高建民，馬俊龍

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帶階梯型諧振腔的Hartmann低頻超聲霧化噴嘴設(shè)計及試驗

高建民，馬俊龍

（江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，鎮(zhèn)江 212013）

針對目前霧化栽培領(lǐng)域所用噴嘴無法兼具霧滴粒徑細小及大霧化量特性的問題，該文設(shè)計了一種帶階梯型諧振腔的流體動力式Hartmann低頻超聲霧化噴嘴，為了使噴嘴噴霧方向可控，對霧化區(qū)域進行了流場主動控制，即在噴霧出口區(qū)域設(shè)置了圓錐罩，通過數(shù)值模擬研究了小尺寸階梯型諧振腔的振動特性，對其霧化效果進行了試驗對比。結(jié)果表明：在相同參數(shù)條件下，當階梯型諧振腔第二級階梯孔與第一級階梯孔深度比超過2時，其諧振頻率達到了傳統(tǒng)圓柱型諧振腔諧振頻率的1.6～1.7倍；圓錐罩的加入使得腔內(nèi)流體壓力振幅變大，初段起振特性更優(yōu)；階梯型諧振腔兩級階梯孔孔徑比是影響階梯腔諧振特性的重要因素，階梯孔孔徑比的改變會使階梯型諧振腔的諧振模式由“回流模式”轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹饴暷Ｊ健被蚴怪C振現(xiàn)象消失；帶階梯型腔體的低頻超聲霧化噴嘴比帶普通圓柱型腔體噴嘴的霧化效果更好，在0.1 MPa～ 0.5 MPa的進氣壓力下，前者比后者霧滴粒徑小2～6m；階梯型諧振腔式超聲霧化噴嘴在加裝圓錐罩之后，低壓時的霧滴粒徑隨供氣壓力變化更大，而在高壓時，其霧化效果與沒有加裝圓錐罩的階梯型諧振腔式超聲霧化噴嘴相比基本一致；索太爾平均粒徑SMD（Sauter mean diameter）隨Laval管出口與諧振腔之間的距離的變大呈現(xiàn)出先變小后變大的趨勢，SMD的變化趨勢與腔內(nèi)聲壓級SPL的變化趨勢基本一致。霧化量為2 L/h下時，階梯腔式超聲霧化噴嘴的最小霧滴粒徑為42m。該研究可為階梯腔式超聲霧化噴嘴在霧化栽培領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

噴嘴；數(shù)值模擬；噴霧；試驗；Hartmann低頻超聲霧化；階梯型諧振腔；圓錐罩

0 引 言

目前霧化栽培使用的噴嘴主要有壓電超聲式和機械式（如壓力霧化、旋轉(zhuǎn)霧化、離心霧化）2大類。壓電式超聲霧化噴嘴生成的霧滴細小均勻，但是其霧化量偏小，只適用于小規(guī)模霧化栽培。機械式霧化噴嘴的霧化量雖然大，但是其生成的霧滴粒徑偏大并且均勻性較差。因此，研制霧化量大且生成的霧滴細小均勻的噴嘴，是大規(guī)模霧化栽培的當務(wù)之急。

1919年，Hartmann在做皮托管測壓試驗時，他發(fā)現(xiàn)將頭部為半球型中心部位開有測壓孔的皮托管放置在超音速流場中的某些區(qū)域時，管內(nèi)會產(chǎn)生像正弦波一樣的壓力脈動[1]。自此，國內(nèi)外學(xué)者對Hartmann tube（HT）的諧振機理、聲場特性及熱效應(yīng)做了大量的研究[2-7]。HT結(jié)構(gòu)簡單，本身沒有運動部件卻能夠產(chǎn)生高達20 kHz的高頻振動，被應(yīng)用于超聲霧化、抑制噪聲、聲波除塵等各個領(lǐng)域。諧振腔的振動狀態(tài)與射流參數(shù)及腔體的幾何形狀有著密切的聯(lián)系[8-9]。Sarohia等[10]研究表明，在不同的參數(shù)下諧振腔工作在3種不同的模式下，分別是：回流模式、不穩(wěn)定模式和尖聲模式。Masaaki Kawahashi 等[11]首次參數(shù)化研究了單階梯型諧振腔兩段階梯孔直徑比以及深度比對諧振腔振動頻率的影響。Raman等[12]通過試驗的方法研究了階梯型諧振腔的震蕩特性及熱力學(xué)特性。之前學(xué)者關(guān)于階梯型諧振腔的研究主要是試驗研究。近年來國內(nèi)外學(xué)者對于圓柱腔型哈特曼霧化噴嘴在石油工業(yè)、航空航天、粉末冶金等熱噴霧領(lǐng)域的應(yīng)用做了相關(guān)研究[13-19]，但是冷噴霧效果不佳。以作者所掌握的資料，目前對于帶階梯型諧振腔的流體動力式低頻超聲霧化噴嘴的研究未見之于公開文獻。鑒于此，本文擬設(shè)計一種帶階梯型諧振腔的Hartmann低頻超聲霧化噴嘴，以滿足大規(guī)模霧化栽培的需求。通過CFD數(shù)值模擬的方法[20-23]對階梯型諧振腔的聲場特性進行了研究，并試驗研究了該噴嘴的霧化特性。

