基于CFD两级注入式射流混合器设计与试验研究

周书娴, 石毅新, 蒋蘋

(湖南农业大学机电工程学院, 长沙 410128)

混合器是施药机械的关键部件之一，其性能优劣直接影响施药的品质。近年来，许多学者致力于在线混药器的研究，目前主要有注入混药与射流混药两类。两者在系统结构、工作原理及混合效果上具有一定差异。注入混药的混合器主要通过外部硬件注入药液进行混合。射流混药中的单级射流式混合器无需外部取药动力源，主要靠自身结构产生负压来吸取药液，进而达到混合的效果。马洪彬等[1]对椭圆螺旋管道混合器混合效果进行了模拟研究，其结构简单，但内部流场复杂，不同流速的液体对混合效果影响有限。李羊林等[2]根据植保机机械的要求，设计并试验出双级射流混药装置，该装置混药比较小，混合效果较好，但尚未对两级射流混合器各参数之间相互影响进行研究。江健[3]基于FLUENT对农药射流混合器进行了仿真与优化，得出半螺纹扩散管的混合效果最好，但从实际出发，在内锥圆表面加工螺旋槽难度过大，对材料性能要求过高，且精度难以保证。宋海潮等[4]对旋动射流混药器的螺旋弯曲收缩管螺距和分流器位置的模拟优化进行了分析，通过三因素三水平正交试验确定最佳收缩管螺距和分流器位置，混合均匀度较高，但该混药器结构较小，不适用于大型植保机械作业。陈骏阳等[5]利用图像处理对农药在线混合均匀性进行了分析，但这种方法干扰因素较多，不适用于简易的试验条件。

综上，射流式混合器由于结构简单、成本低、混合效果好而被广泛应用于植保机械上，但目前射流混合器仍存在混合比小、结构小、不适用于大面积农作物需求、能量损耗大、动态响应性不理想等问题。本文利用两级射流实现大比例混合，同时通过药、水注入系统，补充混合器的能量损失，进而实现大流量、大混合比、高精度、高响应性的两级注入式射流混合。

为了满足多种经济作物的生长需求，本文设计水药混合比为300∶1～3 000∶1，且农药混合变异系数小于5%[6]，利用ANSYS FLUENT软件仿真探究一级注入式射流混合器与二级注入式射流混合器之间配合的参数对混合器均匀性的影响，分析了不同药液流速对混合器径向面变异系数影响，并通过紫外分光光度法对混合器的混合效果进行检测[7-15]。该研究可为后期的两级注入式射流混合系统的优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 两级射流混合器结构与工作原理

1.1.1模型及工作原理 本文设计了一种两级注入式射流混合器，结构如图1所示。该结构由2个单级射流混合器组成：一级射流混合器主要由收缩管、喉管、扩收管、进水口和入药口组成；二级射流混合器主要由进水口、收缩管、喉管、扩散管、光管组成。其工作原理为：在一级射流混合器内，将锥形管道内高压水的压力能转换成速度能，形成高速流体，在喉管内与注入的药液发生撞击作用，分子的布朗运动驱动流体分子从浓度高向浓度低扩散，再流入扩收管，把速度能转换成压力能再转换成速度能，一级混合好的药水高速流入二级混合管内，与水再次稀释混合。两级注入式射流混合器的结构，根据装车实际空间大小，设计一级进水口直径为32 mm；二级混合器进水口直径为65 mm。在以上参数不变情况下，本研究对喷嘴、一级喉管、扩收管、二级喉管和扩散管参数的配合进行优化选择。

注：1—一级入水口；2—一级收缩管；3—一级入药口；4—一级喉管；5—一级扩收管；6—二级入水口；7—二级喉管；8—二级扩散管；9—光管；10—出口。Note: 1—Primary water inlet; 2—Primary shrinkage tube; 3—Primary medicine inlet; 4—Primary throat; 5—Primary expansion pipe; 6—Secondary water inlet; 7—Secondary throat; 8—Secondary diffuser; 9 —Light pipe; 10—Export.图1 两级注入式射流式混合器结构Fig.1 Structure of two-stage injection jet mixer

1.1.2混合原理控制方程 对于二级混合器出口面和混合管进口面，其动量方程如下。

Q2V1ρ1+(Q1+QS)V2ρ2-ρ(Q1+Q2+QS)VC=(PA-PC)AA

(1)

式中，PA、PC分别为混合管进口管压力和混合管出口管压力，MPa；AA为面积，m2；QS、Q1、Q2为药液流量、一级水流量、二级水流量，m3·s-1；V1、Vc、V2为二级射流混合器进口速度、一级射流混合器出口速度、二级射流混合器出口速度，m·s-1；ρ1、ρ2、ρ为水密度、一级混合液出口密度、二级混合液出口密度， kg·m-3。

