宋海潮　徐幼林　鄭加強　Zhu Heping

(1.南京林業(yè)大學機械電子工程學院， 南京 210037； 2.南京工業(yè)職業(yè)技術學院機械工程學院， 南京 210023；3.美國農(nóng)業(yè)部應用技術研究所， 伍斯特 OH 44691)

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脂溶性農(nóng)藥旋動射流混合機理與混藥器流場數(shù)值模擬

宋海潮1，2徐幼林1鄭加強1Zhu Heping3

(1.南京林業(yè)大學機械電子工程學院， 南京 210037； 2.南京工業(yè)職業(yè)技術學院機械工程學院， 南京 210023；3.美國農(nóng)業(yè)部應用技術研究所， 伍斯特 OH 44691)

以研究脂溶性農(nóng)藥和水的混合均勻性為目的，試驗驗證了傳統(tǒng)射流混藥器結構對脂溶性農(nóng)藥在線混合的局限，提出旋動射流混合機理以增加工作液和混合液的旋度，根據(jù)該機理設計的旋動射流混藥器采用螺旋彎曲收縮管、起旋器和在擴散管中加入固定導葉等方式，增加工作液的卷吸能力、摻混作用。經(jīng)過數(shù)值仿真，采用容積分數(shù)分布均勻性評判指標來判斷混合效果，結果表明，噴嘴出口處面積加權平均均勻性指數(shù)γa為0.998 9，截面上藥液容積分數(shù)最大值與最小值的差值很小，整個截面上的藥液分布一致，旋動射流混藥器結構設計能夠保證出口位置處脂溶性農(nóng)藥與水的均勻混合。

脂溶性農(nóng)藥； 旋動射流； 混藥器； 混合均勻性； 容積分數(shù)分布均勻指數(shù)

引言

病蟲害肆虐造成糧食減產(chǎn)和植被破壞，必須施用農(nóng)藥加以控制，但農(nóng)藥施用不當會造成一系列危害，由此必須重視施藥品質。評價施藥品質的重要指標之一是農(nóng)藥有效物質在靶標上沉積分布的均勻程度，農(nóng)藥均勻分布防治效果好、不產(chǎn)生藥害，也最節(jié)約農(nóng)藥[1]。目前生產(chǎn)中施藥以預混式為主，但預混式施藥除了對操作者有很大傷害外，對施藥機械和環(huán)境都存在很大污染，因此國內(nèi)外眾多學者致力于在線混藥研究[2-6]。在線混合施藥實現(xiàn)隨用隨配，避免了預混式施藥時農(nóng)藥配比隨意性和農(nóng)藥的濫用[7]，可最大限度地減少農(nóng)藥對人體和環(huán)境的污染。

圖2　混合性能試驗系統(tǒng)Fig.2　Mixing performance experimental set-up1.噴頭　2.混藥器　3.紫光燈　4.攝像機　5.離心泵　6.壓力計　7.溢流閥　8.流量計　9.電動機　10.計算機　11.水箱　12.藥箱　13.計量泵　14.流量計　15.壓力計

農(nóng)藥分為水溶性和脂溶性，水溶性農(nóng)藥可以與水充分溶解混合[1]；脂溶性農(nóng)藥和助劑加水稀釋攪拌后，以極小的油珠均勻分散在水中形成相對穩(wěn)定的乳濁液，或以平均粒徑2～3 μm分散顆粒與水混合形成有明顯分層現(xiàn)象的懸浮劑[8]。目前水溶性農(nóng)藥的在線混合研究取得了較好的成果；而脂溶性農(nóng)藥采用現(xiàn)有的在線混合混藥器結構很難達到農(nóng)藥有效物質在靶標上均勻沉積分布，限制了在線混藥器的研究進展。針對脂溶性農(nóng)藥，要保證農(nóng)藥和水在線均勻混合，則要對現(xiàn)有混藥器，從結構上進行優(yōu)化設計，通過改變混藥器的結構，改善水和農(nóng)藥的混合效果，提高其混合均勻性。

旋動射流是通過特殊的流體邊界和流體的特性相互作用而形成的一種具有旋轉流場的流動形式，旋動射流出射后在周圍環(huán)境流體中的擴展比相應的無旋動普通射流快，其卷吸能力、摻混作用均比普通射流大[9]。因此，本文擬將旋動射流引入在線混合過程，深入分析旋動射流混藥器對非水溶性農(nóng)藥的在線混合效果。