1 帶階梯型諧振腔的Hartmann低頻超聲霧化噴嘴設(shè)計

根據(jù)流體動力式諧振腔振動原理[24-28]，設(shè)計出了如圖1a所示的帶階梯型諧振腔的Hartmann低頻超聲霧化噴嘴。其霧化機理為，亞音速的高壓氣體由噴嘴尾部進入噴嘴，經(jīng)過Laval噴嘴后，氣流被加速到超音速，氣流在靠近Laval管出口處與液流匯合，并對液流造成猛烈沖擊，使液流破碎分裂，發(fā)生第一次霧化。與此同時，高速氣流撞擊階梯型諧振腔后發(fā)生高頻振動，大液滴在高強度聲場內(nèi)被進一步振裂細化，霧滴粒徑進一步變小，粒徑分布也更加均勻。二相流環(huán)境中，考慮霧滴只受氣動力和表面張力的作用，霧滴顆粒在破碎臨界點的帶修正因子臨界韋伯數(shù)[29]為

（2）

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型及數(shù)值計算方法

簡化物理模型后，建立了如圖1 b、1c中所示的二維軸對稱流體模型區(qū)域，其中圖1b是無圓錐罩模型，圖1c是含有圓錐罩模型。

網(wǎng)格劃分在Ansys14.0軟件中完成，網(wǎng)格采用四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，采用高級網(wǎng)格尺寸函數(shù)，控制方法為Proximity and Curvature，以2=21的無圓錐罩模型為例，在拉瓦爾管區(qū)域及階梯腔區(qū)域最小網(wǎng)格尺寸為0.075 mm，而其他區(qū)域最小網(wǎng)格尺寸為0.15 mm，網(wǎng)格數(shù)量為10 773。數(shù)值模擬在Fluent軟件中進行，使用密度基顯式求解器，近壁面處理方法采用standard wall functions，標準大氣壓力101 325 Pa，空氣溫度300 K。

2.2 數(shù)值模型及時間步長可靠性驗證

湍流模型在一定程度上影響壓力震蕩波形，Realizable模型可以更好地模擬射流撞擊、旋流、二次流、圓孔射流等復(fù)雜流動，所以本文所有數(shù)值模擬均使用Realizable-模型。筆者經(jīng)過大量的數(shù)值模擬計算后，發(fā)現(xiàn)時間步長的選擇對數(shù)值模擬結(jié)果會造成較大的影響，為此，根據(jù)本文流體模型最小網(wǎng)格尺寸（0.075 mm），以及預(yù)估流體最大速度680 m/s至1 360 m/s，選定3個時間步長（timestep）：2e-7 s、2.5e-7 s和3e-7 s進行可靠性驗證。所使用的腔體模型為傳統(tǒng)圓柱型腔體，即使本文階梯型腔體1=2即可。另外，2=21，=1.40o，in= 0.3 MPa，得出壓力震蕩波形及頻譜圖如圖2所示。監(jiān)測點坐標（3,0,0），坐標原點為階梯腔入口截面與軸線交點。以時間步長2e-7s為例，得到監(jiān)測點'壓力的震蕩頻率為6.746 kHz，壓力振幅為1.978′105Pa。傳統(tǒng)基于線性聲學(xué)理論的頻率計算公式為：=/4（+0.3），其中、、分別為當?shù)芈曀伲╩/s）、諧振腔深度（m）、諧振腔直徑（m）。由Brocher提出的最大壓力振幅公式[30]： Δmax= 2j0，其中Δmax為最大壓力波動幅度（Pa），為絕熱指數(shù)，取值1.414，j為射流馬赫數(shù)，j=0.82,0為標準大氣壓（Pa）。由此得出的頻率為6.787 kHz，壓力振幅為2.329′105Pa?？梢钥闯霰O(jiān)測點震蕩頻率與傳統(tǒng)理論公式得出結(jié)果基本一致，而壓力振幅卻比Brocher提出的公式得出的結(jié)果略低，但考慮到此公式是適用于理想條件下，而沒有考慮壁面摩擦損失等因素，因此該模擬結(jié)果是可以接受的。

