寇金寶,龔國(guó)騰,邢炯,楊傳民
基于PIV的大豆蛋白液雙槍噴涂速度場(chǎng)的研究
寇金寶,龔國(guó)騰,邢炯,楊傳民
(天津商業(yè)大學(xué),天津 300134)
為了在保證噴涂霧化表征均勻性的前提下實(shí)現(xiàn)寬幅覆膜,提高覆膜的效率,以期得到均勻一致的大豆蛋白覆膜。利用粒子圖像速度場(chǎng)儀(Particle Image Velocimetry,PIV),對(duì)不同干涉程度下的大豆蛋白液雙槍噴涂霧化場(chǎng)進(jìn)行拍攝,利用PIV和Origin軟件處理圖像,得到速度數(shù)據(jù)并對(duì)比。隨著雙槍間偏轉(zhuǎn)角的增大,基線上的平均速度減小;偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí),兩噴霧粒子流在干涉線處碰撞,少有透過(guò)干涉線的粒子;在不同偏轉(zhuǎn)角下,基線上的速度峰值從大到小為偏轉(zhuǎn)角7°時(shí)的速度峰值、偏轉(zhuǎn)角0°時(shí)的速度峰值、偏轉(zhuǎn)角15°時(shí)的速度峰值;當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí),隨著液壓的增大,基線上的第2個(gè)速度谷值會(huì)右移,并且會(huì)增大直至消去。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為0°、液壓為0.24 MPa時(shí),在基線上干涉區(qū)域內(nèi)的速度最均勻。
大豆蛋白液;雙槍噴涂干涉;粒子圖像速度場(chǎng)儀;速度場(chǎng)
為了在蔬菜紙上覆上一層均勻一致的大豆蛋白薄膜,本課題科研團(tuán)隊(duì)對(duì)噴涂技術(shù)進(jìn)行了研究。為保證噴涂覆膜的均勻性,需要保證噴涂霧化表征的均勻性,在此基礎(chǔ)上,本課題科研團(tuán)隊(duì)利用PIV對(duì)噴涂霧化表征的均勻性進(jìn)行了研究[1-3]。
噴涂指通過(guò)碟式霧化器或噴槍?zhuān)脡毫Γɑ螂x心力),把噴槍內(nèi)的液體分散,形成均勻、細(xì)小的霧滴,然后噴涂到零部件表面的一種涂裝方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的領(lǐng)域都應(yīng)用到了噴涂技術(shù),像燃燒學(xué)霧化、食品和藥品加工中的噴霧干燥、農(nóng)藥噴霧、除塵與滅火、海水淡化等方面都應(yīng)用到了噴涂技術(shù)[4-5]。噴涂技術(shù)的廣泛應(yīng)用同時(shí)也促進(jìn)著大量學(xué)者們對(duì)噴涂霧化過(guò)程的研究,Dafsari等[6]采用激光診斷技術(shù),通過(guò)研究壓力旋流噴嘴的霧化質(zhì)量和噴霧結(jié)構(gòu)對(duì)不同黏度的航空燃料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Shadrin等[7]采用陰影攝影法對(duì)氣動(dòng)噴嘴噴射水煤漿燃料的霧化和燃燒進(jìn)行了研究。Fathinia等[8]用高速攝影機(jī)研究了過(guò)熱度、入口壓力和入口溫度對(duì)3種不同類(lèi)型全錐形噴嘴噴射角的影響。
PIV能夠克服熱線只能單點(diǎn)測(cè)量的限制,可以快速準(zhǔn)確地測(cè)量出某個(gè)截面的空間流場(chǎng),得到該截面流場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)和速度矢量場(chǎng),是一種先進(jìn)的無(wú)擾動(dòng)流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)[9-10],在沖擊射流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特征研究中得到了廣泛應(yīng)用。沈鑫垚等[11]、Lyulin等[12]、Murakami等[13]、Zhao等[14]、Abbas等[15]都利用PIV技術(shù)對(duì)各自待測(cè)流場(chǎng)的速度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量,都取得了準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
基于本課題科研團(tuán)隊(duì)對(duì)單槍噴涂霧化表征均勻性的研究,為了實(shí)現(xiàn)寬幅覆膜,增大覆膜效率,本文提出雙槍噴涂的設(shè)想,并引入偏轉(zhuǎn)角的概念,對(duì)雙槍噴涂霧化表征的均勻性進(jìn)行研究。研究在不同干涉情況下(不同的偏轉(zhuǎn)角)雙槍噴涂霧化場(chǎng)速度場(chǎng)的變化規(guī)律。
