基于離散相模型的超聲霧化噴嘴霧滴沉積特性研究

王梅香，張彥斐，宮金良

(1. 山東理工大學 機械工程學院, 山東 淄博 255049；2.山東理工大學 農業工程與食品科學學院, 山東 淄博 255049)

目前，農藥利用率僅為35%[1-2],農藥過量施用引起的環境污染和農產品質量問題日益嚴重。霧滴沉積量是影響農藥利用率的重要指標，其受噴嘴性能、氣象條件、施藥技術等影響，理想的情況是應盡量使霧滴沉積到靶標區域以減少非靶標區域的農藥漂移[3-4]。近年來，國內外學者對霧滴沉積特性影響因素的研究主要集中于噴施高度[5-7]、噴施壓力[8-9]、氣流速度[10-12]和噴施角度[13-15]。Delele 等[16-17]對果園風送式噴霧機噴施壓力進行了仿真分析，結果表明噴施壓力對噴霧機的霧滴參數有一定影響。Baetens等[18]對風送式噴桿噴霧機霧滴漂移分布規律進行了模擬研究，結果顯示噴桿高度和風速對霧滴漂移影響較大。Fritz[19]建立了WTDISP(wind tunnel dispersion)模型，得到不同噴嘴在風洞條件下的漂移規律。孫國祥等[20-21]對不同噴施高度和風速下的霧滴沉積特性進行了模擬，結果顯示霧滴的沉積量隨噴霧高度和風速的增加逐漸減小。李東紅等[22]在無風條件下以噴嘴角度為實驗因素，進行了噴霧沉積實驗，證實了噴嘴角度對霧滴沉積影響顯著。王景旭等[23]研究了靶標對霧滴運動的遮擋長度與噴霧角度的關系，結果表明隨著噴霧角度的增加，進口處的噴霧有效幅寬減小。宋堅利等[24]通過實驗表明，改變噴霧方向角會增加藥液在水平靶標上的沉積量。綜述已有研究，大多數都只是研究噴施角度、氣流速度、噴施壓力及噴施高度各自對沉積量的影響，并未探討噴施角度與氣流速度對沉積量的綜合影響。由于在藥液噴施過程中，氣流速度是產生霧滴漂移的主要因素，而改變噴施角度能夠有效增加霧滴在水平靶標上的沉積量；因此，研究不同氣流速度下的最佳噴施角度具有重要意義。

本文采用Species Transport模型和Discrete Phase模型對農用超聲霧化噴嘴在不同風速、不同噴施角度下的霧滴沉積特性進行仿真分析，研究不同工作條件對霧滴沉積量的影響，從而得到不同風速下的最佳噴施角度，以期為農用超聲霧化噴嘴精量施藥提供理論依據。

1 模擬區域幾何模型及流體計算模型的建立

1.1 幾何模型的建立

為提高噴嘴霧化效果，將超聲理論應用到液體射流霧化中[25-26]，根據Hartmann哨原理，在Design Modeler中建立農用超聲霧化噴嘴的幾何模型，如圖1所示。藥液從進口管流入，經噴嘴斜壁加速后由高速噴孔噴出進入諧振腔，產生的超聲波對藥液產生空化作用，使藥液破碎霧化成均勻的細小霧滴，從藥液出口噴出。幾何模型中，選取噴孔直徑為1.5 mm，藥液進口管直徑為10 mm，高速噴孔與諧振腔之間的距離為3 mm，藥液出口直徑為2 mm，諧振腔直徑為3 mm，諧振腔深度為4 mm。

建立霧滴沉積仿真區域幾何模型，模擬計算域為長4 m、寬0.8 m、高0.8 m的長方體，如圖2所示。定義霧滴沉積面幾何中心為原點，風速沿x軸正方向(水平向右)進入，噴嘴位于長方體上平面的幾何中心處，坐標為(0,0.8,0)。

