不同面积比射流混药器的混药特性试验
2016-03-23 04:34盛云辉邱白晶陈加栋
农机化研究 2016年4期
盛云辉,邱白晶,陈加栋
(江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室/江苏省重点实验室，江苏 镇江 212013)
不同面积比射流混药器的混药特性试验
盛云辉,邱白晶,陈加栋
(江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室/江苏省重点实验室，江苏 镇江212013)
摘要：建立射流混药器模型函数特性方程，理论分析不同结构参数的射流混药器混药状态下的压力比h与混药比q的函数关系，对面积比m∈(0.86,12.76)内25种面积比的射流混药器在工作压力范围0.4～1.2MPa内5个工作压力水平下进行在线混药特性试验，分析不同面积比射流混药器的压力比与混药比的变化规律。试验结果表明：射流混药器的h-q特性曲线斜率只与面积比m有关，与工作压力无关；不同面积比的射流混药器的压力比h和混药比q都呈线性递减，小面积比的射流混药器具有小混药比及高压力比的特点。定压力比h=0.35时，只有面积比m<4.34的射流混药器处于混药工作状态(q>0)，其他面积比的射流混药器均处于回流状态(q<0)。面积比m对射流混药器的混药区间hj影响显著，面积比m从1.34增大到4.13，混药区间hj从0.68衰减到0.35，降幅48.5%。以最大混药比q>0.1、混药区间hj>0.35为设计需求，射流混药器的面积比m范围为1.73～4.13。
关键词：射流混药器；面积比；混药区间；流速系数
0引言
在线混药技术[1-2]实现农药和水分开储存，农药和水能实时在线混合，具有高效、环保、安全的优点，是植保机械的发展趋势，受到国内外学者的广泛关注[3-4]。射流混药器是利用管道系统内部的水力完成农药和水的在线混合的在线混药装置，是整个在线混药喷雾系统的关键部件之一[5]。
何培杰[6-7]等对射流混药器的混合管进行了数值计算，得出了径向速度和轴向速度在混合管内的分布规律，并试验研究3种面积比下的射流混药器结构和性能间的内在关系。邱白晶、徐溪超等[8-9]通过流体动力学CFD数值模拟的方法研究了面积比、嘴管距等结构参数对射流混药器流动性能的影响和面积比对混药均匀性影响。周良富[10]等通过CFD数值计算结合试验来确定射流混药器最佳面积比及最佳嘴管距范围。Flloben等[11]和Vondricka[12]等分别将射流混药装置应用于在线混药喷雾系统中对混药浓度进行试验研究。邱白晶等[13]将射流混药器应用于在线混药喷雾系统中，研究结构参数不同的射流混药器的工作状态及混药均匀性。以上主要通过流体动力学数值计算和试验方法来研究结构参数对射流混药器的流动性能影响和射流混药器在喷雾系统中的混合的效果。但现实中未了解射流混药器的运行特性就进行在线混药喷雾，往往使射流混药器处于失效的回流状态[13-14]，工作流体流进药箱,药液未进混药器，射流混药器未起到在线混药作用；而用压力比、混药比、面积比建立模型函数来描述不同结构参数射流混药器混药状态下混药特性，并研究面积比对混药区间影响的研究尚未见报道。
本文建立射流混药器特性方程来描述不同结构参数的射流混药器混药状态下压力比与混药比间函数关系，理论和试验研究面积比对射流混药器压力比与混药比变化规律的影响。同时，定义混药状态下最大压力比hj为射流混药器混药区间，分析面积比对射流混药器混药区间的影响。
1射流混药器
1.1结构