實(shí)驗(yàn)原料:大豆分離蛋白粉,來(lái)自汕頭市聚豐隆生物科技有限公司;蒸餾水,來(lái)自實(shí)驗(yàn)室自制;羧甲基纖維素鈉(食品級(jí),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%),來(lái)自河南穎雪生物科技有限公司;聚羧酸鹽(食品級(jí),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%),來(lái)自山東富舜新材料科技有限公司;甘油(食品級(jí)),來(lái)自鄭州萬(wàn)盛食品商行。
主要設(shè)備:安東帕高級(jí)流變儀,意大利Anton paar公司;FD–101–BA型自制攪拌型加熱液油攪拌釜,天津商業(yè)大學(xué)自制;扇形電子脈沖空氣助力霧化噴嘴,斯普瑞噴霧系統(tǒng)上海有限公司;MSM–2250型控制器,斯普瑞噴霧系統(tǒng)上海有限公司;斯普瑞噴霧系統(tǒng)上海有限公司,北京立方天地科技發(fā)展有限公司;伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)二維噴涂霧化平臺(tái),無(wú)錫迪恩斯傳動(dòng)科技有限公司。
噴涂霧化場(chǎng)圖像采集系統(tǒng)主要是由噴涂控制系統(tǒng)、二維移動(dòng)架和PIV系統(tǒng)組成,如圖1所示。將大豆蛋白混合液放入噴涂系統(tǒng)的保溫缸中,由二維移動(dòng)架固定噴嘴,將兩噴嘴間的距離、角度調(diào)整好后,由噴涂控制系統(tǒng)控制噴涂過(guò)程的流量、液壓和氣壓,大豆蛋白混合液和空氣分別經(jīng)由液路和氣路在噴嘴處匯合形成噴霧。開(kāi)始噴霧后,PIV系統(tǒng)的激光發(fā)生器打出一束垂直于水平面的激光面,將噴霧面打亮,此時(shí)高速攝像機(jī)將對(duì)噴霧面進(jìn)行拍攝,拍攝出清晰的大豆蛋白噴霧場(chǎng)照片,隨后即可對(duì)照片進(jìn)行處理。
本文設(shè)置噴涂系統(tǒng)控制大豆蛋白液噴出的噴涂參數(shù):流量為30、50和70 mL/min,液壓為0.08、0.16和0.24 MPa,氣壓為0.08、0.16和0.24 MPa。設(shè)置偏轉(zhuǎn)角變量為0°、7°和15°。對(duì)比不同氣壓和液壓下,偏轉(zhuǎn)角對(duì)沉積基線上粒子速度的影響。

圖1 噴涂霧化場(chǎng)圖像采集系統(tǒng)
利用PIV系統(tǒng)對(duì)雙槍噴涂系統(tǒng)的噴霧進(jìn)行拍攝,可得到兩噴霧面相交匯的形貌圖像。為了更好地研究各個(gè)變量之間的關(guān)系,本文對(duì)雙槍噴霧面中的噴射高度、噴頭間距、沉積基線長(zhǎng)度、偏轉(zhuǎn)角和干涉基線進(jìn)行了定義。各參數(shù)標(biāo)注如圖2所示,以探求雙槍噴涂霧化表征的噴涂規(guī)律。
噴射高度()是噴頭到基帶的垂線距離,其高度由實(shí)際噴涂沖擊速度大小所定,本實(shí)驗(yàn)噴射高度的取值為350 mm。
噴頭間距()是兩噴頭之間的直線距離,由噴射高度()及以下噴霧角選定。本實(shí)驗(yàn)選取的噴頭間距為60 mm。
沉積基線長(zhǎng)度()是在固定的噴射高度、固定的噴涂參數(shù)以及固定的兩噴頭位置下,噴霧落在基帶上的最長(zhǎng)距離。若改變上述參數(shù),沉積基線長(zhǎng)度也會(huì)改變。如圖2所示,雙槍噴涂過(guò)程中,沉積基線長(zhǎng)度等于面Ⅰ沉積基線長(zhǎng)度(a+b)與面Ⅱ的沉積基線長(zhǎng)度(c+d)之和減去干涉基線長(zhǎng)度Δ。和Δ的計(jì)算是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,依據(jù)多幅PIV圖像表達(dá)的噴霧場(chǎng)尺度求平均值。


圖2 雙槍噴霧場(chǎng)主視圖模型
Fig.2 Master view model of double-nozzle spraying field
偏轉(zhuǎn)角()為兩噴頭在圓柱副上的夾角。在圖2和圖3中,固定圓柱,將噴頭始終固定在圓柱橫桿上,將、兩噴頭噴霧扇形面調(diào)至同一平面上,此時(shí)、兩噴頭的夾角為0°,繞圓柱副旋轉(zhuǎn)噴頭,旋轉(zhuǎn)的角度為偏轉(zhuǎn)角()。、兩噴頭噴出的噴霧面分別是面Ⅰ和面Ⅱ,不為0時(shí),、兩噴頭的2個(gè)扇形面不共面,面Ⅰ的位置始終是固定的,本文通過(guò)旋轉(zhuǎn)面Ⅱ來(lái)控制偏轉(zhuǎn)角的變化。
利用PIV軟件處理圖像數(shù)據(jù),得到雙槍噴霧場(chǎng)各點(diǎn)的速度數(shù)據(jù)。由于高速攝像機(jī)在拍攝時(shí)無(wú)法清晰地將整個(gè)雙槍噴霧場(chǎng)拍全,所以拍攝的速度數(shù)據(jù)集中在兩噴頭之間。為了探尋干涉對(duì)速度的影響,本文利用Origin軟件提取了面Ⅰ的單槍噴霧邊界,并以此為邊界。在固定的噴射高度下提取不同偏轉(zhuǎn)角下面Ⅰ的右沉積基線上的速度數(shù)據(jù),來(lái)研究面Ⅱ?qū)γ姊竦挠页练e基線上速度的影響。

圖3 雙槍噴霧場(chǎng)左視圖模型
