豆基蛋白胶气泡雾化机理的数值模拟1)

张文程 花 军 贾 娜 Sheldon Q.Shi

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (美国北德州大学)

豆基蛋白胶(简称豆胶)是一种环保型植物蛋白胶，它具有生产周期短、产量大、价格低廉、原料可再生以及胶接制品无游离甲醛释放等诸多优点。目前很多学者正在研究用它替代醛类胶，用于人造板的生产，以解决醛类胶释放甲醛量大、污染环境且能源不可再生等问题。由于豆胶的胶黏强度低，耐水性差，必须进行改性处理，国内外很多学者都致力于其改性的研究，并取得了一定的成果［1-7］。Rogers和Li研究了以1，3-二氯-2-丙醇(DCP)为交联剂对大豆分离蛋白进行改性，发现用它制备的胶合板的胶合性能和耐水性能有所提高。李永辉等采用碱溶酸沉法从低温脱脂大豆粉中提取大豆分离蛋白(SPI)，应用十二烷基硫酸钠对SPI进行化学改性，显著提高了SPI胶黏剂在木片胶合中的黏接性能、耐候性能和耐水性能。改性后的豆胶胶黏强度及耐水性有所提高，但黏度高、流动性差等缺点仍难以满足人造板的施胶工艺要求，致使它的应用受到了制约。张亚慧等对改性后的豆胶的合成和应用进行了研究，结果表明：改性的豆胶是一种非牛顿流体，它的黏度很高，它大部分用于胶合板的生产，在纤维板及刨花板的生产中使用还有很多困难［8］。

豆胶的非牛顿流体性质决定了一般的方法无法实现胶液的良好雾化，寻找一种能够将这种非牛顿流体性质的胶液进行有效雾化的方法具有实际应用意义。

气泡雾化是一种能够克服豆胶高黏度特点的雾化方法，其雾化原理并不是通过克服液体的黏性，而是通过克服液体的表面张力来达到雾化目的。因此，笔者拟采用一种气泡雾化喷嘴的方法，对气泡雾化喷嘴的流场进行建模，并对牛顿液体和非牛顿液体在气泡雾化喷嘴中与空气的混合情况进行数值模拟研究，深入了解气泡雾化喷嘴中非牛顿流体的流动情况，为豆胶在人造板生产中的应用提供理论依据。

1 豆胶本构方程与性能参数的确定

牛顿流体与非牛顿流体的不同在于切应力与剪切速率的关系，切应力与剪切速率的比值为恒定值的流体是牛顿流体，切应力与剪切速率的比值不为恒定值的流体是非牛顿流体。豆胶属于非牛顿流体的范畴，非牛顿流体主要包括膨胀性流体、假塑性流体与塑性流体3种类型，如图1所示［9］4。

a、b、c、d 4种流体的切应力和剪切速率的关系依次满足以下4个方程：

式中：τ为切应力(N);˙γ为剪切速率(s-1);μ为动力黏度(Pa·s);τ0为屈服切应力(N);k为稠度系数(Pa·sn-1);n为幂律指数。

从4个方程可以看出，a为牛顿流体，方程(1)表明，它的切应力与剪切速率之比为恒定值，即它的黏度是固定的。b、c、d 3种流体均为非牛顿流体，其中b为膨胀性流体，方程(2)表明它的曲线斜率(即黏度)随着剪切率的增大而增大;c为假塑性流体，方程(3)表明它的曲线斜率随着剪切率的增大而减小;d为塑性流体，方程(4)表明它受力后不能立刻变形，必须施加足以破坏其结构性的力才能发生剪切变形，因此这类流体存在屈服切应力。

图1 流体流变曲线

广大学者对豆胶的流变特性进行了研究［10］，如张亚慧等对一种改性的豆胶的黏度在不同剪切速率下的变化进行了研究。结果表明：豆胶流变特性主要特点在于其表观黏度随剪切速率的增大而减小，它属于非牛顿流体中的一种典型的假塑性流体。假塑性流体具有很多本构方程模型，主要有幂律方程、埃利斯方程以及米特方程这3种，它们的区别在于适用的范围不一样。本研究基于豆胶剪切速率不高的特性，选用应用普遍且形式简单的幂律方程作为其本构方程。

