基于模型與CFD輔助的射流式混藥器設計

房開拓 邱威 周良富

摘要：射流式混藥器結構簡單，是實現藥水分離的最簡單有效的關鍵部件之一。針對混藥器內部流體流動過程的復雜性，目前沒有通用的理論模型來指導設計計算，沒有直觀的試驗方法觀察內部流動的問題。從非彈性介質的動量定理出發，推導出射流式混藥器的特性方程，建立面積比、噴嘴與混合室距離的理論計算模型。采用多相流Mixture模型中的Zwart-Gerber-Belamri空化模型法，模擬分析混藥器內部的相變過程。研究結果顯示理論模型法、仿真法與試驗方法的擬合優度大于0.98，證明研究方法的有效性。射流式混藥器在低壓力比下會發生空化現象，空化產生的氣體使引射流量保持穩定，該特性能夠滿足穩定的混藥比要求。設計面積比為1.31的混藥器，混藥比為0.049 8，混藥比變異系數為1.23%。引射流體與工作流體在距離噴嘴出口40 mm處，其速度場已趨于一致，即混藥器的混藥均勻性可以滿足實際需求。該研究為射流式混藥器研究與應用提供技術支撐。

關鍵詞：混藥器；射流；空化；植保機械；CFD

中圖分類號：S482

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 04-0065-06

Abstract： The jet mixer has a simple structure and it is one of the most simple and effective key components to realize the separation of medicine and water. In view of the complex internal fluid flow process of the mixer， there is currently no general theoretical model to guide the design calculation， and there is no intuitive test method to observe the internal flow problem. Based on the momentum theorem of inelastic media， this paper derives the characteristic equation of the jet mixer， and establishes a theoretical model for calculating the area ratio and the distance between the nozzle and the mixing chamber. The Zwart-Gerber-Belamri cavitation model in the multiphase flow Mixture model is used to simulate and analyze the process of phase change inside the mixer. The research results show that the goodness of fit between the theoretical model method， the simulation method and the test method is greater than 0.98， which proves the effectiveness of the research method. The jet mixer will have cavitation at a low pressure ratio. The gas produced by cavitation keeps the jet flow stable. This feature is conducive to the high requirement of the mixer for the stability of the mixing ratio. The design area ratio of the mixer is 1.31， and the mixing ratio is 0.049 8， and the variation coefficient of the mixing ratio is 1.23%. The velocity field of the ejector fluid and the working fluid at a distance of 40 mm from the nozzle outlet has tended to be the same， that is， the uniformity of the mixing of the medicine mixer can meet the actual demand. This research provides technical support for the research and application of jet mixer.

Keywords：? mixer; jet; cavitation; plant protection machine; CFD

0 引言

射流式混藥器是實現藥水分離、農藥在線混合的最簡單有效的方法之一，而射流式混藥器屬于無動力部件，具有無故障不堵塞等優點［1-2］。但混藥器內部流體流動過程復雜，目前還沒有通用的理論模型來指導設計計算，沒有直觀的試驗方法觀察內部流動。混藥器設計對加快促進藥水分離，實現農藥減施具有重要的現實意義。

針對上述問題，國內外不少學者對射流式在線混藥裝置設計、仿真與試驗開展了大量的研究工作。現有的研究認為面積比、噴嘴與混合室距離是影響混藥器性能的最主要兩個結構參數，相同面積比下的混藥比是一致的［3-5］。周良富等［6］結合CFD技術試驗研究了不同面積比和噴嘴位置的混藥性能，總結出特定工況下最優的結構參數。在混藥器的混藥特性方面，重點關注壓力比與混藥比之間的關系，認為混藥均勻性和混藥比穩定性是其兩個重要的技術指標［7-9］。宋海潮等［10］還開展了旋流器對混藥均勻性的影響研究，認為旋流器能夠實現脂溶性農藥和水均勻混合。在內部流場特性分析方面，主要采用k-epsilon標準兩方程模型模擬了內部流體的混合過程［11-13］，文獻［13-16］采用數值分析與試驗相結合方法研究了射流泵與噴嘴內部在不同工況下的汽蝕現象。也有學者采用Mixture模型模擬分析了混藥器內部的相變過程，認為空化不利于流體設備的壽命與運行，但混藥器就是利用了空化后引射流體量不隨出口壓力的變化而變化這一特點，保證了混藥比的穩定性，才使混藥器在植保機械中得以應用［17-18］。這些研究為混藥器的設計和應用提供一定的技術支撐，但依然沒有有效的定量方法指導射流式混藥器設計與性能分析。本文旨在通過理論分析建立混藥器關鍵結構參數模型，運用仿真分析方法與試驗方法驗證混藥性能，總結出簡單有效的設計與分析方法，設計出混藥比穩定的射流式混藥器。