a. 帶階梯型諧振腔的Hartmann超聲霧化噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

a. Schematic diagram of Hartmann ultrasonic atomization nozzle with stepped resonance tube

注：Di為Laval管的入流直徑，mm；Do為Laval管出流直徑，mm；D1為階梯型諧振腔第一級階梯孔的直徑，mm；D2是階梯型諧振腔第二級階梯孔的直徑，mm；L1為第一級階梯孔的深度，mm；L2是第二級階梯孔的深度，mm；X為Laval管出口與諧振腔之間的距離，mm。

注：P'（3,0,0），坐標系見圖1。

在Fluent瞬態(tài)求解中時間步長（timestep）必須小到能夠解析與時間相關(guān)的一切特征，而影響時間步長設(shè)置值的最直接因素是網(wǎng)格尺寸以及射流流速，而在上述可靠性驗證過程中所使用的圓柱腔型諧振腔模型與本文所主要研究的階梯腔型超聲霧化噴嘴模型基本尺寸一致，最小網(wǎng)格尺寸以及網(wǎng)格劃分方法相同，且射流速度相同。因此以上對于圓柱腔噴嘴模型的驗證結(jié)果同樣適用于階梯腔型超聲霧化噴嘴模型。對比3個時間步長的計算結(jié)果，其壓力時域圖及頻譜圖基本一致，時間步長為2.5e-7 s和3e-7 s時的平均壓力振幅與2.0e-7 s時相比相對誤差分別為0.41%和0.36%；而平均諧振主頻的相對誤差分別為0.03%和0.12%。為節(jié)省計算時間又不失計算精度，下文對于各參數(shù)對振動腔振動特性和諧振狀態(tài)的所有模擬，計算時間步長均采用2.5e-7 s。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 階梯孔深度比2/1對諧振狀態(tài)的影響

Laval管出口直徑o為定值3.1 mm，令諧振腔入口直徑1等于Laval管出口直徑相等即3.1 mm，1/2=2。為使階梯型諧振腔腔體為細長孔形狀，使第一級階梯孔深度1略大于第一級階梯孔直徑，設(shè)定1=4 mm。2分別取值為4、8、12、16、20 mm。且初定=1.40o，供氣壓力in=0.3 MPa。在無圓錐罩情況下進行瞬態(tài)數(shù)值模擬，最后得到其穩(wěn)定狀態(tài)的點的壓力圖和其對應(yīng)的頻譜圖如圖3a和3b所示，其中點坐標（3,0,0），坐標原點為階梯腔入口截面與軸線交點。在表1中，對于圓柱型腔體，2/1變化時指代的是圓柱腔深度的變化，即圓柱腔的深度等于2+1。結(jié)果表明，在相同參數(shù)條件下，當諧振腔的總深度相等時，階梯型共振腔的諧振頻率比傳統(tǒng)圓柱型諧振腔的諧振頻率高。由表1可以看出，當階梯型諧振腔2/1超過2時其諧振頻率即達到了傳統(tǒng)圓柱型諧振腔諧振頻率的1.6倍。

Note: D1/D2=2, X=1.40Do, D1 =Do, L1=4 mm, Pin=0.3 MPa

表1 當L2/L1變化時階梯腔（fst）和圓柱腔（fcy）諧振頻率對比

注：圓柱腔與同一條件下的階梯腔深度一致。

Note: The depth of cylindrical tube agrees with that of the stepped tube under the same condition.

