樊 榮

（山西農(nóng)業(yè)大學 工學院，山西 太谷 030801）

山西是重要的紅棗產(chǎn)區(qū)之一。但每年棗成熟期適逢多雨季節(jié)，棗果因吸水過多撐破果皮，導致果肉外露，形成裂果［1］。裂果極易腐爛、變酸，造成經(jīng)濟損失。開展棗裂果防治研究，可提高紅棗品質(zhì)，提升棗果附加值，增加果農(nóng)經(jīng)濟收益。國內(nèi)外眾多學者針對裂果問題及兩相流噴嘴做了不同研究。總體來看，大家都集中在通過選擇抗裂品種、加強田間管理、噴施化學藥劑等方法來進行棗裂果防治［2］。針對噴施化學藥劑方法，包建平等分析了不同藥劑對紅棗裂果的抑制效果［3］。梁小娟進行了3 種棗果防裂試劑—液體保護膜、營養(yǎng)液、外源激素的研究［4］。劉向才等提出增施有機肥、補充鈣肥等來預(yù)防棗裂果的產(chǎn)生［5］。Sohrab Davarpanah 等研究了葉片施鈣對石榴裂果的影響，結(jié)果表明未處理的果實裂果程度中等，而葉面施鈣可顯著降低裂果［6］。Li J 等總結(jié)了柑橘開裂的機理，并進一步解釋了遺傳因素和環(huán)境因素對裂果的影響［7］。Hai-Kun J 等對西瓜在開放和保護條件下的果實抗裂性進行了研究，提出了西瓜果實開裂的癥狀特征和等級［8］。胡耀華等利用近紅外光譜技術(shù)和建立的定性模型對棗裂果進行鑒別，但未涉及裂果防治問題［9］。在兩相流噴嘴研究方面，湯伯敏等研制了氣液兩相流噴嘴，并進行了霧化試驗，表明藥液的黏性和表面張力對噴霧質(zhì)量有很大影響［10,11］。Liang F C 等對文丘里管噴嘴內(nèi)的氣液兩相流動進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)壓力波動程度與氣體質(zhì)量有很大的關(guān)系［12］。Ferreira V C S 提供了部分兩相流的信息，并獲得氣液兩相間的相關(guān)性，為理解流動特性，進行兩相流研究奠定了基礎(chǔ)［13］?？傮w來看，大家對化學藥劑的研究較多，但對怎么進行高效噴施化學藥劑以減少棗裂果的產(chǎn)生研究較少，針對該問題，本文設(shè)計了1 種適用于液體膜噴施的兩通道離心式氣液兩相霧化噴嘴，并對該噴嘴及噴霧流場進行了仿真分析，以期對棗裂果的防治有一定的參考價值。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)及霧化過程

噴嘴是使藥液霧化并均勻噴射的重要部件，其性能的優(yōu)劣直接影響噴霧系統(tǒng)的噴霧效果和質(zhì)量［14-15］。本研究從增大氣液接觸面積和提高霧滴速度這2 個方面改進設(shè)計了1 種適用于液體膜噴施的兩通道離心內(nèi)混式霧化噴嘴。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 液體膜噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of liquid membrane nozzle

該噴嘴工作時由2 個霧化過程組成。首先，氣體以切向離心式渦流旋轉(zhuǎn)運動的形式先后經(jīng)氣體通道、渦流室進入混合室，而植物液體膜（其黏度為 2.00 mPa·s，表面張力系數(shù)為0.093 N/m）途經(jīng)液體通道后從液相孔噴出，在混合室里與高速旋轉(zhuǎn)氣流相遇，兩者相互撞擊、摻混，形成高速混合液。在形成混合液的過程中，液體膜被高速氣流撞擊、剪切、霧化成小霧滴，這是第一次霧化。高速混合液經(jīng)噴嘴孔徑噴出時，狹小的終端結(jié)構(gòu)促使霧滴速度進一步提高，與外場空氣相對速度也進一步增大，霧滴和外場空氣摩擦、撕裂程度加深，進行2 次霧化。經(jīng)過2 次霧化后的高速小霧滴均勻附著在棗果表面，形成1 個保護層，使棗果與雨水隔開，達到預(yù)防裂果出現(xiàn)的目的。

2 噴嘴及噴霧外場模型建立

2.1 幾何模型建立

本文應(yīng)用Gambit 軟件，建立噴嘴的霧化模型，對噴嘴的霧化過程進行模擬。建立的仿真模型包括2 部分：一是噴嘴體，如圖2（a）所示；二是霧化外場，如圖2（b）所示。噴嘴的終端形狀為圓柱體，直徑和高度分別為3、2 mm。霧化外場定義為1 個圓柱體，其直徑和高度分別為300、500 mm。

圖2 液體膜噴嘴和噴霧外場模型Fig.2 Model of nozzle and spray field

2.2 網(wǎng)格劃分

本文應(yīng)用Gambit 軟件對網(wǎng)格進行劃分。噴嘴采用四/六面體混合網(wǎng)格，單元網(wǎng)格尺寸為2 mm。霧化外場應(yīng)用正六面體網(wǎng)格，其網(wǎng)格尺寸為10 mm。兩者網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖3 噴嘴及霧化外場模型網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Meshing diagram of nozzle and atomized outer field model

