周書嫻, 石毅新, 蔣蘋

(湖南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院, 長沙 410128)

混合器是施藥機械的關(guān)鍵部件之一，其性能優(yōu)劣直接影響施藥的品質(zhì)。近年來，許多學者致力于在線混藥器的研究，目前主要有注入混藥與射流混藥兩類。兩者在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理及混合效果上具有一定差異。注入混藥的混合器主要通過外部硬件注入藥液進行混合。射流混藥中的單級射流式混合器無需外部取藥動力源，主要靠自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負壓來吸取藥液，進而達到混合的效果。馬洪彬等[1]對橢圓螺旋管道混合器混合效果進行了模擬研究，其結(jié)構(gòu)簡單，但內(nèi)部流場復雜，不同流速的液體對混合效果影響有限。李羊林等[2]根據(jù)植保機機械的要求，設(shè)計并試驗出雙級射流混藥裝置，該裝置混藥比較小，混合效果較好，但尚未對兩級射流混合器各參數(shù)之間相互影響進行研究。江健[3]基于FLUENT對農(nóng)藥射流混合器進行了仿真與優(yōu)化，得出半螺紋擴散管的混合效果最好，但從實際出發(fā)，在內(nèi)錐圓表面加工螺旋槽難度過大，對材料性能要求過高，且精度難以保證。宋海潮等[4]對旋動射流混藥器的螺旋彎曲收縮管螺距和分流器位置的模擬優(yōu)化進行了分析，通過三因素三水平正交試驗確定最佳收縮管螺距和分流器位置，混合均勻度較高，但該混藥器結(jié)構(gòu)較小，不適用于大型植保機械作業(yè)。陳駿陽等[5]利用圖像處理對農(nóng)藥在線混合均勻性進行了分析，但這種方法干擾因素較多，不適用于簡易的試驗條件。

綜上，射流式混合器由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、混合效果好而被廣泛應(yīng)用于植保機械上，但目前射流混合器仍存在混合比小、結(jié)構(gòu)小、不適用于大面積農(nóng)作物需求、能量損耗大、動態(tài)響應(yīng)性不理想等問題。本文利用兩級射流實現(xiàn)大比例混合，同時通過藥、水注入系統(tǒng)，補充混合器的能量損失，進而實現(xiàn)大流量、大混合比、高精度、高響應(yīng)性的兩級注入式射流混合。

為了滿足多種經(jīng)濟作物的生長需求，本文設(shè)計水藥混合比為300∶1～3 000∶1，且農(nóng)藥混合變異系數(shù)小于5%[6]，利用ANSYS FLUENT軟件仿真探究一級注入式射流混合器與二級注入式射流混合器之間配合的參數(shù)對混合器均勻性的影響，分析了不同藥液流速對混合器徑向面變異系數(shù)影響，并通過紫外分光光度法對混合器的混合效果進行檢測[7-15]。該研究可為后期的兩級注入式射流混合系統(tǒng)的優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 兩級射流混合器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1.1模型及工作原理 本文設(shè)計了一種兩級注入式射流混合器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由2個單級射流混合器組成：一級射流混合器主要由收縮管、喉管、擴收管、進水口和入藥口組成；二級射流混合器主要由進水口、收縮管、喉管、擴散管、光管組成。其工作原理為：在一級射流混合器內(nèi)，將錐形管道內(nèi)高壓水的壓力能轉(zhuǎn)換成速度能，形成高速流體，在喉管內(nèi)與注入的藥液發(fā)生撞擊作用，分子的布朗運動驅(qū)動流體分子從濃度高向濃度低擴散，再流入擴收管，把速度能轉(zhuǎn)換成壓力能再轉(zhuǎn)換成速度能，一級混合好的藥水高速流入二級混合管內(nèi)，與水再次稀釋混合。兩級注入式射流混合器的結(jié)構(gòu)，根據(jù)裝車實際空間大小，設(shè)計一級進水口直徑為32 mm；二級混合器進水口直徑為65 mm。在以上參數(shù)不變情況下，本研究對噴嘴、一級喉管、擴收管、二級喉管和擴散管參數(shù)的配合進行優(yōu)化選擇。