射流混药器是射流泵技术在植保机械上的运用，利用湍射流絮动扩散作用实现药液的抽吸及在线混合[6，6-16]。以射流混药器和喷杆喷雾机为设备基础搭建的在线混药喷雾系统如图1所示。在喷雾系统中，射流混药器的混药量与工作状态主要受混药器进、出口压力影响，且不同结构参数的混药器受影响程度差异明显[9,14]。射流混药器主要由射流嘴、吸药管、吸药室、混药管及扩散管等部件构成，如图2所示。
1.水箱 2.调压阀T1 3.压力表P1、P2 4.真空表PS
1.射流嘴 2.吸药管 3.吸药室 4.混药管 5.扩散管
本文用无量参数压力比、混药比、面积比，来描述不同结构参数射流混药器在不同工作参数下混药特性[6-18]，建立射流混药器混药状态下三者的模型函数：射流混药器特性方程。
1.2射流混药器结构参数
试验所用射流混药器的结构如图2所示。本文研究不同面积比m射流混药器混药特性。依式(3)面积比定义可知：面积比的改变是通过不同尺寸规格的射流嘴与混药管的配合实现。故将射流嘴出口直径和混药管直径作为可变参数，试验中可变，取值如表1所示。射流混药器其它结构参数在其优化值范围内取值[8-10，17-18]，作为固定参数，试验时固定不变。射流混药器选用有机玻璃材料制作，加工时保证射流嘴与混药管的同轴度。
表1 可变参数及面积比取值
固定参数取值：射流嘴收敛角θ=14°,混药管入口角度β=60°,扩散口角度δ=9°；射流嘴进口直径d0=11mm,吸药管直径ds=4mm;嘴管距L1=3.5mm,混药管长度L2=36mm,扩散管长度L3=35mm。
2模型函数—射流混药器特性方程
2.1模型参数
压力比为
(1)
混药比为
(2)
其中，Q0、Qs、Qc为混药器进口工作流体的体积流量、混药量、混药器出口混合液的体积流量(m3/s)。
面积比为
(3)
其中，AΙ、AⅡ为射流嘴出口和混药管截面积(m2)；dΙ、dⅡ为射流嘴出口和混药管直径(m)。
2.2射流混药器特性方程
运用湍流射流和流体力学基本原理，按以下步骤推导出模型函数射流混药器的特性方程[18-20]。假设工作液体和被抽吸药液在射流嘴出口截面I-I与药管进口截面Ⅱ-Ⅱ间不发生混合，没有能量损失。工作液体和被抽吸药液在混药管的进口截面Ⅱ-Ⅱ上流速和压力均匀分布，即工作流体在截面I-I和截面Ⅱ-Ⅱ上流速、压力相等[19]。工作流体在截面Ⅱ-Ⅱ上过流截面面积为A0Ⅱ，药液在截面Ⅱ-Ⅱ上过流截面面积为AsⅡ，则有AⅡ=A0Ⅱ+AsⅡ，AΙ=A0Ⅱ。
1)由流体运动连续性方程结合混药比及面积比定义求射流混药器内各个部件进、出口流体流速[6]。
v0Ι=v0Ⅱ=Q0/AΙ
(4)
(5)
(6)
其中，v0Ι、v0Ⅱ为工作流体在射流嘴出口的流速及工作流体在混药管进口截面Ⅱ-Ⅱ处的流速(m/s)；vsⅡ为药液在截面Ⅱ-Ⅱ处的流速(m/s)；vⅢ为混合液在截面Ⅲ-Ⅲ处的流速(m/s)；As为吸药口截面积(m2)。
2)在混药管内由于工作流体与药液两股液体发生在线混合，在混药管入口段其内部速度场沿混药管半径方向有较大不均匀性，如图3所示。用带流速系数修正的动量方程来表示混药管混合液体能量变化[18]。
图3 混药管
对混药管进口截面Ⅱ-Ⅱ和混药管出口截面Ⅲ-Ⅲ，列动量量方程为
φ2(Q0v0Ⅱρ0+QsvsⅡρs)-ρ(Q0+Qs)vⅢ
=(PⅡ-PⅢ)AⅡ
(7)
其中，PⅡ、PⅢ为截面Ⅱ-Ⅱ与截面Ⅲ-Ⅲ的压力。
本研究忽略液体流动体积变化且认为药液和工作流体密度相等，即ρ0=ρs=ρc。
3)在射流嘴、吸药管—吸药室及扩散管内没有发生两股液体混合，流速沿半径方向均匀分布，但液体的流动截面存在渐缩，转折和渐扩如图4和图5所示。射流混药器工作时这些部件内液体能量变化用带流速系数修正的伯努利方程来表示[19]。
在射流嘴进口截面0-0和混药管进口截面Ⅱ-Ⅱ处，对工作流体列伯努利方程为
