基于Venturi效应的两相流雾化喷嘴设计与性能试验

陆岱鹏 陶建平 王珏

摘要：现有的两相流雾化喷嘴普遍存在着出口气流速度低、雾滴粒径大且雾滴粒径分布不均匀等缺点，不适合应用于设施农业的植物防治。为解决上述问题，结合Venturi阀芯可以产生高的气液两相速度差和负压吸水的效应，设计了一种基于Venturi效应的两相流雾化喷嘴。运用CFD数值模拟的方法分析了Venturi式两相流雾化喷嘴的流场密度、压力、速度及喷嘴出口平面速度分布规律，数值仿真结果表明，气压在0.2、0.3、0.4 MPa时，对应的出口速度分别为338、410、426 m/s;对试制的雾化喷嘴的物理样机进行性能试验，主要测试喷嘴的出气口风速和雾滴粒径大小与分布，探究不同气压对Venturi式喷嘴雾化性能的影响规律。试验结果表明，气压在0.2、0.3、0.4 MPa时，对应的出口速度分别为345.5、425.7、437.4 m/s，喷嘴出口速度的实测值与仿真值得相对偏差在5%以内;当气压在0.2、0.3 MPa时，Venturi式雾化喷嘴的雾滴粒径在3～65 μm内，达到85%以上，而当气压达到0.4 MPa时，雾滴粒径在3～65 μm内，达到98%;气压在0.2、0.3、0.4 MPa时，分别为45.64、43.16、36.75 μm，可以得出Venturi式雾化喷嘴的雾滴粒径细小，达到烟雾级且分布均匀;在相同水压下，随着气压的增大，雾滴粒径的D10、D50、D90和Dav均呈现减小趋势。该研究可为Venturi式两相流雾化喷嘴在植物保护领域的应用提供参考。

关键词：Venturi效应;两相流雾化喷头;流体动力学分析;雾化特性

中图分类号：S491   文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）12-0250-06

设施农业中的果菜类作物，在其生长的中后期，由于枝叶的遮蔽作用，使得农药雾滴难以沉积到冠层内部以及叶片背部等部位。目前在设施农业中大量使用手持喷枪、背负式喷雾器、背负式机动弥雾喷粉机、热烟雾机和常温烟雾机等[1-4]，存在作业效率和农药利用率低、施药人员安全性能差的问题[5]。近几年，为解决这些问题，Nuyttens等研制了温室用竖直喷杆喷雾机[6-7]，汤根法等研制了温室大棚用小型推车式喷雾机[8]，石建业等研制了智能遥控拉移动式温室专用喷雾机[9]，祁力钧等研制了具有喷头变速摇摆功能和自动进、排药功能的温室摇摆式变量弥雾机[10]，管春松等研制了温室大棚用导风管式烟雾机[11]。对上述施药机具及其性能进行分析，发现普遍存在雾滴粒径大，达不到烟雾级且雾滴粒径分布不均匀等问题。究其根本原因，发现现有的施药机具的核心部件——喷嘴的雾化机制主要采用压力雾化、离心雾化及静电雾化等1种或多种雾化方式相结合的方法，存在着结构复杂、雾化效果不稳定及喷嘴容易堵塞等缺点[12]。根据Llop等的研究可知，风送辅助可以显著提高温室和冠层密集作物喷雾效果[13-14]，同时考虑到气液两相流雾化喷嘴出口气流速度大，能够促进设施空间内的气流扰动，提高农药雾滴的沉积率。但是目前市面上没有专门适用于设施农业用的两相流雾化喷嘴，现有的两相流雾化喷嘴普遍具有出口气流速度低、雾滴粒径大且雾滴粒径分布不均匀等问题。为了解决上述问题，结合Venturi喉管可以产生高的气液两相速度差和负压吸水的效应，本研究拟设计一种基于Venturi效应的两相流雾化喷嘴，以满足设施农业中植物防治的需求。通过CFD数值模拟的方法对Venturi式喷嘴的流场密度、压力、速度及喷嘴出口平面速度分布规律进行了探讨，并试验研究了该喷嘴的雾化特性。

