基于PIV的大豆蛋白液双枪喷涂速度场的研究

寇金宝，龚国腾，邢炯，杨传民

基于PIV的大豆蛋白液双枪喷涂速度场的研究

寇金宝，龚国腾，邢炯，杨传民

（天津商业大学，天津 300134）

为了在保证喷涂雾化表征均匀性的前提下实现宽幅覆膜，提高覆膜的效率，以期得到均匀一致的大豆蛋白覆膜。利用粒子图像速度场仪（Particle Image Velocimetry，PIV），对不同干涉程度下的大豆蛋白液双枪喷涂雾化场进行拍摄，利用PIV和Origin软件处理图像，得到速度数据并对比。随着双枪间偏转角的增大，基线上的平均速度减小；偏转角为0°时，两喷雾粒子流在干涉线处碰撞，少有透过干涉线的粒子；在不同偏转角下，基线上的速度峰值从大到小为偏转角7°时的速度峰值、偏转角0°时的速度峰值、偏转角15°时的速度峰值；当偏转角为0°时，随着液压的增大，基线上的第2个速度谷值会右移，并且会增大直至消去。当偏转角为0°、液压为0.24 MPa时，在基线上干涉区域内的速度最均匀。

大豆蛋白液；双枪喷涂干涉；粒子图像速度场仪；速度场

为了在蔬菜纸上覆上一层均匀一致的大豆蛋白薄膜，本课题科研团队对喷涂技术进行了研究。为保证喷涂覆膜的均匀性，需要保证喷涂雾化表征的均匀性，在此基础上，本课题科研团队利用PIV对喷涂雾化表征的均匀性进行了研究[1-3]。

喷涂指通过碟式雾化器或喷枪，利用压力（或离心力），把喷枪内的液体分散，形成均匀、细小的雾滴，然后喷涂到零部件表面的一种涂装方法。随着科学技术的发展，越来越多的领域都应用到了喷涂技术，像燃烧学雾化、食品和药品加工中的喷雾干燥、农药喷雾、除尘与灭火、海水淡化等方面都应用到了喷涂技术[4-5]。喷涂技术的广泛应用同时也促进着大量学者们对喷涂雾化过程的研究，Dafsari等[6]采用激光诊断技术，通过研究压力旋流喷嘴的雾化质量和喷雾结构对不同黏度的航空燃料进行了实验研究。Shadrin等[7]采用阴影摄影法对气动喷嘴喷射水煤浆燃料的雾化和燃烧进行了研究。Fathinia等[8]用高速摄影机研究了过热度、入口压力和入口温度对3种不同类型全锥形喷嘴喷射角的影响。

PIV能够克服热线只能单点测量的限制，可以快速准确地测量出某个截面的空间流场，得到该截面流场的空间结构和速度矢量场，是一种先进的无扰动流场测量技术[9-10]，在冲击射流的流场结构和流动特征研究中得到了广泛应用。沈鑫垚等[11]、Lyulin等[12]、Murakami等[13]、Zhao等[14]、Abbas等[15]都利用PIV技术对各自待测流场的速度场进行了测量，都取得了准确的实验结果。

基于本课题科研团队对单枪喷涂雾化表征均匀性的研究，为了实现宽幅覆膜，增大覆膜效率，本文提出双枪喷涂的设想，并引入偏转角的概念，对双枪喷涂雾化表征的均匀性进行研究。研究在不同干涉情况下（不同的偏转角）双枪喷涂雾化场速度场的变化规律。

1 实验

1.1 原料与设备

实验原料：大豆分离蛋白粉，来自汕头市聚丰隆生物科技有限公司；蒸馏水，来自实验室自制；羧甲基纤维素钠（食品级，质量分数为1%），来自河南颖雪生物科技有限公司；聚羧酸盐（食品级，质量分数为1%），来自山东富舜新材料科技有限公司；甘油（食品级），来自郑州万盛食品商行。

主要设备：安东帕高级流变仪，意大利Anton paar公司；FD–101–BA型自制搅拌型加热液油搅拌釜，天津商业大学自制；扇形电子脉冲空气助力雾化喷嘴，斯普瑞喷雾系统上海有限公司；MSM–2250型控制器，斯普瑞喷雾系统上海有限公司；斯普瑞喷雾系统上海有限公司，北京立方天地科技发展有限公司；伺服电机驱动二维喷涂雾化平台，无锡迪恩斯传动科技有限公司。