伯努力方程如下。

(2)

式中，P2、PC、P0分别为两级射流混药器一级出口混合流体压力、二级出口混合流体压力、一二级入口流体压力，MPa;V2、VC、V3分别为一级射流混合器出口速度、二级射流混合器出口速度、二级射流混合器进口速度，m·s-1；ρ1、ρ2、ρ3分别为水密度、一级混合液出口密度、二级混合液出口密度，kg·m-3，H为高度差， mm。

雷诺系数公式和平均流速公式[21]如下。

(3)

式中，ζ两相液体的平均流速，m·s-1；v1、v2分别为一相、两相液体的体积流量，m3·s-1；η为液体粘性系数；ρ为液体密度；d为入口直径,mm。

通过式(3)计算得出该混合器为完全湍流模型，当流体为低粘度湍流条件时，流场选为标准的K-ε湍流模型。由于混合器内的药水分别为两种不同浓度的液体混合，故本模型属于两相流体相互贯穿混合，所以混合物的求解利用动量方程，通过相对速度来描述其离散相。

(4)

式中,ΔQS、Q1、Q2、ΔQ为药液流量、一级水流量、二级水流量和总水流量， m3·s-1。

1.2 试验材料与设备

两级注入式射流混合器试验系统包括进水模块、进药模块、混合器和喷药模块，结构如图2所示。其中，进水模块选用YG-4160型活塞式隔膜泵，转速600 r·min-1，功率匹配5.5 kW,流量160 L·min-1,压力3 MPa。水泵的外部动力来自YE2-160M2-8三相异步电动机，功率5.5 kW，电压380 V。隔膜泵出口的水通过三通连接到混合器的两级进水端，均采用涡轮电子流量计检测流量，流量范围9～140 L·min-1，精度±0.5%。进药模块选取新道茨隔膜计量泵，流量1～30 L·h-1，电压220 V,精度误差±2%。药液的流量调节主要通过改变频率来实现。药流量计选用浮子流量计。混合器的进水端与出水端均选取Y-60普通压力表，规格0～1.6 MPa。喷头采用VP110015，压力0.2 MPa，流量0.45 L·min-1。为了检测混合器适用的农作物种类和植密度，本研究开展了混合器的混合均匀性检测试验。试验于2020年7月在湖南农业大学第八教学楼农机实验室进行。试验农药使用胭脂红进行代替，利用紫外分光光度法进行定量试验，配制4份6 g·L-1的胭脂红溶液，分别按3 000∶1～300∶1比例稀释，得到4份不同浓度的标准样品。利用紫外分光光度计测定样品数据并进行处理，其方程如下。

注：1—药箱；2—过滤器；3—药泵；4—流量计；5—压力表； 6—混合器；7—分水器；8—水箱；9—柱塞泵；10—比例阀；11—喷头。Note: 1—medicine tank; 2—Filter; 3—Medicine pump; 4—Flow meter; 5—Pressure gauge; 6—Mixer; 7—Water separator; 8—Water tank; 9—Plunger pump; 10—Proportional valve ; 11—Nozzle.图2 二级射流混合器系统结构Fig.2 Structure diagram of the two-stage jet mixer system

ABS=10.572 1C+0.016 38

(5)

式中，ABS为吸光度；C为药液浓度，mg·mL-1。

1.3 仿真试验方法

1.3.1CFD建模 两级注入式射流混合器的三维模型利用Solidworks软件绘制，以二级射流混合器轴线为Z轴，一级射流混合器轴线为X轴，采用Icem进行网格划分，两级管相连处进行网格细化，全局最大网格设置为5，总网格数为1 598 255,如图3所示。两级注入式射流混合器的内部液体流动和混合性能通过软件 ANSYS FLUENT 16.0进行数值模拟。在FLUENT中，根据混药比以及管口大小，设计一级射流水流速度为0.829 m·s-1，一级射流药流速度为2.48 m·s-1，二级射流水流速度为0.503 m·s-1。输入压力1 MPa，湍流强度均为5%，出口设定为压力出口。两相液体物理特性如表1所示。混合器内存在两相液体流动，为使得计算收敛，选取药液体积分数作为监控参数，当残差曲线小于 1×10-5且选取的监控参数在一定的范围内进行周期性变化时，可视作计算收敛。入水口和入药口均设置为速度入口，求解选用Simple计算方法，二阶迎风离散型。通过在FLUENT的计算过程中设置Monitors监控二级射流管出口面的药液体积分数，从5 000步收敛计算中保存最后300步的数据，计算出平均数、标准差以及变异系数。