注：1—一級入水口；2—一級收縮管；3—一級入藥口；4—一級喉管；5—一級擴收管；6—二級入水口；7—二級喉管；8—二級擴散管；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.圖1 兩級注入式射流式混合器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of two-stage injection jet mixer

1.1.2混合原理控制方程 對于二級混合器出口面和混合管進口面，其動量方程如下。

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

(1)

式中，PA、PC分別為混合管進口管壓力和混合管出口管壓力，MPa；AA為面積，m2；QS、Q1、Q2為藥液流量、一級水流量、二級水流量，m3·s-1；V1、Vc、V2為二級射流混合器進口速度、一級射流混合器出口速度、二級射流混合器出口速度，m·s-1；ρ1、ρ2、ρ為水密度、一級混合液出口密度、二級混合液出口密度， kg·m-3。

伯努力方程如下。

(2)

式中，P2、PC、P0分別為兩級射流混藥器一級出口混合流體壓力、二級出口混合流體壓力、一二級入口流體壓力，MPa;V2、VC、V3分別為一級射流混合器出口速度、二級射流混合器出口速度、二級射流混合器進口速度，m·s-1；ρ1、ρ2、ρ3分別為水密度、一級混合液出口密度、二級混合液出口密度，kg·m-3，H為高度差， mm。

雷諾系數(shù)公式和平均流速公式[21]如下。

(3)

式中，ζ兩相液體的平均流速，m·s-1；v1、v2分別為一相、兩相液體的體積流量，m3·s-1；η為液體粘性系數(shù)；ρ為液體密度；d為入口直徑,mm。

通過式(3)計算得出該混合器為完全湍流模型，當流體為低粘度湍流條件時，流場選為標準的K-ε湍流模型。由于混合器內(nèi)的藥水分別為兩種不同濃度的液體混合，故本模型屬于兩相流體相互貫穿混合，所以混合物的求解利用動量方程，通過相對速度來描述其離散相。

(4)

式中,ΔQS、Q1、Q2、ΔQ為藥液流量、一級水流量、二級水流量和總水流量， m3·s-1。

1.2 試驗材料與設(shè)備

兩級注入式射流混合器試驗系統(tǒng)包括進水模塊、進藥模塊、混合器和噴藥模塊，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，進水模塊選用YG-4160型活塞式隔膜泵，轉(zhuǎn)速600 r·min-1，功率匹配5.5 kW,流量160 L·min-1,壓力3 MPa。水泵的外部動力來自YE2-160M2-8三相異步電動機，功率5.5 kW，電壓380 V。隔膜泵出口的水通過三通連接到混合器的兩級進水端，均采用渦輪電子流量計檢測流量，流量范圍9～140 L·min-1，精度±0.5%。進藥模塊選取新道茨隔膜計量泵，流量1～30 L·h-1，電壓220 V,精度誤差±2%。藥液的流量調(diào)節(jié)主要通過改變頻率來實現(xiàn)。藥流量計選用浮子流量計?；旌掀鞯倪M水端與出水端均選取Y-60普通壓力表，規(guī)格0～1.6 MPa。噴頭采用VP110015，壓力0.2 MPa，流量0.45 L·min-1。為了檢測混合器適用的農(nóng)作物種類和植密度，本研究開展了混合器的混合均勻性檢測試驗。試驗于2020年7月在湖南農(nóng)業(yè)大學第八教學樓農(nóng)機實驗室進行。試驗農(nóng)藥使用胭脂紅進行代替，利用紫外分光光度法進行定量試驗，配制4份6 g·L-1的胭脂紅溶液，分別按3 000∶1～300∶1比例稀釋，得到4份不同濃度的標準樣品。利用紫外分光光度計測定樣品數(shù)據(jù)并進行處理，其方程如下。

注：1—藥箱；2—過濾器；3—藥泵；4—流量計；5—壓力表； 6—混合器；7—分水器；8—水箱；9—柱塞泵；10—比例閥；11—噴頭。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.圖2 二級射流混合器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of the two-stage jet mixer system

