陳志剛，毛 偉，王鵬程，杜彥生

（1.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院；2.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

混藥作為植保機(jī)械的重要組成部分，混藥質(zhì)量高低直接與植保效率掛鉤［1］。傳統(tǒng)的農(nóng)藥混合都是在噴灑之前將農(nóng)藥與清水進(jìn)行預(yù)混合［2-4］。目前，應(yīng)用較多的在線混藥技術(shù)是將水箱與藥箱分開，使用時(shí)，將藥箱和水箱里的液體自動(dòng)混合在一起，具有環(huán)保、節(jié)約資源、效率高等優(yōu)點(diǎn)［5-8］。射流混藥管在藥水分離、農(nóng)藥在線混合中發(fā)揮著重要作用，所以在大型植保機(jī)械領(lǐng)域具有較高的研究?jī)r(jià)值［9-11］。宋海潮等［12］挑選擴(kuò)散角分別為10°、14°、18°，研究脂溶性農(nóng)藥在該混藥管的混合性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)擴(kuò)散角為10°時(shí)，均方根值最小，灰度值分布最均勻；宋海潮等［13］采用三水平三因素正交實(shí)驗(yàn)分析擴(kuò)散角、混合管長(zhǎng)度、收縮角對(duì)旋動(dòng)混藥管有效長(zhǎng)度的影響，發(fā)現(xiàn)混藥管長(zhǎng)度對(duì)其影響最大；肖龍洲等［14］利用Fluent 數(shù)值仿真研究吸入角對(duì)尺寸、回流位置及形成過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)吸入角在18°～25°區(qū)間時(shí)，回流區(qū)域被抑制表現(xiàn)最為明顯；Song等［15］利用Fluent 軟件對(duì)射流泵的3 種結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字模擬，比較其流量比、壓力比和效率，證明了其設(shè)計(jì)的射流泵具有更高效率。但是，目前針對(duì)混藥室入口角度對(duì)混藥管混藥性能造成影響的研究仍然較少。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種射流混藥管，固定其它混藥管參數(shù)，只改變混藥室入口角度，通過(guò)Fluent 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，探究入口角度對(duì)混藥性能的影響。

1 射流混藥器

1.1 原理與結(jié)構(gòu)參數(shù)

混藥器工作原理與文丘里管相同，當(dāng)高速水流經(jīng)過(guò)混藥管時(shí)，因?yàn)榍逅c空氣之間存在粘滯作用，會(huì)帶走吸藥室里的空氣，從而使混藥管里形成負(fù)壓狀態(tài)。在大氣壓的作用下，藥液會(huì)被吸入吸藥室。其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，具體包括射流嘴、吸藥管、吸入室、混藥管和擴(kuò)散管等。

Fig.1 Mixing tube structure圖1 混藥管結(jié)構(gòu)

本文利用Fluent 18 對(duì)混藥管的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，其參數(shù)分為可變參數(shù)和固定參數(shù)，固定參數(shù)限定在合理范圍之內(nèi)，如表1 所示。混藥管截面簡(jiǎn)化圖形如圖2 所示。

Table 1 Dimensions of each part of the model表1 模型各部分尺寸

Fig.2 Simplified cross section of mixed pipe圖2 混藥管截面簡(jiǎn)化圖形

本研究一共需要用到4 個(gè)工作參數(shù)，分別是面積比m、混藥比q、壓力比h 和工作效率η，其定義如下：

式中，Sh表示混藥管截面積，單位為mm2；dh表示混藥管直徑，單位為mm；Sz表示射流嘴出口截面積；dz表示射流嘴出口直徑。

式中，Qs表示農(nóng)藥進(jìn)口流量，單位為m2/s；Qi表示清水進(jìn)口流量，單位為m2/s；Ss表示農(nóng)藥入口截面積，單位為mm2；Si表示清水入口截面積，單位為mm2；vs表示農(nóng)藥進(jìn)入速度，單位為m/s；vi表示清水進(jìn)入速度，單位為m/s。