幂律方程的形式如下［11］：

式中：T为温度(K)。

其表观黏度的表达式为：

通过旋转黏度计可以得到表观黏度和剪切速率的关系，通过这种关系可以计算出其他的参数，从而确定豆胶的幂律方程。文中选用的材料为改性的豆胶，其主要参数 k=0.89Pa·sn-1，n=0.62。

2 气泡雾化喷嘴的结构及雾化机理

2.1 气泡雾化喷嘴的结构

能够实现液体雾化的喷嘴有很多，其中包括压力式雾化喷嘴以及气流式雾化喷嘴等［12-13］。基于豆胶的高黏度特性，一般喷嘴是无法实现雾化的，笔者选择气泡雾化喷嘴这一对黏度并不敏感的雾化方式进行模拟研究。气泡雾化喷嘴主要由进液口1，空腔2，进气口3，通气管4，混合室5及出口6等部分组成。其结构简图如图2所示。

图2 气泡雾化喷嘴的结构示意图

进液口1连接泵，通入一定压力的液体，进气口3连接空气压缩机，通入一定压力的气体，气体从进气口进入空腔2，通过通气孔4进入混合室5与进液口通入的液体进行混合产生气泡，最后气液混合物从出口6喷出。

2.2 气泡雾化喷嘴的雾化机理

气泡雾化喷嘴方法的雾化机理与传统的雾化方法有本质区别，传统的雾化方法是借助于液体或气体的动能实现液体雾化;而气泡雾化喷嘴方法是使液体和气体在共同流动过程中形成气液两相流动的气泡流动，通过气泡体积的变化实现液体的雾化，其方法如图3所示［14］。在喷嘴的上部，通过泵的方式经进液口向混合室注入一定压力的液体，在左侧通过空气压缩机的方式经进气口注入具有一定压力的空气或蒸汽进入空腔，进入空腔的空气或蒸汽通过混合室上的各个微孔进入混合室的液体中;由于气体的压力比液体的压力高，使之在液体中形成大量的微小气泡，从而在混合室中形成气泡流动。气泡在两相流动过程中运动、加速、变形，在喷嘴出口将液体挤压成细丝线状喷射而出;同时在离开喷嘴出口极短的时间和距离内，气泡由于内外压差的骤然变化而急剧膨胀，直至爆炸，将液丝、液线炸成更加细微的颗粒实现雾化。

3 气泡雾化喷嘴流场模型的建立

3.1 气泡雾化喷嘴流场模型的主要参数

采用图3所示结构的气泡雾化喷嘴建立流场模型，其设计的喷嘴结构主要参数如下：进气口直径25mm，进液口直径8 mm，通气孔直径1 mm，出口直径8 mm，混合室总长为95 mm，喷嘴的混合室上布满了微小的通气孔，通气孔分别在混合室圆周方向的 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°方向以及轴向方向相隔2 mm分布，共20组160个，建立的流场模型如图4所示。

图3 气泡雾化原理图

图4 流场模型图

3.2 喷嘴模型的网格划分

网格的质量对计算的精度和稳定性有着很大的影响。网格按网格点之间的邻近关系可分为结构网格、非结构网格和混合网格。基于不同网格的特点，且本研究所拟喷嘴的流场模型比较复杂，对流场模型先进行区域分割，分成进液口、进气口及空腔、通气孔、混合室及出口4部分。进液口结构简单，采用的是简单的六面体结构网格，这种网格结构有序且规则，处理边界条件方便，计算精度高;其余部分由于结构复杂很难生成六面体结构网格，采用的是混合网格，以四面体网格为主体，在进气口及空腔连接处、通气孔与空腔连接处等复杂结构部分包含六面体、锥体以及楔形网格。这种网格既能在复杂的结构上生成网格，又保证了计算精度。整个流场总网格数为290 680个，划分完网格后的流场如图5所示。