圖2 模擬區域幾何模型Fig.2 Geometry model of the simulation area

通過Mesh對已建立的模擬計算域進行網格劃分，如圖3所示。其中網格數為9.01×107，節點數為1.69×107。

圖3 模擬區域網格劃分Fig.3 Meshing of simulation area

1.2 流體計算模型

根據農用超聲霧化噴嘴的結構特點，為了便于分析計算，運用有限體積法來控制方程的離散，流場計算采用非結構網格的SIMPLEC算法。在ANSYS19.0軟件Fluent模塊中設置求解器模型為Viscous-Standardk-ε模型、Species Transport模型和Discrete Phase模型,對計算區域流場進行模擬，其中湍流模型的動能方程和擴散方程滿足:

Gk+Gb-ρ-YM+Sk,

(1)

(2)

式中：ρ為流體密度；k為湍流動能；ε為湍流動能耗散率；μ為流體的動力粘度；μi為速度分量；xi和yi為坐標分量；Gk為由層流速度梯度而產生的湍流動能；Gb為由浮力產生的湍流動能；YM為湍流脈動膨脹對總耗散率影響系數；Cε為經驗常數；Sk和Sε為源項；模型常量σk=1.0，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σε=1.3。

湍流速度μt為

(3)

式中：ρ為流體密度；k為湍流動能；ε為湍流動能耗散率；模型常量Cμ=0.09。

在模擬噴霧過程中，離散相運動方程采用歐拉-拉格朗日方程(Euler-Lagrange equation)求解，離散相顆粒運動方程為

(4)

式中:u為連續相速度，m/s；up為顆粒速度，m/s；ρp為顆粒密度，kg/m3；dp為顆粒直徑，m；gx為重力加速度，m/s2；Re為相對雷諾數；CD為曳力系數。

2 結果與分析

2.1 不同風速對霧滴沉積量的影響

基于上述模型參數,對不同風速下的霧滴沉積過程進行模擬。取噴嘴進口壓力為2 MPa、噴施高度為0.8 m、噴施角度為0°，分析風速分別為v=0、1、2、3 m/s時霧滴分布圖，如圖4所示。圖4中，從藍色到紅色表示霧滴離開噴嘴的時間越來越長。可以看出，當v=0時，噴嘴噴出的霧滴呈半錐角為30°的圓錐狀分布，霧滴沉積密集區域位于噴嘴正下方，沉積效果最好；當v=1、2、3 m/s時，隨著入口風速的增大，霧滴沉積密集區域逐漸偏離噴嘴正下方，且向x軸正方向移動，風速越大，霧滴漂移距離越遠。

(a)v=0

(b)v=1 m/s

(c)v=2 m/s

(d)v=3 m/s圖4 不同風速下霧滴分布云圖Fig.4 Distribution of fog droplets at different wind speeds

通過CFD-Post后處理得到噴施角度為0°時不同風速下霧滴沉積分布曲線，如圖5所示。當風速v=0時，霧滴沉積高峰區主要集中在噴嘴正下方，霧滴沉積量峰值為2.65×10-3μL/cm2；當風速v=1 m/s時，霧滴沉積量高峰區移動到0.5 m處，霧滴沉積量峰值為1.92×10-3μL/cm2；當風速v=2 m/s時，霧滴沉積量高峰區移動到1.25 m處，霧滴沉積量峰值為1.25×10-3μL/cm2；當風速v=3 m/s時，霧滴沉積量高峰區移動到1.75 m處，霧滴沉積量峰值為0.81×10-3μL/cm2。

圖5 不同風速下霧滴沉積分布曲線Fig.5 Distribution curve of droplet deposition under different wind speeds

