基于Fluent 枣裂果防治液体膜雾化喷嘴的 流场分析

樊 荣

（山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801）

山西是重要的红枣产区之一。但每年枣成熟期适逢多雨季节，枣果因吸水过多撑破果皮，导致果肉外露，形成裂果［1］。裂果极易腐烂、变酸，造成经济损失。开展枣裂果防治研究，可提高红枣品质，提升枣果附加值，增加果农经济收益。国内外众多学者针对裂果问题及两相流喷嘴做了不同研究。总体来看，大家都集中在通过选择抗裂品种、加强田间管理、喷施化学药剂等方法来进行枣裂果防治［2］。针对喷施化学药剂方法，包建平等分析了不同药剂对红枣裂果的抑制效果［3］。梁小娟进行了3 种枣果防裂试剂—液体保护膜、营养液、外源激素的研究［4］。刘向才等提出增施有机肥、补充钙肥等来预防枣裂果的产生［5］。Sohrab Davarpanah 等研究了叶片施钙对石榴裂果的影响，结果表明未处理的果实裂果程度中等，而叶面施钙可显著降低裂果［6］。Li J 等总结了柑橘开裂的机理，并进一步解释了遗传因素和环境因素对裂果的影响［7］。Hai-Kun J 等对西瓜在开放和保护条件下的果实抗裂性进行了研究，提出了西瓜果实开裂的症状特征和等级［8］。胡耀华等利用近红外光谱技术和建立的定性模型对枣裂果进行鉴别，但未涉及裂果防治问题［9］。在两相流喷嘴研究方面，汤伯敏等研制了气液两相流喷嘴，并进行了雾化试验，表明药液的黏性和表面张力对喷雾质量有很大影响［10,11］。Liang F C 等对文丘里管喷嘴内的气液两相流动进行了实验研究，发现压力波动程度与气体质量有很大的关系［12］。Ferreira V C S 提供了部分两相流的信息，并获得气液两相间的相关性，为理解流动特性，进行两相流研究奠定了基础［13］。总体来看，大家对化学药剂的研究较多，但对怎么进行高效喷施化学药剂以减少枣裂果的产生研究较少，针对该问题，本文设计了1 种适用于液体膜喷施的两通道离心式气液两相雾化喷嘴，并对该喷嘴及喷雾流场进行了仿真分析，以期对枣裂果的防治有一定的参考价值。

1 喷嘴结构及雾化过程

喷嘴是使药液雾化并均匀喷射的重要部件，其性能的优劣直接影响喷雾系统的喷雾效果和质量［14-15］。本研究从增大气液接触面积和提高雾滴速度这2 个方面改进设计了1 种适用于液体膜喷施的两通道离心内混式雾化喷嘴。其结构如图1 所示。

图1 液体膜喷嘴结构示意图Fig.1 Structure diagram of liquid membrane nozzle

该喷嘴工作时由2 个雾化过程组成。首先，气体以切向离心式涡流旋转运动的形式先后经气体通道、涡流室进入混合室，而植物液体膜（其黏度为 2.00 mPa·s，表面张力系数为0.093 N/m）途经液体通道后从液相孔喷出，在混合室里与高速旋转气流相遇，两者相互撞击、掺混，形成高速混合液。在形成混合液的过程中，液体膜被高速气流撞击、剪切、雾化成小雾滴，这是第一次雾化。高速混合液经喷嘴孔径喷出时，狭小的终端结构促使雾滴速度进一步提高，与外场空气相对速度也进一步增大，雾滴和外场空气摩擦、撕裂程度加深，进行2 次雾化。经过2 次雾化后的高速小雾滴均匀附着在枣果表面，形成1 个保护层，使枣果与雨水隔开，达到预防裂果出现的目的。

2 喷嘴及喷雾外场模型建立

2.1 几何模型建立

本文应用Gambit 软件，建立喷嘴的雾化模型，对喷嘴的雾化过程进行模拟。建立的仿真模型包括2 部分：一是喷嘴体，如图2（a）所示；二是雾化外场，如图2（b）所示。喷嘴的终端形状为圆柱体，直径和高度分别为3、2 mm。雾化外场定义为1 个圆柱体，其直径和高度分别为300、500 mm。

图2 液体膜喷嘴和喷雾外场模型Fig.2 Model of nozzle and spray field

2.2 网格划分

本文应用Gambit 软件对网格进行划分。喷嘴采用四/六面体混合网格，单元网格尺寸为2 mm。雾化外场应用正六面体网格，其网格尺寸为10 mm。两者网格划分如图3 所示。

