王 斌，宮金良，張彥斐

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，糧食安全將是保障經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、國(guó)家富強(qiáng)的重要基礎(chǔ)。在農(nóng)作物的生長(zhǎng)過程中，病蟲草害是威脅作物良好生長(zhǎng)、糧食增產(chǎn)的主要原因，對(duì)其的防治手段將直接影響到糧食食品的安全[1，2]。與世界上先進(jìn)的農(nóng)業(yè)大國(guó)相比，我國(guó)的農(nóng)藥噴灑技術(shù)仍處于落后階段，由于對(duì)農(nóng)藥噴灑方式與理論研究仍有不足之處，造成農(nóng)藥的使用不合理、利用率低，對(duì)農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[3，4]。

噴頭是噴霧器械實(shí)現(xiàn)噴霧作業(yè)的終端件,在噴霧過程中起著至關(guān)重要的作用，藥液的霧化效果將直接決定農(nóng)藥利用率的高低[5]。施藥噴頭的性能會(huì)對(duì)整個(gè)噴施系統(tǒng)的質(zhì)量產(chǎn)生影響,它體積雖小,但卻直接決定施藥量多少、霧滴粒徑大小和噴施均勻度等[6]。噴頭對(duì)流體的控制,是以流體在噴頭內(nèi)腔中流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)規(guī)律為基礎(chǔ)的,因此設(shè)計(jì)噴頭時(shí)需要掌握噴頭內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)狀況。

超聲波霧化噴頭是一種較為常見的流體動(dòng)力式噴頭，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、故障率低、生成霧化粒徑小且霧滴分布均勻、不易造成管道堵塞等，因此被廣泛應(yīng)用于礦井降塵、藥劑霧化、噴涂等多個(gè)領(lǐng)域[7]，目前尚未有針對(duì)農(nóng)業(yè)施藥設(shè)計(jì)的超聲波霧化噴頭。本文擬采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)超聲波霧化噴頭進(jìn)行氣液兩相混流體的仿真模擬分析,并對(duì)噴頭內(nèi)部流場(chǎng)的壓力、速度分布進(jìn)行分析,深入了解噴頭的內(nèi)部液體流動(dòng)特性,為今后超聲波霧化噴頭噴霧特性的研究以及噴頭的整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

1 超聲波霧化噴頭模型的建立

1.1 超聲波霧化噴頭工作原理

超聲波霧化噴頭以高速氣體作為動(dòng)力源，高速氣體從高速噴頭噴出后，在噴頭前方會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的激波，在不穩(wěn)定的激波內(nèi)設(shè)置一個(gè)諧振腔就會(huì)產(chǎn)生高頻共振[8]。超聲波霧化噴頭利用諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的高頻、高振幅的超聲波將高聲壓作用在液體上以及超聲波對(duì)液體產(chǎn)生的空化作用使液體霧化[9，10]。

1.2 建立幾何模型

圖1為超聲波霧化噴頭結(jié)構(gòu)示意圖。氣液兩相入口處直徑為8 mm,斜面為45°；高速孔處直徑為2 mm；諧振腔孔徑為3 mm，高度為4 mm；出水口直徑為2 mm。

圖1 超聲波霧化噴頭結(jié)構(gòu)示意圖

使用SolidWorks繪制噴頭三維模型，噴頭三維幾何模型剖面圖如圖2所示。

圖2 噴頭三維幾何模型剖面圖

通過SolidWorks繪制完成三維模型后，將模型保存為X_T格式。將保存完的文件導(dǎo)入ANSYS Workbench 15.0中Fluent的DM模塊中。將導(dǎo)入模型的氣液兩相入口命名為inlet1，出水口命名為outlet1，壁面命名為wall1，并保存文件。

1.3 進(jìn)行網(wǎng)格劃分

選擇使用Automatic(自動(dòng)劃分法)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完成后共計(jì)生成41 687個(gè)網(wǎng)格、9 851個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 超聲波霧化噴頭網(wǎng)格劃分

2 Fluent數(shù)值計(jì)算

2.1 網(wǎng)格導(dǎo)入及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量檢查

導(dǎo)入網(wǎng)格文件，啟動(dòng)Fluent Launcher，選擇3D(三維)，計(jì)算精度選擇Double Precision(雙精度),計(jì)算過程選擇Serial(串行計(jì)算)，設(shè)置完成后進(jìn)入Fluent。對(duì)導(dǎo)入的網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查，包括域的范圍、體積數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、網(wǎng)格拓?fù)涞刃畔ⅰ?/p>