3.2 圓錐罩對諧振狀態(tài)的影響

如前文所述，為了對流體的流動狀態(tài)施加主動控制，本文中在拉瓦爾管出口和諧振腔入口之間加裝了120°圓錐罩，如圖2b所示。在與無圓錐罩時相同的參數(shù)下，即212，=1.40o，122，1=o，1=4 mm，in= 0.3 MPa，對點靜壓力進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，其最大壓力波動幅度卻由無圓錐罩時的0.103 MPa增大至0.174 MPa。如圖4所示，有圓錐罩時，其壓力波形圖出現(xiàn)了多處鋸齒狀的跳躍。為了對其內(nèi)部流場波動情況做進一步的探究，分別取一個周期中的4個點1=7.48e–4 s，2=7.63e–4 s，3=7.88e–4 s，4=8.30e–4 s，觀察其速度矢量圖在1至4過程的演變過程。其結(jié)果如圖5所示，在1時刻，此時腔內(nèi)氣體處于出流階段，在圓錐罩轉(zhuǎn)角部分形成了一個渦流，而達到2時刻時，此渦流消失，而與此同時在階梯腔的第一段階梯孔內(nèi)漸漸形成了一個渦流，第一個階梯孔內(nèi)的渦流直徑逐漸變大，最終充滿整個階梯孔，此時第二段階梯孔的氣體處于靜止狀態(tài)，此后即進入入流階段，渦流直徑又逐漸變小直至消失，即3時刻，階梯腔出口和圓錐罩之間又形成了新的渦流，其位置更靠近階梯腔出口一側(cè)，最終入流階段完成，即3時刻。由此我們可以看出，圓錐罩與階梯腔出口之間的渦流形成與消失的過程中，會對腔內(nèi)氣體的入流和出流造成周期性的擾動，從而使得波形圖上顯現(xiàn)出鋸齒狀的跳躍，同時也使得腔內(nèi)氣體振動幅度變大，增大了其壓力波動幅度。

Note: L2/L1=2, X=1.40Do, D1/D2=2, D1 =Do, L1=4 mm, Pin=0.3 MPa.

圖5 帶圓錐罩的諧振腔在一個周期內(nèi)速度矢量圖演變過程

3.3 階梯孔孔徑比1/2對諧振狀態(tài)的影響

如圖6所示，本文在對不同孔徑比1/2對諧振狀態(tài)影響的數(shù)值模擬過程中發(fā)現(xiàn)孔徑比是影響階梯腔諧振狀態(tài)比較敏感的因素，在1/2小于1.2的情況下，階梯腔和傳統(tǒng)圓柱腔的效果基本一致。而當1為定值，在1=o，=1.40o，in=0.3 MPa，2=21的參數(shù)條件下，當1/2由2增大到2.5時，階梯型諧振腔的諧振狀態(tài)由“回流模式”轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹饴暷Ｊ健?。在這種諧振模式下其壓力震蕩沒有典型的規(guī)律，很難找到起主要作用的主頻，而更像是多種不同振幅和頻率的復(fù)雜的波疊加在一起的效果。當1/2繼續(xù)增大至3，即2小于0.44o時，就很難再觀察到波動現(xiàn)象，壓力波動經(jīng)過初始的不穩(wěn)定階段后逐漸趨于某一定值。

Note: L2/L1=2, X=1.40Do, D1 =Do, L1=4 mm, Pin=0.3 MPa

3.4 Laval管出口與諧振腔之間的距離對諧振狀態(tài)的影響

在2/12，1/22，1=o，1=4 mm，in=0.3 MPa的固定參數(shù)條件，變化時進行數(shù)值模擬。結(jié)果如圖7所示，當在5～11 mm范圍內(nèi)的任意位置，諧振腔均可產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的回流模式的震蕩，且其主頻不受變化的影響，'點壓力震蕩主頻約為10.5 kHz。為了進一步探究當變化時階梯型諧振腔諧振狀態(tài)的變化情況，由數(shù)值模擬結(jié)果得出變化時第一階梯孔軸線上點聲壓級SPL及最大靜壓力max的變化情況，如表2所示?？梢钥闯鲭S著的變大點的聲壓級SPL呈現(xiàn)出先由75.5 dB急劇變大，后趨于穩(wěn)定（90~110 dB），又急劇變小為 69.6 dB的趨勢，此過程伴隨著腔內(nèi)流體回流諧振現(xiàn)象的產(chǎn)生與消失。而在此變化范圍內(nèi)，點最大靜壓力max由2.98′105Pa逐漸變小為2.82′105Pa。