3 數(shù)值計算及性能仿真

3.1 輸入并檢查網(wǎng)格

啟動Fluent17.0，選3D 求解器，讀入已劃分好的網(wǎng)格文件，并對其進行檢查，確定網(wǎng)格劃分無誤。

3.2 計算方法

本文采用Fluent 中的歐拉—拉格朗日離散相模型。根據(jù)實際流場分析，氣液兩相間不存在化學反應(yīng)和物理相變［16］，也不考慮相間和相內(nèi)熱交換。把液體膜作為離散相，空氣作為等溫連續(xù)相［17］，均按照不可壓縮處理。先對氣相進行模擬，隱式分離求解，待氣相收斂時，再加入液相，進行相間耦合計算，用非穩(wěn)態(tài)求解［18］。

3.3 邊界條件

氣體和體液通道為速度進口，霧化外場上圓面采用壓力出口。為模擬自然風對噴霧的影響，下圓面設(shè)為速度進口，此處為風速1 m/s。

3.4 仿真試驗因素及評價指標

由文獻［12］可知，對于氣液兩相流噴嘴，氣體流量對噴霧質(zhì)量有一定影響，故選取氣體進口速度（結(jié)構(gòu)一定，氣體進口速度和流量一一對應(yīng)）作為仿真試驗因素之一，這里所取數(shù)值是根據(jù)氣液質(zhì)量流量比確定的。氣體進口速度的選取見表1。同時噴嘴孔徑和噴嘴終端形狀也會對噴霧效果產(chǎn)生影響［10,19］。噴嘴直徑根據(jù)實際應(yīng)用場合取2、3、4 mm；噴嘴終端形狀選擇常見的圓柱體、上錐體和小錐體3 種型式。本文分別在上述3 個因素條件下應(yīng)用Fluent 軟件模擬分析沿著噴嘴孔徑z軸方向上0～-40 mm處霧滴速度的變化、霧滴在噴霧外場軌跡變化和霧化粒度變化情況。

表1 不同氣液質(zhì)量流量比下的氣體速度Table 1 The velocity of gas inlet under different gas-liquid mass flow ratios

表征噴嘴霧化程度的物理量有霧滴粒度大小、粒度分布、霧滴速度等，其中霧滴粒度大小、霧滴速度是噴霧技術(shù)中最重要的2 個參數(shù)［19］。霧滴粒度大小，一般用索特爾平均直徑SMD 來表示，即總體積與總表面積之比，SMD 越小表示霧化粒度越小，霧化越徹底，覆蓋密度越大，分布越均勻，霧滴大小與覆蓋密度的關(guān)系可參閱圖4。另外，霧滴速度也會對噴霧作業(yè)效果有影響，一般情況下，霧滴速度越大，越不易受到風力影響，對靶性能也就越好。

圖4 霧滴大小與覆蓋密度的關(guān)系Fig. 4 The relationship between droplets size and coverage density

4 計算結(jié)果及分析

根據(jù)選定的試驗因素應(yīng)用Fluent 軟件對所設(shè)計的噴嘴在不同氣體進口速度、不同噴孔直徑、不同終端形狀條件下進行了噴霧質(zhì)量的模擬仿真。圖5是噴霧過程模擬圖。

圖5 噴霧過程模擬圖Fig. 5 Schematic diagram of spray process

由圖5（a）氣相流線圖可以看出，所采用的切向離心通道結(jié)構(gòu)使氣體切向進入氣體通道，開始高速離心旋轉(zhuǎn)。由圖5（b）和(c)可看出，噴嘴孔徑出口處霧滴的速度最大，與噴霧外場空氣接觸后，快速破碎，形成大量小霧滴。這樣霧化過程有利于霧滴快速粘附到棗果表面，形成薄膜，以隔斷雨水對果肉的侵蝕。

4.1 氣體進口速度對噴霧速度影響

根據(jù)液體膜使用規(guī)格，經(jīng)計算，液體膜進口速度應(yīng)為1.99 m/s。分別在氣體進口速度為8.33、25.01、41.78、58.49 m/s 時對霧化模型進行仿真模擬,以分析不同氣體進口速度對噴霧質(zhì)量的影響。圖6為不同氣體進口速度下霧滴速度變化圖。

圖6 不同氣體進口速度下霧滴速度變化圖Fig.6 Velocity profile under different gas inlet velocities

圖6 是氣體進口速度不同，其余條件相同情況下，沿著噴嘴孔徑z 軸方向上0 ～-40 mm 處霧滴速度的變化軌跡線。從單個軌跡線可以看出，液體膜和氣體在混合室相遇后，霧滴速度急劇增大，并在噴嘴噴孔（z=-12 mm）處達到最大值，進入外場后因受氣流影響，速度逐漸變小。從霧滴速度曲線的變化曲率可以得出，該噴嘴所采用的渦流狀結(jié)構(gòu)促使氣流因旋流加速，進而帶動霧滴加速。由圖也可以看出，隨著氣體進口速度的增大，霧滴出口速度也在增大。但是，考慮到能耗，不能盲目地追求比較大的霧滴速度。表2 給出了霧化粒徑的模擬結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可以得出隨著氣液質(zhì)量流量比的增加，霧化平均粒徑變化范圍很大，從幾百微米到幾微米。這可能是隨著氣液間相對速度的增加，兩者在接觸時產(chǎn)生更劇烈的相互作用，從而使液體膜霧化更充分。由此可以得出氣液相對速度對液體膜的霧化質(zhì)量有很大影響，在其他條件相同的情況下，液體膜的平均粒徑隨著氣液質(zhì)量流量比的增大而減小。

