劉秀娟,張慧春

(1. 南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇 南京 210037; 2. 南京林業(yè)大學(xué)林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210037)

植物生長過程中的病害、蟲害、雜草的控制與農(nóng)藥應(yīng)用技術(shù)直接相關(guān),而噴頭的霧化方式直接影響著農(nóng)藥的應(yīng)用效益[1-2].近些年病蟲害精準(zhǔn)防治技術(shù)越來越受到重視[3-4],為了研究噴頭霧化效果,需要進(jìn)行全面的實(shí)地現(xiàn)場測試[5-7],通常試驗(yàn)成本高昂,可重復(fù)性差,可操作性不強(qiáng).因此,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)技術(shù)作為一種有效和成熟的工具,以其數(shù)值模擬的特點(diǎn),解決了因試驗(yàn)條件限制難以解決的問題,得到了廣泛應(yīng)用.

目前,國內(nèi)外一些學(xué)者已做了一些噴霧機(jī)工作時(shí)霧滴沉積分布或飄移CFD模擬研究.DUGA等[8]將4種不同的蘋果樹和梨樹冠型集成到幾何模型中,設(shè)計(jì)了3種空氣輔助果園噴霧機(jī),模擬果園氣流對噴霧分布的影響.王景旭等[9]基于CFD模擬探討了在溫室環(huán)境中用氣流輔助方式噴施農(nóng)藥時(shí),施藥對象周圍的流場對霧滴飛行軌跡及霧滴附著行為產(chǎn)生的影響.HONG等[10]將粒子束按直徑離散成108～390 μm的霧滴,以Rosin-Rammle分布規(guī)律從移動(dòng)噴霧機(jī)口注入,作為CFD模型的霧滴源,研究蘋果園的樹冠上霧滴沉積、脫靶沉積和飄移.傅澤田等[11]建立了Hardi LB-255型果園風(fēng)送式噴霧機(jī)氣流場速度分布仿真模型,并設(shè)計(jì)試驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.

為了研究植保霧化噴頭的霧化效果,文中基于CFD技術(shù),采用拉格朗日粒子跟蹤氣液兩相流模型,分別結(jié)合壓力霧化、空氣霧化模型數(shù)值模擬壓力霧化、空氣霧化噴頭,對比分析2種霧化的噴霧場特征.選用TeeJet公司的型號TP11002壓力噴頭、AIXR11002空氣霧化噴頭進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,定量分析2種霧化方式在受到不同橫向氣流干擾時(shí),對霧滴粒徑、沉積等性能的影響,以期為噴霧系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)提供參考.

1 數(shù)值模型與計(jì)算方法

1.1 計(jì)算方法

噴霧是氣-液兩相流相互作用的一個(gè)過程,根據(jù)噴霧流動(dòng)特征,連續(xù)相模擬采用RNGk-ε湍流模型,其輸運(yùn)方程為

Gk+Gb-ρε-YM+Sk,

(1)

(2)

式中:ρ為連續(xù)相密度,kg/m3;k為湍流動(dòng)能,J;ui為xi方向上的速度,m/s;ε為湍流動(dòng)能耗散率,m2/s3;αk,αε分別為湍流動(dòng)能、湍流動(dòng)能耗散率的有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù),1/J,s/J;μeff為偏湍流黏度張量,Pa·s;Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能項(xiàng),Pa/s;Gb為由于浮力影響引起的湍流動(dòng)能項(xiàng),Pa/s;YM為可壓縮湍流脈動(dòng)對總的耗散率的影響,Pa/s;Sk,Sε為自定義項(xiàng),Pa/s;Rε為湍流動(dòng)能耗散率引起的附加項(xiàng),Pa/s;C1ε,C2ε,C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),分別為1.42,1.68,0.09.

計(jì)算中考慮連續(xù)相與離散相霧滴間的雙向耦合作用.在笛卡爾坐標(biāo)系中離散相霧滴運(yùn)動(dòng)方程為

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:up為霧滴速度,m/s;u為氣流速度,m/s;μ為黏性系數(shù),Pa·s;ρp為霧滴密度,kg/m3;dp為霧滴直徑,μm;CD為曳力系數(shù);Re為雷諾數(shù);gz為重力加速度,m/s2;Fz為霧滴受到z方向的附加力,N;FD為霧滴單位質(zhì)量曳力,N;α1,α2,α3為量綱一常數(shù).