式中，h是反映流體壓力損失的一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，h越大，表示壓力損失越??；Po表示出口壓力；Ps表示農(nóng)藥進(jìn)口壓力，Pi表示清水入口壓力。

利用Solidworks18.0 進(jìn)行建模，根據(jù)不同尺寸要求，建立對(duì)應(yīng)的符合仿真要求的3D 模型。為便于接下來(lái)的網(wǎng)格劃分和壁面命名，將混藥管劃分為4 個(gè)不同部分，如圖3所示。

Fig.3 Model of mixing tube with high precision division圖3 高精度劃分的混藥管圖形

1.2 網(wǎng)格劃分

將建好的模型導(dǎo)入mesh 中，分別利用sweep、face siz?ing、inflation 對(duì)規(guī)則的液體流動(dòng)區(qū)域混藥管的part1、part2、part3 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于液體流動(dòng)不規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域part4 采用body sizing 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了盡可能提高計(jì)算精度，這部分區(qū)域最好采用比較細(xì)的網(wǎng)格（見(jiàn)圖3）。

在仿真計(jì)算中，選用species transport 模型，采用SIM?PLE 算法對(duì)流體混合進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算?；焖幑艹跏蓟瘯r(shí)里面充滿水，仿真開始后，水溶性農(nóng)藥（這里用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%、密度為1 065kg/m2、粘度為0.89mPa·s 的NaCl 溶液代替）進(jìn)入混藥管與清水混合。清水（在常溫下，密度為998.2kg/m2，粘度為1.003mPa·s）作為介質(zhì)，用來(lái)用運(yùn)輸農(nóng)藥，并與農(nóng)藥混合。設(shè)置清水與農(nóng)藥入口均為壓力入口，大小為0.4MPa、0MPa。出口設(shè)為壓力出口，其值為0MPa（這里的壓力都是相對(duì)壓力，即相對(duì)于空氣的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0MPa）。

1.3 數(shù)學(xué)模型

Realizable k-ε 模型結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)可得到更加標(biāo)準(zhǔn)的射流混藥管內(nèi)部流場(chǎng)信息。因此，本文采用realizable k-ε 雙方程紊流模型進(jìn)行混藥管流場(chǎng)模擬，利用Fluent 作為數(shù)值仿真工具。根據(jù)多相流連續(xù)性方程和動(dòng)量方程可得：

式中，ρ、μ分別為密度和分子粘性系數(shù)。

本文湍流模型采用k-ε 模型。其中，k表示湍動(dòng)能，ε表示湍能耗散率。其求解方程如下：

式中，Gk表示平均速度梯度引起的湍動(dòng)能，Gb表示浮力引起的湍動(dòng)能，YM表示湍動(dòng)能脈動(dòng)膨脹造成的對(duì)總耗散率的影響。

其中，C1ε、C2ε、C3ε、σk、σi均為常數(shù)，分別等于1.44、1.92、0.09、1.0、1.3，湍流粘性系數(shù)

1.4 網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)估與仿真驗(yàn)證

選用其中一個(gè)射流混藥管模型進(jìn)行分析，若網(wǎng)格數(shù)量過(guò)少，會(huì)造成計(jì)算精度不夠，影響計(jì)算結(jié)果；網(wǎng)格數(shù)量過(guò)多，會(huì)造成計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，而且在仿真過(guò)程中會(huì)占用大量CPU 資源，影響工作效率。因此，選用正確的網(wǎng)格劃分手段顯得極為重要。該模型劃分的節(jié)點(diǎn)數(shù)為624 249，單元數(shù)為958 266，比文獻(xiàn)［16］的網(wǎng)格數(shù)量還要多，基本符合計(jì)算要求。網(wǎng)格質(zhì)量好壞主要看3 個(gè)參數(shù)是否達(dá)到要求，即雅克比率（jacobian ratio）小于40，傾斜角（skewness，最優(yōu)值為0，最差值為1）小于0.5，正交質(zhì)量（orthogonal quality，最優(yōu)值為1，最差值為0）大于0.5。該模型質(zhì)量評(píng)估參數(shù)如表2 所示。

Table 2 Model quality assessment parameters表2 模型質(zhì)量評(píng)估參數(shù)