2.2 選擇計(jì)算模型

假設(shè)超聲波霧化噴頭內(nèi)部流體為理想化不可壓縮流體，屬于湍流領(lǐng)域，選擇有限體積法，運(yùn)用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的SIMPLE算法進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。模型的選擇如下：

連續(xù)方程為：

(1)

其中：ρ為流體密度；u為流體相對(duì)速度；t為時(shí)間。

動(dòng)量方程為[11]：

(2)

其中：xj、xi為x、y方向坐標(biāo)量；uj、ui、ut分別為x、y、z方向上的相對(duì)速度；p為離心力；μ為湍流有效黏度系數(shù)。

因?yàn)橐M(jìn)行氣液兩相混合流體流動(dòng)的模擬，需要采用多相流模型，本次模擬選擇使用Eulerian(歐拉模型)。模擬計(jì)算方法采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，它通過在湍流動(dòng)能k方程基礎(chǔ)上引入湍流耗散律ε方程，形成雙方程模型，是一種針對(duì)高雷諾數(shù)Re的湍流計(jì)算模型。求解雙方程得到k和ε的解，利用k和ε的解計(jì)算湍流黏度，最后通過Bouissinesq假設(shè)得到最終計(jì)算結(jié)果。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中k方程與ε方程[12，13]為：

Gk+Gb-ρεk-YM+Sk.

(3)

(4)

其中：Gk為層流速度梯度引起的湍流動(dòng)能；Gb為浮力引起的湍流動(dòng)能；YM為湍流脈動(dòng)膨脹產(chǎn)生的影響系數(shù)；εk為ε的修正系數(shù)；σk、σε分別為k和ε對(duì)應(yīng)的普朗特系數(shù)，σk=1.0、σε=0.9；Sk、Sε均為湍流模型流體系數(shù)；C1ε、C2ε、C3ε為模型常量，C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09。

2.3 定義介質(zhì)及邊界條件

本文采用氣液兩相混合流體作為介質(zhì)用于內(nèi)部流場(chǎng)的模擬研究。選用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散化，動(dòng)量k方程和ε方程等項(xiàng)目均采用First Order Upwind(一階迎風(fēng)差分)進(jìn)行計(jì)算。設(shè)置入口邊界條件為Pressure-inlet、出口邊界條件為Pressure-outlet、壁面設(shè)置為Wall。設(shè)置迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，迭代步數(shù)為2 000，固定時(shí)間步長(zhǎng)開始模擬計(jì)算。改變各類參數(shù)，多次進(jìn)行模擬仿真，對(duì)得出的結(jié)果進(jìn)行分析。

3 計(jì)算結(jié)果分析

分別在進(jìn)水口壓力為1 MPa、2 MPa、3 MPa的條件下對(duì)噴頭內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬。待模擬完成后，因二維視圖更方便對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，所以在噴頭的XY面上創(chuàng)建一個(gè)平面Plane1，在該平面上分別對(duì)不同壓力下得到的壓力云圖、速度云圖、速度流線圖進(jìn)行分析。

3.1 壓力分析

當(dāng)混合流體進(jìn)入噴頭后，噴頭內(nèi)部的壓力也會(huì)逐漸增加，流體經(jīng)高速噴孔灌入諧振腔后，隨著深入諧振腔壓力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，并趨于穩(wěn)定，從諧振腔出來后流體壓力逐漸減小，在出水口處形成負(fù)壓,有助于抽吸噴頭內(nèi)部液體，加速噴霧的噴灑。進(jìn)水口壓力為2 MPa時(shí)超聲波霧化噴頭內(nèi)部流場(chǎng)壓力云圖如圖4所示。