常用植保霧化噴頭的工作原理是單向壓力霧化和低壓空氣霧化.壓力霧化噴頭在噴頭內(nèi)部將壓力能轉(zhuǎn)化為液體柱的動(dòng)能,使其高速噴入靜止或較低速的空氣環(huán)境中,氣液相對運(yùn)動(dòng)劇烈,液體表面張力及黏性減弱,在氣動(dòng)力作用下霧化成大量的細(xì)小液滴.空氣霧化噴頭在噴頭單側(cè)或雙側(cè)設(shè)置噴射泵或文丘里喉道,將霧化空氣引入混合室,在混合室內(nèi),液氣速度差引起氣體與液體混合物破碎分解成霧滴,再經(jīng)噴口噴出[12].文中在數(shù)值計(jì)算中,噴霧模型選用壓力霧化模型和空氣霧化模型.離散相材料為水,計(jì)算中考慮霧滴的碰撞和聚合,霧滴二次破碎選用泰勒比擬破碎模型;在計(jì)算霧滴運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí),采用離散相隨機(jī)軌道模型描述氣流的瞬時(shí)速度對霧滴運(yùn)動(dòng)軌跡的影響.

1.2 幾何模型建立及參數(shù)設(shè)置

在前處理軟件Gambit下建立幾何模型如圖1所示,模型計(jì)算域長×寬×高為5.5 m×1.2 m×1.2 m,網(wǎng)格劃分總數(shù)為1 953 125.噴霧口距進(jìn)風(fēng)口0.5 m,距底面0.6 m,噴霧方向與氣流方向垂直,與重力方向一致.在進(jìn)風(fēng)方向上,距噴霧口2.0 m、底面0.1 m位置,z軸方向自下向上每間隔0.1 m,建立5個(gè)霧滴采樣圓柱體;x軸方向,距離噴霧口2.00,2.75,3.50,4.25和5.00 m建立5個(gè)霧滴采樣圓柱體,圓柱體長1 m、直徑2 mm.

圖1 仿真幾何模型

計(jì)算域左側(cè)面邊界條件為速度入口(進(jìn)風(fēng)口),速度值分別為1,2,4 m/s;計(jì)算域右側(cè)面與大氣相接,邊界條件設(shè)為壓力出口;其余面邊界設(shè)為壁面.噴霧參數(shù)為上游噴霧壓力0.2 MPa,噴霧半角55°,噴霧流量率0.021 5 kg/s,噴孔直徑0.001 m;噴射時(shí)間30 s,噴霧擴(kuò)散角6°,液膜常數(shù)12,索帶常數(shù)0.5.

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 霧滴沉積試驗(yàn)

為了驗(yàn)證CFD數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,設(shè)計(jì)了收集霧滴沉積試驗(yàn)裝置,如圖2所示.沉積試驗(yàn)中收集桿的位置與模擬計(jì)算采樣圓柱體相同.試驗(yàn)選用壓力霧化噴頭TP11002和空氣霧化噴頭AIXR11002,在小型低速風(fēng)洞進(jìn)行噴霧試驗(yàn).試驗(yàn)中噴頭被固定在距進(jìn)風(fēng)口0.5 m、距地面0.6 m位置.應(yīng)用長1 m、直徑2 mm的碳纖維桿收集噴霧沉積量.采用質(zhì)量濃度為1 g/L的熒光素鈉溶液作為示蹤劑.噴霧結(jié)束后,把收集桿裝入管袋中,加入50 mL清水充分振蕩洗滌后,用熒光分光光度計(jì)(型號為960MC)對熒光素鈉質(zhì)量進(jìn)行測量,每組試驗(yàn)3次,取其平均值作為沉積量進(jìn)行定量分析.

圖2 霧滴沉積試驗(yàn)布局

對霧滴沉積計(jì)算值和試驗(yàn)值進(jìn)行歸一化處理,即

(8)

(9)

式中:Ms,j為計(jì)算域j采樣圓柱體上霧滴沉積量,mg;Ms,t為計(jì)算域內(nèi)霧滴總質(zhì)量,mg;Mm,j為試驗(yàn)收集桿沉積溶液中熒光素鈉質(zhì)量,mg;Mm,t為10 s噴施溶液中熒光素鈉的總質(zhì)量,mg.

將計(jì)算值和試驗(yàn)值進(jìn)行卡方檢驗(yàn)分析,即

(10)

式中:n為試驗(yàn)次數(shù).