由數(shù)值模擬的結(jié)果表明，階梯孔的深度比2/1對階梯腔的諧振頻率有直接影響，2/1取值接近于1時，階梯型諧振腔的諧振頻率達到最大值；而階梯型諧振腔兩級階梯孔孔徑比1/2對諧振腔的諧振狀態(tài)有較大影響，能產(chǎn)生穩(wěn)定回流模式諧振的1/2范圍為1.2～2；Laval管出口與諧振腔之間的距離的較佳工作范圍為 5～9 mm，在此范圍內(nèi)諧振腔均能達到穩(wěn)定的諧振狀態(tài)，監(jiān)測點￠的聲壓級SPL達到了100 dB左右。根據(jù)以上數(shù)值模擬結(jié)果，最終選用較優(yōu)設(shè)計參數(shù)1/2=2進行階梯腔噴頭試制，并選用較優(yōu)的拉瓦爾管與諧振腔距離= 5.5 mm作為噴霧特性對比測試試驗的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)值。

Note:L2/L1=2, D1/D2=2, D1 =Do, L1=4 mm, Pin=0.3 MPa.

表2 P'點最大靜壓力Pmax及聲壓級SPL隨X變化情況

Note:212,1/22,1=o,1=4 mm,in=0.3 Mpa

4 霧滴粒徑對比測試試驗

4.1 試驗設(shè)備及試驗方案

為了對本文所設(shè)計的帶階梯型諧振腔的Hartmann低頻超聲霧化噴嘴的霧化性能做進一步了解，試制噴嘴樣機對不同結(jié)構(gòu)型式的噴嘴在不同供氣壓力in（MPa）下進行霧滴粒徑對比測試試驗，分別對帶有普通圓柱腔、階梯腔、帶有圓錐罩的階梯腔的3種Hartmann霧化噴嘴進行對比試驗，測試其在不同壓力下的索太爾平均粒徑（Sauter mean diameter，SMD）的變化情況，其中階梯腔的階梯深度比為定值2=1，Laval管出口與諧振腔之間的距離1.77o；并分別以、2/1等因素為變量進行了霧滴粒徑測試試驗。1、2、1為定值，其中1=o，1=22，1=1.33o(各參數(shù)取值與仿真模型一致)，如圖1和圖2所示，通過調(diào)整調(diào)節(jié)柱塞使得可調(diào)節(jié)2/1的值。本次試驗在江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院霧化試驗室進行，氣溫為27～29 ℃。

帶階梯型諧振腔的Hartmann低頻超聲霧化噴嘴霧滴粒徑譜測試裝置如圖8所示，試驗控制系統(tǒng)由水路系統(tǒng)與氣路系統(tǒng)組成，水路系統(tǒng)包括隔膜水泵9（型號PLD- 1 204，石家莊市普蘭迪機電設(shè)備有限公司）、水泵調(diào)速器8（型號15C，石家莊市普蘭迪機電設(shè)備有限公司）、節(jié)流閥10（型號KC-02，上海阮隆工業(yè)自動化電器有限公司）、液壓表11（型號YN6-NPT1/4，上海威月儀表儀器有限公司）等；氣路系統(tǒng)包括空氣壓縮機1（型號750-30< 2 530>，浙江盛源空壓機制造有限公司）、油水分離器2（型號AFR2 000，廣州市亞德客自動化工業(yè)有限公司）、氣壓表3（型號Y40-02，上海阮隆工業(yè)自動化電器有限公司）、減壓閥5（型號AR2 000-02，上海阮隆工業(yè)自動化電器有限公司）等。霧滴粒徑測試設(shè)備為激光粒度分析儀7（型號Winner318B，濟南微鈉顆粒顆粒儀器有限公司，量程15-711m，分30級）。霧滴粒徑譜測試系統(tǒng)示意圖如圖8c所示。

