蔣小平，王帥，陳建華，季靜，朱朝佳，朱興業(yè)

（1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)國家信息農(nóng)業(yè)工程技術(shù)中心，江蘇 南京 210095； 3. 無錫海升高壓泵有限公司，江蘇 無錫 214174）

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，無人機(jī)噴藥已成為主流的植保作業(yè)方式之一，噴嘴作為其關(guān)鍵部件嚴(yán)重影響著植保作業(yè)的效果[1-4].

植保噴嘴的霧化特性主要體現(xiàn)在噴霧速度、液滴直徑、液滴數(shù)量等方面.近年來，在噴嘴性能與霧化特性等方面，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已做了大量的研究與試驗工作.李瑞敏等[5]通過試驗的方法，分析了扇形噴嘴關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對噴嘴霧化特性的影響，為噴頭的設(shè)計與選型提供了一定的依據(jù).JING等[6]、 ZAREMBA等[7]主要研究了液滴尺寸和液滴平均速度等噴嘴的霧化特性.聶濤等[8]研究了噴射壓力對霧化特性的影響，結(jié)果表明，液滴的索特平均直徑隨著噴射壓力的升高而減小，液滴在噴嘴軸向上的速度隨著噴射壓力的升高而增大.此外，噴嘴的霧化特性也受噴霧環(huán)境壓力、噴嘴類型等其他因素的影響[9-12].

除了結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，噴射壓力與噴霧高度等作業(yè)控制參數(shù)也是影響扇形噴嘴霧化特性的主要因素.上述對于扇形噴嘴的研究主要集中于利用試驗方法從設(shè)計參數(shù)角度研究霧化特性.文中嘗試基于泰勒相似破碎模型（TAB）與Eulerian-Lagrangian耦合算法，實現(xiàn)扇形噴嘴破碎與霧化過程氣液兩相流的非定常數(shù)值模擬，通過系統(tǒng)研究噴射壓力與噴霧高度對液滴粒徑、液滴速度、離散相模型（DPM）質(zhì)量濃度、液滴數(shù)量通量等的影響規(guī)律，為進(jìn)一步研究打下相應(yīng)基礎(chǔ).

1 模型構(gòu)建

1.1 物理模型

圖1、表1分別為扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)表，其中過心距與相對切深的關(guān)系[2]如式（1）所示，噴孔直徑2.5 mm,切槽角30°，相對切深為0.7 mm.外部計算域為一個直徑400 mm、高100 mm的圓柱.由于扇形噴嘴出口處有V型凹槽，無法與圓柱形外流場直接形成面接觸，因此需要在扇形噴嘴與外部流場之間加入過渡流場，過渡流場為等腰三棱柱.

（1）

式中：Hr為相對切深；H為切槽深度；h為孔邊距；R為曲率半徑；D為噴孔直徑；e為過心矩.

采用ICEM CFD中結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法，得到如圖2所示的網(wǎng)格圖.同時對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗證，如表2所示.以液滴直徑DSM為參考，將噴射壓力設(shè)置為0.3 MPa，共設(shè)計了5種網(wǎng)格方案，n為網(wǎng)格數(shù).其中方案五誤差θ只有0.06%，可認(rèn)為至此已保持不變，考慮到計算的效率和精確性，采用方案四為文中的計算網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為556 147.網(wǎng)格無關(guān)性成立.

表1 扇形噴嘴參數(shù)表

表2 網(wǎng)格無關(guān)性分析

1.2 模型控制方程

扇形噴嘴的霧化過程是一個氣-液兩相流的耦合作用過程，符合Lagrangian離散相模型要求計算模型有連續(xù)相湍流模型與離散相模型.

1） 連續(xù)相模型

（2）

（3）

式中：ρ為流體密度；u為流體相速度；t為時間，x為方向；i,j,k分別為三維坐標(biāo)單位向量；μ為流體動力黏度；δij為單位張量；p為流體壓強(qiáng).

Realizablek-ε模型及湍動能和耗散率方程為

Gb-ρε-Ym，

（4）

（5）

2） 離散相模型

對于低韋伯?dāng)?shù)的射流霧化可以采用TAB液滴破碎模型，TAB模型是計算液滴破碎的經(jīng)典方法.

