基于Fluent 的對射流混藥管吸入室收縮半角研究

陳志剛，毛 偉，王鵬程，杜彥生

（1.江蘇大學環境與安全工程學院；2.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮江 212000）

0 引言

混藥作為植保機械的重要組成部分，混藥質量高低直接與植保效率掛鉤［1］。傳統的農藥混合都是在噴灑之前將農藥與清水進行預混合［2-4］。目前，應用較多的在線混藥技術是將水箱與藥箱分開，使用時，將藥箱和水箱里的液體自動混合在一起，具有環保、節約資源、效率高等優點［5-8］。射流混藥管在藥水分離、農藥在線混合中發揮著重要作用，所以在大型植保機械領域具有較高的研究價值［9-11］。宋海潮等［12］挑選擴散角分別為10°、14°、18°，研究脂溶性農藥在該混藥管的混合性能，試驗結果表明，當擴散角為10°時，均方根值最小，灰度值分布最均勻；宋海潮等［13］采用三水平三因素正交實驗分析擴散角、混合管長度、收縮角對旋動混藥管有效長度的影響，發現混藥管長度對其影響最大；肖龍洲等［14］利用Fluent 數值仿真研究吸入角對尺寸、回流位置及形成過程的影響，發現當吸入角在18°～25°區間時，回流區域被抑制表現最為明顯；Song等［15］利用Fluent 軟件對射流泵的3 種結構進行數字模擬，比較其流量比、壓力比和效率，證明了其設計的射流泵具有更高效率。但是，目前針對混藥室入口角度對混藥管混藥性能造成影響的研究仍然較少。

因此，本文設計了一種射流混藥管，固定其它混藥管參數，只改變混藥室入口角度，通過Fluent 進行數值計算，探究入口角度對混藥性能的影響。

1 射流混藥器

1.1 原理與結構參數

混藥器工作原理與文丘里管相同，當高速水流經過混藥管時，因為清水與空氣之間存在粘滯作用，會帶走吸藥室里的空氣，從而使混藥管里形成負壓狀態。在大氣壓的作用下，藥液會被吸入吸藥室。其基本結構如圖1 所示，具體包括射流嘴、吸藥管、吸入室、混藥管和擴散管等。

Fig.1 Mixing tube structure圖1 混藥管結構

本文利用Fluent 18 對混藥管的內部流場進行數值模擬，其參數分為可變參數和固定參數，固定參數限定在合理范圍之內，如表1 所示。混藥管截面簡化圖形如圖2 所示。

Table 1 Dimensions of each part of the model表1 模型各部分尺寸

Fig.2 Simplified cross section of mixed pipe圖2 混藥管截面簡化圖形

本研究一共需要用到4 個工作參數，分別是面積比m、混藥比q、壓力比h 和工作效率η，其定義如下：

式中，Sh表示混藥管截面積，單位為mm2；dh表示混藥管直徑，單位為mm；Sz表示射流嘴出口截面積；dz表示射流嘴出口直徑。

式中，Qs表示農藥進口流量，單位為m2/s；Qi表示清水進口流量，單位為m2/s；Ss表示農藥入口截面積，單位為mm2；Si表示清水入口截面積，單位為mm2；vs表示農藥進入速度，單位為m/s；vi表示清水進入速度，單位為m/s。

式中，h是反映流體壓力損失的一個無量綱參數，h越大，表示壓力損失越小；Po表示出口壓力；Ps表示農藥進口壓力，Pi表示清水入口壓力。

利用Solidworks18.0 進行建模，根據不同尺寸要求，建立對應的符合仿真要求的3D 模型。為便于接下來的網格劃分和壁面命名，將混藥管劃分為4 個不同部分，如圖3所示。

Fig.3 Model of mixing tube with high precision division圖3 高精度劃分的混藥管圖形

1.2 網格劃分

將建好的模型導入mesh 中，分別利用sweep、face siz?ing、inflation 對規則的液體流動區域混藥管的part1、part2、part3 進行網格劃分，對于液體流動不規則的網絡區域part4 采用body sizing 進行網格劃分。為了盡可能提高計算精度，這部分區域最好采用比較細的網格（見圖3）。

