液体张力对风场中雾滴特性影响的试验研究

宋 勇,夏侯炳,宋淑然,2,3,4,5,张 龙,李 琨

(1.华南农业大学 a.电子工程学院;b.后勤处,广州 510642;2.国家柑橘产业技术体系机械化研究室,广州 510642;3.广东省农情信息监测工程技术研究中心,广州 510642;4.广东省山地果园机械创新工程技术研究中心,广州 510642;5.广州市农情信息获取与应用重点实验室,广州 510642)

0 引言

风送式喷雾被国际公认为是一种仅次于航空喷雾的高效地面施药技术,其雾化效果和机动性能好,可以降低农药使用量[1]。在进行风送式喷雾时,农药药液雾化过程复杂,除了雾化器结构对雾化质量有影响之外,液体自身的物理性质(如黏性力、表面张力等)对其也有一定影响[2-3]。雾化过程是液体克服表面张力增加其表面积的过程,表面张力的大小对雾化质量有明显影响。因此,研究液体表面张力对风送式喷雾机流场中雾滴粒径特性的影响,选择适宜的药液表面张力,可以降低农药使用量,提高农药利用率。

国内外学者对风送式喷雾气流场分布、雾滴的沉积和漂移、喷雾助剂对喷嘴雾化效果做了大量研究。宋淑然等[4]采用CFD数值模拟,通过研究风送喷雾机喷筒内部气流场,对远射程喷筒及宽喷幅喷筒结构进行了优化。张瑞瑞等[5]分析了IDK120-025型和LU120-015型喷嘴喷施不同浓度的意欧、激健和尿素等3种助剂溶液时雾滴体积中径及雾滴分布相对跨度差异。祁力钧等[6]利用CFD技术,根据实测的喷雾机相关参数,确定了二维流场的边界条件及参数,建立了Hardi LB-255型果园风送式喷雾机雾滴沉积分布模型。王景旭等[7]进一步研究了喷雾靶标对风场和雾滴沉积的交互影响特性。Dekeyser等[8]使用CFD仿真技术对风送喷雾机外部空间进行了风场模拟,并在实验室条件下进行了测试和验证,显示CFD结果和测试结果吻合。Delete等[9]模拟果园风送式喷雾机气流速度场分布、雾滴沉积分布及影响因素分析,设计了计算流体力学模型以研究喷雾机在横流风机所产生的三维气流场中的喷雾效果。Tsay等[10]利用Fluent软件对单喷嘴风送式喷雾机不同条件下的雾滴沉积分布和防飘移效果进行了模拟,并建立沉积分布模型。Cu等[11]测试了喷雾气流在不同冠层结构内的速度分布规律。Endalew等[12]建立了一个新的果园风送喷雾CFD模型,研究了喷雾机风速与方向对喷雾气流在冠层内部分布的影响,证实气流逆向线性衰减。

上述研究主要侧重于对风送式喷雾机的机具结构或喷雾效果优化,较少研究液体物理性质对流场中雾滴特性的影响。本文采用CFD数值模拟探究液体表面张力对远射程风送式喷雾机流场中雾滴特性的影响,并通过田间试验对其结果进行验证。

1 模拟区域几何模型及计算用控制方程

1.1 三维(物理)模型建立

所研究的远射程风送式喷雾机[13]如图1所示。风送式喷雾机喷雾作业时,喷筒与水平方向保持平行,喷筒的圆形出风口处环绕均匀分布10个空心锥喷嘴,喷嘴间隔36°圆心角,每个喷嘴与喷筒轴心方向倾斜15°。

为了方便后续试验,根据风送式喷雾机喷筒出口尺寸及喷雾试验所测得的雾滴喷洒范围[14],建立了如图2所示的长方体模型。模型的高度为4.53m,宽度为6m,长度为11m,入风口轴心距离地面高度为1.53m。其中,离散相雾化器模型采用压力型喷嘴,喷嘴的孔径为1mm、压力为1.8MPa时,单个喷嘴流量为0.0200 3kg/s,喷雾半锥角为34.96°,按照图3中喷筒出口喷嘴位置和方式布置10个喷嘴。