表1 两相液体物理特性Table 1 Two-phase liquid physical properties

图3 CFD网格Fig.3 CFD grid

1.3.2喷嘴直径数值模拟 收缩管结构如图4所示。喷嘴的前端连接收缩管，其作用是把压力能转换为速度能[16-20]，收缩管主要由进水直径(L)、收缩管长度(Y)、收缩管角度(∂)决定，他们之间的相互关系如式(6)所示。经过前期模拟计算收缩管为21°效果最佳。若加长收缩管长度，喷嘴直径将减少，喉管内阻力系数增大，药与水在喉管内发生剧烈的混流。

图4 收缩管结构Fig.4 Shrink tube structure

(6)

式中，L1为进水直径，L2为喷嘴直径，Y为收缩管长度，mm；∂为收缩管角度，(°)。

本研究中，根据预仿真得到一级喷嘴直径在7～9 mm范围内，射流混合器混合效果好，二级喷嘴直径为16～21 mm内范围时，射流混合器效果好，选取一部分数据对两级注入式射流混合器进行仿真。

1.3.3喉管长度和扩散管角度的数值模拟 基于以上因素的仿真结果，选取一级喉管长度、二级喉管长度、一级射流扩收管短轴长度和二级射流扩散管角度四个较为显著的因素，研究其对混合均匀度的影响。当一级射流管选用扩散管时，液体从大的扩散管进入相对管径较小的二级射流喉管时，容易导致液体在混合器内产生畸变，且压力损失较大。所以将一级射流混合管的扩散管改为扩收管。扩收管结构如图5所示，图中2b代表短轴长度，介于9～32 mm之间。根据文丘里管的设计标准，喉管长度范围为喷嘴直径的(5～7)倍，扩散管角度为7°～15°。采用四因素四水平的正交方法进行仿真，如表2所示。

表2 正交试验因素水平Table 2 Level of orthogonal test factor

图5 一级射流混合器扩收管Fig.5 Expansion tube of the first-level jet mixer

1.3.4不同药液流速的数值模拟 药液流速的改变不仅改变了药液流量，还使得混合器的混合比发生相应的变化[21-24]，进而可能会影响到两级注入式射流混合器的混合效果。为了讨论药液流速对混合器均匀性的影响，药液流速分别以不同的混药比进行仿真设计。不同混合比对应不同流速如表3所示。

表3 不同混合比对应不同药流速Table 3 Different mixing ratios correspond to different flow rates

2 结果与分析

2.1 仿真结果与分析

2.1.1喷嘴直径对混合器混合均匀性的影响

由公式(6)可知，收缩管的长度与喷嘴直径成反比。为深入分析喷嘴直径对混合效果的影响，根据公式可得出收缩管长度，如表4所示。一级收缩管直径不变，改变二级收缩管直径，出口面的变异系数具有显著的变化趋势。这是由于二级混合器的喷嘴直径不仅对本身的出口具有直接影响，而且影响管内面积的大小，使得轴向的压力梯度产生较大或较小的横向速度分量，流场内诱发一定强度的剪切流，并产生不同分布的混合。二级收缩管出口直径不变，改变一级收缩管出口直径，对混合管出口的变异系数影响不大。这是由于一级射流管较小，内部的药与水在相差只有1 mm的混合管内混合对二级射流管的出口面影响较小。二级射流管喷嘴直径为21 mm时变异系数均较低，一级射流管为9、8、7 mm时，变异系数分别为0.022 1、0.036 1、0.048 8，理论上变异系数小于0.05表示混合均匀，变异系数越小，混合效果越好。图6所示为出口面体积分数，图中有明显色差和明暗差异均表示混合均匀程度不高，反之，混合均匀度高，且变异系数小。综上可知，喷嘴直径对两级注入式射流混合器的混合均匀度具有重要影响，单从混药均匀性这一因素分析，S1混合器效果最好。

表4 可变参数喷嘴直径Table 4 Variable parameter nozzle diameter

注：图中序号、参数设置同表4。Note: Number and parameter design are same as those in Table 4.图6 出口面混合体积分数Fig.6 Volume fraction of mixed surface at exit surface