在仿真計算中，選用species transport 模型，采用SIM?PLE 算法對流體混合進行數值仿真計算。混藥管初始化時里面充滿水，仿真開始后，水溶性農藥（這里用質量分數為2.5%、密度為1 065kg/m2、粘度為0.89mPa·s 的NaCl 溶液代替）進入混藥管與清水混合。清水（在常溫下，密度為998.2kg/m2，粘度為1.003mPa·s）作為介質，用來用運輸農藥，并與農藥混合。設置清水與農藥入口均為壓力入口，大小為0.4MPa、0MPa。出口設為壓力出口，其值為0MPa（這里的壓力都是相對壓力，即相對于空氣的標準大氣壓0MPa）。

1.3 數學模型

Realizable k-ε 模型結合標準壁面函數可得到更加標準的射流混藥管內部流場信息。因此，本文采用realizable k-ε 雙方程紊流模型進行混藥管流場模擬，利用Fluent 作為數值仿真工具。根據多相流連續性方程和動量方程可得：

式中，ρ、μ分別為密度和分子粘性系數。

本文湍流模型采用k-ε 模型。其中，k表示湍動能，ε表示湍能耗散率。其求解方程如下：

式中，Gk表示平均速度梯度引起的湍動能，Gb表示浮力引起的湍動能，YM表示湍動能脈動膨脹造成的對總耗散率的影響。

其中，C1ε、C2ε、C3ε、σk、σi均為常數，分別等于1.44、1.92、0.09、1.0、1.3，湍流粘性系數

1.4 網格質量評估與仿真驗證

選用其中一個射流混藥管模型進行分析，若網格數量過少，會造成計算精度不夠，影響計算結果；網格數量過多，會造成計算時間過長，而且在仿真過程中會占用大量CPU 資源，影響工作效率。因此，選用正確的網格劃分手段顯得極為重要。該模型劃分的節點數為624 249，單元數為958 266，比文獻［16］的網格數量還要多，基本符合計算要求。網格質量好壞主要看3 個參數是否達到要求，即雅克比率（jacobian ratio）小于40，傾斜角（skewness，最優值為0，最差值為1）小于0.5，正交質量（orthogonal quality，最優值為1，最差值為0）大于0.5。該模型質量評估參數如表2 所示。

Table 2 Model quality assessment parameters表2 模型質量評估參數

接下來對模型的有效性進行驗證，檢查仿真計算結果是否符合要求，驗證仿真計算是否能夠達到代替現實實驗的要求。選用吸入口的角度為60°，開始進行數值模擬，將仿真結果與文獻［5］進行對比。圖4 的對比結果顯示，兩個數據的曲線相近，表明Fluent 仿真可以很好地反映混藥管內部情況。

2 仿真實驗對比分析

在仿真計算中，設置吸藥口的∠α 從10°～150°每隔10°取一個參數，其它參數固定不變。以xy plane 建立一個平面plane1，并以該平面為參考平面，建立相應的壓力云圖、速度云圖、流線圖、速度矢量圖等，在此基礎上進行相關分析。如圖5 為混藥管內不同入口角度壓力場分布，圖6 為混藥管內不同入口角度速度場分布，圖7 為混藥管內不同入口角度的密度場分布（彩圖掃OSID 碼可見）。

Fig.4 Effectiveness comparison of numerical simulation圖4 數值模擬有效性對比

Fig.5 The internal pressure field of the mixing tube with inlet angles of 30 °，110 °and 180 °respectively圖5 入口角度分別為30°、110°、180°的混藥管內部壓力場分布

Fig.6 Velocity field distribution in the mixing tube with inlet angles of 30 °，110 °and 180 °respectively圖6 入口角度分別為30°、110°、180°的混藥管內部速度場分布

由圖5 可知，入口角度越小，在混藥管區形成的負壓值越大。這是因為在高壓、低速的清水流經噴嘴過程中，由于噴嘴角的管徑變小，高壓、低速的流體變成了低壓、高速的流體。由于高速清水與空氣粘滯作用的存在帶走了吸入室里面的空氣，使之形成負壓。農藥在大氣壓的作用下進入混藥管中。而入口角度越小，混合流體與壁面的相互作用減少，能量損耗也隨之減少，混合流體的速度也越快，形成的負壓則越大。

圖6 也正好驗證了圖5 的結論，即入口角度越小，混合流體的速度越快。由圖4 可知，在混藥管出口處都出現了一定程度的速度分層現象，下一部分的水流速度大于上一部分。這是因為下一部分的流體在重力作用下，由于流體的相互作用，克服做功較少，可以保持較快的速度。