接下來(lái)對(duì)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，檢查仿真計(jì)算結(jié)果是否符合要求，驗(yàn)證仿真計(jì)算是否能夠達(dá)到代替現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的要求。選用吸入口的角度為60°，開始進(jìn)行數(shù)值模擬，將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)［5］進(jìn)行對(duì)比。圖4 的對(duì)比結(jié)果顯示，兩個(gè)數(shù)據(jù)的曲線相近，表明Fluent 仿真可以很好地反映混藥管內(nèi)部情況。

2 仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

在仿真計(jì)算中，設(shè)置吸藥口的∠α 從10°～150°每隔10°取一個(gè)參數(shù)，其它參數(shù)固定不變。以xy plane 建立一個(gè)平面plane1，并以該平面為參考平面，建立相應(yīng)的壓力云圖、速度云圖、流線圖、速度矢量圖等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)分析。如圖5 為混藥管內(nèi)不同入口角度壓力場(chǎng)分布，圖6 為混藥管內(nèi)不同入口角度速度場(chǎng)分布，圖7 為混藥管內(nèi)不同入口角度的密度場(chǎng)分布（彩圖掃OSID 碼可見(jiàn)）。

Fig.4 Effectiveness comparison of numerical simulation圖4 數(shù)值模擬有效性對(duì)比

Fig.5 The internal pressure field of the mixing tube with inlet angles of 30 °，110 °and 180 °respectively圖5 入口角度分別為30°、110°、180°的混藥管內(nèi)部壓力場(chǎng)分布

Fig.6 Velocity field distribution in the mixing tube with inlet angles of 30 °，110 °and 180 °respectively圖6 入口角度分別為30°、110°、180°的混藥管內(nèi)部速度場(chǎng)分布

由圖5 可知，入口角度越小，在混藥管區(qū)形成的負(fù)壓值越大。這是因?yàn)樵诟邏?、低速的清水流?jīng)噴嘴過(guò)程中，由于噴嘴角的管徑變小，高壓、低速的流體變成了低壓、高速的流體。由于高速清水與空氣粘滯作用的存在帶走了吸入室里面的空氣，使之形成負(fù)壓。農(nóng)藥在大氣壓的作用下進(jìn)入混藥管中。而入口角度越小，混合流體與壁面的相互作用減少，能量損耗也隨之減少，混合流體的速度也越快，形成的負(fù)壓則越大。

圖6 也正好驗(yàn)證了圖5 的結(jié)論，即入口角度越小，混合流體的速度越快。由圖4 可知，在混藥管出口處都出現(xiàn)了一定程度的速度分層現(xiàn)象，下一部分的水流速度大于上一部分。這是因?yàn)橄乱徊糠值牧黧w在重力作用下，由于流體的相互作用，克服做功較少，可以保持較快的速度。

由圖7 可知，入口角度為180°和30°的混合液在混藥管出口處已混合均勻，而入口角度為110°的混藥管在混藥出口處并未混合均勻。

Fig.7 The distribution of density field in the mixing tube with inlet angles of 30 °，110 °and 180 °圖7 入口角度為30°、110°、180°的混藥管內(nèi)密度場(chǎng)分布

取不同入口角度射流混藥管軸心上的壓力值仿真結(jié)果，并繪制在同一坐標(biāo)系中。圖8 為入口角度∠α 取30°～180°時(shí)軸心上的壓力曲線。

Fig.8 Axial pressure curve of mixing tube圖8 混藥管軸心壓力曲線

由圖8 可知，當(dāng)入口壓力為0.4atm 的清水從射流嘴噴出后，水壓迅速下降。在射流嘴出口位置，水壓值遠(yuǎn)小于0MPa（這里是相對(duì)壓力，設(shè)大氣壓值為0MPa），此時(shí)，內(nèi)部氣壓值遠(yuǎn)小于外部。在大氣壓強(qiáng)的作用下，農(nóng)藥進(jìn)入混藥管中與清水混合。從圖8 中還可以看出，不同的入口角度都能夠?qū)崿F(xiàn)抽吸農(nóng)藥的作用。而且，吸入口角度越小，在混藥管內(nèi)形成的最低負(fù)壓則越小，但各個(gè)混藥模型的差距并不明顯。