2.2 霧滴粒徑試驗(yàn)

為了研究風(fēng)速對霧滴粒徑的影響,設(shè)計(jì)圖3所示試驗(yàn)裝置.在小型低速風(fēng)洞內(nèi),對噴頭TP11002和AIXR11002進(jìn)行噴霧壓力0.2 MPa,風(fēng)速1,2和4 m/s的噴霧試驗(yàn).試驗(yàn)中用相紙卡收集帶有顏色的霧滴,在距離噴頭1 m的下風(fēng)處、距風(fēng)洞底面高度0.1 m,設(shè)置3個(gè)相紙卡采樣點(diǎn).

圖3 霧滴采集試驗(yàn)布局

試驗(yàn)結(jié)束后,使用CardScan將相紙卡掃描成圖片,應(yīng)用霧滴分析軟件DepositScan對圖片進(jìn)行處理,測出霧滴斑點(diǎn)面積,由式(11)計(jì)算霧滴實(shí)際粒徑.

d=1.06A0.455,

(11)

式中:d為霧滴實(shí)際粒徑,μm;A為霧滴沉積在相紙卡上斑點(diǎn)的面積,μm2.

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1.1 霧滴粒徑及運(yùn)動(dòng)速度

圖4為風(fēng)速2 m/s時(shí)2種霧化模型下霧滴的粒徑d及運(yùn)動(dòng)速度v.由圖4a可見,大霧滴沉積在噴頭附近,較小液滴懸浮在霧滴群上層,被風(fēng)帶到高處并順風(fēng)運(yùn)動(dòng)得更遠(yuǎn).初始時(shí),壓力霧化模型霧滴粒徑更小,順風(fēng)運(yùn)動(dòng)的霧滴隨風(fēng)飄移距離遠(yuǎn)達(dá)噴頭3.0 m甚至更遠(yuǎn).由圖4b可見,壓力霧化模型霧滴近噴霧口處速度更高,約是空氣霧化模型的5倍.空氣霧化模型霧滴初始時(shí)與氣流相對速度越大,受到外部氣流阻力越大,因此在圖4bii(標(biāo)志區(qū))顯示噴霧口附近的霧滴不易逆風(fēng)運(yùn)動(dòng).空氣霧化模型大部分霧滴沉降在距離噴頭1.5 m范圍內(nèi).說明液滴粒徑和橫向氣流存在互作效應(yīng),共同影響著霧滴的運(yùn)動(dòng).

圖4 不同霧化模型下的霧滴粒徑及運(yùn)動(dòng)速度圖

3.1.2 霧滴沉積質(zhì)量濃度

對比在風(fēng)速2 m/s、距離噴霧口高度0.5,0.4和0.3 m時(shí),2種霧化模型霧滴質(zhì)量濃度ρ分布,如圖5所示.

圖5 不同霧化模型下距噴頭不同高度時(shí)的霧滴質(zhì)量濃度分布

從圖5中可以看出,霧化方式對霧滴質(zhì)量濃度的空間分布存在較大的差異.壓力霧化模型霧滴釋放后質(zhì)量濃度分布更均勻,質(zhì)量濃度先增加后降低,且隨著距離噴霧口水平距離增加,霧滴數(shù)量逐漸減少,霧滴更易受到風(fēng)的影響,順風(fēng)飄移得更遠(yuǎn)、沉積覆蓋表面積更大.空氣霧化模型霧滴釋放后質(zhì)量濃度迅速達(dá)到峰值,霧滴主要沉積在噴霧口附近,外圍質(zhì)量濃度更高,且由于噴霧口處霧滴密集、粒徑較粗,噴霧的后方受到了風(fēng)的防護(hù),橫風(fēng)難以穿透高度密集的液滴,導(dǎo)致霧滴沉積范圍小,質(zhì)量濃度迅速衰減,噴幅較窄.

3.1.3 霧滴粒徑分布

對2種霧化方式的霧滴粒徑數(shù)目分布PDFN(某一尺寸液滴數(shù)目占液滴總數(shù)的數(shù)目分布)進(jìn)行對比分析,如圖6所示,vw為風(fēng)速.