1　旋動射流混藥器結構參數(shù)與混藥機理分析

1.1射流混藥器混合非水溶性農(nóng)藥局限性試驗分析

射流混藥器結構[1]如圖1所示，為了分析該結構對水溶性和非水溶性農(nóng)藥在線混合的混合效果，首先利用該混藥器對各種農(nóng)藥混合效果進行試驗驗證。

圖1　普通射流混藥器結構圖Fig.1　Diagram of jet mixer

混合性能試驗系統(tǒng)[1]如圖2所示，由供液系統(tǒng)、供藥系統(tǒng)、混合效果圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。供水系統(tǒng)主要由水箱(Raven Industries, Inc.)、D19 Hypro型離心泵(Hypro Corp.)、184-11575-00型230 V三相電動機(Wagner Electric Corp.)組成，測量水壓的壓力計位于溢流閥和混藥器之間(圖2a)。供藥系統(tǒng)采用美國農(nóng)業(yè)部應用技術研究所使用的Raven SCS 700農(nóng)藥在線混合系統(tǒng)中的供藥系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含藥箱、計量泵及流量控制顯示系統(tǒng)。該計量泵是一個往復泵，可以保證在計量泵工作范圍內(nèi)能夠提供穩(wěn)定、精確的流量。計量泵是通過電動馬達帶動的，其流量控制及顯示系統(tǒng)內(nèi)有一個單片機，當輸入需要的流量參數(shù)時，該系統(tǒng)將發(fā)出指令調(diào)節(jié)馬達輸入頻率，從而調(diào)節(jié)計量泵的轉速。吸取的農(nóng)藥和水在混藥器內(nèi)混合后經(jīng)噴頭噴出(圖2b)。為了便于拍攝混合過程的流動情況，試驗選用水溶液類劑型農(nóng)藥的替代物為水和熒光物質Acid Yellow 7(Carolina Color & Chemical Company)的混合物，而脂溶性農(nóng)藥選用Silicon Oil替代，Silicon Oil是一種無色硅樹脂非水溶性液體，因此在與水混合時它總是漂浮于水的上部，同樣為了便于拍攝，在Silicon Oil中加入油溶性熒光示蹤劑UVITEX OB(Keystone Aniline Corporation)。

圖3所示為通過試驗獲得的在線混合后在混藥器擴散段的圖像，試驗時系統(tǒng)工作參數(shù)為離心泵指示流量刻度3 000，農(nóng)藥計量泵流量刻度值為10；水進口壓力為1 MPa，藥進口壓力為0.1 MPa，混藥器出口壓力為0.8 MPa；Acid Yellow 7質量濃度為0.1 g/L，UVITEX OB質量濃度為4 g/L，Silicon Oil粘度為97.7 mPa·s。水溶性農(nóng)藥和脂溶性農(nóng)藥在混藥器擴散段的混合效果圖像如圖3所示。

圖3　在線混合試驗圖像Fig.3　In-line-mixing image

從圖3a可以看出，在該參數(shù)下通過混藥器的液體各部分色彩基本均勻，說明水溶性農(nóng)藥與水能均勻混合；但圖3b所顯示的脂溶性農(nóng)藥基本呈團狀懸浮在水中，還有濃度較高的農(nóng)藥存在懸浮液中沒有破碎分離，說明利用該混藥器不能將非水溶性農(nóng)藥與水均勻混合。通過改變不同的工作參數(shù)繼續(xù)對脂溶性農(nóng)藥進行試驗，發(fā)現(xiàn)該混藥器均不能實現(xiàn)對該種農(nóng)藥的有效分離與擴散，無法獲得較好的混合效果，因此，需要從結構上對射流混藥器進行優(yōu)化，以滿足脂溶性農(nóng)藥的在線混合要求。

圖4　旋動射流混藥器結構圖Fig.4　Assembly diagram of swirling jet mixer1.藥瓶　2.進水管　3.收縮管　4.吸藥管　5.擴散管　6.起旋器　7.光管　8.噴頭

1.2旋動射流混藥器結構設計

旋動射流是自由射流加旋轉的一種復合流動，其與普通射流的區(qū)別在于有一個切向速度即旋轉速度。旋動射流的常規(guī)產(chǎn)生方式主要是切向徑流、安裝導流片及旋轉管道3種方式[10]。這里在射流混藥器結構基礎上，設計了一種旋動射流混藥器結構。

旋動射流混藥器如圖4所示，通過彎管起旋和起旋器起旋提高其旋動性，提高脂溶性農(nóng)藥和水的均勻混合效果?；焖幤髦饕墒湛s管、吸藥管、擴散管、起旋器、光管和藥瓶組成，混藥器進口同進水管相連，出口和噴頭連接。吸藥管、起旋器和光管設計成標準件，可根據(jù)藥液黏度等特性調(diào)整其尺寸規(guī)格。藥瓶和擴散管固定連接，混藥器使用時，將藥瓶上端瓶蓋旋松，使瓶蓋上的氣孔和瓶體氣孔相通，保證藥瓶內(nèi)的氣壓和大氣壓相通，農(nóng)藥順暢流入混藥器。當混藥器不使用時，將瓶蓋旋緊，此時，瓶體氣孔和瓶蓋氣孔錯位，藥液無法流出。