兩噴嘴間距是一定的,選取的噴涂流量為30 mL/min。為研究偏轉(zhuǎn)角的變化對(duì)大豆蛋白噴霧沉積基線上的速度的影響,對(duì)比不同噴涂參數(shù)下,面Ⅰ右沉積基線上的平均速度大小。為了更直觀地觀察同參數(shù)下不同偏轉(zhuǎn)角的沉積基線平均速度,將不同噴涂液壓、噴涂氣壓標(biāo)注為1到9號(hào),如表1所示,標(biāo)注組號(hào)后作出曲線如圖4所示。
由圖4可知,除了第4組外,其余各組面Ⅰ右沉積基線的平均速度大小隨偏轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律為隨著偏轉(zhuǎn)角的增大,面Ⅰ右沉積基線的平均速度減小。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí),干涉面(面Ⅱ)與待測(cè)面(面Ⅰ)處于同一平面內(nèi),此時(shí)面Ⅱ的部分左沉積基線與面Ⅰ的右沉積基線重合,面Ⅰ的右沉積基線上大豆蛋白混合液霧化粒子增多,氣液動(dòng)能增大,使得面Ⅰ右沉積基線上的粒子平均速度也增大。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為7°時(shí),面Ⅱ相對(duì)面Ⅰ偏轉(zhuǎn)了7°。由于實(shí)驗(yàn)所用的扇形噴頭噴出的扇面是有厚度的扇面,偏轉(zhuǎn)了小角度,右側(cè)的B噴頭所噴出的面Ⅱ之外的霧化粒子還是會(huì)落在噴頭面Ⅰ的右沉積基線上,粒子增多,動(dòng)能增大,右沉積基線上的平均速度也增大。但由于噴頭噴出的霧化粒子主要集中于面Ⅱ之中,面Ⅱ之外的霧化粒子相對(duì)較少,所以偏轉(zhuǎn)7°后,落在面Ⅰ右沉積基線上的霧化粒子也比偏轉(zhuǎn)0°時(shí)的少,且此時(shí)的平均速度小于偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)的平均速度。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為15°時(shí),兩噴頭的霧化場(chǎng)完全分離,不再發(fā)生干涉現(xiàn)象,此時(shí)面Ⅰ的右沉積基線上僅有噴頭噴出的霧化粒子,因此,其平均速度小于偏轉(zhuǎn)角為0°和7°時(shí)的平均速度。第4組偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)的平均速度小于偏轉(zhuǎn)角為7°時(shí)的平均速度,觀察其速度場(chǎng)圖像,發(fā)現(xiàn)速度場(chǎng)圖像中出現(xiàn)了孔洞,推測(cè)可能是噴頭發(fā)生了堵嘴的情況,使得沉積基線上的速度減小。
表1 噴涂參數(shù)標(biāo)號(hào)

Tab.1 Spraying parameter label

圖4 面Ⅰ右沉積基線上各點(diǎn)的平均速度對(duì)比
根據(jù)噴涂流量為30 mL/min、液壓為0.08 MPa和氣壓為0.08 MPa的速度數(shù)據(jù)作出折線圖,如圖5所示。軸為面Ⅰ右沉積基線上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),軸為面Ⅰ右沉積基線上各測(cè)點(diǎn)的速度大小。

圖5 偏轉(zhuǎn)角對(duì)面Ⅰ右沉積基線上各點(diǎn)速度的影響
如圖5所示,偏轉(zhuǎn)角為15°時(shí),各噴涂參數(shù)下沉積基線上的粒子速度沿著軸方向大體上是呈現(xiàn)先減小再增大再減小的趨勢(shì)。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為0°,沉積基線上的粒子速度沿著軸方向呈先減小后增大,再減小再增大的趨勢(shì);當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為7°時(shí),沉積基線上的粒子速度沿著軸方向大體上是呈先減小再增大再減小的趨勢(shì),并且峰值要高于偏轉(zhuǎn)角為15°和0°時(shí)。
當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)會(huì)出現(xiàn)第2個(gè)谷值,這是由于此時(shí)的兩噴霧面粒子流會(huì)在谷值處附近交匯,在面Ⅱ粒子流的干預(yù)下,噴頭為此段基線粒子提供主要?jiǎng)幽埽栽诖宋恢玫乃俣葧?huì)隨著軸上升。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為7°時(shí),其峰值要高于偏轉(zhuǎn)角為15°和0°時(shí),這是因?yàn)榇藭r(shí)的面Ⅰ和面Ⅱ相較于0°時(shí)不直接交匯,粒子流碰撞不明顯,所以此時(shí)面Ⅱ的粒子會(huì)越過(guò)干涉線,部分粒子會(huì)落在面Ⅰ右沉積基線上增大基線上的速度。
根據(jù)噴涂流量為30 mL/min、氣壓為0.24 MPa、液壓為0.08、0.16和0.24 MPa的速度數(shù)據(jù)作出折線圖,見(jiàn)圖6a—c。軸為面Ⅰ右沉積基線上各所測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),軸為面Ⅰ右沉積基線上各測(cè)點(diǎn)的速度大小。