1.2 装置及方法

喷涂雾化场图像采集系统主要是由喷涂控制系统、二维移动架和PIV系统组成，如图1所示。将大豆蛋白混合液放入喷涂系统的保温缸中，由二维移动架固定喷嘴，将两喷嘴间的距离、角度调整好后，由喷涂控制系统控制喷涂过程的流量、液压和气压，大豆蛋白混合液和空气分别经由液路和气路在喷嘴处汇合形成喷雾。开始喷雾后，PIV系统的激光发生器打出一束垂直于水平面的激光面，将喷雾面打亮，此时高速摄像机将对喷雾面进行拍摄，拍摄出清晰的大豆蛋白喷雾场照片，随后即可对照片进行处理。

1.3 实验方案

本文设置喷涂系统控制大豆蛋白液喷出的喷涂参数：流量为30、50和70 mL/min，液压为0.08、0.16和0.24 MPa，气压为0.08、0.16和0.24 MPa。设置偏转角变量为0°、7°和15°。对比不同气压和液压下，偏转角对沉积基线上粒子速度的影响。

图1 喷涂雾化场图像采集系统

1.4 实验模型的建立

利用PIV系统对双枪喷涂系统的喷雾进行拍摄，可得到两喷雾面相交汇的形貌图像。为了更好地研究各个变量之间的关系，本文对双枪喷雾面中的喷射高度、喷头间距、沉积基线长度、偏转角和干涉基线进行了定义。各参数标注如图2所示，以探求双枪喷涂雾化表征的喷涂规律。

喷射高度（）是喷头到基带的垂线距离，其高度由实际喷涂冲击速度大小所定，本实验喷射高度的取值为350 mm。

喷头间距（）是两喷头之间的直线距离，由喷射高度（）及以下喷雾角选定。本实验选取的喷头间距为60 mm。

沉积基线长度（）是在固定的喷射高度、固定的喷涂参数以及固定的两喷头位置下，喷雾落在基带上的最长距离。若改变上述参数，沉积基线长度也会改变。如图2所示，双枪喷涂过程中，沉积基线长度等于面Ⅰ沉积基线长度（a＋b）与面Ⅱ的沉积基线长度（c＋d）之和减去干涉基线长度Δ。和Δ的计算是基于统计学方法，依据多幅PIV图像表达的喷雾场尺度求平均值。

图2 双枪喷雾场主视图模型

Fig.2 Master view model of double-nozzle spraying field

偏转角（）为两喷头在圆柱副上的夹角。在图2和图3中，固定圆柱，将喷头始终固定在圆柱横杆上，将、两喷头喷雾扇形面调至同一平面上，此时、两喷头的夹角为0°，绕圆柱副旋转喷头，旋转的角度为偏转角（）。、两喷头喷出的喷雾面分别是面Ⅰ和面Ⅱ，不为0时，、两喷头的2个扇形面不共面，面Ⅰ的位置始终是固定的，本文通过旋转面Ⅱ来控制偏转角的变化。

1.5 实验数据处理方法

利用PIV软件处理图像数据，得到双枪喷雾场各点的速度数据。由于高速摄像机在拍摄时无法清晰地将整个双枪喷雾场拍全，所以拍摄的速度数据集中在两喷头之间。为了探寻干涉对速度的影响，本文利用Origin软件提取了面Ⅰ的单枪喷雾边界，并以此为边界。在固定的喷射高度下提取不同偏转角下面Ⅰ的右沉积基线上的速度数据，来研究面Ⅱ对面Ⅰ的右沉积基线上速度的影响。

图3 双枪喷雾场左视图模型

2 结果与分析

2.1 偏转角对沉积基线上平均速度的影响

两喷嘴间距是一定的，选取的喷涂流量为30 mL/min。为研究偏转角的变化对大豆蛋白喷雾沉积基线上的速度的影响，对比不同喷涂参数下，面Ⅰ右沉积基线上的平均速度大小。为了更直观地观察同参数下不同偏转角的沉积基线平均速度，将不同喷涂液压、喷涂气压标注为1到9号，如表1所示，标注组号后作出曲线如图4所示。

