寇金寶，龔國騰，邢炯，楊傳民

基于PIV的大豆蛋白液雙槍噴涂速度場的研究

寇金寶，龔國騰，邢炯，楊傳民

（天津商業(yè)大學，天津 300134）

為了在保證噴涂霧化表征均勻性的前提下實現(xiàn)寬幅覆膜，提高覆膜的效率，以期得到均勻一致的大豆蛋白覆膜。利用粒子圖像速度場儀（Particle Image Velocimetry，PIV），對不同干涉程度下的大豆蛋白液雙槍噴涂霧化場進行拍攝，利用PIV和Origin軟件處理圖像，得到速度數(shù)據(jù)并對比。隨著雙槍間偏轉角的增大，基線上的平均速度減小；偏轉角為0°時，兩噴霧粒子流在干涉線處碰撞，少有透過干涉線的粒子；在不同偏轉角下，基線上的速度峰值從大到小為偏轉角7°時的速度峰值、偏轉角0°時的速度峰值、偏轉角15°時的速度峰值；當偏轉角為0°時，隨著液壓的增大，基線上的第2個速度谷值會右移，并且會增大直至消去。當偏轉角為0°、液壓為0.24 MPa時，在基線上干涉區(qū)域內(nèi)的速度最均勻。

大豆蛋白液；雙槍噴涂干涉；粒子圖像速度場儀；速度場

為了在蔬菜紙上覆上一層均勻一致的大豆蛋白薄膜，本課題科研團隊對噴涂技術進行了研究。為保證噴涂覆膜的均勻性，需要保證噴涂霧化表征的均勻性，在此基礎上，本課題科研團隊利用PIV對噴涂霧化表征的均勻性進行了研究[1-3]。

噴涂指通過碟式霧化器或噴槍，利用壓力（或離心力），把噴槍內(nèi)的液體分散，形成均勻、細小的霧滴，然后噴涂到零部件表面的一種涂裝方法。隨著科學技術的發(fā)展，越來越多的領域都應用到了噴涂技術，像燃燒學霧化、食品和藥品加工中的噴霧干燥、農(nóng)藥噴霧、除塵與滅火、海水淡化等方面都應用到了噴涂技術[4-5]。噴涂技術的廣泛應用同時也促進著大量學者們對噴涂霧化過程的研究，Dafsari等[6]采用激光診斷技術，通過研究壓力旋流噴嘴的霧化質量和噴霧結構對不同黏度的航空燃料進行了實驗研究。Shadrin等[7]采用陰影攝影法對氣動噴嘴噴射水煤漿燃料的霧化和燃燒進行了研究。Fathinia等[8]用高速攝影機研究了過熱度、入口壓力和入口溫度對3種不同類型全錐形噴嘴噴射角的影響。

PIV能夠克服熱線只能單點測量的限制，可以快速準確地測量出某個截面的空間流場，得到該截面流場的空間結構和速度矢量場，是一種先進的無擾動流場測量技術[9-10]，在沖擊射流的流場結構和流動特征研究中得到了廣泛應用。沈鑫垚等[11]、Lyulin等[12]、Murakami等[13]、Zhao等[14]、Abbas等[15]都利用PIV技術對各自待測流場的速度場進行了測量，都取得了準確的實驗結果。

基于本課題科研團隊對單槍噴涂霧化表征均勻性的研究，為了實現(xiàn)寬幅覆膜，增大覆膜效率，本文提出雙槍噴涂的設想，并引入偏轉角的概念，對雙槍噴涂霧化表征的均勻性進行研究。研究在不同干涉情況下（不同的偏轉角）雙槍噴涂霧化場速度場的變化規(guī)律。

1 實驗

1.1 原料與設備

實驗原料：大豆分離蛋白粉，來自汕頭市聚豐隆生物科技有限公司；蒸餾水，來自實驗室自制；羧甲基纖維素鈉（食品級，質量分數(shù)為1%），來自河南穎雪生物科技有限公司；聚羧酸鹽（食品級，質量分數(shù)為1%），來自山東富舜新材料科技有限公司；甘油（食品級），來自鄭州萬盛食品商行。

主要設備：安東帕高級流變儀，意大利Anton paar公司；FD–101–BA型自制攪拌型加熱液油攪拌釜，天津商業(yè)大學自制；扇形電子脈沖空氣助力霧化噴嘴，斯普瑞噴霧系統(tǒng)上海有限公司；MSM–2250型控制器，斯普瑞噴霧系統(tǒng)上海有限公司；斯普瑞噴霧系統(tǒng)上海有限公司，北京立方天地科技發(fā)展有限公司；伺服電機驅動二維噴涂霧化平臺，無錫迪恩斯傳動科技有限公司。

