獲取與應用重點實驗室,廣州 510642)

0 引言

風送式噴霧被國際公認為是一種僅次于航空噴霧的高效地面施藥技術,其霧化效果和機動性能好,可以降低農藥使用量[1]。在進行風送式噴霧時,農藥藥液霧化過程復雜,除了霧化器結構對霧化質量有影響之外,液體自身的物理性質(如黏性力、表面張力等)對其也有一定影響[2-3]。霧化過程是液體克服表面張力增加其表面積的過程,表面張力的大小對霧化質量有明顯影響。因此,研究液體表面張力對風送式噴霧機流場中霧滴粒徑特性的影響,選擇適宜的藥液表面張力,可以降低農藥使用量,提高農藥利用率。

國內外學者對風送式噴霧氣流場分布、霧滴的沉積和漂移、噴霧助劑對噴嘴霧化效果做了大量研究。宋淑然等[4]采用CFD數值模擬,通過研究風送噴霧機噴筒內部氣流場,對遠射程噴筒及寬噴幅噴筒結構進行了優化。張瑞瑞等[5]分析了IDK120-025型和LU120-015型噴嘴噴施不同濃度的意歐、激健和尿素等3種助劑溶液時霧滴體積中徑及霧滴分布相對跨度差異。祁力鈞等[6]利用CFD技術,根據實測的噴霧機相關參數,確定了二維流場的邊界條件及參數,建立了Hardi LB-255型果園風送式噴霧機霧滴沉積分布模型。王景旭等[7]進一步研究了噴霧靶標對風場和霧滴沉積的交互影響特性。Dekeyser等[8]使用CFD仿真技術對風送噴霧機外部空間進行了風場模擬,并在實驗室條件下進行了測試和驗證,顯示CFD結果和測試結果吻合。Delete等[9]模擬果園風送式噴霧機氣流速度場分布、霧滴沉積分布及影響因素分析,設計了計算流體力學模型以研究噴霧機在橫流風機所產生的三維氣流場中的噴霧效果。Tsay等[10]利用Fluent軟件對單噴嘴風送式噴霧機不同條件下的霧滴沉積分布和防飄移效果進行了模擬,并建立沉積分布模型。Cu等[11]測試了噴霧氣流在不同冠層結構內的速度分布規律。Endalew等[12]建立了一個新的果園風送噴霧CFD模型,研究了噴霧機風速與方向對噴霧氣流在冠層內部分布的影響,證實氣流逆向線性衰減。

上述研究主要側重于對風送式噴霧機的機具結構或噴霧效果優化,較少研究液體物理性質對流場中霧滴特性的影響。本文采用CFD數值模擬探究液體表面張力對遠射程風送式噴霧機流場中霧滴特性的影響,并通過田間試驗對其結果進行驗證。

1 模擬區域幾何模型及計算用控制方程

1.1 三維(物理)模型建立

所研究的遠射程風送式噴霧機[13]如圖1所示。風送式噴霧機噴霧作業時,噴筒與水平方向保持平行,噴筒的圓形出風口處環繞均勻分布10個空心錐噴嘴,噴嘴間隔36°圓心角,每個噴嘴與噴筒軸心方向傾斜15°。

為了方便后續試驗,根據風送式噴霧機噴筒出口尺寸及噴霧試驗所測得的霧滴噴灑范圍[14],建立了如圖2所示的長方體模型。模型的高度為4.53m,寬度為6m,長度為11m,入風口軸心距離地面高度為1.53m。其中,離散相霧化器模型采用壓力型噴嘴,噴嘴的孔徑為1mm、壓力為1.8MPa時,單個噴嘴流量為0.0200 3kg/s,噴霧半錐角為34.96°,按照圖3中噴筒出口噴嘴位置和方式布置10個噴嘴。

圖2 遠射程風送式噴霧機外流場三維模型

由圖3可知:噴筒出口位置有圓形遮罩。仿真計算時,取噴筒圓形出口氣流速度為氣流場速度初始值,氣流從噴筒噴出后受圓形遮罩結構影響會改變該區域的氣流場分布,對后續計算會產生影響,因此需要考慮圓形遮罩結構對流場影響。在網格劃分方法中,圓形、圓柱形等幾何模型通常采用O型網格劃分方法[15]。因此,本文采用O型網格對噴筒出口區域網格進行劃分,并進行加密處理。

1.圓形遮罩 2.噴筒出風口

由于長方體模型較為規整,因此采用六面體結構化網格對模型進行劃分。為提高計算精度和效率,對入口區域及霧滴分布核心區域的網格做加密處理,如圖4所示。整個計算域網格數量為1 530 024個。

