基于ANSYS雾化喷嘴流场分析及参数优化

郝　磊，高　雄，陈铁英，王海超

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018；2.内蒙古农牧业机械技术推广站，呼和浩特　010010)



基于ANSYS雾化喷嘴流场分析及参数优化

郝磊1，高雄1，陈铁英2，王海超1

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018；2.内蒙古农牧业机械技术推广站，呼和浩特010010)

摘要：喷嘴是喷雾作业的终端件，也是核心部件之一。喷嘴的锥形面处是流场速度和压力变化的关键部位，喷嘴入口对喷嘴出口流量和速度有很大影响。为此，运用ANSYS软件模拟了液力式雾化喷嘴的内部流场和喷嘴外部雾化场雾滴分布和速度分布情况，对比分析了不同结构参数对喷嘴流场的影响，为喷嘴结构参数的合理选择提供了一定的参考。

关键词：雾化场雾滴分布；喷嘴锥形面锥角；速度分布；参数优化

0引言

近年来，为了彻底解决长期困扰我国北方地区冬季新鲜蔬菜供应问题，满足不同季节都有新鲜蔬菜水果供应，我国温室总面积达到了40万hm2[1]多。温室内长期密闭、光照不足、高温、高湿，极易产生病虫害，因此温室农药的喷洒对温室农产品产量有直接的影响。同时，农药的利用率很低。据统计，65%的药液都流失到土壤、河流、空气中，仅有0.03%的药液起到了杀虫作用[2]。农药的喷洒依靠喷雾器，目前我国对温室、大棚等密闭环境中的害虫防治仍以手动喷雾器施药为主，该喷雾方式存在流量过大、雾滴粒径一般情况大于150μm及粒径均匀性差等缺点。喷嘴是植保机械和喷雾器中的核心部件之一，其性能的优劣直接影响施药量、雾滴大小和均匀度等。按照喷嘴的雾化方式来分，大体可分为液力式雾化喷嘴、气力式雾化喷嘴、旋转式雾化喷嘴、超声波雾化喷嘴及静电雾化喷嘴；按形状可分为圆柱形喷嘴、扇形喷嘴；按孔数可分为单孔喷嘴和多孔喷嘴；按压力可分为低压喷嘴、高压喷嘴及超高压喷嘴等[3]。液力式和气力式喷嘴是所有应用中最为广泛采用的喷嘴，最主要的特征是通过外部作用对流体施加压力，导致流体以相对较高的速度喷入周围气体介质中[4]。我国在植保机械的基础理论和基础零部件的研究与应用方面还有所欠缺。据相关资料显示，目前绝大部分试验研究所用的喷嘴都是进口喷嘴[5]，农药的施用技术仍停留在大容量、大雾滴喷雾水平上，过分强调了药液从植株叶片上开始流淌为喷雾均匀的指标，浪费了大量的资源[6]。

1雾化机理

喷雾是一个动态过程，受到喷嘴结构、外部环境多种因素的影响。一般来说，雾化过程大致分为3种类型：液滴破碎、液柱破碎和薄膜破碎[7]。这3种破碎形式在同一雾化过程中同时存在、相互作用。本文研究的是Y1/4AT-19V液力式雾化喷嘴，其雾化过程是：首先，由于受外力的作用，液体从细水雾喷嘴流道通过形成很细的水射流或很薄的水膜，然后射流或薄膜从喷嘴出口喷出，克服表面张力，从液膜分裂成细线，加上湍流径向分速度和周围空气相对速度的影响，使液体破碎成细小的水滴。

2建立模型

2.1　几何模型

液力式雾化喷嘴二维结构如图1所示。

图1　液力式雾化喷嘴二维结构示意图

2.2　网格化分

本文运用ICEM CFD划分网格软件。在划分网格时，考虑到计算边界结构和流场的复杂性，采用三角形非结构网格。为了模拟喷嘴的外部流场,建立的仿真模型包括2个部分：一是喷头出口，二是雾化场。将喷头雾化场尺寸简化为矩形。划分网格如图2所示。

1,3,4,6.壁面　2.入口　5.出口

3数值计算

3.1　输入并检查网格

启动FLUENT三维单精度求解器，输入上文所保存的网格文件并对其进行检查，确定网格划分没有错误。因为在ICEM 建模时所使用的长度单位为mm，而FLUENT 默认的是m，因此在检查完网格后需对单位进行更改。

3.2　计算方法

采用标准k-ε湍流模型,多相流模型选择Euleria模型,主相为空气,辅相为水。动量方程、湍动能方程和湍动能耗散率均采用一阶迎风差分格式，采用SIMPLE算法耦合求解压力与速度的耦合。

3.3　边界条件

根据之前对锥直形喷头内部流场仿真，喷头在2.5MPa时，出口最大速度为6m/s。喷头出口速度是雾化场的入口速度，因此设置雾化场入口边界条件为速度入口,出口边界条件为压力出口。

4计算结果与分析

4.1　雾化场速度仿真与分析

1)液力式雾化喷嘴速度分布如图3所示。

图3　喷嘴雾化场速度云图

2)喷嘴雾化场轴向速度如图4所示。

图4 喷嘴雾化场轴向速度图

3)喷嘴雾化场径向速度如图5所示。

图5　喷嘴雾化场径向速度图

从图3可以看出：在模拟的喷雾场中，液力式雾化喷嘴喷出的雾滴群形状成锥形。从图4可以看出：雾滴的轴向速度随着距离喷孔轴向距离的增大，其轴向速度减小；雾滴从喷嘴喷出，受到空气阻力等因素的作用，其速度会逐渐变小并且破碎成更小颗粒[8]。从图5可以看出：雾滴径向速度关于轴线对称分布，随着径向距离变大，其径向速度迅速减小。