由圖7 可知，入口角度為180°和30°的混合液在混藥管出口處已混合均勻，而入口角度為110°的混藥管在混藥出口處并未混合均勻。

Fig.7 The distribution of density field in the mixing tube with inlet angles of 30 °，110 °and 180 °圖7 入口角度為30°、110°、180°的混藥管內密度場分布

取不同入口角度射流混藥管軸心上的壓力值仿真結果，并繪制在同一坐標系中。圖8 為入口角度∠α 取30°～180°時軸心上的壓力曲線。

Fig.8 Axial pressure curve of mixing tube圖8 混藥管軸心壓力曲線

由圖8 可知，當入口壓力為0.4atm 的清水從射流嘴噴出后，水壓迅速下降。在射流嘴出口位置，水壓值遠小于0MPa（這里是相對壓力，設大氣壓值為0MPa），此時，內部氣壓值遠小于外部。在大氣壓強的作用下，農藥進入混藥管中與清水混合。從圖8 中還可以看出，不同的入口角度都能夠實現抽吸農藥的作用。而且，吸入口角度越小，在混藥管內形成的最低負壓則越小，但各個混藥模型的差距并不明顯。

通過對混藥管不同入口角度的仿真結果進行分析，并根據計算公式得到混藥比、壓力比以及效率值，然后將這些數據導入到Origin，繪出相應折線圖。

圖9 中混藥比隨著入口角度的變化存在著一定波動，且混藥比數值穩定在0.58～0.76 之間，其中30°～40°、80°～90°、90°～100°波動較大，其它范圍波動相對較小。混藥比在剛開始的30°時是最大的，其次是90°。在30°混藥比較高是因為此時入口角度較小，流體運動受到的阻力較小，形成的壓力差較大，藥液更容易進入混藥管與清水混合。當入口角度為90°時，液體流動受到的阻力較大，這是因為此時雖然流體的流通速度較慢，形成的壓差也較小，但此時水流量也不是很大，藥液在混合液的占比則會變大。

Fig.9 Relationship between mixing ratio and inlet angle in jet mixer圖9 射流混藥器內混藥比與入口角度的關系

混藥管中工作壓力大小對工作效率的影響較大。壓力比越小，表明混藥管的壓力損失越小，能量消耗也較小。如圖10 所示，當入口角度在30°～50°、90°～100°范圍內變化時，壓力比隨著入口角度的增大而減少；當入口角度在100°～180°范圍內變化時，壓力比存在著一定波動，但變化范圍不大。從圖中可以看出，壓力比最大的入口角度為30°，壓力比最小的入口角度為110°。

Fig.10 Relationship between pressure ratio and inlet angle of mixer圖10 混藥器壓力比與入口角度關系

混藥效率的高低是直接衡量混藥管好壞的標準，由圖11 可知，混藥效率與壓力比的變化趨勢幾乎一致。入口角度為30°時混藥效率最高，為11.6%，入口角度為110°時混藥效率最低，為4.74%，也即最高混藥效率高于最低混藥效率的兩倍多。入口角度從100°開始，混藥效率則變化不大，維持在一個較低水平。因此，混藥管入口角度不宜過大。根據低于最大混藥效率的20% 確定混藥管入口角度區間，以此確定最佳入口角度區間為30°～34.36°和86.05°～92.58°。

Fig.11 Relationship between mixing efficiency and inlet angle圖11 混藥效率與入口角度關系

3 結語

本實驗通過Fluent 進行數值仿真，當改變入口角度時，其它參數也隨之變化，再利用Origin 對得到的結果進行分析。試驗結果表明，入口角度對混藥性能有著一定影響。當入口角度較小（<100°）時，混藥比的變化幅度較大，之后隨著入口角度繼續變大，混藥比變化幅度不大。射流混藥管壓力比隨著入口角度增大，剛開始波動很大，100°以后基本上趨于穩定。混藥效率與壓力比的變化曲線基本一致。取值范圍選定在最高混藥效率的80% 之內，從而得到最佳入口區間為30°～34.36°和86.05°～92.58°。

但是，混藥管的混藥性能并不是由混藥室入口角度這一單一變量決定的，該仿真是建立在前人研究的基礎上確定混藥管其它最優參數，而且混藥管入口參數也是固定不變的。后期研究可考慮多個參數變量共同作用對混藥管混藥性能的影響，從而設計出性能最優的混藥管。