1.2 裝置及方法

噴涂霧化場圖像采集系統(tǒng)主要是由噴涂控制系統(tǒng)、二維移動架和PIV系統(tǒng)組成，如圖1所示。將大豆蛋白混合液放入噴涂系統(tǒng)的保溫缸中，由二維移動架固定噴嘴，將兩噴嘴間的距離、角度調(diào)整好后，由噴涂控制系統(tǒng)控制噴涂過程的流量、液壓和氣壓，大豆蛋白混合液和空氣分別經(jīng)由液路和氣路在噴嘴處匯合形成噴霧。開始噴霧后，PIV系統(tǒng)的激光發(fā)生器打出一束垂直于水平面的激光面，將噴霧面打亮，此時高速攝像機將對噴霧面進行拍攝，拍攝出清晰的大豆蛋白噴霧場照片，隨后即可對照片進行處理。

1.3 實驗方案

本文設置噴涂系統(tǒng)控制大豆蛋白液噴出的噴涂參數(shù)：流量為30、50和70 mL/min，液壓為0.08、0.16和0.24 MPa，氣壓為0.08、0.16和0.24 MPa。設置偏轉角變量為0°、7°和15°。對比不同氣壓和液壓下，偏轉角對沉積基線上粒子速度的影響。

圖1 噴涂霧化場圖像采集系統(tǒng)

1.4 實驗模型的建立

利用PIV系統(tǒng)對雙槍噴涂系統(tǒng)的噴霧進行拍攝，可得到兩噴霧面相交匯的形貌圖像。為了更好地研究各個變量之間的關系，本文對雙槍噴霧面中的噴射高度、噴頭間距、沉積基線長度、偏轉角和干涉基線進行了定義。各參數(shù)標注如圖2所示，以探求雙槍噴涂霧化表征的噴涂規(guī)律。

噴射高度（）是噴頭到基帶的垂線距離，其高度由實際噴涂沖擊速度大小所定，本實驗噴射高度的取值為350 mm。

噴頭間距（）是兩噴頭之間的直線距離，由噴射高度（）及以下噴霧角選定。本實驗選取的噴頭間距為60 mm。

沉積基線長度（）是在固定的噴射高度、固定的噴涂參數(shù)以及固定的兩噴頭位置下，噴霧落在基帶上的最長距離。若改變上述參數(shù)，沉積基線長度也會改變。如圖2所示，雙槍噴涂過程中，沉積基線長度等于面Ⅰ沉積基線長度（a＋b）與面Ⅱ的沉積基線長度（c＋d）之和減去干涉基線長度Δ。和Δ的計算是基于統(tǒng)計學方法，依據(jù)多幅PIV圖像表達的噴霧場尺度求平均值。

圖2 雙槍噴霧場主視圖模型

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

偏轉角（）為兩噴頭在圓柱副上的夾角。在圖2和圖3中，固定圓柱，將噴頭始終固定在圓柱橫桿上，將、兩噴頭噴霧扇形面調(diào)至同一平面上，此時、兩噴頭的夾角為0°，繞圓柱副旋轉噴頭，旋轉的角度為偏轉角（）。、兩噴頭噴出的噴霧面分別是面Ⅰ和面Ⅱ，不為0時，、兩噴頭的2個扇形面不共面，面Ⅰ的位置始終是固定的，本文通過旋轉面Ⅱ來控制偏轉角的變化。

1.5 實驗數(shù)據(jù)處理方法

利用PIV軟件處理圖像數(shù)據(jù)，得到雙槍噴霧場各點的速度數(shù)據(jù)。由于高速攝像機在拍攝時無法清晰地將整個雙槍噴霧場拍全，所以拍攝的速度數(shù)據(jù)集中在兩噴頭之間。為了探尋干涉對速度的影響，本文利用Origin軟件提取了面Ⅰ的單槍噴霧邊界，并以此為邊界。在固定的噴射高度下提取不同偏轉角下面Ⅰ的右沉積基線上的速度數(shù)據(jù)，來研究面Ⅱ對面Ⅰ的右沉積基線上速度的影響。

圖3 雙槍噴霧場左視圖模型

2 結果與分析

2.1 偏轉角對沉積基線上平均速度的影響

兩噴嘴間距是一定的，選取的噴涂流量為30 mL/min。為研究偏轉角的變化對大豆蛋白噴霧沉積基線上的速度的影響，對比不同噴涂參數(shù)下，面Ⅰ右沉積基線上的平均速度大小。為了更直觀地觀察同參數(shù)下不同偏轉角的沉積基線平均速度，將不同噴涂液壓、噴涂氣壓標注為1到9號，如表1所示，標注組號后作出曲線如圖4所示。