1 喷头的结构设计

1.1 两相流喷嘴雾化原理分析

气液两相流喷嘴，其雾化过程涉及到复杂的两相流，从流体力学角度分析，可认为雷诺数（Re）和韦伯数（We）是雾滴分裂和破碎的2个重要因素。Re和 We的求解方程为[15]

通过以上对喷嘴的雾化原理分析，可以明显看出，气液两相速度差是影响喷嘴雾化性能的重要因素，同时考虑到超低量喷雾是植物保护行业大力推广的一种施药技术，所以在提高喷嘴出口速度的同时，还要降低喷嘴的进液量，降低喷嘴供液压力，尽可能采用负压吸水的原理，这样不仅可以降低喷嘴的供液量，同时还可以减小喷嘴的磨损，延长喷嘴的使用寿命，因此结合Venturi效应，设计一种基于Venturi效应的两相流雾化喷嘴。

1.2 Venturi式两相流雾化喷嘴

本研究设计一种基于Venturi效应的两相流雾化喷嘴，通过Venturi效应的作用增大喷嘴出口气流速度，并在喉管处产生负压进行吸水，为使分散的液滴与气流的相对速度最大，对供水的方式主要要求是使液滴在喉管部整个截面上尽可能快的均匀分布，供水方式主要分为径向内喷、轴向喷水、溢流供水3种，研究发现，径向内喷适用于小流量的情况下。因此本设计采用径向内喷的供水方式，从而既能增大气液两相速度差，又減小了流量且可以负压吸水，以提高雾化性能，是非常合理的方法。

1.2.1 Venturi式雾化喷嘴结构 为了提高气液两相速度差以提高喷嘴的雾化性能，在现有两相流雾化喷嘴外部结构不变的前提下，本研究应用Venturi效应对喷嘴内部阀芯的几何结构进行改进[17]。从图1-a可以看出，原雾化喷嘴内部阀芯的气流通道为锥形结构（图中虚线部分），其收缩锥角（γ）为15°，保持阀芯出口直径和阀芯总长不变，则阀芯出口直径（D1）为 2.2 mm，进水口直径（D3）为3.6 mm，阀芯总长（L） 为9.5 mm。将锥形结构改为Venturi结构，Venturi式阀芯实物见图1-b所示。

为减少气流在扩张段的摩擦磨损和损失，扩张段中心角不宜太小，本研究选取扩张段中心角（θ）为24°，收缩段的中心角（β）为13°，Venturi结构的求解方程为经阀芯结构改进后的喷嘴称为Venturi式雾化喷嘴，其具体结构组成见图2-a，本Venturi式两相流雾化喷嘴所有材质均为SUS304，主要由超声头、 阀芯结构、 进气管、安装螺母等部件组成。超声头为圆柱体状，靠近喷嘴出口处设有一定深度的同心盲孔，通过钢丝与超声头进行连接。超声头与进气管通过螺纹连接并将阀芯结构固定在连接套管内部。进气管上被加工的2个平面与连接套管内壁组成了水流通道，水流从进水口进入喷嘴，并充满阀芯结构与连接套管中间的间隙，经阀芯出水口进Venturi结构。压缩空气从进气口进入喷嘴，经阀芯处Venturi结构加速与出水口的水混合并高速向外喷出，高速的水气混合流与振动腔碰撞破碎成弥散微细雾滴群。Venturi式雾化喷嘴实物见图 2-b所示。

2 数值模拟

为了验证喷嘴结构设计是否合理，本研究建立了喷嘴的气流场三维模型，对所设计的喷嘴进行流体动力学仿真，分析Venturi式气液两相流雾化喷嘴的流场密度、压力、速度及喷嘴出口平面速度分布规律，并探究不同气压对喷嘴雾化性能的影响规律。

2.1 流体控制方程

由于喷嘴射流场处于高湍流状态，因此采用标准k-ε方程模型[18-19]，其湍动能k和耗散率ε方程如下：

2.2 数值模型与边界条件

在Gambit软件中建立喷嘴的气流场模型，喷嘴长度为 64 mm，分别有气相和液相2个圆形入口，其直径分别为 134、12.0 mm，喷嘴出口直径为2.2 mm的圆形平面，其下方约3.5 mm处有内径为2.0 mm，外径为2.6 mm，高度为 33 mm 的一空芯圆柱，底面封闭，主要用于液滴2次雾化;喷嘴气流场模型见图3。