(8)
在吸药口截面s-s和混药管进口截面Ⅱ-Ⅱ处，对被吸药液列伯努利方程为
(9)
图4 射流嘴、吸药管-吸药室
图5 扩散管
在混药管出口截面Ⅲ-Ⅲ和扩散管出口截面c-c处，对混合液列努利方程为
(10)
其中,φ1为射流嘴流速系数，φ2为混药管流速系数；φ3为扩散管流速系数；φ4为混药管入口流速系数。
在动量方程和伯努利方程中，带入相应的射流混药器各个部件的进出口截面的流速，结合压力比、混药比的定义，得模型函数射流混药器特性方程[18]为
=f(q,m,φ)
(11)
2.3模型函数h-q特性曲线
模型函数射流混药器特性方程是压力比、混药比、面积比和4个流速系数的函数关系式，反映出射流混药器结构参数对混药器混药特性影响。图6为假设面积比m=2、4个流速系数均为0.9的h-q特性曲线。由图6可知：压力比h和混药比q呈递减关系，射流混药器混药状态下工况点均落在曲线第I象限的BC区间上，而回流状态下的工况点均落在第Ⅱ象限；混药比q=0的工况点为射流混药器混药与回流状态的临界点。设此点压力比为hj，即压力比h
图6 h-q特性曲线
3试验设计
测试不同工作压力下、不同面积比射流混药器的混药特性，研究面积比对射流混药器混药状态下压力比与混药比变化趋势及混药区间的影响。在如图1(b)的在线混药喷雾系统中，对面积比m∈(0.86,12.76)内25种不同面积比射流混器进行混药特性试验。为消除因喷头流量特性对射流混药器造成负载效应，无法试验出混药器完整的混药特性[13]，故试验是在系统未接喷头下进行，通过调节喷雾管路中节流调压阀T2，改变管路阻力，来实现射流混药器的运行工况的改变。
3.1试验工况设计
根据式(1)、式(2)可知：压力比为射流混药器进口和吸药口的总压差与射流混药器进口出口和吸药口的总压差比值。计算压力比需知混药器进口、出口及吸药口的压力和流速；混药比为混药量与工作流体流量的比值。由流体运动的连续性可知：混药量为混药器出口流量与进口工作流体流量差，测量出射流混药器进、出口体积流量，混药比便确定；再结合混药器进、出口截面积，换算出混药器进、出口流速。由流体力学原理及射流混药器的工作原理可知：射流混药器工作流体流量及混药量主要受射流混药器进、出口压力影响[13-14]，故设定射流混药器进口工作压力和出口混合液压力为输入主变量，改变混药器进、出口压力来改变混药器的运行工况，将工作流体流量、混药器出口流量及吸药口压力作为输出检测量。
3.2工况实施
选定某一面积比射流混药器接入如图1(b)所示的在线混药试验喷雾系统进行在线混药试验。通过柱塞泵调压阀T1固定工作压力P0为0.4MPa水平(精度等级0.4，Y-150型压力表P1测得)，节流调压阀T2处于全开状态，此为射流混药器运行的第1个工况点；再调节节流调压阀T2以步长0.02MPa等间距递增混药器出口压力Pc(精度等级0.4，Y-150型压力表P2测得)，均匀变换射流混药器运行的工况点，实现压力比的改变，逐渐使射流混药器由混药状态进入回流状态。同时，在每个工况点下监测混药器进口流量Q0(精度等级1%，LWGY-10型涡轮流量计Q1测得)、出口流量Qc(精度等级1%，LWGY-10型涡轮流量计Q2测量)及吸药口压力Ps(精度等级0.4，Y-150型真空表测PS得)，再改变工作压力水平，重复测量。试验设计0.4、0.6、0.8、1.0、1.2MPa这5个工作压力水平，完成5个工作压力下混药特性试验后，再改变混药器的面积比，重复试验。依次完成25种面积比射流混药器的混药特性试验。最后，将试验测量的压力、流量数据按式(1)、式(2)换算成压力比和混药比，绘制出不同面积比射流混药器的h-q特性曲线，并统计不同面积比射流混药器的混药区间hj。