圖6 不同風(fēng)速下2種霧化模型的霧滴粒徑數(shù)目分布

由圖6可以看出,壓力霧化模型中,粒徑小于100 μm的霧滴占比小于2%,粒徑175 μm的細(xì)霧滴占比約為25%.空氣霧化模型,中等霧滴粒徑分布在400～600 μm,占比20%左右.當(dāng)風(fēng)速由1 m/s增加到2 m/s時(shí),2種霧化方式對霧滴粒徑影響均不明顯.但是當(dāng)橫風(fēng)速達(dá)到4 m/s時(shí),霧滴粒徑分布曲線有向左偏移的趨勢,壓力霧化模型細(xì)霧滴分布比例降低,極細(xì)霧滴分布比例增加.說明當(dāng)風(fēng)速達(dá)到4 m/s時(shí),橫風(fēng)加劇了霧化場中空氣與霧滴相互作用,導(dǎo)致部分粒徑霧滴二次破碎,小霧滴比例增加.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證

3.2.1 霧滴粒徑

對比不同風(fēng)速vw下,2種霧化方式霧滴粒徑DV0.1(霧滴體積分布占全部霧滴體積分布10%的霧滴粒徑)的計(jì)算值和試驗(yàn)值間的差異,結(jié)果見表1.由表可見,風(fēng)速的1和2 m/s時(shí),風(fēng)速對霧滴粒徑影響不明顯,但計(jì)算值比試驗(yàn)值結(jié)果偏大.風(fēng)速4 m/s時(shí),試驗(yàn)值DV0.1粒徑比風(fēng)速1和2 m/s時(shí)明顯增大,這是因?yàn)轱L(fēng)速為4 m/s時(shí),霧滴順風(fēng)速度相對于降落速度大,撞擊到收集霧滴的相紙后,部分霧滴反彈減速后再次沉積在相紙上,和原霧滴痕跡相連、合并,導(dǎo)致在相紙上留下的霧滴斑點(diǎn)變大,軟件DepositScan數(shù)據(jù)處理時(shí),不能準(zhǔn)確測量霧滴粒徑,導(dǎo)致霧滴粒徑偏大.

表1 風(fēng)速對霧滴粒徑的影響

3.2.2 霧滴沉積

通過對2種霧化方式計(jì)算值和試驗(yàn)值霧滴沉積對比,得到圖7所示結(jié)果.圖中H為距離噴霧口高度,L為沿風(fēng)向與噴霧口的距離,M*為霧滴沉積歸一化值.從圖中可以看出,風(fēng)速對霧滴沉積的影響顯著,隨風(fēng)速增加,噴霧場中同一位置處霧滴的沉積明顯增大.風(fēng)速2 m/s時(shí),在距噴霧口高度上,壓力霧化模型霧滴沉積計(jì)算值與TP11002噴頭試驗(yàn)值有較好的一致性.空氣霧化模型計(jì)算值與AIXR11002噴頭試驗(yàn)值的變化趨勢相同,但計(jì)算值偏大,部分原因可能是空氣霧化模型模擬空氣霧化噴頭時(shí)氣液相對速度不能準(zhǔn)確預(yù)估.

4 結(jié) 論

霧化方式對霧滴粒徑、運(yùn)動(dòng)速度、質(zhì)量濃度等性能參數(shù)有顯著的影響.

1) 數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明:壓力霧化下,霧滴初始沉降速度較大;細(xì)霧滴150～200 μm粒徑占比較大,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到4 m/s時(shí),細(xì)霧滴分布比例降低,極細(xì)霧滴分布比例增加.空氣霧化下,中等霧滴粒徑分布在400～600 μm,霧滴初始速度較低,不易逆風(fēng)運(yùn)動(dòng).

2) 在相同的工況參數(shù)下,2種霧化方式中,計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果在不同程度上存在定量一致性.壓力霧化下,在風(fēng)速2 m/s時(shí),距離噴霧口不同高度,沉積計(jì)算值與試驗(yàn)值有較好的一致性.空氣霧化下計(jì)算值比試驗(yàn)值偏差大一些,部分原因可能是空氣霧化模型模擬空氣霧化噴頭時(shí)氣液相對速度不能準(zhǔn)確預(yù)估.

3) 風(fēng)速由1 m/s增加到2 m/s時(shí),對霧化模型與試驗(yàn)噴頭DV0.1霧滴粒徑影響不明顯.當(dāng)風(fēng)速增加到4 m/s時(shí),霧化模型DV0.1減小,試驗(yàn)噴頭DV0.1結(jié)果顯著增大.