通過(guò)對(duì)混藥管不同入口角度的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，并根據(jù)計(jì)算公式得到混藥比、壓力比以及效率值，然后將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Origin，繪出相應(yīng)折線圖。

圖9 中混藥比隨著入口角度的變化存在著一定波動(dòng)，且混藥比數(shù)值穩(wěn)定在0.58～0.76 之間，其中30°～40°、80°～90°、90°～100°波動(dòng)較大，其它范圍波動(dòng)相對(duì)較小?；焖幈仍趧傞_始的30°時(shí)是最大的，其次是90°。在30°混藥比較高是因?yàn)榇藭r(shí)入口角度較小，流體運(yùn)動(dòng)受到的阻力較小，形成的壓力差較大，藥液更容易進(jìn)入混藥管與清水混合。當(dāng)入口角度為90°時(shí)，液體流動(dòng)受到的阻力較大，這是因?yàn)榇藭r(shí)雖然流體的流通速度較慢，形成的壓差也較小，但此時(shí)水流量也不是很大，藥液在混合液的占比則會(huì)變大。

Fig.9 Relationship between mixing ratio and inlet angle in jet mixer圖9 射流混藥器內(nèi)混藥比與入口角度的關(guān)系

混藥管中工作壓力大小對(duì)工作效率的影響較大。壓力比越小，表明混藥管的壓力損失越小，能量消耗也較小。如圖10 所示，當(dāng)入口角度在30°～50°、90°～100°范圍內(nèi)變化時(shí)，壓力比隨著入口角度的增大而減少；當(dāng)入口角度在100°～180°范圍內(nèi)變化時(shí)，壓力比存在著一定波動(dòng)，但變化范圍不大。從圖中可以看出，壓力比最大的入口角度為30°，壓力比最小的入口角度為110°。

Fig.10 Relationship between pressure ratio and inlet angle of mixer圖10 混藥器壓力比與入口角度關(guān)系

混藥效率的高低是直接衡量混藥管好壞的標(biāo)準(zhǔn)，由圖11 可知，混藥效率與壓力比的變化趨勢(shì)幾乎一致。入口角度為30°時(shí)混藥效率最高，為11.6%，入口角度為110°時(shí)混藥效率最低，為4.74%，也即最高混藥效率高于最低混藥效率的兩倍多。入口角度從100°開始，混藥效率則變化不大，維持在一個(gè)較低水平。因此，混藥管入口角度不宜過(guò)大。根據(jù)低于最大混藥效率的20% 確定混藥管入口角度區(qū)間，以此確定最佳入口角度區(qū)間為30°～34.36°和86.05°～92.58°。

Fig.11 Relationship between mixing efficiency and inlet angle圖11 混藥效率與入口角度關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)Fluent 進(jìn)行數(shù)值仿真，當(dāng)改變?nèi)肟诮嵌葧r(shí)，其它參數(shù)也隨之變化，再利用Origin 對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，入口角度對(duì)混藥性能有著一定影響。當(dāng)入口角度較?。?100°）時(shí)，混藥比的變化幅度較大，之后隨著入口角度繼續(xù)變大，混藥比變化幅度不大。射流混藥管壓力比隨著入口角度增大，剛開始波動(dòng)很大，100°以后基本上趨于穩(wěn)定。混藥效率與壓力比的變化曲線基本一致。取值范圍選定在最高混藥效率的80% 之內(nèi)，從而得到最佳入口區(qū)間為30°～34.36°和86.05°～92.58°。

但是，混藥管的混藥性能并不是由混藥室入口角度這一單一變量決定的，該仿真是建立在前人研究的基礎(chǔ)上確定混藥管其它最優(yōu)參數(shù)，而且混藥管入口參數(shù)也是固定不變的。后期研究可考慮多個(gè)參數(shù)變量共同作用對(duì)混藥管混藥性能的影響，從而設(shè)計(jì)出性能最優(yōu)的混藥管。