由图4可知，除了第4组外，其余各组面Ⅰ右沉积基线的平均速度大小随偏转角的变化规律为随着偏转角的增大，面Ⅰ右沉积基线的平均速度减小。当偏转角为0°时，干涉面（面Ⅱ）与待测面（面Ⅰ）处于同一平面内，此时面Ⅱ的部分左沉积基线与面Ⅰ的右沉积基线重合，面Ⅰ的右沉积基线上大豆蛋白混合液雾化粒子增多，气液动能增大，使得面Ⅰ右沉积基线上的粒子平均速度也增大。当偏转角为7°时，面Ⅱ相对面Ⅰ偏转了7°。由于实验所用的扇形喷头喷出的扇面是有厚度的扇面，偏转了小角度，右侧的B喷头所喷出的面Ⅱ之外的雾化粒子还是会落在喷头面Ⅰ的右沉积基线上，粒子增多，动能增大，右沉积基线上的平均速度也增大。但由于喷头喷出的雾化粒子主要集中于面Ⅱ之中，面Ⅱ之外的雾化粒子相对较少，所以偏转7°后，落在面Ⅰ右沉积基线上的雾化粒子也比偏转0°时的少，且此时的平均速度小于偏转角为0°时的平均速度。当偏转角为15°时，两喷头的雾化场完全分离，不再发生干涉现象，此时面Ⅰ的右沉积基线上仅有喷头喷出的雾化粒子，因此，其平均速度小于偏转角为0°和7°时的平均速度。第4组偏转角为0°时的平均速度小于偏转角为7°时的平均速度，观察其速度场图像，发现速度场图像中出现了孔洞，推测可能是喷头发生了堵嘴的情况，使得沉积基线上的速度减小。

表1 喷涂参数标号

Tab.1 Spraying parameter label

图4 面Ⅰ右沉积基线上各点的平均速度对比

2.2 偏转角对沉积基线上各点的速度分量大小的影响

根据喷涂流量为30 mL/min、液压为0.08 MPa和气压为0.08 MPa的速度数据作出折线图，如图5所示。轴为面Ⅰ右沉积基线上各测点的坐标，轴为面Ⅰ右沉积基线上各测点的速度大小。

图5 偏转角对面Ⅰ右沉积基线上各点速度的影响

如图5所示，偏转角为15°时，各喷涂参数下沉积基线上的粒子速度沿着轴方向大体上是呈现先减小再增大再减小的趋势。当偏转角为0°，沉积基线上的粒子速度沿着轴方向呈先减小后增大，再减小再增大的趋势；当偏转角为7°时，沉积基线上的粒子速度沿着轴方向大体上是呈先减小再增大再减小的趋势，并且峰值要高于偏转角为15°和0°时。

当偏转角为0°时会出现第2个谷值，这是由于此时的两喷雾面粒子流会在谷值处附近交汇，在面Ⅱ粒子流的干预下，喷头为此段基线粒子提供主要动能，所以在此位置的速度会随着轴上升。当偏转角为7°时，其峰值要高于偏转角为15°和0°时，这是因为此时的面Ⅰ和面Ⅱ相较于0°时不直接交汇，粒子流碰撞不明显，所以此时面Ⅱ的粒子会越过干涉线，部分粒子会落在面Ⅰ右沉积基线上增大基线上的速度。

2.3 液压对沉积基线上各点的速度大小的影响

根据喷涂流量为30 mL/min、气压为0.24 MPa、液压为0.08、0.16和0.24 MPa的速度数据作出折线图，见图6a—c。轴为面Ⅰ右沉积基线上各所测点的坐标，轴为面Ⅰ右沉积基线上各测点的速度大小。

如图6所示，随着液压的增大，各偏转角下的速度曲线图的峰值和谷值会有向右移动的趋势，并且当偏转角为0°时，第2个谷值逐渐增大，直至消去。

图6 液压对面Ⅰ右沉积基线上各点速度的影响

实验结果表明，在同一偏转角下，相较于不同气压，不同液压对喷雾粒子速度影响更大，沉积基线上的粒子速度折线图随着喷涂液压的变化而变化，这主要受沉积基线的长度发生变化的影响。喷涂液压提供了喷头喷出喷雾的主要动力，随着液压的增大，喷头内部推动喷雾喷出的推动力增大，而喷涂流量和喷涂气压不变，这样就使得喷雾的喷雾角增大，沉积基线长度增大。