考虑到喷嘴在气相和液相进口面的铅垂面具有面对称特性，因此选择喷嘴一半几何模型作为研究对象;为了模拟气相从喷嘴入口至流向大气环境的流场特性，需建立喷嘴出口处的大气环境计算域，并对整个流场计算域进行结构化网格划分，在壁面及喷嘴出口处附近区域进行网格加密，网格节点总数约为50万，其网格示意见图4。

气体流动具有明显的紊流和可压缩特性，其速度、压力及密度变化较大，湍流模型选择标准k-ε方程模型进行非稳态流动模拟，各离散方程均为二阶离散格式。喷嘴气相非稳态流动数值模拟边界条件设置如下：（1）气相入口。压力进口边界条件;（2）几何对称面。对称边界条件;（3）气相出口。压力出口边界条件为环境大气压力;（4）其他。无滑移壁面边界条件。

根据喷嘴试验工况，分别选定0.2、0.3、0.4 MPa，3个工况进行模拟，由于气体经过高压压缩至空压机内，气体温度较环境温度有较大升高，本研究取环境大气温度为300 K，高压压缩空气温度为360 K，迭代计算时间步长为2.5×10-5 s，监测气相入口质量流量直至稳定，停止迭代计算。

3 结果与分析

3.1 数值模拟结果

本研究仅显示气相入口压力P0=0.4 MPa 的对称截面处的密度、压力、速度及喷嘴出口平面速度云图。从图5至图8中可以看出，由于气体经过空压机内处于高压状态，喷嘴入口处区域的气体密度、压力均比其他区域要大，密度约为常温常压下的3～5倍，随着气体在流道内流动，压力和密度逐渐降低，压能转化为动能并在喷嘴喉部区域使速度达到最大，超过420 m/s;在喷头出口处平面，在中心区域的速度最大，而靠近壁面附近区域的速度则明显偏低，由于高速气体的流出导致在喷头出口处区域形成明显负压，致使喷嘴外部气在喷嘴出口靠近壁面的区域形成回流，当气体流出喷嘴出口，速度呈喇叭状分布。

为了清楚地了解气体速度在空间的分布情况，选择对称面上距离喷嘴出口平面下方1、10、50、100 mm处直线位置，并对各线名称分别定义为Line1、Line2、Line3、Line4，观察速度在喷嘴2侧的分布（图9）。

统计速度在各线上的分布特性，其沿y方向变化曲线分别见图10。从图10可以看出，离喷嘴出口平面1 mm位置处速度最大能达到426 m/s;从速度在喷嘴2侧的分布来看，具有较为明显的对称特性，喷嘴正下方区域速度达到最大值，且随着距喷嘴出口平面距离增大，速度衰减幅度也逐渐，如当距喷嘴出口平面100 mm时，其最大速度降至10 m/s以下。

通过对气压在0.2、0.3、0.4 MPa，3个工况的模拟，数值仿真结果表明，气压在0.2、0.3、0.4 MPa时，对应的出口速度分别为338、410、426 m/s;Venturi式两相流雾化喷嘴能够产生超音速气流，对增大气液两相速度差具有显著效果，且随着入口压力的增加，喷嘴出口的速度也相应增加，速度在中心区域的速度最大，而靠近壁面附近区域的速度则明显偏低，由于高速气体的流出导致在喷头出口处区域形成明显负压，致使