1.模型入口 2.地面 3.模型出口

1.2 計算模型控制方程選擇

1.2.1 仿真試驗條件假設

為了兼顧模擬精度與效率,模擬研究過程中根據前人的相關研究結論對求解條件做如下假設:

1)模擬入口氣流源與噴筒出口平面垂直,氣流只在x軸正方向有速度分量,且速度值保持恒定為25.01m/s。

2)霧滴與空間區域為不可壓縮液體與氣流。霧滴分布規律遵從Rosin-Rammler分布,終結方式只有沉積、飄移和蒸發3種形式[15]。

1.2.2 仿真試驗數學模型

風送式噴霧機氣流場為淹沒射流[14],氣流從風送式噴霧機噴筒噴出后處于湍流狀態,在數值模擬中選擇的湍流計算模型為k-ε模型。考慮氣流對霧滴形態及運動狀態的影響,在閱讀前人文獻中發現風送式噴霧氣液兩相流計算均采用Lagrangian離散相模型進行數值模擬[16],本文也采用離散相模型進行數值模擬。Lagrangian離散相模型通過積分拉氏坐標下的顆粒作用力微分方程來對離散相顆粒(霧滴)的軌道進行求解[15]。其中,顆粒作用力平衡方程在笛卡爾坐標系下的形式(y方向即為重力方向)為

(1)

(2)

(3)

(4)

其中,Fd(u-up)為顆粒的單位質量曳力(N);u為流體相速度(m/s);up為顆粒速度(m/s):μ為流體粘度(Pa·s);ρ為流體密度(kg/m3);ρp為顆粒密度(kg/m3);dp為顆粒粒徑(m);Re為相對雷諾數(顆粒雷諾數);Cd為曳力系數;gy為y方向重力加速度(m/s2);Fy為y方向的其他作用力(N);α1、α2、α3為常數。

1.3 仿真參數和邊界條件設置

1.3.1 液體表面張力參數設定

預試驗中使用上海方瑞儀器公司生產的液體表面張力儀,測量了市面上常用4種劑型的柑橘病蟲害防治農藥(懸浮劑、乳油、水分散粒劑和可濕性粉劑)在推薦稀釋倍數時的表面張力,發現各農藥稀釋成不同倍數下的的液體表面張力主要分布在66.9～33.4mN/m之間,在田間噴霧試驗時配置的水的表面張力為60.3、54.5、44.6、38.4、31.8mN/m。仿真參數中,液體表面張力設置與田間噴霧試驗的液體表張力值相同。

1.3.2 邊界條件

試驗測得風送式噴霧機噴筒出風口的平均風速為25.01m/s,噴霧壓力為1.8MPa,將該數值作為入口初始風速值和噴霧壓力初始值,其他參數為默認值。具體流場的邊界條件如下:

1)模型的入口(風送式噴霧機噴筒出口)邊界條件設為velocity-inlet速度進口,速度為25.01m/s,離散相邊界條件設為escape。

2)出口邊界條件設為pressure-outlet壓力出口,定義出口壓力為相對大氣壓,離散相邊界條件設為escape;地面離散相邊界條件設為trap,其他離散相邊界條件都設為escape。

3)液相入口(噴嘴)為壓力入口,壓力值為1.8MPa。

采用壓力-速度耦合求解算法,壓力方程采用二階迎風,考慮重力對霧滴的影響,壓力速度耦合采用SIMPLE算法。

2 試驗方法與結果分析

2.1 數值試驗方法

為采集流場中霧滴參數,沿噴筒軸線(中線)方向上,從距噴筒水平距離x=1m處開始,每隔1m建立一個與x軸垂直的采樣面(x=1、2、3、4、5、6、7、8、9、10m),共10個采樣面,如圖5所示。

圖5 霧滴參數采樣面

沿噴筒出風口中心軸線方向的地面上,距噴噴筒水平距離x=1m處開始,每隔1m建立一個直徑為6.9cm的圓形面作為霧滴沉積采樣點,共10個采樣點,如圖6所示。

圖6 霧滴沉積采樣點

2.2 田間試驗方法

田間試驗場地為華南農業大學柑橘試驗基地,為避免環境風速對試驗的干擾,選擇夜間環境持續風速<2m/s的時間進行噴霧試驗。使用直徑為6.9cm的玻璃皿采集霧滴沉積量,玻璃皿的布置方式與仿真試驗中的采樣面布置方式相同,如圖7所示。每次噴霧試驗持續2min,用電子天平逐一稱取噴霧試驗后玻璃皿的質量,噴霧試驗前后玻璃皿內水的質量差即為采集點處霧滴的沉積量。