4.2　雾化场离散相模型(DPM)模拟分析

采用多相流模型对喷雾场进行模拟，不能得到雾滴的雾化过程，只能简单地显示喷雾场的形状和速度分布情况。采用离散相模型则可以直观地模拟出雾化过程[9]。

1)连续相流场模拟。 为了用离散相模型模拟雾化过程，必须先进行连续相流场模拟。连续相进口边界条件为速度入口，其值为6m/s，温度为300K。出口边界条件为压力出口，其值为一个标准大气压。相关参数设置完成后，进行迭代计算，残差曲线收敛后，得到模拟分析结果，如图6所示。

图6　连续相流场速度分布图

2)离散相流场模拟。连续相流场模拟完成后，选择离散相模型 DPM 且加入雾滴，并选择湍流模型为标准k-ε模型，得到模拟分析结果，如图7所示。

图7　雾滴模拟图

由图7可知：随着时间的增加，雾滴群形状逐渐成形。可以看出较大的雾滴大多数集中在雾滴群中间，雾滴较小的分布在雾滴群周围，与实际情况相符。

5参数优化

5.1　增加入口数量

将原喷头的4个入口改变为6个后的喷嘴二维结构如图8所示。

图8　6个入口喷嘴二维结构示意图

6个入口、4个入口的喷嘴速度、喷嘴轴向速度及喷嘴出口流量如图9～图14所示。

图9　6个入口喷嘴速度分布图

图10　6个入口喷嘴轴向速度图

图11　4个入口喷嘴速度分布图

图12　4个入口喷嘴轴向速度图

图13　6个入口喷嘴出口流量

图14　4个入口喷嘴出口流量

图9～图14表明：在相同入口压力(2.5 MPa)条件下，优化入口数量，使喷嘴入口和出口流量变大，轴向速度显著提高。这样既扩大了喷嘴雾化面积，又提高了工作效率。

5.2　改变喷嘴锥形面锥角

本试验喷嘴锥形面锥角,喷孔直径0.66mm ,保持喷孔直径和入口数量不变，将锥角依次改为30°、35°、45°、50°、55°后进行模拟。对模拟结果进行处理后，得到的雾滴轴向速度如图15所示。

图15　不同锥角喷嘴轴向速度图

从图15可以看出：速度都是约在x=25mm后迅速增大，其原因是由于锥形面收缩； 在α=30°和α=35°之间，随着锥角增加，出口轴向速度变化不大；在α=35°和α=45°间，随着锥角增加，出口轴向速度增大明显；在α=45°和α=55°之间，随着锥角增加，出口轴向速度几乎没有变化。因此，喷嘴锥形面锥角为45°时，雾滴已达到较高的出口轴向速度。

6结论

运用ANSYS软件模拟了液力式雾化喷嘴的内部流场，对比分析了不同结构参数对喷嘴流场的影响，结果表明：增加喷嘴入口数量，出口流量和轴向速度增加；喷嘴的锥形面处是流场速度变化的关键部位，在一定范围内增大锥角可以提高轴向速度，锥角为45°时，雾滴达到较高的出口轴向速度，其后再增大锥角出口轴向速度几乎不变。此外，利用多相流模型和离散相模型模拟喷嘴二维网格模型的雾化场和喷嘴雾化形成过程，直观得到喷嘴雾滴分布和速度分布情况，这些结论可为今后喷嘴的结构设计提供参考。

参考文献：

[1]孙晓红.液体雾化及其沉降性能研究[D]．呼和浩特：内蒙古农业大学，2013.

[2] 罗瑶.植保机械喷头内部流场的数值模拟[D].长沙：湖南农业大学，2008.

[3]王彬.雾化角对压力式液体雾化效果影响的理论及实验研究[D].重庆：重庆大学,2007.

[4] 金春玉.空心圆锥雾化喷嘴喷雾实验与数值研究[D].上海:上海交通大学,2007.

[5]樊荣，师帅兵,杨福增,等. 我国植保机械常用喷头的研究现状及发展趋势[J].农机化研究，2014，36(6):6-9.

[6] 刘玉洲.液力式喷雾机液体雾化的试验研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2011.

[7] 李冬青.气力式喷嘴雾化过程的实验研究与数值模拟[D].杭州：浙江大学，2007.

[8] 汪新智.双通道气流式雾化喷嘴模拟计算与优化[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[9] 黄发光.植保用喷头的参数化设计[D].杨凌:西北农林科技大学，2014.

Based on ANSYS Atomization Nozzle Flow Field Analysis and Parameter Optimization

Hao Lei1， Gao Xiong1， Chen Tieying2, Wang Haichao1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2.Inner Mongolia Agricultural and Animal Husbandry Machinery Technology Extersion Station, Hohhot 010010, China)

Abstract：Nozzle is the terminal of spray operations, is also one of core parts. Nozzle of the conical surface is the key part of flow velocity and pressure changes, nozzle entrance has a great influence on the nozzle outlet flow and speed.Using the ANSYS software to simulate the internal flow field in hydraulic atomizing nozzle and nozzle external atomized droplets distribution and velocity distribution of comparison and analysis the influence of different structural parameters on the nozzle flow field, for the nozzle structure parameters of reasonable selection have provided the certain basis.

Key words：atomized droplets distribution; nozzle cone angle; velocity distribution; parameter optimization

中图分类号：S491

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0019-05

作者简介：郝磊(1989-)，男，内蒙古集宁人，硕士研究生, (E-mail)471871462@qq.com。通讯作者：高雄(1957-)，男，呼和浩特人，副教授，硕士生导师，(E-mail)gao0927cn@aliyun.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(41161045)

收稿日期：2015-07-24