1.3 邊界條件及數(shù)值格式

在Fluent中采用扇形噴嘴模型.初始狀態(tài)下計算域內(nèi)充滿靜止的空氣，圓柱上表面計算域壓力入口邊界，四周采用壓力出口escape邊界，圓柱底部壓力出口采用trap邊界捕捉與統(tǒng)計液滴，選擇Rea-lizablek-ε湍流模型，采用couple算法，壓力及動量采用二階迎風(fēng)格式.液滴在運動過程中主要受到空氣曳力、壓力梯度、重力以及慣性力的作用，而對于扇形噴嘴模型的這個霧化過程，液滴的重力以及曳力影響最大，因此計算時考慮重力的影響并采用動態(tài)曳力模型.由于此模型屬于低韋伯?dāng)?shù)的霧化，因此破碎模型選取TAB破碎模型，液滴軌跡采用隨機(jī)漫步模型.模擬計算開始前利用Reports中的Sample模塊進(jìn)行液滴統(tǒng)計用于粒徑、速度等后處理.

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 噴射壓力與噴霧高度對霧化液滴速度的影響

扇形噴嘴的霧化一般包括3個階段，分別為液膜、液膜破碎以及液滴[13].噴霧的具體形狀主要決定于不同速度下的液滴碰撞.圖3為不同噴射壓力下的霧化效果示意圖，圖中t為時間.從圖中可以看出，0.5 MPa噴射壓力下液滴在有限的計算域內(nèi)停留的時間比在其他壓力下停留的時間短一些，并且破碎的程度比在其他壓力下更徹底.圖4為不同噴射壓力下100 mm采集面的液滴速度累計分布曲線圖,圖中u為液滴速度，ηc為累計液滴數(shù)占比.由圖可知，0.5 MPa下液滴整體的速度比在其他噴射壓力下的速度高.當(dāng)噴射壓力較高時，噴嘴出口處液膜空氣相對速度較大，空氣液膜的剪切作用會愈加強(qiáng)烈，導(dǎo)致液膜變得很薄，液滴的平均速度也將變大，液滴在有限計算域內(nèi)的停留時間就越短.

圖5為不同噴霧高度H下液滴速度的累計分布曲線，圖中ui為液滴軸向平均速度.由圖可知，隨著噴霧高度的增大，液滴軸向平均速度的區(qū)間密度逐漸向減小的方向移動.

2.2 噴射壓力與噴霧高度對霧化液滴粒徑的影響

在工程應(yīng)用中主要采用索特平均直徑DSM、液滴體積中值直徑DVM、數(shù)量中值直徑DNM來評價液滴的霧化特性[14].

表3為不同噴射壓力下液滴的DSM，DVM和DNM.由表可知液滴的DSM，DVM和DNM均隨噴射壓力的增大而減小，且當(dāng)噴射壓力為0.3 MPa后液滴DSM減小的趨勢變大，這有利于改善在實際作業(yè)中的霧化質(zhì)量，但是在有風(fēng)狀態(tài)下也會加大霧滴飄溢的風(fēng)險.

表3 不同壓力下液滴的直徑

圖6為噴射壓力0.3 MPa時不同噴霧高度下的粒徑d分布圖,圖中η為液滴數(shù)占比.由圖可知，不同噴霧高度下粒徑分布類似，大致相對120 μm對稱.圖7為不同噴射壓力下不同噴霧高度H的DSM變化曲線，由圖可見，噴霧高度對液滴DSM影響不大.

2.3 噴射壓力與噴霧高度對液滴數(shù)量通量的影響

液滴數(shù)量通量是評價一個霧化過程的重要參數(shù)，反映了單位時間在單位面積上所通過的液滴數(shù)目，其表達(dá)式[15]為

（9）

式中：N為液滴數(shù)目；qv為單位時間內(nèi)噴嘴流量；A為噴霧落到采集面上的面積.

