养殖场泡沫枪设计及流体力学数值模拟研究

甘露萍, 何中秋, 王攀然, 张 建, 代有兵， 孙付春

(1.成都大学 机械工程学院， 四川 成都 610106； 2.成都农业科技职业学院， 四川 成都 611130；3.成都和盛兽医技术服务有限公司， 四川 成都 610066)



养殖场泡沫枪设计及流体力学数值模拟研究

甘露萍1, 何中秋1, 王攀然1, 张 建2, 代有兵3， 孙付春1

(1.成都大学 机械工程学院， 四川 成都 610106； 2.成都农业科技职业学院， 四川 成都 611130；3.成都和盛兽医技术服务有限公司， 四川 成都 610066)

设计了一款用于养殖场的轻便型杆式手柄泡沫枪，并基于CAD和Fluent软件对影响泡沫枪工作性能和效率的发泡装置进行了三维建模和流体动力学数值模拟实验.通过分析发泡装置压力场对射流器的影响，得到发泡装置结构参数的最佳范围.仿真分析结果为养殖场用泡沫枪的设计和改进提供了理论依据，对各种用途射流器的设计与应用有指导意义.

泡沫枪；发泡装置；流体动力学；数值模拟

0 引 言

目前，养殖场使用的泡沫枪大多采用高压水泵真空吸入原理，通过相关发泡装置将液态泡沫型清洁消毒剂转化为气相泡沫形式，泡沫与待清洁消毒表面直接接触后，通过润湿、乳化、渗透、分散及增溶等方式，去除表面的油脂、蛋白质、污垢、生物膜等，以达到清洁与消毒的目的.本研究结合目前国内外枪式手柄结构泡沫枪的问题和使用现状，在对其发泡装置的工作原理[1-2]和结构特点[3-6]进行深入分析的基础上，对射流器结构进行优化，设计一款适用于不同手掌大小人群使用且经济实惠的杆式手柄泡沫枪.

1 养殖场用泡沫枪设计

本研究设计的养殖场用杆式手柄泡沫枪结构如如图1所示.该手柄泡沫枪包括射流器、扩散管、手柄、水管、 快速接头.扩散管与射流器外壳之间为过盈配合，并在射流器外壳开环形槽用销钉固定，射流器外壳与双头螺纹螺钉之间安装密封圈以防液体泄漏.双头螺纹螺钉另一端采用螺纹连接手柄，之间设密封圈防止泄漏，靠近手柄头部设球式开关控制水流，手柄尾部采用螺纹联接并设密封圈防止泄漏，通孔螺钉与水管之间为过盈联接并采用水管锁紧圈紧固.水管另一头采用快速接头与水龙头相连.

1.扩散器；2.射流器外壳；3.环槽；4.密封圈；5.双头螺纹螺钉；6.手柄；7.密封圈；8.球阀；9.密封圈；10.双头通孔螺钉；11.锁紧圈；12.水管；13.快速接头；14.水龙头

图1 杆式手柄泡沫枪结构示意图

作为重要结构的射流器由2部分构成，即射流器外壳与双头螺纹螺钉(见图2).射流器的喷嘴开设在双头螺纹螺钉内，混合段与扩散段设在射流器外壳内，外壳与双头螺钉之间形成真空室减少了喷嘴、混合段分开制造的成本以及装配的繁琐性.

图2 谢流器结构示意图

泡沫枪的发泡装置主要由喷嘴、吸气管、吸入室、渐缩段、喉管段、扩散段组成.由于发泡装置设计合理与否直接决定泡沫枪喷射泡沫的质量，对其进行数值模拟也是优化其性能参数的关键环节.

2 发泡装置流体动力学建模

在对发泡装置进行流体动力学数值模拟之前，需分析发泡装置内部结构特点，建立内部流场的网络模型和计算模型[7-9]，然后根据实际情况确定合理的边界条件，确定发泡装置内部流场的计算模型.

2.1 几何模型和网格模型的建立

发泡装置作为一个整体，要生成结构化网格存在一定的难度，对此，本研究选用GAMBIT软件来对流场区域进行非结构化网格划分，划分网格的形式以四面体网格为主，即Elements选项采用Quad，Type选项采用Pave.网格划分结果如图3所示.

图3 网格划分结果

2.2 FLUENT软件参数选择及设置

2.2.1 求解器及其运行环境选择.

