豆胶气泡雾化喷雾器的三维设计及其数值模拟

苏云鹏，陈光伟

（东北林业大学机电工程学院，黑龙　江哈尔滨　150040）

豆胶气泡雾化喷雾器的三维设计及其数值模拟

苏云鹏，陈光伟

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150040）

设计了一种注气内管内径渐变的高粘度豆胶气泡雾化喷雾器，并应用流体分析软件，对喷雾器内部气液两相混合流体特性进行了数值模拟研究。主要模拟了喷雾器内部气液两相流的速度场分布、压力场分布并分析了模拟结果。分析表明：在设计的气泡雾化喷雾器内部，豆基蛋白胶能够与空气进行很好地混合，其内部压力场分布、速度场分布符合流体力学的运动规律。模拟结果对以后的多相流流动分析以及气泡雾化的研究具有一定的指导意义。

多相流；气泡雾化；数值模拟

0　引言

大豆蛋白胶黏剂（以下简称豆胶）是以大豆蛋白为基质，经酸、碱、酰化及共聚改性后制成的一种环保型胶黏剂，它具有以再生资源为原料，生产加工过程简单、胶接制品无游离甲醛释放等诸多优点。但是，改性后的豆胶黏度高、流动性差，限制了它在“三板”（指纤维板、刨花板和胶合板）生产中的应用范围，目前仅用于胶合板的生产。目前改性方法不加入甲醛进行共聚，改性后的大豆蛋基胶仍是一种无醛胶黏剂［1］。

纤维板与刨花板生产中，通常采用管道供胶、再使胶液与木材纤维或刨花共混的方式进行施胶；而豆胶过高的黏度使其在与纤维或刨花混合时难以分散，胶液的分布不均匀，从而造成成品板材的强度出现差异，质量达不到标准要求。气泡雾化是一种能够克服豆胶高黏度特点的雾化方法，其雾化原理并不是通过克服液体的黏性，而是通过克服液体的表面张力来达到雾化目的［2］。它具有液滴尺寸更小和要求的气液的质量比较低等优点［3］。

为此，本文针对豆胶黏度高的缺点，利用液体气泡雾化原理，设计了一种用于豆胶气泡雾化的喷胶装置。该装置利用豆胶为假塑性非牛顿流体的特性，采用高速、高压空气冲破豆胶基团，加快豆胶的流动速度，并使其与压缩空气充分混合，达到降低胶液的黏度、提高其流动性、以及与纤维和刨花混合的均匀性的目的，使其能够用于纤维板或刨花板的生产。

1　气泡雾化机理及气泡雾化喷雾器的三维设计

1.1气泡雾化机理

气泡雾化的机理是把压缩空气或蒸汽用适当的方式注入到液体中，并使两者在喷雾器的混合室内形成稳定的气液两相流动［4］；在喷雾器出口处，由于气体对液体的挤压和剪切作用，液体形成含有大量微小气泡的液丝或液线喷出；在离开喷口极短的距离内，由于气泡内外压差的急剧变化，气泡急剧膨胀直至破裂，同时将包裹在其周围的液膜进一步破碎，形成更加细微的雾液颗粒［5～10］。

1.2气泡雾化装置的三维结构设计

实验表明，豆胶属于非牛顿流体中的一种假塑性流体，其主要特点在于其表观黏度随剪切速率的增大而减小。设计的气泡雾化装置正是利用了豆胶的这一特征；在结构上，一方面该喷胶装置的胶液流通管道内径是渐变的，管内直径沿豆胶流动方向逐渐减小，这可以增大胶液在管内的流动速度；另一方面，通入管道的通气孔呈切向进入管道，从而使胶液产生附加旋转流动，增强气胶两相的混合效果，从而实现更好的雾化。

结构设计软件采用Pro/ENGINEER，利用该软件的参数化设计（Parametric）技术，使用拉伸、旋转、螺旋扫描等建模方法设计完成了气泡雾化装置的外管、喷雾器主体、进胶管接头、进气管接头、紧固螺母、内外管密封圈等零件的三维设计，并进行了装配。装配后的气泡雾化喷胶装置如图1所示。图2是该雾化装置的爆炸图。

图1　高粘度豆胶气泡雾化喷雾器的装配图Fig.1 Assembly drawing of effervescent atomizer on soy protein adhesive

图2　高粘度豆胶气泡雾化喷雾器的爆炸图Fig.2 Explosive drawing of effervescent atomizer on soy protein adhesive

2　气泡雾化喷雾器流场模型的建立

2.1气泡雾化喷雾器流场模型的建立

应用前处理软件GAMBIT几何建模，可以采用点、线、面、体的形式逐步构建，也可以直接生成面或体来完成建模。如果需要构建的几何体十分复杂，则可以在三维设计软件中完成建模后再导入GAMBIT。利用第二种方法建立了气泡雾化喷雾器流场模型。