圖7 霧滴沉積量測量試驗

2.3 試驗結果分析

2.3.1液體表面張力對霧滴體積中值粒徑影響的數值試驗結果及分析

不同液體表面張力時,遠射程風送式噴霧機流場中霧滴體積中值粒徑分布曲線圖如圖8所示。由圖8可以看出:各采樣面上霧滴體積中值粒徑隨著噴霧距離的增加而變小。其原因如下:氣流對大粒徑霧滴的輸送能力相比小粒徑霧滴更小,隨著噴霧距離的增加,部分大粒徑霧滴逐漸沉積到地面上,導致距離噴筒越遠霧滴體積中值粒徑越小。

圖8 不同液體表面張力時各采樣面上霧滴體積中徑(VMD)Fig.8 Volume median diameter (VMD) of droplets on each sampling surface with different liquid surface tensions

為了便于分析液體表面張力對流場中霧滴粒徑的影響,以x=2m的采樣面上的霧滴體積中值粒徑為例進行分析,結果表明:液體表面張力從60.3mN/m下降到31.8mN/m,霧滴體積中值粒徑從358.49μm減小為164.58μm,即降低液體表面張力可以細化流場中霧滴粒徑。這是因為液體表面張力降低后,減弱了液體分子之間的引力,促使液體更易破碎成霧滴,從而導致霧滴粒徑更小。

2.3.2液體表面張力對霧滴密度分布影響的數值試驗結果及分析

液體表面張力分別為60.3、54.5、44.6、38.4、31.8mN/m時,遠射程風送式噴霧機流場中噴筒軸線方向XOZ截面上霧滴密度分布如圖9所示。后處理中,離散相密度范圍設置為0～0.07kg/m3時,流場中XOZ截面上霧滴密度分布云圖顯示效果相對最好。為了詳細分析霧滴密度的分布情況,以x軸為對稱軸,在XOZ面上畫一個區域a,區域的寬度x=10m,高度范圍z=±0.233m,如圖9所示矩形區。

由圖9可以看出:不同液體表面張力下,噴筒出風口軸心范圍0～1m區間內霧滴密度最大,是由于每個噴嘴與噴筒軸心方向傾斜15°(見圖4),導致從噴嘴噴出的霧滴聚集在噴筒出口軸心范圍0～1m區間,使得該區域霧滴密度較大。

液體表面張力從60.3mN/m下降至31.8mN/m時,a區域中,霧滴密度>0.07kg/m3所占面積沿噴筒出口軸線方向逐漸增加,說明降低液體表面張力可以提高噴筒出口軸線區域的霧滴密度。分析原因:液體表面張力降低會促進霧滴破碎,使得流場中小粒徑霧滴增多,氣流對小粒徑霧滴的約束能力和輸送能力強于大粒徑霧滴,所以隨著液體表面張力降低,噴筒出風口軸線區域霧滴密度越大。

圖9 噴筒軸線方向XOZ截面上霧滴密度分布云圖

2.3.3液體表面張力對霧滴速度分布影響的數值試驗結果及分析

不同液體表面張力下,遠射程風送式噴霧機流場中各采樣面上霧滴沿x軸方向平均速度分布曲線圖如圖10所示。由圖10可以看出,霧滴平均速度隨噴霧距離的增加而減小。這是由于霧滴在運動過程中主要受到風速、空氣阻力和重力加速度的影響,霧滴從噴嘴噴出后就開始與空氣發生能量交換[18],使得霧滴的速度逐漸降低。

在距離噴筒出口1～6m區域內,液體表面張力對霧滴平均速度影響最大,表現在液體表面張力越大霧滴平均速度越小。以x=2m為例,液體表面張力為60.3mN/m,霧滴平均速度為13.44m/s;液體表面張力為31.8mN/m,霧滴平均速度為17.29m/s。這是因為在1～6m區域內距離噴筒出口近,在相同的出口風速和噴霧壓力條件下,霧滴速度大小的差異與初始動能有關。液體受壓力做功霧化時,一部能量轉換成了霧滴動能[17],另一部分用來克服液體表面張力,因此液體表面張力為60.3mN/m條件下產生的霧滴平均速度比液體表面張力為31.8mN/m條件下產生的霧滴平均速度更小。

圖10 不同液體表面張力時各采樣面上霧滴平均速度

在距離噴筒出口6～10m區域內,液體表面張力對霧滴平均速度影響相對較小,但影響效果相反,表現為液體表面張力越大霧滴的平均速度越大。以x=10m為例,液體表面張力為60.3mN/m,霧滴平均速度為4.37m/s;液體表面張力為31.8mN/m,霧滴平均速度為4.15m/s。這是因為在距離噴筒出口6～10m區域內,液體表面張力為60.3mN/m條件下產生的霧滴粒徑比液體表面張力為31.8mN/m條件下產生的大粒徑霧滴數量更多,而大粒徑霧滴抗漂移能力強,速度衰減更慢,因此液體表面張力越大,6～10m區域內霧滴平均速度更大。