1.3旋動射流混藥器結構參數(shù)及混合機理

混藥器中混合管長度過短，會導致混合管出口處流速分布很不均勻，使擴散損失加大，混合管最優(yōu)長度Lk為5～7倍d3[11]。當混合管直徑d3為7 mm、射流嘴直徑為4 mm時，射流混藥裝置混藥性能最好[12]。根據(jù)旋動射流混藥器的結構特點，結合以前研究[13]，確定混合管直徑d3為7.2 mm、射流嘴直徑為4 mm、收縮管收斂角α=16°、擴散管擴散角β=9°、混合管長度Lk=20 mm。

(1)彎管起旋

混藥器的收縮管設計成螺旋彎曲收縮管結構，收縮管入口直徑13 mm，出口直徑4 mm，入口和出口的圓心都在混藥器的軸心線上(見圖4)。當水流入收縮管時，在彎曲的管路中，由于流體的轉彎，出現(xiàn)從曲率中心向管子外壁的離心力[14]，外壁的壓力增高而內(nèi)壁的壓力降低，因此，在外壁處流體的流速將減小，內(nèi)壁處流速將相應增大，外壁處流體出現(xiàn)擴散效應，內(nèi)壁處出現(xiàn)收縮效應；隨著流體在彎曲管路中流動，又有相反的現(xiàn)象發(fā)生，內(nèi)壁附近產(chǎn)生擴散效應而外壁附近產(chǎn)生收縮效應，從而大大提高旋流強度。

(2)起旋器起旋

起旋器(見圖4)的結構參數(shù)主要有：起旋器長度、導葉個數(shù)、導葉高度及導葉包角。而導葉長度一般為管徑的1～4倍，導葉高度h為管徑的1/2，導葉個數(shù)為3～8片，導葉包角5°～20°[10]，綜合考慮阻力和混合效果[9]，確定導葉個數(shù)為3，導葉包角為15°。

根據(jù)文獻[1]，確定管壁內(nèi)徑13 mm，由于混合管直徑d3為7.2 mm、擴散管擴散角β=9°，計算后確定擴散管導葉高度從0 mm逐漸增大到6.5 mm，導葉長度36.848 mm，螺距221.028 mm。起旋器內(nèi)壁導葉高度6.5 mm，導葉長度40 mm，螺距240 mm。當藥、水混合液通過該管段時，由于導葉的存在，混合液不僅沿軸向向前運動，而且產(chǎn)生徑向運動，顯著提高混合液的混合效果，混藥器結構參數(shù)如表1所示。

表1　在線射流混藥器結構參數(shù)Tab.1　Structural parameters of jet mixer

2　旋動射流混藥數(shù)值模擬分析

2.1網(wǎng)格劃分

Fluent常用的網(wǎng)格類型包括六面體網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格/邊界層網(wǎng)格及多面體網(wǎng)格。通常六面體網(wǎng)格的計算精度要高于四面體網(wǎng)格，但對于復雜的幾何模型，通常無法生成六面體網(wǎng)格[15]。針對本文研究的混藥器，采用四面體+邊界層網(wǎng)格，然后轉換成多面體網(wǎng)格進行計算。采用四面體+邊界層網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量4 525 485，然后導入Fluent轉換成多面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量1 989 646，如圖5所示。

圖5　網(wǎng)格劃分Fig.5　Meshing

2.2旋動射流混藥湍流模型及邊界條件

(1)湍流模型

采用混合多相流模型模擬兩相之間的摻混，湍流模型為Realizablek-ε模型，適用性廣，計算穩(wěn)定[16]。采用SIMPLE算法求解本構方程組，殘差收斂標準為1×10-5，單元交界面處的壓力采用PRESTO插值格式，混合物動量方程對流項采用二階迎風格式離散，其余方程對流項采用一階迎風格式，湍流模型的其它參數(shù)取缺省值。

(2)邊界條件

邊界條件設置，水進口和農(nóng)藥進口均采用壓力入口，混合液出口采用壓力出口。其余為壁面，采用強化壁面函數(shù)對混藥器近壁面參數(shù)進行計算，假定內(nèi)表面光滑，如表2所示。

2.3容積分數(shù)分布均勻性評判指標

為了分析藥水混合均勻性，引入面積加權平均均勻性指數(shù)γa來判斷。γa可以表征某一位置處藥液容積分數(shù)分布的均勻性[17]。γa越接近1，表明藥、水混合越均勻。γa計算公式為

表2　邊界條件Tab.2　Boundary conditions

圖7　不同位置處藥液容積分數(shù)分布及均勻性指數(shù)Fig.7　Volume fraction distribution and homogeneity index of different locations