图2 远射程风送式喷雾机外流场三维模型

由图3可知:喷筒出口位置有圆形遮罩。仿真计算时,取喷筒圆形出口气流速度为气流场速度初始值,气流从喷筒喷出后受圆形遮罩结构影响会改变该区域的气流场分布,对后续计算会产生影响,因此需要考虑圆形遮罩结构对流场影响。在网格划分方法中,圆形、圆柱形等几何模型通常采用O型网格划分方法[15]。因此,本文采用O型网格对喷筒出口区域网格进行划分,并进行加密处理。

1.圆形遮罩 2.喷筒出风口

由于长方体模型较为规整,因此采用六面体结构化网格对模型进行划分。为提高计算精度和效率,对入口区域及雾滴分布核心区域的网格做加密处理,如图4所示。整个计算域网格数量为1 530 024个。

1.模型入口 2.地面 3.模型出口

1.2 计算模型控制方程选择

1.2.1 仿真试验条件假设

为了兼顾模拟精度与效率,模拟研究过程中根据前人的相关研究结论对求解条件做如下假设:

1)模拟入口气流源与喷筒出口平面垂直,气流只在x轴正方向有速度分量,且速度值保持恒定为25.01m/s。

2)雾滴与空间区域为不可压缩液体与气流。雾滴分布规律遵从Rosin-Rammler分布,终结方式只有沉积、飘移和蒸发3种形式[15]。

1.2.2 仿真试验数学模型

风送式喷雾机气流场为淹没射流[14],气流从风送式喷雾机喷筒喷出后处于湍流状态,在数值模拟中选择的湍流计算模型为k-ε模型。考虑气流对雾滴形态及运动状态的影响,在阅读前人文献中发现风送式喷雾气液两相流计算均采用Lagrangian离散相模型进行数值模拟[16],本文也采用离散相模型进行数值模拟。Lagrangian离散相模型通过积分拉氏坐标下的颗粒作用力微分方程来对离散相颗粒(雾滴)的轨道进行求解[15]。其中,颗粒作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式(y方向即为重力方向)为

(1)

(2)

(3)

(4)

其中,Fd(u-up)为颗粒的单位质量曳力(N);u为流体相速度(m/s);up为颗粒速度(m/s):μ为流体粘度(Pa·s);ρ为流体密度(kg/m3);ρp为颗粒密度(kg/m3);dp为颗粒粒径(m);Re为相对雷诺数(颗粒雷诺数);Cd为曳力系数;gy为y方向重力加速度(m/s2);Fy为y方向的其他作用力(N);α1、α2、α3为常数。

1.3 仿真参数和边界条件设置

1.3.1 液体表面张力参数设定

预试验中使用上海方瑞仪器公司生产的液体表面张力仪,测量了市面上常用4种剂型的柑橘病虫害防治农药(悬浮剂、乳油、水分散粒剂和可湿性粉剂)在推荐稀释倍数时的表面张力,发现各农药稀释成不同倍数下的的液体表面张力主要分布在66.9～33.4mN/m之间,在田间喷雾试验时配置的水的表面张力为60.3、54.5、44.6、38.4、31.8mN/m。仿真参数中,液体表面张力设置与田间喷雾试验的液体表张力值相同。

1.3.2 边界条件

试验测得风送式喷雾机喷筒出风口的平均风速为25.01m/s,喷雾压力为1.8MPa,将该数值作为入口初始风速值和喷雾压力初始值,其他参数为默认值。具体流场的边界条件如下:

1)模型的入口(风送式喷雾机喷筒出口)边界条件设为velocity-inlet速度进口,速度为25.01m/s,离散相边界条件设为escape。

2)出口边界条件设为pressure-outlet压力出口,定义出口压力为相对大气压,离散相边界条件设为escape;地面离散相边界条件设为trap,其他离散相边界条件都设为escape。

3)液相入口(喷嘴)为压力入口,压力值为1.8MPa。

采用压力-速度耦合求解算法,压力方程采用二阶迎风,考虑重力对雾滴的影响,压力速度耦合采用SIMPLE算法。

2 试验方法与结果分析

2.1 数值试验方法

为采集流场中雾滴参数,沿喷筒轴线(中线)方向上,从距喷筒水平距离x=1m处开始,每隔1m建立一个与x轴垂直的采样面(x=1、2、3、4、5、6、7、8、9、10m),共10个采样面,如图5所示。