1 總體結構

射流式混藥器主要采用文丘里原理，藥箱中的清水在液泵的高壓作用下以很高的速度經噴嘴噴出，吸走接收室的空氣使之產生真空，低壓農藥母液在大氣壓作用下被吸進接收室，與水一并進入混合室，均勻混合并升壓后進入噴霧系統，實現藥、水分離在線混合的功能。因此設計的射流式混藥器主要包括殼體、射流噴嘴和擴散管三部分，其結構如圖1所示。圖1中工作流體為水箱清水、引射流體為農藥母液，混合流體為藥水混合體。

1.1 工作原理

射流混藥器是在吸藥管中產生真空，以吸入農藥液體并使之與清水混合成為噴霧藥液的裝置。由混藥器內部流體壓力速度變化圖1可知，高壓流體流經噴嘴時，逐步將壓力能轉換為動能，壓力由進口壓力PP降低到P2，進入擴散管后流體壓力迅速增大，由P2快速上升到PC。從以上理論分析可知，射流混藥器的理論性能指標是接收室所產生的壓力P2（真空度），當真空度降至液體的飽和蒸汽壓力時，內部流體發生汽化，汽化產生的蒸汽泡在進入擴散管升壓的過程急劇冷凝破裂，消耗大量能量。

1.2 性能指標及要求

混藥器的性能要求為在低耗能的情況下實現藥液高效均勻混合。具體指標定義如下。

3 射流混藥性能研究

3.1 試驗方法

混藥性能試驗方法包括內部流場數值分析與壓力流量實測相結合的方法。

3.1.1 幾何建模及離散化

根據上述模型確定的結構參數，建立仿真幾何模型。將射流泵結構參數，在Ansys軟件ICEM模塊中進行建模，并完成計算域的離散化，要求采用四邊形網格劃分方案、網格間距小于0.2 mm，網格最大縱橫比小于2.5。

3.1.2 計算模型

混藥器工作原理簡單，但其內部流動規律復雜，特別是在高壓作用下射流泵內部發生空化現象，空化中的氣泡生成、發展和破碎，很難直觀用理論和試驗方法獲得。研究表明采用多相流Mixture模型中的Zwart-Gerber-Belamri空化模型可以捕獲流體機械內部空化過程的氣相變化過程［17-18］。內部流體湍流流動過程主要采用模型為RNG k-ε兩方程模型。

3.1.3 邊界條件

混藥器三端邊界均采用壓力邊界條件Pressure-inlet，混合相入口總壓為實際工作總壓值。邊界湍流強度均設為2%，水力直徑按三端實際尺寸，即水力直徑為截面直徑。空化壓力根據工作流體的溫度設置相應的飽和蒸汽壓力，如25 ℃的飽和蒸汽壓力3 540 Pa。

3.1.4 求解方法

采用壓力—速度耦合求解算法，壓力方程采用二階迎風，其他方程采用QUICK法離散，設置計算殘差為10-6，采用Hybird Initialization進行初始化。

3.1.5 后處理

通過氣相體積分數評價空化的程度，同時監測出口端流量，驗證是否滿足設計要求。

3.1.6 壓力流量測試

試驗按照植保機械通用試驗方法JB/T 9782—2014中的混藥器試驗部分進行。混藥器工作流體壓力、出口壓力采用0.4級精密壓力表測得，吸入口真空度采用U型水銀壓力計測得，吸入流量與出口流量均采用稱重法獲得。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1 研究方法驗證

3.2.2 流場特性分析

在工作壓力為2 MPa下，出口壓力分別為0.4、0.8、1.3 MPa下，射流式混藥器中心軸線上壓力的變化規律，如圖3所示。結合射流式混藥器的工作原理及圖3可知，當工作流體在進入噴嘴之前，流體壓力不變；流體進入工作噴嘴后，流體速度快速增加的同時，壓力快速降低至負壓，與引射流體聚集，然后進入混合室，混合后進入擴散管，速度逐步降低的同時壓力不斷升高，但不同出口壓力下壓力升高的過程是不一致的，即當出口壓力為1.3 MPa時其壓力升高很快，但當出口壓力為0.4 MPa時，其升壓過程緩慢，甚至在前半段的壓力值沒有發生變化。

