基于ICEM和FLUENT温室雾化喷头内部流场分析

郝　磊，高　雄，陈铁英

(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ICEM和FLUENT温室雾化喷头内部流场分析

郝磊1，高雄1，陈铁英2

(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：为了解喷嘴内部流场变化情况，并为今后喷头外部流场特性研究提供理论依据和方法，根据计算流体力学的基本理论，综合运用ICEM网格划分与FLUENT流体分析软件对Y1/4AT-19V雾化喷头内部流场进行了模拟仿真。结果表明：增加入口压力，出口速度显著提高；出口近壁面处速度明显小于中心处速度；在喷头直形出口处，速度增大，压力减小。

关键词：温室;雾化喷头；速度场分析；压力场分析；ICEM；FLUENT

0引言

近年来，为满足不同季节都有新鲜蔬菜、水果供应的需要，我国温室总面积达到了40万hm2多[1]。温室内长期密闭、光照不足、高温、高湿，极易产生病虫害。目前,我国农药喷洒水平普遍处于落后状态，农药喷洒过程涉及的有关理论研究不足，农药的利用率很低，大部分的农药都流失到土壤、河流及空气中，对环境造成了严重污染[2]。因此，改善施药技术和提高农药喷雾性能尤为重要。

农药喷洒最关键的是液体的雾化过程，液体雾化的质量直接决定了农药利用率的高低。喷头是喷雾机实现喷雾作业的终端件，喷头类型的选择是由农药品种和目标物的表面所决定的，而我国95%以上的喷雾器上仍使用圆锥雾喷头[3]。喷头在喷雾装置中起着非常关键的作用，决定着施药量、雾滴大小和均匀度等[4]。喷头对流体的控制是以流体在喷头内腔中流动的运动学和动力学规律为基础的，所以喷头的正确设计需要掌握喷头内腔流体的流动状况及流体与喷嘴的固体壁面之间的动力学关系。国内学者对喷头进行了大量的研究，用各种不同的数值方法(有限元法、边界元法、流线法等)分析喷头内部流场。袁寿其[5]等人用有限体积法对全射流喷头内部流场特性进行数值模拟，并与试验结果相比较，得到全射流喷头内部流场在直射和附壁状态下的速度矢量图。本文通过研究3WZ-25型动力喷雾机使用的Y1/4AT-19V雾化喷头，进行喷头内部流场仿真，为今后结构优化奠定基础。

1建立模型

1.1几何模型

喷头几何模型如图1所示。喷头有4个矩形入水口，入口尺寸长L1=2mm、宽B1=1.5mm、高H1=1mm；喷头出口为锥直形，出口直径D2=0.66mm、长度L2=1mm、锥角α=45°。直射孔产生直流经过对流混合在一起形成具有直射流和旋流的强烈紊流运动，经过喷头形成细水雾。

图1　Y1/4AT-19V喷头二维结构示意图

1.2网格化分

本文运用ICEM软件划分网格。ICEM具有强大的处理复杂模型能力和网格质量高等优点，可以实现任意复杂的几何体进行非结构网格划分或对简单几何体进行六面体结构网格划分。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，可以有效消除结构网格中节点的结构性限制，提高计算的灵活性与准确性。划分网格如图2所示，生成的网格总数为个183 900个。

1、2、3、4.液体入口　5.液体出口　6.壁面

1.3输出网格

完成模型的创建和网格的划分以后，选择求解器并输出网格。本文使用默认的求解器直接输出网格。

2数值计算

2.1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。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。

2.2计算模型

本文主要研究水在喷头内部的流动特性。假设流体为连续、等温、不可压缩牛顿流体流动[6]，必须满足连续性方程。其连续方程为

(1)

其中，vx、vy、vz代表x、y、z方向的速度分量；ρ代表液体密度。

动量守恒方程为

(2)

式中xi—分别代表各坐标分量x、y、z；

μi—x、y、z方向的平均相对速度分量；

p—相对于包括了湍流动能k和离心力的压力；

εijk—张量；

μe—有效粘性系数。

由于喷嘴口的横截面积急剧收缩，射流在流经此处时呈高速湍流状态,因此采用标准的K-ε方程[7]，其湍流动能K与耗散率ε的表达式分别为

GK+GB-ρε-YM+SK

(3)

(4)