试验所用工作流体介质为清水，模拟药液为质量浓度c1=0.1g/L的胭脂红溶液(密度等同于清水介质)。试验时，药箱和射流混药器处同一高度平面，在试验过程中不断向药箱中加模拟药液来维持液面高，以消除高度差对求解压力比的影响。
4试验结果与分析
4.1射流混药器混药特性分析
25种不同面积比射流混药器在工作压力0.4～ 1.2MPa范围内5个工作压力水平下，进行在线混药特性试验，绘制不同面积比射流混药器的h-q特性曲线，如图7所示。由图7可知：不同面积比射流混药器压力比和流量比都呈现近似线性递减，当q>0时，射流混药器处于混药状态，反之处于回流状态；面积比越大，h-q特性曲线的斜率的绝对值越小，混药比q=0时的回流压力比越小，即混药区间hj越小。5个工作压力水平下，同面积比射流混药器h-q特性曲线试验点基本重合。考虑试验误差，可认为不同工作压力下同面积比的射流混药器的特性曲线相同。这验证了理论特性方程式(11)，特性方程只是压力比、面积比、混药比及射流混药器各个部件的流速系数的函数关系，与具体工作压力无关。相同特性曲线意味着同面积比射流混药器在不同工作压力下混药区间hj相同，如表2所示。试验中发现：射流混药器混药在状态下，存在压力比递增而混药比不变工况点如图7(a)、图7(b)所示。工程中，将这种现象称为汽蚀[6，21]。小面积比的射流混药器或高工作压力下运行的射流混药器易发生汽蚀现象。
图7 h-q特性曲线
4.2混药比和压力比定量分析
压力比和混药比是评价射流混药器性能的重要参数。本文设定混药比q=0.2和压力比h=0.35分别来研究面积比对射流混药器性能影响。
定混药比q=0.2，射流混药器压力比h与面积比m呈反比关系，面积比m=2.21、3.39、4.34、6.92、8.85射流混药器的压力比h分别为0.45、0.37、0.33、0.22、0.18；而面积比m=1.34射流混药器的最大混药比为0.096无法达到设定的混药比q=0.2的要求。试验发现：面积比为1.032和0.857的射流混药器一直处于混药比q<0回流状态，没有工程价值。
定压力比h=0.35，混药比q随面积比m先递增后递减，面积比达到某一值后混药比q<0，表示压力比h=0.35，该面积比的射流混药器已进入回流状态。如面积比m为1.34、2.21、2.64、3.39、4.43的射流混药器的混药比分别为0.096、0.25、0.30、0.21、-0.05，面积比达到4.43后，混药比q<0，射流混药器处于回流状态，即面积比m≥4.43的混药器的混药区间hj小于0.35。综上所述，小面积比的射流混药器具有高压力比、低混药比的特点，更符合工程应用。
4.3面积比对混药区hj间影响
混药区间hj代表射流混药器混药状态下压力比范围，射流混药器混药区间越宽，运用到在线混药喷雾系统进行喷雾作业时混药性能越好,研究面积比对混药区间影响具有工程意义。
由混药特性分析知：同面积比的射流混药器在不同工作压力下混药状态特线曲线相同，有相同的混药区间hj。由压力比的定义可知：相同工作压力，混药区间越大回流发生时混药器出口压力越大；相同的混药区hj，工作压力越高则回流发生时混药器出口压力越大。不考虑管路压力损失，混药出口压力等于在线混药喷雾系统喷雾压力，目前常用农用喷头正常喷雾的最低喷雾压力为0.2MPa[13，15]。大面积比的射流混药器由于混药区间很小，高工作压力下回流时混药器出口压力也可能达不到喷头最低喷雾压力，具体如表2所示。如面积比m=8.86的射流混药器在1MPa工作压力下混药器出口压力才达到最低喷雾压力；而面积比m=12.76的射流混药器，在1.2MPa工作压力下，发生回流时出口压力才0.19MPa，无法实现在线混药喷雾。所以，运用到在线混药喷雾系统中的射流混药器，其面积应该控制在一定范围内。