根据不同求解器的性质，本研究选择分离式求解器，在计算模型方面，根据已建立的网络模型，在SPACE中选择2D选项.由于整个计算过程流体都是连续的，所以时间属性选择为定常流动，计算时速度为绝对速度.

2.2.2 物理计算模型选择.

本研究的发泡装置内部流场计算过程中不考虑传热问题，所以不用激活能量方程.在FLUENT方程的控制条件下，仿真选择标准κ-ε湍流黏度模型，κ-ε模型本身具有稳定性、经济性和较高的计算精度.由于发泡装置会出现气液两相同时存在的情况，所以在仿真模拟中需考虑采用多相流模型，经分析选用VOF多相流模型.

2.2.3 边界条件设定.

本研究的发泡装置壁面采用无渗流、无滑移、绝热边界，引射进口设置为压力进口边界，流体出口定义为压力出口边界，喷嘴进口设置为速度进口边界.为方便研究，模拟计算中选择不可压缩介质Water-liquid作为分析的材料.Water-liquid密度为998.2 kg/m3，动力黏度系数为0.001003 kg/m.s.

1)进口.以喷嘴进口作为速度进口边界条件，流量入口等同于速度入口，将进口边界设置为速度进口为18 m/s，无径向速度和切向速度.引射进口边界，采用压力入口边界设置.由于喷雾的过程一般保持温度在室温20 ℃～30 ℃，所以数值模拟假定过程均在常温下进行，即300 K.

2)出口.出口边界条件，采用压力出口边界条件.

3)其他.其他边界为黏性固体壁面边界，假定速度无滑移，速度和3个湍流量值k、ε、g均可设定为零.

2.2.4 求解控制参数的设置.

当完成上述网格、计算模型、材料和边界条件的设置之后，为了更好地控制求解的过程，需对某些参数进行设置，选择合理的离散格式、设置欠松弛因子、初始化场变量及激活监视变量等.初始化设置对于解的收敛十分的重要，对此，可根据区域里边界条件来计算初值，收敛精度选择FLUENT软件提供的默认值为10-3.

3 发泡装置数值模拟实验

泡沫形成质量直接影响泡沫枪的工作性能和使用效果.由泡沫的形成过程可知，发泡装置通过压力模拟其内部结构参数变化对其性能的影响是泡沫形成的关键因素.而在发泡装置中影响其压力的最主要因素是发泡装置的内部空间的大小，所以凡是影响其内部空间大小的因素都影响泡沫枪的工作性能和使用效果，如出口锥角、混合出口、引射进口、混合室长度和直径等.

3.1 出口锥角

在模拟流体扩压室锥角对发泡装置影响规律的实验中，保持设置参数、边界条件和流体的物性不变，以及发泡装置的其他部件的相对位置与尺寸不变的情况下，只改变锥角的大小(由于锥角的改变不易调节，所以通过改变出口直径的办法间接改变扩压室锥角)，分别对出口直径为5 mm至13 mm之间的不同结构进行模拟，结果如图4、表1所示.

图4 不同出口直径的速度云图

由图4可知，当出口直径为11 mm时，壁流效应较严重，且引口压力开始降低.由表1数据可知，当出口直径为5 mm时，工作流体和引射流体混合效果较好.但随着锥角的增大，扩压室产生壁流效应，工作流体和引射流体的混合效果变差，随着锥角增大，最大压力逐渐减小，引流压力也随之减小.

因此，为了得到较高的压力，保证引口有足够的压力并尽量降低壁流效应，出口直径应设置在5～7 mm范围内.

3.2 混合室参数

在数值模拟混合室直径对发泡装置影响规律的实验中，保持设置参数、边界条件和流体的物性不变，以及射流器发泡装置的其他部件相对位置与尺寸不变的情况下，改变混合室直径的大小，分别对混合室直径为1、1.5、2、2.5、3 mm的发泡装置性能进行模拟，结果如图5、表2所示.

图5 不同混合室直径的速度云图

由图5可知，随着混合室直径的增大，壁面效应没有较大的变化.由表2数据可知，随着混合室直径逐渐减小，引射口压力经历了先增大后减小的过程.当混合室直径为2.5 mm时，此时的引射口压力处于一个较大值，随着混合室直径的进一步的减小，引射口压力开始降低，引射效果也随之降低，此时发泡装置的处理能力减小.

综合考虑引射口压力，壁面效应和内部最大压力因素对发泡装置的影响，混合室直径选为1.7mm左右较好.

