烟雾机喷嘴雾化仿真研究

朱增强 ，王冉冉

（1.泰山管委樱桃园管理区，山东 泰安271000；2.山东农业大学，山东 泰安271018；3.山东农业大学山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安271018）

0 引言

植物保护机械和农药、防治技术一样被誉为化学防治的三大支柱之一。植保机械的生产是农业发展的必然产物，它的高效防治病虫害的作用已被人所共知。现代化的农业生产表现了对植保机械很强的依赖性，已成为农业发展不可缺少的重要组成部分，是推动我农业现代化的重要因素[1]。

烟雾机通常采用气力雾化的方式，它作为一种可以产生烟雾的机械，是烟雾载药技术的关键设备[2-5]，主要应用于大田、林地和设施农业中的病虫害防治或施肥，由于其具有省水、省药、附着性好、药液喷洒均匀、操作方便等优点[6-7]，在农业中应用极为广泛。

本文通过多物理场耦合进行研究，利用偏微分方程组（PDEs）描述烟雾机的雾滴在出口处的雾化中，雾滴大小和雾滴速度随的变化规律。同时通过FLUENT进行仿真，研究雾滴大小及速度，与烟雾机压力等参数之间的关系，对烟雾机的设计和参数提升具有至关重要的意义。

1 雾化及仿真原理

在本文中，仿真的喷头选用内混式双流体喷头，该喷头采用气力的方式实现雾化，其原理可以描述为：用高速气流撞击液体农药，进而将农药粉碎成较小的雾滴颗粒。这种方式也可以称之为双流体喷头。喷头结构如图1所示。

图1 内混式双流体喷嘴示意图

本文通过计算机仿真喷头的雾化性能，用计算流体动力学方法中欧拉拉格朗模型对喷头的外流场进行了数值模拟，分别模拟了不同型号的雾化喷头对喷雾效果的影响及压力对雾化性能影响。

2 数学模型

内混式喷头喷出烟雾时，属于外流场液滴和空气场的耦合，若仿真其液滴大小及其喷头外的速度，需统筹考虑液滴的升力、重力，以及液体及气体属性受温度影响等因素，本文中，液体体积占整个流场的比率小，气流动量相对雾滴而言较大，因此本文的模型忽略了液滴和气体的耦合，仿真中，主要考虑流场中气体的流动参数。仿真中，气场的压力较小，为简化计算，本文按照稳态不可压缩流动来完成。同时仿真中忽略了温度变化对流体性质的影响，则流场内的气体流动可用公式（1）、（2）描述：

连续方程

动量方程

式中：ρ= Σαpρp为混合密度；ν¯= Σαpρp为混合速度。

3 计算仿真

本文的雾化喷头所建立的仿真模型包括喷头和雾化场两个部分。模拟仿真中雾化场的计算区域按照六面体设计。计算模型的网格划分采用四面体非结构网格，由于喷嘴的尺寸远小于雾化场，为使收敛容易，需要利用尺寸函数，网格划分时对喷嘴部分进行加密处理。

仿真采用标准的k-ε湍流模型进行计算，其中离散模型采用CFD中的欧拉-拉格朗日公式，同时液滴处理使用离散相，空气处理使用连续相处理。

单颗粒求解运动控制方程如公式（3）所示。在FLUENT中，利用对拉格朗日公式下颗粒作用力的积分，来求解离散相颗粒的轨迹。颗粒沿轨道运动的过程中，受到曳力、压力、梯度力、虚拟质量力和重力的作用，颗粒速度将沿轨道发生变化。

式中，vk为颗粒k的运动速度；mk为该颗粒的质量；（ΣF）k为颗粒所受的合力。

轨迹方程：

运动方程：

式中，FD（u-up）为颗粒的单位质量曳力。

式中，u为连续相密度；up为连续相动力黏度；ρ为离散相密度；dp为离散相直径；Re为相对雷诺数。

仿真中曳力在雾化过程中占主要作用。本文涉及离散相液低崩裂的非稳态流动模型，利用液滴形状的变化的动态形式，选用动态曳力模型，确定曳力系数。

液滴为球形，其曳力系数表达式如式（7）、（8）所示。

液滴为非球形，其曳力系数表述式如公式（9）所示。

式中：y为液滴的变形值。

液滴的变性质如公式（10）所示。

4 结果及分析

根据前文所述条件对喷头进行仿真，雾化喷头模拟工作压力分别取 1.0 MPa、2.0 MPa、3.0 MPa，符合常用压差标准。根据实际，本文仿真的喷头口径为1.0mm.

由于仿真用k-ε模型，其多项流模型选用eulerian模型，非稳态计算中不考虑能量转移、温度变化和相对滑移等因素，喷头的入口压力为2.0MPa，其出口设计为正常空气，其出口压力为1个标准大气压，仿真考虑湍流，如公式（11）、（12）、（13）所示。

式中：Q为流量，为0.17 L/s；d为水管直径，为0.01 m；v为水管中的水流速度，为2.15 m/s；γ为水的运动粘度1.0×10-6m2/s；I为湍流强度，值为0.05.

参数设定如表1所示。

表1 雾化喷头模型参数设计

喷嘴压力为1.5 MPa时，雾滴轨迹与速度如图2所示。

图2 压力为1.5MPa时雾滴的轨迹与雾滴的速度

仿真可知，雾滴最大速度为0.959 m/s，雾滴直径为0.22mm～1.62mm.

喷嘴压力为2.0 MPa时，雾滴轨迹与速度如图3所示。

图3 压力为2.0MPa时雾滴的轨迹与雾滴的速度

仿真可知，雾滴最大速度1.08 m/s，雾滴直径为0.058～0.42mm.

喷嘴压力为2.5 MPa时，雾滴轨迹与速度如图4所示。

图4 压力为2.5MPa时雾滴的轨迹与雾滴的速度

喷嘴压力为3.0 MPa时，雾滴轨迹与速度如图5所示。

图5 压力为3.0MPa时雾滴的轨迹与雾滴的速度

仿真可知，压力为3.0 MPa时雾滴的最大速度为1.05 m/s，雾滴直径为 0.058～0.42 mm.

由仿真数据，喷嘴压力小于2.5 MPa时，压力增大时，雾滴的运动速度明显增大，喷嘴压力大于2.5 MPa，随着压力增大，雾滴的运动速度没有显著增加，其雾滴大小也没有显著变化。因为压力增大意味着雾化过程需要更多能量，因此，在设计烟雾机时，需要根据实际选择合适压力。

5 结论

利用标准的k-ε湍流模型，使用FLUENT，对拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程的积分求解离散相颗粒的轨迹，从而得到了不同压力下，烟雾机的雾滴颗粒大小和雾滴在出口处的初始速度，得出了特定情况下，烟雾机关键参数与烟雾机压力之间的关系，为烟雾机的设计提供了技术基础，也为烟雾机参数的其它仿真提供了参考。