ABS=10.572 1C+0.016 38

(5)

式中，ABS為吸光度；C為藥液濃度，mg·mL-1。

1.3 仿真試驗方法

1.3.1CFD建模 兩級注入式射流混合器的三維模型利用Solidworks軟件繪制，以二級射流混合器軸線為Z軸，一級射流混合器軸線為X軸，采用Icem進行網(wǎng)格劃分，兩級管相連處進行網(wǎng)格細化，全局最大網(wǎng)格設(shè)置為5，總網(wǎng)格數(shù)為1 598 255,如圖3所示。兩級注入式射流混合器的內(nèi)部液體流動和混合性能通過軟件 ANSYS FLUENT 16.0進行數(shù)值模擬。在FLUENT中，根據(jù)混藥比以及管口大小，設(shè)計一級射流水流速度為0.829 m·s-1，一級射流藥流速度為2.48 m·s-1，二級射流水流速度為0.503 m·s-1。輸入壓力1 MPa，湍流強度均為5%，出口設(shè)定為壓力出口。兩相液體物理特性如表1所示?；旌掀鲀?nèi)存在兩相液體流動，為使得計算收斂，選取藥液體積分數(shù)作為監(jiān)控參數(shù)，當殘差曲線小于 1×10-5且選取的監(jiān)控參數(shù)在一定的范圍內(nèi)進行周期性變化時，可視作計算收斂。入水口和入藥口均設(shè)置為速度入口，求解選用Simple計算方法，二階迎風離散型。通過在FLUENT的計算過程中設(shè)置Monitors監(jiān)控二級射流管出口面的藥液體積分數(shù)，從5 000步收斂計算中保存最后300步的數(shù)據(jù)，計算出平均數(shù)、標準差以及變異系數(shù)。

表1 兩相液體物理特性Table 1 Two-phase liquid physical properties

圖3 CFD網(wǎng)格Fig.3 CFD grid

1.3.2噴嘴直徑數(shù)值模擬 收縮管結(jié)構(gòu)如圖4所示。噴嘴的前端連接收縮管，其作用是把壓力能轉(zhuǎn)換為速度能[16-20]，收縮管主要由進水直徑(L)、收縮管長度(Y)、收縮管角度(?)決定，他們之間的相互關(guān)系如式(6)所示。經(jīng)過前期模擬計算收縮管為21°效果最佳。若加長收縮管長度，噴嘴直徑將減少，喉管內(nèi)阻力系數(shù)增大，藥與水在喉管內(nèi)發(fā)生劇烈的混流。

圖4 收縮管結(jié)構(gòu)Fig.4 Shrink tube structure

(6)

式中，L1為進水直徑，L2為噴嘴直徑，Y為收縮管長度，mm；?為收縮管角度，(°)。

本研究中，根據(jù)預仿真得到一級噴嘴直徑在7～9 mm范圍內(nèi)，射流混合器混合效果好，二級噴嘴直徑為16～21 mm內(nèi)范圍時，射流混合器效果好，選取一部分數(shù)據(jù)對兩級注入式射流混合器進行仿真。

1.3.3喉管長度和擴散管角度的數(shù)值模擬 基于以上因素的仿真結(jié)果，選取一級喉管長度、二級喉管長度、一級射流擴收管短軸長度和二級射流擴散管角度四個較為顯著的因素，研究其對混合均勻度的影響。當一級射流管選用擴散管時，液體從大的擴散管進入相對管徑較小的二級射流喉管時，容易導致液體在混合器內(nèi)產(chǎn)生畸變，且壓力損失較大。所以將一級射流混合管的擴散管改為擴收管。擴收管結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖中2b代表短軸長度，介于9～32 mm之間。根據(jù)文丘里管的設(shè)計標準，喉管長度范圍為噴嘴直徑的(5～7)倍，擴散管角度為7°～15°。采用四因素四水平的正交方法進行仿真，如表2所示。