表2 不同工作压力下射流混药器混药区间及回流发生压力
图8 面积比对混药区间影响曲线
(12)
混药区间hj与面积比m呈非线性递减，近似正态分布。面积比1.32的射流混药器器混药区间为0.68；当面积比增大到4.13时，混药区间降幅48.5%衰减到0.35；而面积比从4.13增大至8.86时，混药区间只下降0.16，减小到0.19，但此时射流混药器的混药区间太小无法进行在线混药喷雾，没有工程应用价值。若以最大混药比q>0.1、混药区间hj>0.35为射流混药器设计要求，参考图7(d)和图8，确定可应用于实际在线混药喷雾系统的射流混药器的面积比m范围为1.73～4.13。
5结论
1)射流混药器h-q特性曲线中压力比和混药比呈近似线性递减，特性曲线的斜率只与面积比有关，与具体工作压力水平无关。
2)定混药比q=0.2，射流混药器压力比h与面积比m呈反比关系；定压力比h=0.35，混药比q随面积比m先递增后递减，面积比m>4.43的射流混药器在压力比h=0.35的工况点均处于回流状态;小面积比的射流混药器具有小混药比，高压力比的特点。
3)射流混药器的混药区间hj随面积比m呈近似正态分布。当面积比从m从1.34增大到4.13，混药区间hj从0.68衰减到0.35降幅48.5%，以最大混药比q>0.1、混药区间hj>0.35为设计要求，射流混药器的面积比m范围为1.73～4.13。
参考文献：
[1]J. Vondricka, P. Schulze Lammers.Measurement of Mixture Homogeneity in Direct Injection Systems[J].Transactions of the ASABE,2009,52(1): 61-66.
[2]何雄奎. 改变我国植保机械和施药技术严重落后的现状[J]. 农业工程学报, 2004, 20(1): 13-15.
[3]Y. M. Koo, H. R. Sumner.Total flow control for a direct injection sprayer[J].Applied Engineering in Agriculture, 1998，14(4):363-367..
[4]刘志壮，徐汉虹，洪添胜，等.在线混药式变量喷雾系统设计与试验[J].农业械学报,2009,40(12):93-96,129.
[5]Xu Y, Wang X, Zheng J, et al. Simulation and experiment on agricultural chemical mixing process for direct injection system based on CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, 26(5): 148-152.
[6]何培杰，吴春笃，陈翠英,等.新型喷雾混药装置性能研究[J].农业机械学报，2001，32(3):44-47.
[7]何培杰，陈翠英，吴春笃，等.射流混药装置混合管流场数值计算[J]. 江苏大学学报：自然科学版，2002，23(2)：13-16.
[8]邱白晶，徐溪超，杨宁，等.射流混药装置结构参数对混药性能影响的模拟分析[J].农业机械学报，2011，42(6)：172-174.
[9]邱白晶，徐溪超，邓斌，等.射流混药装置面积比对混药均匀性的影响[J].农业机械学报，2011, 42(10):95-100.