2.3边界条件与计算方法

研究基于有限体积法对控制方程进行离散, 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进行计算。采用标准K-ε湍流模型进行数值计算。

根据3WZ-25型动力喷雾机正常工作压力为2.0MPa，设置入口边界条件为Pressure-inlet、出口边界条件为Pressure-outlet、壁面设置为wall。

3计算结果与分析

3.1压力场分析

喷头在2、2.5、3MPa时，Z截面的压力场分布分别如图3～图5所示。

图3　Z截面压力分布图

图4　Z截面压力分布图

图5　Z截面压力分布图

从图3～图5可以看出：入口压力增加，喷头内部压力增加，喷头出口从锥形面过渡到直形面过程，横截面积减小，速度增大，压力逐渐减小。在出口直形面末端，压力达到负值，有助于抽吸上游水。

3.2速度场分析

喷头在2MPa时，Z截面的速度场分布如图6和图7所示；喷头在2.5MPa时，Z截面的速度场分布如图8和图9所示；喷头在3MPa时，Z截面的速度场分布如图10和图11所示。

从图6、图8和图10可以看出：入口压力增加，出口速度明显提高；流体流经收缩锥面，轴向速度均增大，在锥形面和直形面连接处轴向速度急剧增加，并且通过直形通道进一步加速，使轴向速度达到最大；在出口近壁面处速度明显小于中心处速度，原因是由于壁面存在摩擦力，所以近壁面速度减小。从图7、图9和图11可以看出：液体经过4个入口，到达交汇处形成直射流和旋流使液体加速，液体进入直径稍大的旋转室，提高射流的径向速度, 喷雾的旋流特性增强，从而有利于提高喷头的雾化角[8]、增大细水雾的覆盖范围；液体经过锥直形出口喷出，进一步提高细水雾的径向动量和出口流量。

图6　Z截面出口速度分布图

图7　Z截面速度矢量图

图8　Z截面出口速度分布图

图9　Z截面速度矢量图

图10　Z截面出口速度分布图

图11　Z截面速度矢量图

4结论

1)采用FLUENT软件中的K-ε湍流模型对喷嘴内部流体进行数值模拟，能够较好地模拟喷嘴内部流体的旋流产生和加速现象。

2)在压强不同的条件下，对喷嘴内部流体压力场和速度场进行分析，得到了如下结论：增加入口压力，出口速度显著提高；但同时液体的旋流特性强度会减弱，影响雾化角和雾化范围。

3)喷嘴入口的布置和出口形状对液体起到了很好的加速作用，能够满足雾化时所需的动量要求。

4)本文仅对喷嘴内部进行了数值模拟，在今后还要使用FLUENT软件对喷嘴雾化场进行数值仿真，以便能够了解喷嘴结构对雾化性能的影响，更好地对喷嘴的结构进行优化和改进。

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]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.

[3]何雄奎.植保机械化现状与对策[J].农机科技推广,2005，33(15):34-38.

[4]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.

[5]袁寿其,朱兴业,李红,等.全射流喷头内部流场计算流体动力学数值模拟[J].农业机械学报,2005(10):46-49.

[6]张少峰,宋立丽.压力旋流喷头雾化性能的仿真[J].安徽农业科学, 2009,37(17):8098-8100.

[7]杨国来，周文会，刘肥.基于FLUENT的高压水射流喷嘴的流场仿真[J].兰州理工大学学报，2008,34(2):48-52.

[8]何光华,周智力,弓永军,等.直射-旋流雾化细水雾喷头设计与仿真[J].机床与液压,2008(10):81-83.

Greenhouse Nozzle Internal Flow Field Analysis Based on the ICEM and FLUENT

Hao Lei1，Gao Xiong1，Chen Tieying2

(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：To understand the change of the internal flow field in the nozzle,nozzle for the future external flow field characteristics study provides theoretical basis and method, according to the basic theory of computational fluid dynamics, the integrated use of ICEM mesh with FLUENT fluid analysis software for Y1/4AT-19V atomization nozzle internal flow field simulation. The results show that increasing pressure, outlet velocity increased significantly; Exports nearly constant speed are much smaller than the center; In the cone shape at the exit, the speed increase, pressure decrease.

Key words：greenhouse； atomization nozzle; velocity analysis; stress field analysis； ICEM； FLUENT

文章编号：1003-188X(2016)06-0088-05

中图分类号：S121

文献标识码：A

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：2015-05-05