(1)

式中φi——面網(wǎng)格中心容積分數(shù)

Ai——面網(wǎng)格面積

n——面網(wǎng)格數(shù)

3　旋動射流混藥器仿真結果分析

3.1模型收斂驗證

在當前工況下，計算收斂時，水和藥液進口流量及混合液出口流量為：0.279、0.018、-0.297 kg/s。可知進口水和藥的質量流率之和為0.297 kg/s，等于出口混合液質量流率(負號指流出)。從計算結果來看，總的進口流量與出口流量誤差極小，表明此時流量守恒。

3.2藥液容積分數(shù)分布及均勻性指數(shù)

對混藥器結構進行仿真分析，得到后處理平面位置如圖6所示，定義平面位置1(x=0.04 m)；2(x=0.05 m)；3(x=0.06 m)；4(x=0.07 m)；5(x=0.08 m)；6(x=0.09 m)；7(x=0.10 m)；8(x=0.11 m)；9(x=0.12 m)；10(x=0.13 m)；11(x=0.17 m)。

圖6　后處理平面位置Fig.6　Plane position of post-treatment

圖7給出了沿流動方向不同截面處藥液容積分數(shù)分布及該位置處藥液的分布均勻性。由圖7可見沿流動方向，截面上藥液容積分數(shù)最大值與最小值的差值逐漸減小，混合漸趨均勻。最終到達出口位置處，整個截面上的藥液基本分布一致，實現(xiàn)了非水溶性農(nóng)藥和水的均勻混合。

4　結論

(1)通過改變普通射流混藥器結構，采用螺旋彎曲收縮管、起旋器和在擴散管中加入固定導葉等方式，可增加工作液的卷吸能力、摻混作用，從而提高農(nóng)藥和水的混合效果。

(2)采用容積分數(shù)分布均勻性評判指標來判斷混合效果，仿真結果表明，噴嘴出口處面積加權平均均勻性指數(shù)γa為0.998 9，截面上藥液容積分數(shù)最大值與最小值的差值很小，整個截面上的藥液分布一致，旋動射流混藥器結構設計能夠保證出口位置處脂溶性農(nóng)藥與水的均勻混合。

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Swirling Jet Mixture Mechanism of Fat-soluble Pesticides and Numerical Simulation of Mixer Field

Song Haichao1,2Xu Youlin1Zheng Jiaqiang1Zhu Heping3

(1.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China2.CollegeofMechanicalEngineering,NanjingInstituteofIndustryTechnology,Nanjing210023,China3.USDA-ARS-ATRU,WoosterOH44691,USA)

To characterize jet mixture profiles for in-line injection of pesticides, two-phase flow fields in conventional mixing chambers were investigated under various test conditions. The two-phase flow was formed with water mixed with either a water-soluble liquid or a fat-soluble liquid (silicon oil). Test results illustrated that there were limitations for the conventional mixers to obtain uniform mixtures with the fat-soluble pesticide. To overcome these limitations, a new mixing device based on the swirling jet mechanism was conceived and developed to improve the mixture uniformity of water and the fat-soluble pesticide. The swirling jet mixer consisted of a spiral curved shrink tube, a diffuser and a guide vane to accelerate the two-phase flow spiral movement and blend the two liquids. A computational fluid dynamics program (Fluent) was used to simulate the flow field inside the swirling jet mixer to optimize its design. The mixture uniformity was evaluated by introducing the uniformity indexγa, representing that the two liquids were blended homogenously asγawas 1. Simulated results showed that theγawas 0.998 9 across the entire cross sections inside the mixer, confirming uniform mixture profiles with the new mixer design. Therefore, the new swirling jet mixer would solve the non-uniform mixture problem associated with conventional mixers and could significantly improve the in-line injection technology to reduce pesticide waste. Key words: fat-soluble pesticide; swirling jet; mixer; mixture uniformity; volume fraction uniformity index

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.012

2016-02-18

2016-04-14

江蘇省農(nóng)機三新工程項目(NJ2014-11)、江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐計劃項目(BE2012383)、江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目(PAPD)、2013年度江蘇高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊項目(蘇教科(2013)10號)、高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(KYLX_0868)、江蘇省高等職業(yè)院校國內(nèi)高級訪問學者計劃項目(2015FX037)和江蘇省333高層次人才培養(yǎng)工程項目

宋海潮(1978—)，男，博士生，南京工業(yè)職業(yè)技術學院副教授，主要從事數(shù)字化設計與制造研究，E-mail: songhc@njfu.edu.cn

徐幼林(1961—)，女，教授，博士生導師，主要從事植保機械、現(xiàn)代機械設計理論與方法研究，E-mail: youlinxu@njfu.edu.cn

TP391.41；S482

A

1000-1298(2016)09-0079-06