圖8為不同噴射壓力下采集面的離散相分布云圖.由圖可知DPM質(zhì)量濃度以及噴霧的覆蓋面積不受噴射壓力的影響.由式（9）可得，N的變化與液滴DSM呈三次方關(guān)系，與流量成正比.當(dāng)液滴的DSM發(fā)生微弱變化時，由于三次方的關(guān)系，會導(dǎo)致液滴數(shù)量通量N顯著變化，液滴DSM越小，變化越劇烈.由2.2可知，液滴的DSM隨著噴射壓力的變大而逐漸變小，而噴霧的覆蓋面積不受噴射壓力的變化而影響，因此液滴的數(shù)量通量隨著噴射壓力的變大逐漸變大.

圖9為不同噴霧高度下，DPM的質(zhì)量分布云圖.由圖可知，由于研究對象為扇形噴頭，采集面的霧滴形狀近似于一長變形面，DPM的質(zhì)量濃度隨著噴霧高度的升高而逐漸降低.當(dāng)噴霧高度增高時，采集面的面積越來越大.滴液數(shù)量通量與噴霧覆蓋面積成反比，導(dǎo)致DPM質(zhì)量濃度減小.由式（9）可知，N與噴霧覆蓋面積A成反比，而液滴的DSM隨噴霧高度的變化可忽略不計，因此液滴數(shù)量通量隨著噴霧高度的增加而逐漸變小，這與噴射壓力對霧化通量的影響原理并不一樣.

3 試驗驗證

試驗在江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)中心的噴灌大廳進(jìn)行，利用激光粒度儀與PAQXOS-RODOS軟件，分別完成了液滴粒徑分布以及DSM等參數(shù)的試驗驗證.

3.1 不同噴射壓力下DSM試驗值與模擬值對比

圖10為不同噴射壓力p下噴霧高度為100 mm時DSM試驗值與模擬值的對比.由圖可知，曲線的變化趨勢一致，液滴DSM都是隨著噴射壓力的變大而逐漸變小.噴射壓力為0.13 MPa時，試驗的DSM值比模擬DSM值大，隨后試驗的DSM比模擬DSM小，整個過程二者之間的誤差不超過10%.

3.2 不同噴射高度下DSM的試驗值與模擬值對比

利用激光粒度儀在試驗臺上對扇形霧噴嘴進(jìn)行了液滴DSM粒徑試驗，DSM的模擬值與試驗值對比如圖11所示.

由圖11可知，5組不同壓力p下不同噴霧高度H的試驗所測的DSM變化趨勢和模擬計算值的變化趨勢一致，表明噴霧高度對液滴DSM的大小影響較小，模擬值和試驗值在整個過程中對比誤差都低于10%.

4 結(jié) 論

1） 扇形噴嘴的噴射壓力越大，液滴的噴射速度也越大.0.5 MPa噴射壓力下液滴在有限計算域內(nèi)的停留時間要比在其他壓力下短，并且破碎程度也更徹底.液滴軸向平均速度隨著噴霧高度的變大，區(qū)間密度逐漸向減小的方向移動.

2） 液滴的DSM，DVM和DNM均隨噴射壓力的減小而減小，噴射壓力大于0.3 MPa時液滴DSM減小的趨勢變大，這有利于改善實際作業(yè)的霧化質(zhì)量，但是有風(fēng)狀態(tài)下的霧滴飄移風(fēng)險也加大.噴霧高度對液滴DSM的影響不大.

3） 不同噴射壓力下，DPM質(zhì)量濃度與噴霧覆蓋面積不受噴射壓力的影響.由于N的變化與液滴DSM呈三次方關(guān)系，與覆蓋面積A成反比關(guān)系，液滴的數(shù)量通量隨著噴射壓力的變大而逐漸變大.DPM的質(zhì)量濃度隨著噴霧高度的升高而逐漸降低，噴霧的覆蓋面積隨著噴霧高度的升高而逐漸變大.由于液滴的DSM隨噴霧高度的變化可忽略不計，因此液滴數(shù)量通量隨著噴霧高度的增加而逐漸變小.

4） 不同噴射壓力下和不同噴霧高度下，DSM的試驗值和模擬值變化趨勢一致，整個過程中誤差不超過10%.