2.2喷雾器模型内部流场三维网格划分

利用TGrid程序对整体进行网格划分，将体主要划分为四面体网格单元，但在适当的位置可以包含六面体、椎体和楔形单元。整个流场总网格数为387432个。模拟的结果在Z=0截面显示，基于上述网格划分之后该截面的网格如图3所示。

图3　Z=0截面网格划分Fig.3 Z=0 Section meshing

3　豆胶气泡雾化机理的数值模拟

3.1构建计算模型

Mixture模型是一种多相流模型，可用于模拟两相或多相具有不同速度流体或颗粒的流动。该模型主要实现求解混合相的连续性方程、动量方程、能量方程、第二相的体积分数及相对速度方程等功能。Mixture模型适用于离散相的体积率超出10%的黏性流动，用于两相流时只有一相是可压缩流体［11］。

使用Mixture模型模拟气液两相在喷雾器混合室中的混合，并选择标准的k-epsilon［2 eqn］紊流模型。

3.2设置流体物理属性

高粘度豆胶属于非牛顿流体，在定义非牛顿流体材料时主要定义其密度和黏度。非牛顿流体的黏度与梯度满足幂律关系。由实验测得其密度为1.15×103kg/m3，k= 0.89Pa·sn-1，n=0.6。定义气体为空气，密度为1.225kg/m3，动力黏度为1.789×10-5Pa·s。

3.3设置边界条件

入口边界条件：进气口和进液口均设置为VELOCITY_INLET。出口边界条件：出口设置为PRESSURE_OUTLET，出口压力为1.013×105Pa。气体入口流量：19.72m3/h，液体的入口流量：0.55m3/h。水利直径分别为：进液口14mm、进气口16mm和出口孔2.5mm。

3.4求解与分析

对豆胶（非牛顿流体）与空气在喷雾器内部的混合流动特性进行数值模拟研究，得到其速度场分布图、压力场分布图。

4　模拟结果分析

4.1速度场模拟与分析

速度场分布图用于显示流场中流体的流动速度分布。从图4可以看出，在气液比为0.04的情况下，处于空腔位置的气体和进入混合室之前的水都以平缓速度运动。当进入混合室的水和压缩空气在各个注气孔末端相遇时，形成的气液两相流流速骤然升高至440m/s，气液两相流在喷雾器出口处速度达到了最大值1170m/s，符合喷雾器喷雾流体流速变化的要求。

图4　Z=0截面速度场分布图Fig.4 Z=0 Sectional velocity distribution

4.2压力场模拟与分析

压力场分布图用于显示流场各部分的压力以及整个流场的压力变化。图5中，在气液比为0.04的情况下，水与空气在进液口和进气口的压力比较平稳，在混合室中下部沿着流动的方向压力逐渐降低，在出口处发生明显的变化，出口的位置是一个标准大气压，这符合流体的伯努利方程。

图5　Z=0截面压力场分布图Fig.5 Z=0 Sectional pressure distribution

5　结论与讨论

本文在分析高粘度豆胶流动特性的基础上，利用三维设计分析软件设计了一种注气内管内径渐变的气泡雾化喷雾器，并对雾化过程进行了数值模拟：采用Mixture模型，对豆胶和空气在喷雾器内部的混合情况进行数值模拟，得到它们的速度场分布图、压力场分布图。模拟结果表明:在注气内管内径渐变的气泡雾化喷雾器中，豆胶能与空气实现很好的混合对完成良好的雾化起到促进作用。

［1］常亮，郭文静，陈勇平，等.人造板用无醛胶黏剂的研究进展及应用现状［J］.林产工业，2014，1.

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Numerical Simulation of Three-dimensional Design on Effervescent Atomizer of Soy Protein Adhesive

SU Yun-Peng，CHEN Guang-Wei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China）

An effervescent atomizer of soy protein adhesive is designed，with using a three-dimensional design and analysis software.Twophase fluid which is gas-liquid mixture inside the nozzle is simulated.The main simulation includes the velocity distribution and the pressure distribution of the two-phase flow inside the atomizer and the simulation results are analyzed.Analysis shows that：In this atomizing sprayer，the soy protein adhesive can be well mixed with the air，and finally complete in good atomization beneath the sprayer.Its internal pressure distribution and velocity distribution are consistent with the mechanics of fluid movement.The results are of certain guiding significance for the analysis and research of multiphase flow and effervescent atomization.

multiphase flow；effervescent atomization；numerical simulation

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.030

1002-6673（2015）01-084-03

2014-11-22

苏云鹏（1990-），男，黑龙江省佳木斯人，硕士研究生。研究方向：机械制造工程及自动化；通信作者：陈光伟（1973-），黑龙江省哈尔滨人，博士，副教授。研究方向：机械设计及理论。