3.3 混合室长度

在模拟混合室直径对发泡装置影响的实验中，保持操作参数、边界条件和流体的物性不变，以及保持射流器发泡装置的其他部件的相对位置与尺寸不变情况下，只改变混合室长度的大小，分别对混合室长度为5 mm至13 mm不同结构的发泡装置性能进行模拟，结果如图6、表3所示.

由表3和图6可以看出，当混合室长度小于5 mm时，由于发泡装置的混合室长度较短，流动阻力较小，工作流体在混合室时不足以产生足够的低压，引射效果相对较低，使得发泡装置不能达到较高的引射效率；当混合室长度大于9 mm时，相同条件下的流动阻力增大，此时引射口压力随着混合室长度的增加而减小，引射效果性能也变差.

综合比较，考虑到混合室长度对流动阻力和引射口压力的双重影响，混合室长度选择范围在7～9 mm之间为佳.

3.4 工作进口直径

在模拟工作进口直径对发泡装置的影响数值模拟中，保持设置参数、边界条件和流体介质的物性不变，以及射流器的其他结构尺寸也不发生变化情况下，只改变进口直径的大小，分别对进口直径为6～10 mm之间的发泡装置性能进行模拟，结果如图7、表4所示.

图7 不同工作进口直径的速度云图

由表4和图7可知，随着工作进口直径的增大，工作流体进入发泡装置的流动阻力减小，引射口压力逐渐增大，引射性能提高.在6～10 mm的范围内模拟结果可以看出，增大工作流体的进口直径，混合室的内部压力随之增大.由速度云图可以看出，发泡装置的壁面效应降低没有得到较大的改变.在进口直径等于9～10 mm时，可以得到较高的引射口压力和较大的内部压力，发泡装置的引射效果性能得以改善.所以，发泡装置的工作进口直径设置在9～10 mm范围内较佳.

3.5 引射流体进口直径

在模拟引射进口直径对发泡装置的影响数值模拟中，保持设置参数、边界条件和流体介质的物性不变，以及发泡装置的其他结构尺寸也不发生变化情况下，只改变引射流体进口直径的大小，分别对引射流体进口直径为2～6 mm的发泡装置性能进行模拟，结果如图8、表5所示.

图8 不同引射流体进口直径的速度云图

由表5和图8可知，随着引射流体进口直径的增大，发泡装置的引射压力也随之增大，引射性能提高.由速度云图可以看出，随着引射进口直径的增大，引射流量的流动阻力也增大，在进口直径为2～6 mm范围内的模拟中，工作流和引射流混合后，在d=5 mm时扩压室流动的壁流效应较好.综合考虑，引射流体进口直径在4 mm较为理想.

4 结 论

本研究根据泡沫枪发泡装置的工作原理和结构特点，设计了一款养殖场用轻便型杆式手柄泡沫枪.借助CAD建模和Fluent软件对泡沫枪的发泡装置进行了流体力学模拟实验，获得了发泡装置在不同结构参数下的速度云图和压力值表.仿真模拟结果表明，发泡装置的各结构参数均有一个最佳取值范围.本研究为泡沫枪结构参数的改进和设计提供了依据，可有效降低泡沫枪的研发成本，缩短了产品的设计研发周期，同时也为泡沫枪后续进一步的研究提供技术基础.

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Design of Foaming Guns with Rod Handles on Livestock Farm and Research on Fluid Dynamics Numerical Simulation

GANLuping1，HEZhongqiu1，WANGPanran1，ZHANGJian2，DAIYoubing3,SUNFuchun1

(1.School of Mechanical Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China; 2.Chengdu Agriculture College, Chengdu 611130, China;3.Chengdu Hesheng Veterinary Technical Services Co., Ltd., Chengdu 610066, China)

This paper designs a portable foaming gun with a lever handle for livestock farm.The 3D modeling and the fluid dynamics numerical simulation experiment based on CAD and Fluent software are carried out on the foaming devices that may influence the working performance and efficiency of the foaming guns.By analyzing the effects of pressure field on the jet device,the optimum range of the structure parameters of the foaming device is obtained.The simulation results provide a theoretical basis for the design and improvement of the foaming guns on livestock farm,and it has guiding significance to the design and application of various kinds of jet devices.

foam gun;foaming device;computational fluid dynamics;numerical simulation

1004-5422(2017)02-0187-05

2016-11-15.

甘露萍(1975 — )， 女， 博士， 副教授， 从事机械设计与理论研究.

TQ320.5+2

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