图5 喷嘴流场模型的网格划分

本研究拟模拟的结果在Z=0截面显示，基于上述网格划分之后该截面的网格如图6所示。

图6 Z=0截面网格划分

4 豆胶气泡雾化机理的数值模拟

4.1 数值模拟的方法

采用多相流中的混合模型模拟气液两相在喷嘴混合室中的混合。混合模型是一种简化的多相流模型，它用于模拟有强耦合的各相同性多相流和各相有不同速度的多相流。混合模型适用于分散相的体积率超过10%的黏性流动，用于两相流时只有一相是可压缩流体［15］。本研究模拟混合室中水(牛顿流体)和空气以及豆胶(非牛顿流体)和空气的混合，材料的性质及流场模型的特点都是符合多相流混合模型所要求的这些条件的。压力和速度的耦合采用Simple［9］25方法。

4.2 边界条件的设置

入口边界条件：气体入口和液体入口均设置为速度型入口。气体入口流量28.5 m3/h，液体的入口流量0.46 m3/h。进液口、进气口及出口的水力直径分别与它们各自的进口及出口直径相等。湍流强度I按下式计算：

式中：Re为入口处雷诺数。

出口边界条件：出口设置为压力型出口，出口压力为一个大气压。

壁面边界条件：固体壁面采用无速度滑移和无质量渗透条件。

4.3 模拟选择的材料

牛顿流体：水，密度为1×103/kg/m3，动力黏度为 1.005×10-3Pa·s。

非牛顿流体：改性的豆胶，密度为1.15×103kg/m3，k=0.89Pa·sn-1，n=0.6。

气体：空气，密度为1.293 kg/m3，动力黏度为17.9×10-6Pa·s。

4.4 模拟结果与分析

分别对水(牛顿流体)与空气、豆胶(非牛顿流体)与空气在喷嘴内部的混合情况进行数值模拟研究，得到它们的压力场、速度场、组分体积分数场分布图。

4.4.1 压力场模拟与分析

压力场分布图用于显示流场各部分的压力以及整个流场的压力变化。图7中，水与空气在进液口和进气口的压力很高，沿着出口的方向压力逐渐降低，在混合室中部及出口处发生明显的变化，出口的位置是一个大气压，这符合流体的伯努利方程。

图7 Z=0截面压力分布图(水)

图8中，豆胶从进液口进来，到通气孔上端，压力就开始变化，随着液体往下走，压力越来越小，与水所不同的是混合室压力变化稍快且变化的次数多，但完全符合流速慢处压力高，流速快处压力低这个特点。

4.4.2 速度矢量场模拟与分析

速度矢量场分布图用于显示流场中各个点流体的流动速度及方向。从图9可以看出，气体在空腔位置的速度比较平缓，进入小孔之后开始加速，而水在进入混合室之前也是保持低速运动，当进入混合室之后随着气体一起加速，最后到达喷嘴出口的速度达到了最大，符合喷嘴喷雾流体流速变化的要求。

图8 Z=0截面压力分布图(豆胶)

图9 Z=0截面速度矢量分布图(水)

图10与图9相似，豆胶与空气混合呈现一个逐渐加速的过程，到达出口处速度达到了最大，所不同之处在于速率的大小略有不同，但不影响整个流场的速度走势。

图10 Z=0截面速度矢量分布图(豆胶)

4.4.3 组分体积分数场模拟与分析

组分体积分数场分布图用于显示流场中各部分液体和气体的体积，充分反映液体和气体的混合情况。图11中，水处在气体的包围中，越往下，水的体积份量越小，这是符合设计要求的。因为随着气体的速度越快，气泡产生的会越多，且在加速的过程中气泡会和其他气泡汇合在一起变大，由此证明气体和水的混合达到了预期的标准。

图11 Z=0截面气体所占的体积分数(水)

图12中，混合室中，同一高度，横向来看，中心位置豆胶的比例大并向径向位置逐渐减小;垂直方向，有些地方比较饱满，有些地方比较稀薄，没有呈现一个液体体积比完全逐渐下降的过程，这与图11略有差别。

图12 Z=0截面气体所占的体积分数(豆胶)