圖4 進(jìn)水口壓力為2 MPa時(shí)超聲波霧化噴頭內(nèi)部流場(chǎng)壓力云圖

在進(jìn)水口壓力分別為1 MPa、2 MPa、3 MPa時(shí)，超聲波霧化噴頭諧振腔不同深度的壓力曲線如圖5所示。由圖5可知：隨著諧振腔深度的增加，諧振腔內(nèi)部壓力逐漸增大，到2 mm處逐漸趨于平穩(wěn)，2 mm～4 mm壓力變化較?。浑S著入水口壓力的增大，諧振腔內(nèi)部壓力增幅逐漸變大，諧振腔內(nèi)部壓力較入口處壓力增幅在入水口壓力為1 MPa、2 MPa、3 MPa時(shí)分別為80%、86%、94%。

圖5 不同進(jìn)水口壓力下諧振腔內(nèi)部各個(gè)位置的壓力曲線

3.2 速度分析

混合流體因?yàn)閲娚淝恍泵娑溉皇湛s使得流體加速，通過高速噴孔時(shí)速度急速增加，并達(dá)到峰值，從內(nèi)部高速噴孔高速射出。部分流體高速灌入諧振腔，產(chǎn)生巨大的聲壓能，隨著聲壓增大使噴頭內(nèi)部混合流體進(jìn)行聲傳播，使得噴頭內(nèi)部流體擾動(dòng)增強(qiáng)，液滴之間的碰撞越劇烈，液滴碰撞破碎的可能性越大。在諧振腔內(nèi)碰撞后，能量損耗，速度略微降低，流體沖出諧振腔，繼續(xù)與噴頭內(nèi)部噴霧及噴頭內(nèi)壁碰撞，速度降低，最后經(jīng)由狹小的噴頭出水口噴出，此處為負(fù)壓，加速了霧滴的噴出，霧滴速度進(jìn)一步提高，成為高速噴霧噴灑出去。在進(jìn)水口壓力為3 MPa時(shí)超聲波霧化噴頭內(nèi)部流場(chǎng)水流速度云圖如圖6所示，流場(chǎng)水流速度流線圖如圖7所示。

圖6 進(jìn)水口壓力為3 MPa時(shí)超聲波霧化噴頭內(nèi)部流場(chǎng)水流速度云圖 圖7 進(jìn)水口壓力為3 MPa時(shí)超聲波霧化噴頭內(nèi)部流場(chǎng)水流速度流線圖 圖8 在進(jìn)水口壓力為1 MPa、2 MPa、3 MPa時(shí)噴頭不同位置的速度

超聲波霧化噴頭在進(jìn)水口壓力為1 MPa、2 MPa、3 MPa時(shí)噴頭不同位置的速度如圖8所示。由圖8可知：流場(chǎng)內(nèi)部速度要高于出水口處速度，高速孔處流體速度最大；隨著進(jìn)水口處的壓力增大，出水口噴射速度明顯提高，進(jìn)水口壓力為2 MPa時(shí)速度比1 MPa時(shí)高90%，3 MPa相對(duì)于2 MPa速度提升27%。

4 結(jié)論

使用ANSYS Workbench 中Fluent模塊對(duì)超聲波霧化噴頭的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，能夠清晰地模擬噴頭內(nèi)部流場(chǎng)流體壓力變化及速度改變的情況，根據(jù)分析結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)諧振腔內(nèi)部壓力趨于穩(wěn)定，不斷增加流體壓力后諧振腔內(nèi)部壓力增幅明顯提高，在進(jìn)水口壓力為3 MPa時(shí)諧振腔壓力提高了94%；諧振腔處壓力高于噴頭內(nèi)部壓力，利于諧振腔內(nèi)部流體快速流出；出水口處為負(fù)壓，利于噴霧更快地噴出；在進(jìn)水口壓力為1 MPa～3 MPa時(shí)，隨著流體壓力的提升，噴霧速度逐漸提高，但增幅效果逐漸降低，2 MPa時(shí)速度增幅效果最佳。

(2)噴頭入水口處的高速斜面為45°，高速孔孔徑為2 mm，相較于平面結(jié)構(gòu)，流體在進(jìn)入諧振腔時(shí)能夠得到較高的速度，在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生更大的能量，能形成更好的噴霧。同時(shí)經(jīng)加速后流體速度更高，流體之間可交換的能量也更多，依照能量守恒原則，最后形成的霧滴表面總能量提高，將會(huì)形成大量的細(xì)小霧滴，碰撞破碎過程會(huì)更加劇烈，產(chǎn)生的霧滴更小，施藥效果更好。