图3 喷嘴及雾化外场模型网格划分图Fig.3 Meshing diagram of nozzle and atomized outer field model

3 数值计算及性能仿真

3.1 输入并检查网格

启动Fluent17.0，选3D 求解器，读入已划分好的网格文件，并对其进行检查，确定网格划分无误。

3.2 计算方法

本文采用Fluent 中的欧拉—拉格朗日离散相模型。根据实际流场分析，气液两相间不存在化学反应和物理相变［16］，也不考虑相间和相内热交换。把液体膜作为离散相，空气作为等温连续相［17］，均按照不可压缩处理。先对气相进行模拟，隐式分离求解，待气相收敛时，再加入液相，进行相间耦合计算，用非稳态求解［18］。

3.3 边界条件

气体和体液通道为速度进口，雾化外场上圆面采用压力出口。为模拟自然风对喷雾的影响，下圆面设为速度进口，此处为风速1 m/s。

3.4 仿真试验因素及评价指标

由文献［12］可知，对于气液两相流喷嘴，气体流量对喷雾质量有一定影响，故选取气体进口速度（结构一定，气体进口速度和流量一一对应）作为仿真试验因素之一，这里所取数值是根据气液质量流量比确定的。气体进口速度的选取见表1。同时喷嘴孔径和喷嘴终端形状也会对喷雾效果产生影响［10,19］。喷嘴直径根据实际应用场合取2、3、4 mm；喷嘴终端形状选择常见的圆柱体、上锥体和小锥体3 种型式。本文分别在上述3 个因素条件下应用Fluent 软件模拟分析沿着喷嘴孔径z轴方向上0～-40 mm处雾滴速度的变化、雾滴在喷雾外场轨迹变化和雾化粒度变化情况。

表1 不同气液质量流量比下的气体速度Table 1 The velocity of gas inlet under different gas-liquid mass flow ratios

表征喷嘴雾化程度的物理量有雾滴粒度大小、粒度分布、雾滴速度等，其中雾滴粒度大小、雾滴速度是喷雾技术中最重要的2 个参数［19］。雾滴粒度大小，一般用索特尔平均直径SMD 来表示，即总体积与总表面积之比，SMD 越小表示雾化粒度越小，雾化越彻底，覆盖密度越大，分布越均匀，雾滴大小与覆盖密度的关系可参阅图4。另外，雾滴速度也会对喷雾作业效果有影响，一般情况下，雾滴速度越大，越不易受到风力影响，对靶性能也就越好。

图4 雾滴大小与覆盖密度的关系Fig. 4 The relationship between droplets size and coverage density

4 计算结果及分析

根据选定的试验因素应用Fluent 软件对所设计的喷嘴在不同气体进口速度、不同喷孔直径、不同终端形状条件下进行了喷雾质量的模拟仿真。图5是喷雾过程模拟图。

图5 喷雾过程模拟图Fig. 5 Schematic diagram of spray process

由图5（a）气相流线图可以看出，所采用的切向离心通道结构使气体切向进入气体通道，开始高速离心旋转。由图5（b）和(c)可看出，喷嘴孔径出口处雾滴的速度最大，与喷雾外场空气接触后，快速破碎，形成大量小雾滴。这样雾化过程有利于雾滴快速粘附到枣果表面，形成薄膜，以隔断雨水对果肉的侵蚀。

4.1 气体进口速度对喷雾速度影响

根据液体膜使用规格，经计算，液体膜进口速度应为1.99 m/s。分别在气体进口速度为8.33、25.01、41.78、58.49 m/s 时对雾化模型进行仿真模拟,以分析不同气体进口速度对喷雾质量的影响。图6为不同气体进口速度下雾滴速度变化图。

图6 不同气体进口速度下雾滴速度变化图Fig.6 Velocity profile under different gas inlet velocities

图6 是气体进口速度不同，其余条件相同情况下，沿着喷嘴孔径z 轴方向上0 ～-40 mm 处雾滴速度的变化轨迹线。从单个轨迹线可以看出，液体膜和气体在混合室相遇后，雾滴速度急剧增大，并在喷嘴喷孔（z=-12 mm）处达到最大值，进入外场后因受气流影响，速度逐渐变小。从雾滴速度曲线的变化曲率可以得出，该喷嘴所采用的涡流状结构促使气流因旋流加速，进而带动雾滴加速。由图也可以看出，随着气体进口速度的增大，雾滴出口速度也在增大。但是，考虑到能耗，不能盲目地追求比较大的雾滴速度。表2 给出了雾化粒径的模拟结果。由表中数据可以得出随着气液质量流量比的增加，雾化平均粒径变化范围很大，从几百微米到几微米。这可能是随着气液间相对速度的增加，两者在接触时产生更剧烈的相互作用，从而使液体膜雾化更充分。由此可以得出气液相对速度对液体膜的雾化质量有很大影响，在其他条件相同的情况下，液体膜的平均粒径随着气液质量流量比的增大而减小。