[10]周良富,傅锡敏,薛新宇,等.基于CFD的射流式在线混药装置设计与试验[J]. 农业机械学报, 2013,44(S1):107-112.
[11]Hloben P, Sokefeld M, Schulze Lammers P. On-lineh Methods for Determining Lag Time and Mix Uniformity in Direct Injection Systems for the Site-Specific Application of Herbicides [D].Bonn: Rheinische Friedrich Wilhelms University, 2003.
[12]J.Vondricka, P.Schulze Lammers.Measurement of Mixture Homogeneity in Direct Injection Systems[J].Transactions of the ASABE,2009,52(1): 61-66.
[13]李羊林，吴春笃，傅锡敏. 双级射流混药装置的试验研究[J]. 农业工程学报，2008，24(1)：172-174.
[14]邱白晶, 马靖,邓斌,等.在线混药喷雾系统混药性能试验[J]. 农业工程学报, 2014, 30(17): 78-85.
[15]宋坚利, 何雄奎, 杨雪玲. 喷杆式喷雾机雾流方向角对药液沉积影响的试验研究[J]. 农业工程学报, 2006, 22(6): 96-99.
[16]Long Xingping， Han Ning，Chen Qian.Influence of nozzle exit tip thickness on the performance and flow field of jet pump [J].Journal of Mechanical Soience and Technology, 2008,22 (10):1959-1965.
[17]龙新平，程茜，韩宁，等.射流泵最佳喉嘴距的数值模拟[J].核动力工程，2008 , 29 (1):35-38.
[18]陆宏沂.喷射技术理论及应用[M].武汉:武汉大学出版社,2004.
[19]丁祖荣.流体力学[M].北京:高等教育出版社,2003.
[20]Wright P C, Meeyoo V, Soh W K. A study of ozone mass transfer in a cocurrent downflow jet pump contactor[J].Science and Engineering,1998,20(1):17-32.
[21]龙新平, 蔡标华, 吕俊贤,等.射流泵汽蚀参数分析[J].武汉大学学报:工学版, 2004, 37(5):4-7.
Mixing Characteristic Experiment of Different Area Ratio of Jet-mixing Apparatus
Sheng Yunhui, Qiu Baijing, Chen Jiadong
(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology/ Ministry of Education & Jiangsu Province,Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)
Abstract：The model function characteristic equation of Jet-mixing apparatus was established, As a function of pressure ratiohand mixed ratioqchanges of different structure parameters of jet-mixing apparatus under the mixing condition were discussed by theoretical analysis.25 different area ratio jet-mixing apparatus within the Area ratio m range from 0.86 to 12.76,were implemented online mixing characteristic test at operating pressure range 0.4～1.2MPa ,5 working pressure levels.The results showed that, the characteristic curve h-q trend related only affaced by the area ratiom,nothing to do with work pressure.Different jet-mixing apparatus pressure ratiohand mixed ratioqare linearly decreasing.when the pressure ratioh=0.35 only area ratio m<4.34,Jet-Mixing apparatus were in mixing condition, other in reflux condition. Area ratiom significantly affected the drug mixed rangehjof jet-mixing apparatus.Area ratiomincreases from 1.34 to 4.13, the mixed rangehjfrom 0.68 down to 0.35, a decline of 48.5%.Area ratio m in the range of 1.73 to 4.13,satisfied greatest mixed ratio q>0.1, mixed range hj>0.35,the design requirements of jet-mixing apparatus.
Key words：jet-mixing apparatus; area ratio; mixed range; flow rate coefficient
文章编号：1003-188X(2016)04-0134-07
中图分类号：S481
文献标识码：A
作者简介：盛云辉(1990-),男，江苏镇江人，硕士研究生，(E-mail) shengyunhui123@sina.com。通讯作者：邱白晶(1961-)，男，江苏镇江人，教授，博士，(E-mail)qbj@ujs.edu.cn。
基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203025-04)
收稿日期：2015-05-18