如圖6所示,隨著液壓的增大,各偏轉(zhuǎn)角下的速度曲線圖的峰值和谷值會(huì)有向右移動(dòng)的趨勢(shì),并且當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí),第2個(gè)谷值逐漸增大,直至消去。

圖6 液壓對(duì)面Ⅰ右沉積基線上各點(diǎn)速度的影響
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在同一偏轉(zhuǎn)角下,相較于不同氣壓,不同液壓對(duì)噴霧粒子速度影響更大,沉積基線上的粒子速度折線圖隨著噴涂液壓的變化而變化,這主要受沉積基線的長(zhǎng)度發(fā)生變化的影響。噴涂液壓提供了噴頭噴出噴霧的主要?jiǎng)恿ΓS著液壓的增大,噴頭內(nèi)部推動(dòng)噴霧噴出的推動(dòng)力增大,而噴涂流量和噴涂氣壓不變,這樣就使得噴霧的噴霧角增大,沉積基線長(zhǎng)度增大。
2.3.1 沉積基線的長(zhǎng)度變化對(duì)峰值和谷值位置的影響
如圖7所示,通過(guò)觀察并計(jì)算大量速度場(chǎng)圖像,發(fā)現(xiàn)噴頭的噴霧沉積基線要比噴頭的噴霧沉積基線長(zhǎng),且噴頭沉積基線長(zhǎng)度隨著液壓的增加比噴頭增加的更長(zhǎng)。由于噴嘴的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化,隨著沉積基線的拉長(zhǎng),速度隨位移變化圖也發(fā)生拉長(zhǎng)的現(xiàn)象,所以隨著噴涂液壓的增加,峰值會(huì)向右移動(dòng)。面o和面o分別為噴涂液壓為0.08 MPa時(shí)噴頭和噴頭的噴霧面,此時(shí)干涉主要發(fā)生于線段附近。因?yàn)樵诳拷鼑婌F面邊緣處,沉積基線上的速度會(huì)由靠近中心向邊緣逐漸減小,這是由沉積基線邊界點(diǎn)的確定所決定的,線段處正處于、兩噴頭噴霧面的邊界處,所以谷值在點(diǎn)附近。當(dāng)噴涂液壓為0.16 MPa時(shí),由于的沉積基線的增加量大于的,大于,所以點(diǎn)向右偏移到點(diǎn),谷值在點(diǎn)附近,谷值會(huì)向右移動(dòng)。

圖7 沉積基線長(zhǎng)度變化
2.3.2 沉積基線長(zhǎng)度的變化對(duì)峰值和谷值大小的影響
面Ⅰ右沉積基線上的速度峰值只與噴頭的結(jié)構(gòu)和噴涂參數(shù)有關(guān),隨噴涂液壓、氣壓的增大而增大。面Ⅰ右沉積基線上的第2個(gè)速度谷值隨沉積基線的增大而增大。由于噴嘴的結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變,速度曲線拉長(zhǎng),面Ⅰ右沉積基線上的速度曲線靠近邊緣處的峰值逐漸右移,而面Ⅱ的峰值向左移,從而交會(huì)處的谷值會(huì)隨著沉積基線長(zhǎng)度的增大而增大,直至消去谷值產(chǎn)生新的峰值。如圖6c所示,當(dāng)噴涂液壓為0.24 MPa時(shí)谷值已經(jīng)消去。
如圖6a—b所示,當(dāng)噴涂液壓為0.08 MPa和0.16 MPa時(shí),偏轉(zhuǎn)角為7°時(shí)的峰值普遍大于偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)的峰值,且偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)的峰值普遍大于偏轉(zhuǎn)角為15°時(shí)的峰值。在圖6所示各參數(shù)下,偏轉(zhuǎn)角為7°時(shí)的變化趨勢(shì)都與偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)的變化趨勢(shì)相似,但是面Ⅰ右沉積基線上各點(diǎn)的速度大小普遍大于偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)的。
當(dāng)噴涂液壓為0.08 MPa和0.16 MPa時(shí),偏轉(zhuǎn)角為7°時(shí)的峰值較高。這是因?yàn)榕c偏轉(zhuǎn)0°相比,偏轉(zhuǎn)7°時(shí)面Ⅱ會(huì)有更多的粒子穿過(guò)干涉線去影響面Ⅰ右沉積基線上的速度,使其在面Ⅱ左沉積基線邊界內(nèi)的速度增加,所以偏轉(zhuǎn)角為7°時(shí)的峰值普遍大于偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)的峰值,且各測(cè)點(diǎn)的速度均普遍大于偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)的。同理偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí),雖穿過(guò)干涉線的粒子不如偏轉(zhuǎn)7°時(shí)的多,但也有部分粒子穿過(guò),因此各測(cè)點(diǎn)速度普遍大于偏轉(zhuǎn)15°時(shí)的測(cè)點(diǎn)速度。當(dāng)噴涂液壓為0.24 MPa時(shí),由于面Ⅰ峰值的左移和面Ⅱ峰值的右移,偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)的峰值可能是兩峰值的疊加而成的,所以其峰值要大于偏轉(zhuǎn)7°時(shí)的峰值。