試驗方案安排如下：分別在不同的進氣壓力（0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa）下及取不同值（3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、10、11.5 mm）時測得索太爾平均粒徑SMD的變化情況，試驗過程中，水流量控制在 2 L/h。

4.2 試驗結(jié)果與分析

4.2.1 3種結(jié)構(gòu)型式噴嘴在不同供氣壓力下霧滴粒徑的變化情況

試驗結(jié)果如圖9a所示，在試驗過程中，當供氣壓力從0 MPa逐漸增大的過程中，只有當壓力達到一定的值才會有大量較小霧滴，稱之為“霧化起始點”，圖9a可以看出3種腔體的“霧化起始點”分別為：0.11、0.08、0.07 MPa。在“霧化起始點”3種噴頭的SMD基本一致，約為57m。由SMD變化趨勢可以看出，當in由“霧化起始點”增大至0.5 MPa的過程中，階梯腔式噴頭的霧滴粒徑由56.469m減小到42.837m，而圓柱腔式噴頭的SMD由57.079m減小到48.550m。帶有階梯腔的Hartmann霧化噴頭比帶有圓柱腔的噴頭粒徑小，且在壓力較小（低于0.15 MPa）時，兩種噴頭的霧滴粒徑差較小，差距約為3.5m，而壓力較高時粒徑差明顯變大差距約為 6m，SMD變化曲線會出現(xiàn)一個明顯的轉(zhuǎn)折點。

4.2.2 Laval管出口與諧振腔之間的距離對霧滴粒徑的影響

試驗結(jié)果如圖9b所示，對于無圓錐罩的階梯腔式超聲霧化噴嘴，當Laval管出口與諧振腔之間的距離由3.5 mm增大至11.5 mm的過程中，SMD呈現(xiàn)先變小后變大的趨勢，在=6.5 mm處霧滴粒徑達到最小值，in為0.4 、0.3、0.2 MPa時SMD最小值分別為44.847、43.164、41.902m。由圖10可以看出當在5.5~7.5 mm范圍內(nèi)時，霧滴粒徑受的影響不大，對于供氣壓力為0.3 MPa的情況，在這個范圍內(nèi)SMD約為42m，而在<5.5 mm 和>8.5 mm的范圍內(nèi)，霧滴粒徑隨著的變大分別呈現(xiàn)出明顯變小和急劇上升的趨勢，當in=0.3 MPa時，隨著由3.5 mm增大到9.5mm，SMD先由51.827m減小到 43.164m，后又增大到53.865m。隨著的持續(xù)增大，諧振腔諧振現(xiàn)象漸漸消失，之后霧滴粒徑主要受供氣壓力的影響，如圖11所示，在供氣壓力恒定時，霧滴粒徑隨著的變大而變大，在>10.5 mm時變化幅度趨于平緩，以in=0.3 MPa時為例，此時SMD約為58m。

為觀察￠點最大靜壓力max、拉瓦爾管出口與諧振腔之間的距離和SMD的變化關(guān)系，將三者關(guān)系以三維視圖的形式呈現(xiàn)在圖10中。綜合圖9、圖10及表2可知霧滴SMD與腔內(nèi)流體壓力、聲壓級以及諧振腔諧振狀態(tài)等因素密切相關(guān)，而腔內(nèi)流體發(fā)生穩(wěn)定回流震蕩時，其聲壓級顯著增大，這對霧滴的進一步細化起決定性作用。

4.2.3 階梯腔深度比2/1對霧滴粒徑的影響

根據(jù)上節(jié)試驗結(jié)果，取試驗結(jié)果較優(yōu)的值為 6.5 mm，在供氣壓力in分別為0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa時，測定當21變化時，霧滴粒徑的變化情況。試驗結(jié)果如圖12所示，結(jié)果表明，當2/1由0增大至5的過程中，霧滴粒徑呈現(xiàn)出先急劇變小后緩慢增大的過程。而極小值點出現(xiàn)在21取值為1附近時，也就是說，當階梯腔第二級階梯孔的深度2由0變大時，在一定的范圍內(nèi)（2<1.51）對于霧滴粒徑有著明顯的改善作用。以in=0.3 MPa時為例，最小SMD可達到43m左右。綜合圖12和表1可以看出，霧滴粒徑和諧振腔的諧振頻率有一定相關(guān)性，諧振頻率的增大使霧滴粒呈現(xiàn)出變小的趨勢。