表2 正交試驗因素水平Table 2 Level of orthogonal test factor

圖5 一級射流混合器擴收管Fig.5 Expansion tube of the first-level jet mixer

1.3.4不同藥液流速的數(shù)值模擬 藥液流速的改變不僅改變了藥液流量，還使得混合器的混合比發(fā)生相應(yīng)的變化[21-24]，進而可能會影響到兩級注入式射流混合器的混合效果。為了討論藥液流速對混合器均勻性的影響，藥液流速分別以不同的混藥比進行仿真設(shè)計。不同混合比對應(yīng)不同流速如表3所示。

表3 不同混合比對應(yīng)不同藥流速Table 3 Different mixing ratios correspond to different flow rates

2 結(jié)果與分析

2.1 仿真結(jié)果與分析

2.1.1噴嘴直徑對混合器混合均勻性的影響

由公式(6)可知，收縮管的長度與噴嘴直徑成反比。為深入分析噴嘴直徑對混合效果的影響，根據(jù)公式可得出收縮管長度，如表4所示。一級收縮管直徑不變，改變二級收縮管直徑，出口面的變異系數(shù)具有顯著的變化趨勢。這是由于二級混合器的噴嘴直徑不僅對本身的出口具有直接影響，而且影響管內(nèi)面積的大小，使得軸向的壓力梯度產(chǎn)生較大或較小的橫向速度分量，流場內(nèi)誘發(fā)一定強度的剪切流，并產(chǎn)生不同分布的混合。二級收縮管出口直徑不變，改變一級收縮管出口直徑，對混合管出口的變異系數(shù)影響不大。這是由于一級射流管較小，內(nèi)部的藥與水在相差只有1 mm的混合管內(nèi)混合對二級射流管的出口面影響較小。二級射流管噴嘴直徑為21 mm時變異系數(shù)均較低，一級射流管為9、8、7 mm時，變異系數(shù)分別為0.022 1、0.036 1、0.048 8，理論上變異系數(shù)小于0.05表示混合均勻，變異系數(shù)越小，混合效果越好。圖6所示為出口面體積分數(shù)，圖中有明顯色差和明暗差異均表示混合均勻程度不高，反之，混合均勻度高，且變異系數(shù)小。綜上可知，噴嘴直徑對兩級注入式射流混合器的混合均勻度具有重要影響，單從混藥均勻性這一因素分析，S1混合器效果最好。

表4 可變參數(shù)噴嘴直徑Table 4 Variable parameter nozzle diameter

注：圖中序號、參數(shù)設(shè)置同表4。Note: Number and parameter design are same as those in Table 4.圖6 出口面混合體積分數(shù)Fig.6 Volume fraction of mixed surface at exit surface

2.1.2喉管長度和擴散管角度對混合均勻性的影響 由于指標越小越好，從表5可以看出，最優(yōu)組合因素水平為A2B1C2D1,即一級喉管長度為45 mm、 二級喉管長度為80 mm、一級射流擴收管短軸長度為26 mm、二級射流擴散管角度為7°。根據(jù)極差值F可以判斷各因素對仿真結(jié)果的影響是否顯著，極差值越大，則表明該對應(yīng)的因素越重要。因此，四種因素的影響排序為：B>D>A>C，即二級射流混合器喉管長度影響最大，其次是二級射流擴散管角度、一級射流混合器喉管長度，而一級射流擴收管短軸長度對試驗結(jié)果影響最不明顯。由表6的方差分析的結(jié)果來看，其顯著性結(jié)果與直觀分析結(jié)果相一致。

表5 正交設(shè)計方案及直觀分析Table 5 Orthogonal design scheme and intuitive analysis

表6 方差分析Table 6 ANOVA

2.1.3藥液的入口流速對混合器均勻性的影響

不同藥液流速對混藥器徑向面變異系數(shù)影響如圖7所示。通過分析可知，不同藥液流速的變異系數(shù)相差不大，且沿混合管的軸向變化規(guī)律相同。藥液與水在距離進口81 mm處開始發(fā)生碰撞和交叉混合，藥水混合經(jīng)過129 mm處,基本達到混合均勻。所以這種兩級混合器可以在多種混合比范圍內(nèi)達到相同的混合效果。這是由于進入混合器的藥量相對于水量極少，即使混合比增大、藥量減少，也不會引起較大的流場改變和液體微團的雜亂運動，因此藥液流速對混合器的混合影響不大,且能達到300∶1～3 000∶1的混合比。