表2 不同氣液質(zhì)量流量比下的霧化平均粒徑Table 2 Average atomized particle size under different gas-liquid mass flow ratios

4.2 噴嘴孔徑對噴霧速度影響

為了研究噴嘴孔徑對霧化效果的影響，根據(jù)實際情況，分別在噴嘴孔徑為2、3、4 mm 條件下進行霧化模擬。其模型如圖7 所示。設(shè)定氣體進口速度都為25.01 m/s，模擬結(jié)果如圖8 所示。

圖7 不同噴嘴直徑的噴嘴模型Fig.7 Nozzle model of different hole diameter

圖8 霧滴速度變化圖Fig.8 Velocity profile of fog droplet velocity

圖8 為不同噴孔直徑下霧滴在噴嘴孔徑z 軸方向上0 ～-40 mm 時霧滴速度變化圖。從圖中可以看出，當氣體進口速度一定時，霧滴的出口速度隨著噴嘴直徑的增大而逐漸減小。從圖9 的霧化粒徑軌跡圖可看出，隨著噴孔直徑的增大，在相同時間內(nèi)，顆粒數(shù)目越來越少，意味著霧化粒徑越來越大，且越來越集中。結(jié)合表3 數(shù)據(jù)可以得出，噴嘴孔徑會影響液體膜的霧化粒徑，且霧滴粒徑會隨著噴孔直徑的增大而增大。

圖9 霧化顆粒軌跡圖Fig.9 Atomized particle trajectory diagram

表3 不同噴嘴孔徑下的霧化平均粒徑Table 3 Average atomized particle size under different orifice diameters

4.3 噴嘴終端形狀對噴霧速度影響

常見的噴嘴終端形狀有圓柱體、上錐體和小錐體，見圖10。

圖10 不同終端形狀噴嘴霧化模型Fig.10 Spray nozzlemodel of different terminal shapes

在其他條件都相同的情況下，不同噴孔終端形狀的噴嘴模擬結(jié)果如圖11 所示。沿著噴孔中心線z 軸方向0 ～-40 mm 垂直距離上，相同位置處的霧滴速度（vd）存在如下關(guān)系：vd上椎體＜ vd下錐體＜vd圓柱體。由圖12 不同終端形狀下的霧化顆粒軌跡圖可以看出，在相同的的時間內(nèi)，采用圓柱體噴孔的噴嘴所得到的霧滴粒徑小而多，而采用噴孔為錐體的噴嘴的霧滴粒徑大而少，且下錐體更明顯。由表4 也可以看出，終端形狀為圓柱體的噴嘴的平均霧化粒徑SMD 比終端形狀為錐體的小，但上錐體的平均霧化粒徑SMD小于下錐體的。這說明在其他因素相同的條件下，終端形狀為上椎體霧滴速度最大，但霧化顆粒的粒徑并非最大，而終端形狀為圓柱體的粒徑最小。實際生產(chǎn)中優(yōu)先考慮評價指標——粒度大小，粒度越小，意味著霧化效果越好。

圖11 不同噴孔終端形狀下的霧滴速度變化圖Fig.11 Droplet velocity profile under different terminal shapes of nozzle

圖12 不同終端形狀下的霧化顆粒軌跡圖Fig.12 Atomized particles trajectory under different terminal shapes of nozzle

表4 不同噴孔形狀下的霧化顆粒平均粒徑Table 4 Atomized particles average size under nozzle with different terminal shapes

5 結(jié)論與討論

（1）所設(shè)計的液體膜噴嘴采用了切向離心通道結(jié)構(gòu)，一方面促使液體膜外圍被在渦流室里加速旋轉(zhuǎn)且呈渦流狀的氣流所包裹，兩者在混合室里撞擊，摻混，撕裂，使液體膜更易霧化；另一方面能大幅提高霧滴流速，降低噴霧外場對霧滴的影響，促使霧滴持續(xù)高速噴射至棗果表面。

（2）霧滴的噴出速度，粒度大小受進口氣體速度、噴孔直徑、噴孔終端形狀影響。進口氣流速度越大，噴孔直徑越小，霧滴的噴出速度越大。但較大的氣體進口速度，能耗也較大。噴孔直徑越小，顆粒粒度越小，推斷形成的果面薄膜效果也越好。3種終端形狀的噴嘴，其中圓柱狀的噴霧粒度小且多，噴霧效果較上錐體噴嘴好，下錐體噴嘴次之。