綜上分析，較優(yōu)的階梯型諧振腔深度比21范圍為0.5～1.5，可將此結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍作為常用的階梯腔工作范圍。

a. 帶諧振腔的Hartmann低頻超聲霧化噴嘴霧滴粒徑測試現(xiàn)場

a. Droplet size distribution test spot of Hartmann atomization nozzle with resonance tube

b. 噴嘴整體圖及其階梯腔裝置

b. Whole body of the nozzle and its stepped tube device

c. 霧滴粒徑譜測試系統(tǒng)示意圖

圖9 3種腔體噴嘴在不同進氣壓力下噴嘴霧滴粒徑對比

圖10 SMD在P￠點壓力及拉瓦爾管出口與諧振腔之間的距離X作用下的變化情況

Fig.11 Effect of pressure of￠and distance between Laval outlet and inlet of stepped tubeon SMD

5 結(jié) 論

通過對圓柱腔、階梯腔、帶有圓錐罩的階梯腔的3種霧化噴頭進行數(shù)值模擬，參數(shù)化研究了第二級階梯孔與第一級階梯孔深度比、圓錐罩、第二級階梯孔與第一級階梯孔孔徑比、以及Laval管出口與諧振腔之間的距離對諧振狀態(tài)及諧振頻率的影響；最終選取較優(yōu)的孔徑比為2，對噴嘴進行試制，對3種霧化噴頭進行了霧滴粒徑對比測試，并進行了霧滴粒徑譜的參數(shù)化對比測試試驗，霧化量為2 L/h下，試驗測得階梯腔式超聲霧化噴嘴的最小霧滴粒徑為42m。

并得出如下結(jié)論：

1）在相同參數(shù)條件下，第二級階梯孔與第一級階梯孔深度比超過2時其諧振頻率即達到了傳統(tǒng)圓柱型諧振腔諧振頻率的1.6至1.7倍。

2）在Laval管出口和諧振腔入口之間的圓錐罩使得腔內(nèi)氣體壓力波動幅度變大。圓錐罩與階梯腔出口之間的渦流形成與消失的過程中，對腔內(nèi)氣體的入流和出流造成周期性的擾動。

3）第二級階梯孔與第一級階梯孔孔徑比對諧振腔的諧振狀態(tài)有較大影響，其改變會使階梯型諧振腔的諧振模式由“回流模式”轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹饴暷Ｊ健被蚴怪C振現(xiàn)象消失，孔徑比的較優(yōu)范圍為1.2～2。

4）帶有階梯腔的霧化噴嘴比帶有圓柱腔的霧化噴嘴霧滴粒徑小2～6m，且在壓力較小（低于0.15 MPa）時其差距較小，而壓力較高時粒徑差明顯變大。圓錐罩使得低壓時的霧滴粒徑隨供氣壓力變化更加敏感。

5）Laval管出口與諧振腔之間的距離也是影響霧滴粒徑的重要因素，對于帶階梯腔的噴頭，當該距離為 6.5 mm時索太爾平均粒徑SMD達到最小值，SMD的變化趨勢與腔內(nèi)聲壓級的變化趨勢基本一致。且在粒徑最小值附近，諧振腔處于諧振最佳狀態(tài)。

6）較優(yōu)的階梯型諧振腔第二級階梯孔與第一級階梯孔深度比范圍為0.5～1.5，可將此結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍作為常用的階梯腔工作范圍。

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Design and test of low-frequency Hartmann atomization nozzle with stepped resonance tube

Gao Jianmin, Ma Junlong

(212013,)