圖7 不同藥液流速對混藥器變異系數(shù)影響趨勢Fig.7 Trend of the influence of different liquid flow rates on the coefficient of variation

2.2 定量結(jié)果分析

2.2.1不同混合比的定量結(jié)果分析 分別用量杯從同一噴頭進行取樣，一次取樣2 s，同一混合比和同一總水量，取樣8次，試驗結(jié)果如表7所示。同一混合比的試驗值與實際值的最大誤差為3.5%，模擬值與試驗值的最大誤差為12.1%，且變異系數(shù)最大值為0.037 88。試驗結(jié)果得出的變異系數(shù)相差不大，且達到了混合均勻性的標準，這是由于藥液濃度與水濃度相比較小，且混合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，驅(qū)動了藥與水的劇烈混流，在藥水混合比范圍為300∶1～3 000∶1內(nèi)，獲得較好地混合均勻性。

表7 不同混合比的定量結(jié)果Table 7 Quantitative results of different mixing ratios

2.2.2不同混藥比和水流量下混合器混合均勻性分析 水流量不變，通過改變藥流量，進行不同混合比試驗，選取4個混合比，每組進行8次試驗，不僅僅減少了數(shù)據(jù)的偶然性還加大了數(shù)據(jù)的精準性。在不同混合比的條件下改變每一級的水流量或改變隔膜泵的總水量。每組再做8次試驗，得到均勻性變異系數(shù)如表8所示。試驗結(jié)果的混合變異系數(shù)均在0.041 2以下,能達到混合均勻，這是由于混合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)符合藥水均勻混合的要求。由此分析可知，無論改變水流量還是藥流量，均能證明兩級注入式射流混合器符合設(shè)計需求，且能適用于不同面積的植保作業(yè)。

表8 不同混藥比和水流量下藥液混合均勻性Table 8 Mixing uniformity of the medicine under different mixing ratios and water flow rates

3 討論

本文結(jié)合射流混合器與注入混合的優(yōu)點，創(chuàng)新性地提出了兩級注入式射流混合器以實現(xiàn)大比例混藥，同時通過注入方式實現(xiàn)藥水的精準供給與能量損失補償，進而保證混藥后的噴施效果。相比現(xiàn)有的射流混合器，兩級注入式射流混合器混合比范圍大、混合效果好、精確性高、響應(yīng)迅速，且噴施時無需二次加壓。

通過對混合器的噴嘴直徑、喉管、擴散管以及擴收管的參數(shù)進行分析，利用直觀分析法和方差分析法得出兩級混合器最佳組合為A2B1C2D1(一級喉管長度為45 mm、 二級喉管長度為80 mm、一級射流擴收管短軸長度為26 mm、二級射流擴散管角度為7°)。且試驗結(jié)果顯示變異系數(shù)小于0.041 2，試驗值與模擬值能達到基本的吻合，說明利用CFD仿真設(shè)計的兩級注入式射流混合器具有一定的可靠性。經(jīng)對不同藥水混合比的仿真試驗，結(jié)果表明，混合比增大，藥量減少，對變異系數(shù)影響不大，說明兩級注入式射流混合器適用于300∶1～3 000∶1的大范圍混合比，該研究可為后期兩級注入式射流混合系統(tǒng)的優(yōu)化提供參考。但試驗混合比過大時，農(nóng)藥含量過低，易造成吸光度過低，所以存在一定誤差，造成同一混合比的模擬值與試驗值的最大誤差為12.1%，同一混合比的試驗值與實際值的最大誤差為3.5%。目前，植保機混合器的評價指標有三個，分別為壓力損失、混合比和均勻度。本文分析了混藥比和均勻性問題，并得出了一定的結(jié)論，提高了植保機混合器的性能，使其能應(yīng)用于各種植保機械上，減小混合器內(nèi)部的壓力損失還有待進行下一步的研究。