其升壓過程的差異原因是流體在混藥器內發生了不同程度的空化，圖4為出口壓力分別為0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.3 MPa下的氣相體積分數分布圖。由圖4可知，出口壓力越小空化現象越嚴重，內部產生的氣體體積分數越大，空化產生的氣體會嚴重影響液體的流通，致使吸入量不隨出口壓力的變化而變化，即維持吸入量的穩定，這也是射流式混藥器工作穩定性的保證。

3.2.3 混藥特性分析

混藥比的穩定性及混藥均勻性是混藥特征中最重要的兩個指標。所設計的面積比為1.35的混藥器在工作壓力為2.0 MPa下，不同壓力比下的混藥比變化曲線如圖5所示。從圖5可知，在低壓力比下其混藥比是穩定的，其平均值為0.049 8，混藥比變異系數為1.23%，但當壓力比大于0.5后混藥比隨壓力比的增速迅速遞減。其主要原因是在低壓力比下混藥器內部發生嚴重空化，而空化產生大量的氣體嚴重制約了引射流體的流通，使混藥比保持穩定。當壓力比大于0.5后，空化現象趨緩，氣體減少直至沒有空化，真空度降低，混藥比也快速減小。因此混藥器的工作參數應設定為壓力比數值小于0.5為宜。

射流式混藥器實現了藥水在線混合，因此藥水在流經混藥器后的混合均勻性是需重點關注的技術指標，研究主要通過監測噴嘴出口處的工作流體和引射流體的速度分布規律。圖6為距離噴嘴出口截面距離為20 mm、30 mm、40 mm處截面的速度云圖。由圖6可知，引射流體與工作流體在距離噴嘴出口40 mm處，其速度場已趨于一致，況且混藥器在實際應用過程中，混藥器出口還有很長一段管路才到噴頭處，因此混藥器的混合均勻性是完全可以得到保證的。

4 結論

1）? 根據混藥器工況壓力比h為0.4，混藥比q為0.047，設計出的混藥器面積比m為1.35，噴嘴與混合室距離S為7.9 mm。

2）? 采用理論方法計算無空化條件、空化模型仿真分析法均可以得到混藥特性，計算值、仿真值與試驗值具有高度一致性，R2大于0.98。

3）? 在壓力比小于0.5時，混藥器內部開始發生空化，壓力比越小空化越嚴重。而空化產生大量的氣體嚴重制約了引射流體的流通，使混藥比保持穩定，因此空化有利于混藥比的穩定，建議混藥器的工作參數設定為壓力比小于0.5為宜。

4）? 所設計面積比為1.35的射流式混藥器在壓力比小于0.5時，其混藥比可穩定在0.049 8附近，且變異系數為1.23%。引射流體與工作流體在距離噴嘴出口40 mm處，其速度場已趨于一致，即混藥器的混藥穩定性與均勻性均可滿足實際需求。

參 考 文 獻

［1］ 邱白晶， 徐溪超， 楊寧， 等. 射流混藥裝置結構參數對混藥性能影響的模擬分析［J］. 農業機械學報， 2011， 42（6）： 76-79， 69.

Qiu Baijing， Xu Xichao， Yang Ning， et al. Simulation analysis of structure parameters of jet-mixing apparatus on jet-mixing performance ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2011， 42（6）： 76-79， 69.

［2］ 李羊林， 吳春篤， 傅錫敏. 雙級射流混藥裝置的試驗研究［J］. 農業工程學報， 2008， 24（1）： 172-174.

Li Yanglin， Wu Chundu， Fu Ximin. Experimental study on two-stage jet mixing apparatus ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2008， 24（1）： 172-174.

［3］ 邱白晶， 徐溪超， 鄧斌， 等. 射流混藥裝置面積比對混藥均勻性的影響［J］. 農業機械學報， 2011， 42（10）： 95-100.

Qiu Baijing， Xu Xichao， Deng Bin， et al. Effect of area ratio on mixing homogeneity in jet-mixing apparatus ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2011， 42（10）： 95-100.

［4］ 龍興平， 程茜， 韓寧， 等. 射流泵最佳喉嘴距的數值模擬［J］. 核動力工程， 2008， 29（1）： 35-38.

Long Xingping， Cheng Qian， Han Ning， et al. Numerical simulation of optimal nozzle-to-throat clearance of jet pump ［J］. Nuclear Power Engineering， 2008， 29（1）： 35-38.