The droplet quality of hydrodynamic ultrasonic atomization nozzle is better than the ordinary two-phase nozzle. And the atomization amount is larger than the piezoelectric atomization nozzle. High-quality droplet and high atomization amount are both required in the field of aeroponics. Therefore, it is necessary to develop a hydrodynamic ultrasonic atomizing nozzle suitable for large-scale aeroponics. Based on the basic principle of the Hartmann resonator, in this study, the mechanism of ultrasonic vibration of resonant cavity and the atomization mechanism of resonant cavity supersonic nozzle were analyzed theoretically. The Hartmann low-frequency ultrasonic atomization nozzle with stepped resonator and adjustable structural parameters was designed, including the Laval tube, the stepped tube, and conical shield. The influence of the structural parameters on the resonant state of the resonator was studied by means of CFD software transient numerical simulation. In order to make the spraying angle controllable, active flow control was used in the atomizing area, namely, adding a conical shield at the exit of the nozzle. The oscillation characteristics of the stepped resonance tube were further studied parametrically by numerical simulation methods. Numerical simulation of three kinds of atomizing nozzles including cylindrical tube, stepped tube and stepped tube with conical shield was carried out. The parameters which were studied were as follows: the distance between Laval outlet and inlet of stepped tube, depth ratio of the second stepped hole and the first stepped hole, conical cover, diameter ratio of the second stepped hole and the first stepped hole. Numerical simulation results showed that: (1) If the depth ratio of the stepped tube exceeded 2, its resonance frequency reached 1.6 to 1.7 times of the cylindrical one under the same working parameters; (2) The conical shield can make the pressure oscillation amplitude in the cavity bigger; and (3) The diameter ratio of the stepped resonator had a great influence on the resonant state of the resonator. The variation of diameter ratio of the stepped resonator changed the resonant mode of the stepped resonator from one mode to another. It also can make the resonance phenomenon disappear. As such, the key dimensions of the stepped resonator were determined accordingly. And an optimal diameter ratio was selected for trial production. And the optimal distance between Laval tube outlet and the resonant inlet 5.5 mm were selected as the initial structural parameter values of the spray test. The droplet size of three kinds of atomizing nozzles was tested and the test of droplet size was carried out with distance between Laval tube outlet and the resonant inlet, depth ratio of the second stepped hole and the first stepped hole, and other factors as variables. Moreover, its atomization properties were tested contrastively under different conditions. Research results showed that: (1) Start-up properties of oscillation can be optimized due to the main frequency unaffected by the conical shield；(2) The diameter ratio of stepped resonance tube was a quite sensitive parameter influencing the resonance state. The variation of diameter ratio can make the resonance mode change from ‘jet regurgitant mode’ to ‘jet scream mode’ or make the oscillation disappear; (3) Atomization properties of Hartmann atomization nozzle with a stepped resonance tube was better than those of Hartmann atomization nozzle with a cylindrical one; (4) If the air supply pressure was low, the droplet size was more sensitive with the pressure after adding a conical shield, while the gap of the average droplet size between the nozzle with stepped tube and that with traditional tube was not obvious under the condition of high air supply pressure. The distance between the Laval tube exit and the resonance tube was another sensitive parameter influencing the droplet size. An optimal distance, where the minimum droplet size can be acquired, was 6.5 mm. The droplet diameter increased gradually no matter the distance was bigger or smaller than the optimal distance. However, the droplet diameter varied slightly with the distance near the optimal point.

nozzles; numerical simulation; spraying; test; Hartmann low-frequency ultrasonic nebulization; stepped resonance tube; conical shield

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.009

S224.3

A

1002-6819(2017)-12-0066-08

2016-10-12

2017-06-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（51275214）；江蘇自然科學(xué)基金資助項目（BK2011470）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目（蘇財教（2011）8號）

高建民，男，江西吉水人，研究員，博士，主要從事超聲精密噴霧技術(shù)研究，2010-2011年由教育部公派赴美國農(nóng)業(yè)部研究院農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用技術(shù)地面噴霧國家實驗室研修（USDA/ARS）。鎮(zhèn)江江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，212013。Email：1000001903@ujs.edu.cn

高建民，馬俊龍.帶階梯型諧振腔的Hartmann低頻超聲霧化噴嘴設(shè)計及試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(12)：66－73. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.009 http://www.tcsae.org

Gao Jianmin, Ma Junlong.Design and test of low-frequency Hartmann atomization nozzle with stepped resonance tube[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 66－73. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.009 http://www.tcsae.org