為了在保證噴涂霧化表征均勻性的前提下實(shí)現(xiàn)寬幅覆膜,本文在單槍噴涂的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了雙槍噴涂實(shí)驗(yàn),在雙槍噴涂實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一個(gè)新物理量——偏轉(zhuǎn)角。通過(guò)改變偏轉(zhuǎn)角的大小來(lái)控制干涉程度,探尋不同干涉情況下噴霧場(chǎng)的速度變化規(guī)律,研究雙槍噴涂霧化表征的速度均勻性,為實(shí)現(xiàn)寬幅覆膜奠定理論基礎(chǔ)。
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Double-nozzle Spraying Velocity Field of Soybean Protein Liquid Based on PIV
KOU Jin-bao,GONG Guo-teng, XING Jiong, YANG Chuan-min
(Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)
The work aims to achieve wide coating on the premise of ensuring the uniformity of spray atomization characterization, improve the efficiency of coating, and get uniform and consistent coating of soybean protein. A Particle Image Velocimetry (PIV) was used to take pictures of the spraying atomization field of soybean protein liquid under different interference degrees between two spray nozzles. PIV and origin software were used to process the images, and the speed data were obtained and compared. With the increase of deflection angle between two nozzles, the average velocity at baseline decreased. When the deflection angle was 0°, two spray particles collided at the interference line, and few particles passed through the interference line. The velocity peak on the baseline appeared at different deflection angles of 7°, 0°, and 15°. When the deflection angle was 0°, with the increase of hydraulic pressure, the second velocity valley value on the baseline moved to the right and increased until it disappeared. When the deflection angle is 0° and the hydraulic pressure is 0.24 MPa, the velocity is the most uniform in the interference region at the baseline.
soybean protein liquid; double-nozzle spraying interference; particle image velocimetry; velocity field
TB484;O629.73;TS206.4
A
1001-3563(2023)15-0131-06
10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.15.017
2022?06?15
天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(15JCZDJC34100)
寇金寶(1981—),男,實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制造。
責(zé)任編輯:曾鈺嬋