4.4.4 模拟结果

从水与空气、豆胶与空气的模拟结果来看，在相同的边界条件下，两者的压力场、速度矢量场分布大体相同，只是在变化的快慢与幅度上稍有区别;而组分体积分数场相对来说区别较明显，从混合室内部的体积分布来看，与水不同的是，豆胶的体积分数在局部区域并没有呈现一个垂直方向逐渐下降的过程。这是因为水是牛顿流体，它的黏度是不变的，豆胶是非牛顿流体，它的表观黏度会随着环境的变化而发生变化，黏度发生了变化就会影响它的流动特性，从而影响到局部体积分数的分布。两者的模拟结果均可以通过改变边界条件来进行优化，通过改变气体入口速度、豆胶入口速度等一些条件可以让豆胶与空气的混合模拟结果更加接近于水与空气的混合模拟结果，这也是下一步研究的方向。

5 结论与讨论

通过对豆胶流动特性的分析研究，确定了其属于幂律型假塑性流体，并从其表观黏度与转速的关系图中得到参数n和k，确定了其本构方程，为下一步混合模拟提供了相关的参数。

选择设计了一种气泡雾化喷嘴，并对空气与水在此喷嘴内部的混合情况进行了数值模拟研究。结果表明：根据设计的气泡雾化喷嘴结构建立的流场模型是合理的。

采用相同的边界条件分别对水和空气、豆胶和空气在喷嘴内部的混合情况进行数值模拟，得到它们的压力场分布图、速度矢量场分布图、组分体积分数场分布图。模拟结果表明：在一般的压力式以及气流式等雾化喷嘴中，水这种牛顿流体能实现很好的流动以及良好的雾化，豆胶的非牛顿流动特性以及其高黏度使其无法像水一样在喷嘴中很好地流动，造成雾化效果不好。在气泡雾化喷嘴中，相同的模拟边界条件下，豆胶能和水一样与空气实现很好的混合。两者模拟得到的压力场分布图及速度矢量场分布图大体相似，只是在组分体积分数场分布图上存在一些小的不同，这些不同能够通过下一步的改善边界条件来进行优化。数值模拟研究为豆胶的雾化实验提供了理论依据，为豆胶在纤维板及刨花板生产中应用成为可能奠定了基础。

［1］Li K，Geng X.Formaldehyde-free wood adhesives from decayed wood［J］.Macromolecular Rapid Communi-cations，2005，26(7)：529-532.

［2］Li K，Geng X，Simonsen J，et al.Novel wood adhesives from condensed tannins and polyethylenimine［J］.In-ternational Journal of Adhesion and Adhesives，2004，24(4)：327-333.

［3］季楠.大豆蛋白胶黏剂改性及应用研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

［4］童玲.复合改性大豆基木材胶黏剂的研究［D］.福州：福建农林大学，2010.

［5］党蕊.改性豆基蛋白胶粘剂制备及应用研究［D］.北京：北京林业大学，2010.

［6］Rogers J，Geng Xinglian，Li Kaichang.Soy based adhesives with 1，3-Dichloro-2-Propanol as a curing agent［J］.Wood and Fiber Science，2004，36(2)：186-194.

［7］李永辉，方申，盛奎川.SDS改性大豆分离蛋白胶黏剂的性能研究［J］.油脂工程，2007(8)：90-93.

［8］张亚慧.改性大豆蛋白胶黏剂的合成与应用技术研究［D］.北京：中国林业科学研究院，2010.

［9］朱红钧，林元华，谢龙汉.FLUENT流体分析及仿真实用教程［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［10］陈利梅，李德茂，李燕.大豆分离蛋白流变学特性研究［J］.粮油加工，2010(10)：25-28.

［11］杨玄.非牛顿流体在旋流器中流动特性的数值模拟［D］.青岛：中国石油大学，2010.

［12］卢平，梁晓燕，章名耀.双流体喷嘴雾化特性的试验研究［J］.南京师范大学学报：工程技术版，2008，8(1)：34-37.

［13］Jedelsky J，Jicha M，Slama J，et al.Development of an effervescent atomizer for industrial burners［J］.Energy Fuels，2009，23：6121-6121-6130.

［14］Broniarz-Press L，Ochowiak M，Woziwodzki S.Atomization of PEO aqueous solutions in effervescent atomizers［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2010：651-658.

［15］梁晓燕，王绪伦.气泡雾化喷嘴内部及出口下游的数值模拟［J］.锅炉制造，2008(3)：13-16.