2.1.2喉管长度和扩散管角度对混合均匀性的影响 由于指标越小越好，从表5可以看出，最优组合因素水平为A2B1C2D1,即一级喉管长度为45 mm、 二级喉管长度为80 mm、一级射流扩收管短轴长度为26 mm、二级射流扩散管角度为7°。根据极差值F可以判断各因素对仿真结果的影响是否显著，极差值越大，则表明该对应的因素越重要。因此，四种因素的影响排序为：B>D>A>C，即二级射流混合器喉管长度影响最大，其次是二级射流扩散管角度、一级射流混合器喉管长度，而一级射流扩收管短轴长度对试验结果影响最不明显。由表6的方差分析的结果来看，其显著性结果与直观分析结果相一致。

表5 正交设计方案及直观分析Table 5 Orthogonal design scheme and intuitive analysis

表6 方差分析Table 6 ANOVA

2.1.3药液的入口流速对混合器均匀性的影响

不同药液流速对混药器径向面变异系数影响如图7所示。通过分析可知，不同药液流速的变异系数相差不大，且沿混合管的轴向变化规律相同。药液与水在距离进口81 mm处开始发生碰撞和交叉混合，药水混合经过129 mm处,基本达到混合均匀。所以这种两级混合器可以在多种混合比范围内达到相同的混合效果。这是由于进入混合器的药量相对于水量极少，即使混合比增大、药量减少，也不会引起较大的流场改变和液体微团的杂乱运动，因此药液流速对混合器的混合影响不大,且能达到300∶1～3 000∶1的混合比。

图7 不同药液流速对混药器变异系数影响趋势Fig.7 Trend of the influence of different liquid flow rates on the coefficient of variation

2.2 定量结果分析

2.2.1不同混合比的定量结果分析 分别用量杯从同一喷头进行取样，一次取样2 s，同一混合比和同一总水量，取样8次，试验结果如表7所示。同一混合比的试验值与实际值的最大误差为3.5%，模拟值与试验值的最大误差为12.1%，且变异系数最大值为0.037 88。试验结果得出的变异系数相差不大，且达到了混合均匀性的标准，这是由于药液浓度与水浓度相比较小，且混合器内部结构的不同，驱动了药与水的剧烈混流，在药水混合比范围为300∶1～3 000∶1内，获得较好地混合均匀性。

表7 不同混合比的定量结果Table 7 Quantitative results of different mixing ratios

2.2.2不同混药比和水流量下混合器混合均匀性分析 水流量不变，通过改变药流量，进行不同混合比试验，选取4个混合比，每组进行8次试验，不仅仅减少了数据的偶然性还加大了数据的精准性。在不同混合比的条件下改变每一级的水流量或改变隔膜泵的总水量。每组再做8次试验，得到均匀性变异系数如表8所示。试验结果的混合变异系数均在0.041 2以下,能达到混合均匀，这是由于混合器的内部结构符合药水均匀混合的要求。由此分析可知，无论改变水流量还是药流量，均能证明两级注入式射流混合器符合设计需求，且能适用于不同面积的植保作业。

表8 不同混药比和水流量下药液混合均匀性Table 8 Mixing uniformity of the medicine under different mixing ratios and water flow rates

3 讨论

本文结合射流混合器与注入混合的优点，创新性地提出了两级注入式射流混合器以实现大比例混药，同时通过注入方式实现药水的精准供给与能量损失补偿，进而保证混药后的喷施效果。相比现有的射流混合器，两级注入式射流混合器混合比范围大、混合效果好、精确性高、响应迅速，且喷施时无需二次加压。

通过对混合器的喷嘴直径、喉管、扩散管以及扩收管的参数进行分析，利用直观分析法和方差分析法得出两级混合器最佳组合为A2B1C2D1(一级喉管长度为45 mm、 二级喉管长度为80 mm、一级射流扩收管短轴长度为26 mm、二级射流扩散管角度为7°)。且试验结果显示变异系数小于0.041 2，试验值与模拟值能达到基本的吻合，说明利用CFD仿真设计的两级注入式射流混合器具有一定的可靠性。经对不同药水混合比的仿真试验，结果表明，混合比增大，药量减少，对变异系数影响不大，说明两级注入式射流混合器适用于300∶1～3 000∶1的大范围混合比，该研究可为后期两级注入式射流混合系统的优化提供参考。但试验混合比过大时，农药含量过低，易造成吸光度过低，所以存在一定误差，造成同一混合比的模拟值与试验值的最大误差为12.1%，同一混合比的试验值与实际值的最大误差为3.5%。目前，植保机混合器的评价指标有三个，分别为压力损失、混合比和均匀度。本文分析了混药比和均匀性问题，并得出了一定的结论，提高了植保机混合器的性能，使其能应用于各种植保机械上，减小混合器内部的压力损失还有待进行下一步的研究。