喷嘴外部气体在喷嘴出口靠近壁面的区域形成回流，当气体流出喷嘴出口，速度呈喇叭状分布。

3.2 性能试验与结果

为了验证仿真的准确性和喷嘴的雾化性能，对Venturi式两相流雾化喷嘴的出气口速度及雾滴粒径与进入喷嘴的气压进行了相关性试验。

3.2.1 喷嘴出口风速及流量测定 试验于2017年5月10日在江苏省農业科学院农业设施与装备研究所实验中心进行，当日温度为26～28 ℃，以自来水的静止压力P1=50 kPa作为试验时的水压，并保持恒定，分别在不同气压下进行风速测试试验，每种工况重复3次。具体试验装置见图11。采用台湾先驰ST732热线式风速仪间接测定雾化喷头的出风口速度。由于ST732热线式风速仪的风速测量范围是0～40 m/s，所以根据能量守恒原理，间接地求出喷嘴的出口速度，为了方便计算，记测试处的速度值为v1，测试处出口的截面积为S1，本试验中S1=176.7 mm2，喷嘴的出口速度值为v2，喷嘴的出口截面积为S2，本试验中S2=3.8 mm2，则由耗气量Q= v1 ·S1= v2 ·S2，可以得到喷嘴的出气口速度，为了验证仿真的准确性，计算出气口速度与仿真值的偏差，试验结果见表3。喷嘴的出口速度均达到超音速，且随着气压的增加，喷嘴出口速度也相应增加;喷嘴出口速度的实测值与仿真值得相对偏差在5%以内，进一步说明对喷嘴的流场分析，可以较高精度地预测喷嘴的出气口速度。

3.2.2 喷雾试验 试验于2017年5月16日在农业部南京机械化研究所植保检测中心实验室进行，当日温度为26～28 ℃，在水压恒定的情况下，分别在不同气压下进行喷雾试验，每种工况重复3次。具体试验装置见图12。采用Winner318B工业喷雾激光粒度分析仪（济南微纳颗粒仪器股份有限公司生产）对本研究设计的雾化喷头粒径进行测量，其主要工作原理是以光学原理为基础，不同颗粒经过激光截面时会产生不同的散射谱[20]。

3.2.3 试验分析 测试时，以自来水的静止压力P1=50 kPa作为试验时的水压，并保持恒定，气压P0的调节范围为 0.2～0.4 MPa。将原始数据在雾滴测试系统中进行处理，得到气压分别为02、0.3、0.4 MPa时，3种气压下喷头的雾滴所占比例。从表4可以看出，当气压在0.2、0.3 MPa时，Venturi式雾化喷嘴的雾滴粒径在3～65 μm内，达到85%以上，而当气压达到0.4 MPa时，雾滴粒径在3～65 μm 内，达到98%，完全符合超低量施药的雾滴要求。

利用雾滴测试系统分析，D10（累计雾滴直径分布百分数达到10%所对应的直径）、D50（累计雾滴直径分布百分数达到50%所对应的直径）、D90（累计雾滴直径分布百分数达到90%所对应的直径）、Dav（雾滴直径分布的平均直径），对其分别取平均值。从表5可以看出，气压在0.2、0.3、0.4 MPa时，D50对应的分别为45.64、43.16、36.75 μm;在相同水压下，随着气压的增大，雾滴粒径的D10、D50、D90和Dav均呈现减小趋势。

4 结论与讨论

根据有限单元法构建的两相流雾化喷头虚拟样机系统，可以较好地检验喷头设计是否合理，并且可以较高精度地预测喷嘴的出气口速度，喷嘴出口速度的实测值与仿真值的相对偏差在5%以内。

气压在0.2、0.3、0.4 MPa时，对应的仿真值分别为338、410、426 m/s;Venturi式两相流雾化喷嘴能够产生超音速气流，且随着入口压力的增加，喷嘴出口的速度也相应增加，在中心区域的速度最大，而靠近壁面附近区域的速度则明显偏低，由于高速气体的流出导致在喷头出口处区域形成明显负压，致使喷嘴外部气体在喷嘴出口靠近壁面的区域形成回流，当气体流出喷嘴出口，速度呈喇叭状分布。

当气压在0.2、0.3 MPa时，Venturi式雾化喷嘴的雾滴粒径在3～65 μm内，达到85%以上，而当气压达到0.4 MPa时，雾滴粒径在3～65 μm内，达到98%;气压在02、0.3、0.4 MPa 时，D50分别为45.64、43.16、36.75 μm，可以得出Venturi式雾化喷嘴的雾滴粒径细小，达到烟雾级且分布均匀;在相同水压下，随着氣压的增大，雾滴粒径的D10、D50、D90和Dav均呈现减小趋势。

基于本研究结论，建议对喷嘴进行两相流模拟分析，进一步分析喷嘴在不同气液比下，雾滴的大小与分布。

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