由圖4可知，除了第4組外，其余各組面Ⅰ右沉積基線的平均速度大小隨偏轉角的變化規(guī)律為隨著偏轉角的增大，面Ⅰ右沉積基線的平均速度減小。當偏轉角為0°時，干涉面（面Ⅱ）與待測面（面Ⅰ）處于同一平面內(nèi)，此時面Ⅱ的部分左沉積基線與面Ⅰ的右沉積基線重合，面Ⅰ的右沉積基線上大豆蛋白混合液霧化粒子增多，氣液動能增大，使得面Ⅰ右沉積基線上的粒子平均速度也增大。當偏轉角為7°時，面Ⅱ相對面Ⅰ偏轉了7°。由于實驗所用的扇形噴頭噴出的扇面是有厚度的扇面，偏轉了小角度，右側的B噴頭所噴出的面Ⅱ之外的霧化粒子還是會落在噴頭面Ⅰ的右沉積基線上，粒子增多，動能增大，右沉積基線上的平均速度也增大。但由于噴頭噴出的霧化粒子主要集中于面Ⅱ之中，面Ⅱ之外的霧化粒子相對較少，所以偏轉7°后，落在面Ⅰ右沉積基線上的霧化粒子也比偏轉0°時的少，且此時的平均速度小于偏轉角為0°時的平均速度。當偏轉角為15°時，兩噴頭的霧化場完全分離，不再發(fā)生干涉現(xiàn)象，此時面Ⅰ的右沉積基線上僅有噴頭噴出的霧化粒子，因此，其平均速度小于偏轉角為0°和7°時的平均速度。第4組偏轉角為0°時的平均速度小于偏轉角為7°時的平均速度，觀察其速度場圖像，發(fā)現(xiàn)速度場圖像中出現(xiàn)了孔洞，推測可能是噴頭發(fā)生了堵嘴的情況，使得沉積基線上的速度減小。

表1 噴涂參數(shù)標號

Tab.1 Spraying parameter label

圖4 面Ⅰ右沉積基線上各點的平均速度對比

2.2 偏轉角對沉積基線上各點的速度分量大小的影響

根據(jù)噴涂流量為30 mL/min、液壓為0.08 MPa和氣壓為0.08 MPa的速度數(shù)據(jù)作出折線圖，如圖5所示。軸為面Ⅰ右沉積基線上各測點的坐標，軸為面Ⅰ右沉積基線上各測點的速度大小。

圖5 偏轉角對面Ⅰ右沉積基線上各點速度的影響

如圖5所示，偏轉角為15°時，各噴涂參數(shù)下沉積基線上的粒子速度沿著軸方向大體上是呈現(xiàn)先減小再增大再減小的趨勢。當偏轉角為0°，沉積基線上的粒子速度沿著軸方向呈先減小后增大，再減小再增大的趨勢；當偏轉角為7°時，沉積基線上的粒子速度沿著軸方向大體上是呈先減小再增大再減小的趨勢，并且峰值要高于偏轉角為15°和0°時。

當偏轉角為0°時會出現(xiàn)第2個谷值，這是由于此時的兩噴霧面粒子流會在谷值處附近交匯，在面Ⅱ粒子流的干預下，噴頭為此段基線粒子提供主要動能，所以在此位置的速度會隨著軸上升。當偏轉角為7°時，其峰值要高于偏轉角為15°和0°時，這是因為此時的面Ⅰ和面Ⅱ相較于0°時不直接交匯，粒子流碰撞不明顯，所以此時面Ⅱ的粒子會越過干涉線，部分粒子會落在面Ⅰ右沉積基線上增大基線上的速度。

2.3 液壓對沉積基線上各點的速度大小的影響

根據(jù)噴涂流量為30 mL/min、氣壓為0.24 MPa、液壓為0.08、0.16和0.24 MPa的速度數(shù)據(jù)作出折線圖，見圖6a—c。軸為面Ⅰ右沉積基線上各所測點的坐標，軸為面Ⅰ右沉積基線上各測點的速度大小。