表2 不同气液质量流量比下的雾化平均粒径Table 2 Average atomized particle size under different gas-liquid mass flow ratios

4.2 喷嘴孔径对喷雾速度影响

为了研究喷嘴孔径对雾化效果的影响，根据实际情况，分别在喷嘴孔径为2、3、4 mm 条件下进行雾化模拟。其模型如图7 所示。设定气体进口速度都为25.01 m/s，模拟结果如图8 所示。

图7 不同喷嘴直径的喷嘴模型Fig.7 Nozzle model of different hole diameter

图8 雾滴速度变化图Fig.8 Velocity profile of fog droplet velocity

图8 为不同喷孔直径下雾滴在喷嘴孔径z 轴方向上0 ～-40 mm 时雾滴速度变化图。从图中可以看出，当气体进口速度一定时，雾滴的出口速度随着喷嘴直径的增大而逐渐减小。从图9 的雾化粒径轨迹图可看出，随着喷孔直径的增大，在相同时间内，颗粒数目越来越少，意味着雾化粒径越来越大，且越来越集中。结合表3 数据可以得出，喷嘴孔径会影响液体膜的雾化粒径，且雾滴粒径会随着喷孔直径的增大而增大。

图9 雾化颗粒轨迹图Fig.9 Atomized particle trajectory diagram

表3 不同喷嘴孔径下的雾化平均粒径Table 3 Average atomized particle size under different orifice diameters

4.3 喷嘴终端形状对喷雾速度影响

常见的喷嘴终端形状有圆柱体、上锥体和小锥体，见图10。

图10 不同终端形状喷嘴雾化模型Fig.10 Spray nozzlemodel of different terminal shapes

在其他条件都相同的情况下，不同喷孔终端形状的喷嘴模拟结果如图11 所示。沿着喷孔中心线z 轴方向0 ～-40 mm 垂直距离上，相同位置处的雾滴速度（vd）存在如下关系：vd上椎体＜ vd下锥体＜vd圆柱体。由图12 不同终端形状下的雾化颗粒轨迹图可以看出，在相同的的时间内，采用圆柱体喷孔的喷嘴所得到的雾滴粒径小而多，而采用喷孔为锥体的喷嘴的雾滴粒径大而少，且下锥体更明显。由表4 也可以看出，终端形状为圆柱体的喷嘴的平均雾化粒径SMD 比终端形状为锥体的小，但上锥体的平均雾化粒径SMD小于下锥体的。这说明在其他因素相同的条件下，终端形状为上椎体雾滴速度最大，但雾化颗粒的粒径并非最大，而终端形状为圆柱体的粒径最小。实际生产中优先考虑评价指标——粒度大小，粒度越小，意味着雾化效果越好。

图11 不同喷孔终端形状下的雾滴速度变化图Fig.11 Droplet velocity profile under different terminal shapes of nozzle

图12 不同终端形状下的雾化颗粒轨迹图Fig.12 Atomized particles trajectory under different terminal shapes of nozzle

表4 不同喷孔形状下的雾化颗粒平均粒径Table 4 Atomized particles average size under nozzle with different terminal shapes

5 结论与讨论

（1）所设计的液体膜喷嘴采用了切向离心通道结构，一方面促使液体膜外围被在涡流室里加速旋转且呈涡流状的气流所包裹，两者在混合室里撞击，掺混，撕裂，使液体膜更易雾化；另一方面能大幅提高雾滴流速，降低喷雾外场对雾滴的影响，促使雾滴持续高速喷射至枣果表面。

（2）雾滴的喷出速度，粒度大小受进口气体速度、喷孔直径、喷孔终端形状影响。进口气流速度越大，喷孔直径越小，雾滴的喷出速度越大。但较大的气体进口速度，能耗也较大。喷孔直径越小，颗粒粒度越小，推断形成的果面薄膜效果也越好。3种终端形状的喷嘴，其中圆柱状的喷雾粒度小且多，喷雾效果较上锥体喷嘴好，下锥体喷嘴次之。