2.2 不同噴施角度對霧滴沉積量的影響

將噴嘴中心軸線與豎直方向的夾角定義為噴施角度α。在噴施高度為0.8 m、入口壓力2 MPa、風速為1 m/s的條件下，分析不同噴施角度對霧滴沉積特性的影響，圖6所示為不同噴施角度下的霧滴沉積云圖。由圖6可知，隨著噴施角度從5°～20°不斷增加，霧滴沉積密集區域逐漸向x軸負方向移動。圖7為不同噴施角度下霧滴沉積分布曲線。在噴施角度分別為5°、10°、15°、20°時，霧滴沉積高峰區分別位于0.25 m、0 m、-0.25 m、-0.5 m。當噴施角α=10°時，霧滴沉積密集區域位于噴嘴正下方，沉積量峰值為2.15×10-3μL/cm2，較噴施角度為0°時增加了 11.98%，為最佳噴施角度。

圖8所示為風速v=2 m/s時不同噴施角度下霧滴分布云圖。由圖8可知，隨著噴施角度從10°～25°不斷增加，霧滴沉積密集區域逐漸移動到噴嘴正下方靶標區域后繼續向x軸負方向移動，漂移量減少。圖9為不同噴施角度下霧滴沉積分布曲線。在噴施角度分別為10°、15°、20°、25°時，霧滴沉積高峰區分別位于0.5 m、0.25 m、0 m、-0.25 m。當噴施角α=20°時，霧滴沉積密集區域位于噴嘴正下方，沉積量峰值為1.58×10-3μL/cm2，較噴施角度為0°時增加了26.4%，為最佳噴施角度。

(a)α=5°

(b)α=10°

(c)α=15°

(d)α=20°

圖7 v=1 m/s時不同噴施角度下霧滴沉積分布曲線Fig.7 Distribution curve of droplet deposition at different spraying angles at v = 1 m/s

(a)α=10°

(b)α=15°

(c)α=20°

(d)α=25°

圖9 v=2 m/s時不同噴施角度下霧滴沉積分布曲線Fig.9 Distribution curve of droplet deposition at different spraying angles at v = 2 m/s

圖10所示為風速v=3 m/s時不同噴施角度下霧滴分布云圖。由圖10可知，隨著噴施角度從15°～30°逐漸增加，霧滴沉積密集區域不斷向x軸負方向移動，沉積量增加、漂移量減少。圖11為不同噴施角度下霧滴沉積分布曲線。在噴施角度分別為15°、20°、25°、30°時，霧滴沉積高峰區分別位于0.75 m、0.25 m、0 m、-0.25 m。當噴施角α=25°時，霧滴沉積密集區域位于噴嘴正下方，沉積量峰值為1.15×10-3μL/cm2，較噴施角度為0°時增加了41.97%，為最佳噴施角度。

(a)α=15°

(b)α=20°

(c)α=25°

(d)α=30°

圖11 v=3 m/s時不同噴施角度下霧滴沉積分布曲線Fig.11 Distribution curve of droplet deposition at differentspraying angles at v = 3 m/s

3 結論

采用Species Transport模型和Discrete Phase模型對農用超聲霧化噴嘴的霧滴沉積分布特性進行了仿真分析，通過對比不同風速和噴施角度下的仿真結果得到如下結論：

1)霧滴沉積量以拋物線形式分布，隨著風速的增加，霧滴沉積密集區域不斷遠離噴嘴正下方，沉積量逐漸減少。在噴施角度為0°、噴施高度為0.8 m、入口壓力為2 MPa的條件下，風速為0 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s時，霧滴沉積密集區域分別位于0 m、0.5 m、1.25 m、1.75 m，霧滴沉積量峰值分別為2.65×10-3μL/cm2、1.92×10-3μL/cm2、1.25×10-3μL/cm2、0.81×10-3μL/cm2。

2)一定的噴施角度能夠減小風速對霧滴漂移的影響，增大沉積量并使沉積密集區域保持在噴嘴正下方。在噴施高度為0.8 m、入口壓力為2 MPa的條件下，風速為1 m/s、2 m/s、3 m/s時，最佳噴施角度分別為10°、20°、25°，沉積量峰值分別為2.15×10-3μL/cm2、1.58×10-3μL/cm2、1.15×10-3μL/cm2，較噴施角度為0°時分別增加了 11.98%、26.4%和41.97% 。