如圖6所示，隨著液壓的增大，各偏轉角下的速度曲線圖的峰值和谷值會有向右移動的趨勢，并且當偏轉角為0°時，第2個谷值逐漸增大，直至消去。

圖6 液壓對面Ⅰ右沉積基線上各點速度的影響

實驗結果表明，在同一偏轉角下，相較于不同氣壓，不同液壓對噴霧粒子速度影響更大，沉積基線上的粒子速度折線圖隨著噴涂液壓的變化而變化，這主要受沉積基線的長度發(fā)生變化的影響。噴涂液壓提供了噴頭噴出噴霧的主要動力，隨著液壓的增大，噴頭內(nèi)部推動噴霧噴出的推動力增大，而噴涂流量和噴涂氣壓不變，這樣就使得噴霧的噴霧角增大，沉積基線長度增大。

2.3.1 沉積基線的長度變化對峰值和谷值位置的影響

如圖7所示，通過觀察并計算大量速度場圖像，發(fā)現(xiàn)噴頭的噴霧沉積基線要比噴頭的噴霧沉積基線長，且噴頭沉積基線長度隨著液壓的增加比噴頭增加的更長。由于噴嘴的結構不發(fā)生變化，隨著沉積基線的拉長，速度隨位移變化圖也發(fā)生拉長的現(xiàn)象，所以隨著噴涂液壓的增加，峰值會向右移動。面o和面o分別為噴涂液壓為0.08 MPa時噴頭和噴頭的噴霧面，此時干涉主要發(fā)生于線段附近。因為在靠近噴霧面邊緣處，沉積基線上的速度會由靠近中心向邊緣逐漸減小，這是由沉積基線邊界點的確定所決定的，線段處正處于、兩噴頭噴霧面的邊界處，所以谷值在點附近。當噴涂液壓為0.16 MPa時，由于的沉積基線的增加量大于的，大于，所以點向右偏移到點，谷值在點附近，谷值會向右移動。

圖7 沉積基線長度變化

2.3.2 沉積基線長度的變化對峰值和谷值大小的影響

面Ⅰ右沉積基線上的速度峰值只與噴頭的結構和噴涂參數(shù)有關，隨噴涂液壓、氣壓的增大而增大。面Ⅰ右沉積基線上的第2個速度谷值隨沉積基線的增大而增大。由于噴嘴的結構不發(fā)生改變，速度曲線拉長，面Ⅰ右沉積基線上的速度曲線靠近邊緣處的峰值逐漸右移，而面Ⅱ的峰值向左移，從而交會處的谷值會隨著沉積基線長度的增大而增大，直至消去谷值產(chǎn)生新的峰值。如圖6c所示，當噴涂液壓為0.24 MPa時谷值已經(jīng)消去。

如圖6a—b所示，當噴涂液壓為0.08 MPa和0.16 MPa時，偏轉角為7°時的峰值普遍大于偏轉角為0°時的峰值，且偏轉角為0°時的峰值普遍大于偏轉角為15°時的峰值。在圖6所示各參數(shù)下，偏轉角為7°時的變化趨勢都與偏轉角為0°時的變化趨勢相似，但是面Ⅰ右沉積基線上各點的速度大小普遍大于偏轉角為0°時的。

當噴涂液壓為0.08 MPa和0.16 MPa時，偏轉角為7°時的峰值較高。這是因為與偏轉0°相比，偏轉7°時面Ⅱ會有更多的粒子穿過干涉線去影響面Ⅰ右沉積基線上的速度，使其在面Ⅱ左沉積基線邊界內(nèi)的速度增加，所以偏轉角為7°時的峰值普遍大于偏轉角為0°時的峰值，且各測點的速度均普遍大于偏轉角為0°時的。同理偏轉角為0°時，雖穿過干涉線的粒子不如偏轉7°時的多，但也有部分粒子穿過，因此各測點速度普遍大于偏轉15°時的測點速度。當噴涂液壓為0.24 MPa時，由于面Ⅰ峰值的左移和面Ⅱ峰值的右移，偏轉角為0°時的峰值可能是兩峰值的疊加而成的，所以其峰值要大于偏轉7°時的峰值。

3 結語

為了在保證噴涂霧化表征均勻性的前提下實現(xiàn)寬幅覆膜，本文在單槍噴涂的基礎上設計了雙槍噴涂實驗，在雙槍噴涂實驗中設計了一個新物理量——偏轉角。通過改變偏轉角的大小來控制干涉程度，探尋不同干涉情況下噴霧場的速度變化規(guī)律，研究雙槍噴涂霧化表征的速度均勻性，為實現(xiàn)寬幅覆膜奠定理論基礎。

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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

天津市自然科學基金重點項目（15JCZDJC34100）

寇金寶（1981—），男，實驗師，主要研究方向為機械設計和機械制造。

責任編輯：曾鈺嬋