2.3.1 沉积基线的长度变化对峰值和谷值位置的影响

如图7所示，通过观察并计算大量速度场图像，发现喷头的喷雾沉积基线要比喷头的喷雾沉积基线长，且喷头沉积基线长度随着液压的增加比喷头增加的更长。由于喷嘴的结构不发生变化，随着沉积基线的拉长，速度随位移变化图也发生拉长的现象，所以随着喷涂液压的增加，峰值会向右移动。面o和面o分别为喷涂液压为0.08 MPa时喷头和喷头的喷雾面，此时干涉主要发生于线段附近。因为在靠近喷雾面边缘处，沉积基线上的速度会由靠近中心向边缘逐渐减小，这是由沉积基线边界点的确定所决定的，线段处正处于、两喷头喷雾面的边界处，所以谷值在点附近。当喷涂液压为0.16 MPa时，由于的沉积基线的增加量大于的，大于，所以点向右偏移到点，谷值在点附近，谷值会向右移动。

图7 沉积基线长度变化

2.3.2 沉积基线长度的变化对峰值和谷值大小的影响

面Ⅰ右沉积基线上的速度峰值只与喷头的结构和喷涂参数有关，随喷涂液压、气压的增大而增大。面Ⅰ右沉积基线上的第2个速度谷值随沉积基线的增大而增大。由于喷嘴的结构不发生改变，速度曲线拉长，面Ⅰ右沉积基线上的速度曲线靠近边缘处的峰值逐渐右移，而面Ⅱ的峰值向左移，从而交会处的谷值会随着沉积基线长度的增大而增大，直至消去谷值产生新的峰值。如图6c所示，当喷涂液压为0.24 MPa时谷值已经消去。

如图6a—b所示，当喷涂液压为0.08 MPa和0.16 MPa时，偏转角为7°时的峰值普遍大于偏转角为0°时的峰值，且偏转角为0°时的峰值普遍大于偏转角为15°时的峰值。在图6所示各参数下，偏转角为7°时的变化趋势都与偏转角为0°时的变化趋势相似，但是面Ⅰ右沉积基线上各点的速度大小普遍大于偏转角为0°时的。

当喷涂液压为0.08 MPa和0.16 MPa时，偏转角为7°时的峰值较高。这是因为与偏转0°相比，偏转7°时面Ⅱ会有更多的粒子穿过干涉线去影响面Ⅰ右沉积基线上的速度，使其在面Ⅱ左沉积基线边界内的速度增加，所以偏转角为7°时的峰值普遍大于偏转角为0°时的峰值，且各测点的速度均普遍大于偏转角为0°时的。同理偏转角为0°时，虽穿过干涉线的粒子不如偏转7°时的多，但也有部分粒子穿过，因此各测点速度普遍大于偏转15°时的测点速度。当喷涂液压为0.24 MPa时，由于面Ⅰ峰值的左移和面Ⅱ峰值的右移，偏转角为0°时的峰值可能是两峰值的叠加而成的，所以其峰值要大于偏转7°时的峰值。

3 结语

为了在保证喷涂雾化表征均匀性的前提下实现宽幅覆膜，本文在单枪喷涂的基础上设计了双枪喷涂实验，在双枪喷涂实验中设计了一个新物理量——偏转角。通过改变偏转角的大小来控制干涉程度，探寻不同干涉情况下喷雾场的速度变化规律，研究双枪喷涂雾化表征的速度均匀性，为实现宽幅覆膜奠定理论基础。

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Double-nozzle Spraying Velocity Field of Soybean Protein Liquid Based on PIV

KOU Jin-bao,GONG Guo-teng, XING Jiong, YANG Chuan-min

(Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

The work aims to achieve wide coating on the premise of ensuring the uniformity of spray atomization characterization, improve the efficiency of coating, and get uniform and consistent coating of soybean protein. A Particle Image Velocimetry (PIV) was used to take pictures of the spraying atomization field of soybean protein liquid under different interference degrees between two spray nozzles. PIV and origin software were used to process the images, and the speed data were obtained and compared. With the increase of deflection angle between two nozzles, the average velocity at baseline decreased. When the deflection angle was 0°, two spray particles collided at the interference line, and few particles passed through the interference line. The velocity peak on the baseline appeared at different deflection angles of 7°, 0°, and 15°. When the deflection angle was 0°, with the increase of hydraulic pressure, the second velocity valley value on the baseline moved to the right and increased until it disappeared. When the deflection angle is 0° and the hydraulic pressure is 0.24 MPa, the velocity is the most uniform in the interference region at the baseline.

soybean protein liquid; double-nozzle spraying interference; particle image velocimetry; velocity field

TB484；O629.73；TS206.4

A

1001-3563(2023)15-0131-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.15.017

2022−06−15

天津市自然科学基金重点项目（15JCZDJC34100）

寇金宝（1981—），男，实验师，主要研究方向为机械设计和机械制造。

责任编辑：曾钰婵