2.3.4霧滴沉積量田間試驗及數值試驗結果分析與模型驗證

為了便于將數值試驗結果與田間試驗結果進行對比,將相同液體表面張力下田間試驗中各采樣點上霧滴沉積量的總和比上數值試驗中各采樣點上霧滴沉積量的總和,得到的比值作為數值試驗霧滴沉積量的比例修正系數。將相同液體表面張力條件下數值試驗中各采樣點上霧滴沉積量分別乘以比例修正系數后,作為該采樣點上的霧滴沉積量數值試驗值,計算公式為

(5)

其中,Mi為霧滴沉積量數值試驗值(g);Mai為霧滴沉積量田間試驗值(g);Mbi為未乘以比例修正系數前霧滴沉積量數值試驗值(g)。

由公式(5)可以得出不同液體表面張力下數值試驗霧滴沉積量的比例修正系數,如表1所示。

表1 不同液體表面張力下比例修正系數

經仿真計算得出不同液體表面張力條件下各采樣點霧滴沉積量數值試驗值,如表2中b列所示,a列為霧滴沉積量田間試驗值。由表2可以看出:x=1m處數值試驗值均為0,田間試驗值不為0。其原因如下:在開始噴霧和結束噴霧時,噴霧壓力值未達到1.8MPa,霧滴動能小,部分霧滴沉降在距離噴嘴出口附近區域,導致x=1m處的玻璃皿采集到霧滴。

霧滴沉積量田間試驗結果分析:在相同液體表面張力下,距離噴筒2～4m范圍內采樣點上的霧滴沉積量相比其他采樣點上的霧滴沉積量更大。主要原因如下:首先是噴筒出口處下方的噴嘴噴霧出的霧滴一部分未受氣流裹挾運動,在自身重力作用下沉積在此區域[13];其次是2～4m區域氣流速度衰減梯度大,速度衰減快慢不同的霧滴會發生碰撞聚合,產生一部分大粒徑霧滴,并沉積在此區間。

在不同液體表面張力下,霧滴沉積量隨液體表面張力降低而減少。以x=2m處采樣點上的霧滴沉積量為例進行分析:液體表面張力為60.3mN/m,霧滴沉積量為7.24g;液體表面張力為31.8mN/m,霧滴沉積量為2.81g。這是因為降低液體表面張力可以使噴嘴產生的霧滴粒徑更小,而小粒徑霧滴受氣流影響顯著,可以隨氣流運動到更遠處,從而導致沉積在地面上的霧滴量更少。

霧滴沉積量數值試驗結果與田間試驗結果的原因相同,在此不再贅述。

表2 遠射程風送式噴霧機外部流場霧滴沉積量田間試驗值與數值試驗值

模型驗證:將表2中不同液體表面張力下a列的霧滴沉積量仿真值與b列霧滴沉積量實測值進行卡方分析,以檢驗霧滴沉積量數值試驗值與田間試驗值之間是否有統計意義上的顯著差異。

由表3可以看出,不同液體表面張力下χ2計算值均小于16.92。這說明,數值試驗霧滴沉積量與田間試驗霧滴沉積量無顯著差異,所采用的仿真模型對遠射程風送式噴霧機霧滴特性分布及霧滴沉積分布的結果可信。

表3 χ2檢驗統計表

3 結論

1)各采樣面上霧滴體積中值粒徑隨著噴霧距離的增加而變小,降低液體表面張力可以細化流場中霧滴粒徑。

2)不同液體表面張力下,噴筒出風口軸心范圍0～1m區間內霧滴密度在流場中是最大的;當液體表面張力從60.3mN/m下降至31.8mN/m時,霧滴密度>0.07kg/m3所占面積沿噴筒出口軸線方向逐漸增加。

3)霧滴平均速度隨著與噴筒距離的增加而減小,液體表面張力對距離噴筒出口1～6m區域內霧滴平均速度影響最大,表現在液體表面張力越大霧滴平均速度越小;對6～10mm區域內,液體表面張力對霧滴平均速度影響相對較小,但影響效果相反,表現為液體表面張力越大霧滴的平均速度越大。

4)相同采樣點上,霧滴沉積量隨液體表面張力降低而減少。將霧滴沉積量的數值試驗結果與田間試驗結果進行卡方檢驗,證明了所采用的數值計算模型可信。