［5］ Long Xinping， Han Ning， Chen Qian. Influence of nozzle exit tip thickness on the performance and flow field of jet pump ［J］. Journal of Mechanical Science and Technology， 2008， 22（10）： 1959-1965.

［6］ 周良富， 傅錫敏， 薛新宇. 基于CFD的射流式在線混藥裝置設計與試驗［J］. 農業機械學報， 2013， 44（S1）： 107-112.

Zhou Liangfu， Fu Ximin， Xue Xinyu. Design and experiment of jet mixing apparatus based on CFD ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2013， 44（S1）： 107-112.

［7］ Prabkeao C， Aoki K. Study on the optimum mixing throat length for drive nozzle position of the central jet pump ［J］. Journal of Visualization， 2005， 8（4）： 347-355.

［8］ 邱白晶， 馬靖， 鄧斌， 等. 在線混藥噴霧系統混藥性能試驗［J］. 農業工程學報， 2014， 30（17）： 78-85.

Qiu Baijing， Ma Jing， Deng Bin， et al. Experiment on mixing performance of on-line mixing spray system ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2014， 30（17）： 78-85.

［9］ 何培杰， 陳翠英， 吳春篤， 等. 兩級射流泵混藥裝置試驗研究［J］. 農業機械學報， 2003， 34（1）： 57-60.

He Peijie， Chen Cuiying， Wu Chundu， et al. Experimental investigation of a mixing apparatus with two stage jet pump ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2003， 34（1）： 57-60.

［10］ 宋海潮， 徐幼林， 鄭加強， 等. 脂溶性農藥旋動射流混藥器結構分析與混合均勻性試驗［J］. 農業工程學報， 2016， 32（23）： 86-92.

Song Haichao， Xu Youlin， Zheng Jiaqiang， et al. Structural analysis and mixing uniformity experiments of swirling jet mixer for applying fat-soluble pesticides ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32（23）： 86-92.

［11］ 邱白晶， 徐溪超. 射流混藥裝置二維和三維流場對比分析［J］. 排灌機械工程學報， 2011， 29（5）： 441-445.

Qiu Baijing， Xu Xichao. Contrast and analysis between 2D and 3D flow field of jet-mixing apparatus ［J］. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering， 2011， 29（5）： 441-445.

［12］ 何培杰， 陳翠英， 吳春篤， 等. 射流混藥裝置混合管流場數值計算［J］. 江蘇大學學報： 自然科學版， 2002， 23（2）： 13-16.

He Peijie， Chen Cuiying， Wu Chundu， et al. Numerical computation of mixing pipe flow field in jet mixing apparatus for pesticide mixture ［J］. Journal of Jiangsu University： Natural Science， 2002， 23（2）： 13-16.

［13］ Wiesche S A D. Numerical simulation of cavitation effects behind obstacles and in an automotive fuel jet pump ［J］. Heat and Mass Transfer， 2005， 41（7）： 615-624.

［14］ Hosien M A， Selim S M. Experimental study of cavitation criterion in centrifugal pumps ［J］. Journal of Visualization， 2014， 17： 87-94.

［15］ Cudina M， Prezelj J. Detection of cavitation in situ operation of kinetic pumps： Effect of cavitation on the characteristic discrete frequency component ［J］. Applied Acoustics， 2009， 70（9）： 1175-1182.

［16］ Ganippa L C， Bark G， Andersson S， et al. Cavitation： a contributory factor in the transition from symmetric to asymmetric jets in cross-flow nozzles ［J］. Experiments in Fluids， 2004， 36（4）： 627-634.

［17］ 王磊， 婁瑜， 王照福. 混流式模型水輪機空化流動分析與試驗研究［J］. 排灌機械工程學報， 2014， 32（9）： 771-775.

Wang Lei， Lou Yu， Wang Zhaofu. Cavitating flows simulations and experiments on Francis turbine model ［J］. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering， 2014， 32（9）： 771-775.

［18］ 周良富， 周立新， 薛新宇， 等. 射流式在線混藥裝置汽蝕特性數值分析與試驗［J］. 農業工程學報， 2015， 31（7）： 60-65.

Zhou Liangfu， Zhou Lixin， Xue Xinyu， et al. Numerical analysis and test on cavitation of jet mixing apparatus ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2015， 31（7）： 60-65.

［19］ 張遠君. 兩項流體動力學基礎理論及工程應用［M］. 北京： 北京航空學院出版社， 1987.