图5 雾滴参数采样面

沿喷筒出风口中心轴线方向的地面上,距喷喷筒水平距离x=1m处开始,每隔1m建立一个直径为6.9cm的圆形面作为雾滴沉积采样点,共10个采样点,如图6所示。

图6 雾滴沉积采样点

2.2 田间试验方法

田间试验场地为华南农业大学柑橘试验基地,为避免环境风速对试验的干扰,选择夜间环境持续风速<2m/s的时间进行喷雾试验。使用直径为6.9cm的玻璃皿采集雾滴沉积量,玻璃皿的布置方式与仿真试验中的采样面布置方式相同,如图7所示。每次喷雾试验持续2min,用电子天平逐一称取喷雾试验后玻璃皿的质量,喷雾试验前后玻璃皿内水的质量差即为采集点处雾滴的沉积量。

图7 雾滴沉积量测量试验

2.3 试验结果分析

2.3.1液体表面张力对雾滴体积中值粒径影响的数值试验结果及分析

不同液体表面张力时,远射程风送式喷雾机流场中雾滴体积中值粒径分布曲线图如图8所示。由图8可以看出:各采样面上雾滴体积中值粒径随着喷雾距离的增加而变小。其原因如下:气流对大粒径雾滴的输送能力相比小粒径雾滴更小,随着喷雾距离的增加,部分大粒径雾滴逐渐沉积到地面上,导致距离喷筒越远雾滴体积中值粒径越小。

图8 不同液体表面张力时各采样面上雾滴体积中径(VMD)Fig.8 Volume median diameter (VMD) of droplets on each sampling surface with different liquid surface tensions

为了便于分析液体表面张力对流场中雾滴粒径的影响,以x=2m的采样面上的雾滴体积中值粒径为例进行分析,结果表明:液体表面张力从60.3mN/m下降到31.8mN/m,雾滴体积中值粒径从358.49μm减小为164.58μm,即降低液体表面张力可以细化流场中雾滴粒径。这是因为液体表面张力降低后,减弱了液体分子之间的引力,促使液体更易破碎成雾滴,从而导致雾滴粒径更小。

2.3.2液体表面张力对雾滴密度分布影响的数值试验结果及分析

液体表面张力分别为60.3、54.5、44.6、38.4、31.8mN/m时,远射程风送式喷雾机流场中喷筒轴线方向XOZ截面上雾滴密度分布如图9所示。后处理中,离散相密度范围设置为0～0.07kg/m3时,流场中XOZ截面上雾滴密度分布云图显示效果相对最好。为了详细分析雾滴密度的分布情况,以x轴为对称轴,在XOZ面上画一个区域a,区域的宽度x=10m,高度范围z=±0.233m,如图9所示矩形区。

由图9可以看出:不同液体表面张力下,喷筒出风口轴心范围0～1m区间内雾滴密度最大,是由于每个喷嘴与喷筒轴心方向倾斜15°(见图4),导致从喷嘴喷出的雾滴聚集在喷筒出口轴心范围0～1m区间,使得该区域雾滴密度较大。

液体表面张力从60.3mN/m下降至31.8mN/m时,a区域中,雾滴密度>0.07kg/m3所占面积沿喷筒出口轴线方向逐渐增加,说明降低液体表面张力可以提高喷筒出口轴线区域的雾滴密度。分析原因:液体表面张力降低会促进雾滴破碎,使得流场中小粒径雾滴增多,气流对小粒径雾滴的约束能力和输送能力强于大粒径雾滴,所以随着液体表面张力降低,喷筒出风口轴线区域雾滴密度越大。

图9 喷筒轴线方向XOZ截面上雾滴密度分布云图

2.3.3液体表面张力对雾滴速度分布影响的数值试验结果及分析

不同液体表面张力下,远射程风送式喷雾机流场中各采样面上雾滴沿x轴方向平均速度分布曲线图如图10所示。由图10可以看出,雾滴平均速度随喷雾距离的增加而减小。这是由于雾滴在运动过程中主要受到风速、空气阻力和重力加速度的影响,雾滴从喷嘴喷出后就开始与空气发生能量交换[18],使得雾滴的速度逐渐降低。

在距离喷筒出口1～6m区域内,液体表面张力对雾滴平均速度影响最大,表现在液体表面张力越大雾滴平均速度越小。以x=2m为例,液体表面张力为60.3mN/m,雾滴平均速度为13.44m/s;液体表面张力为31.8mN/m,雾滴平均速度为17.29m/s。这是因为在1～6m区域内距离喷筒出口近,在相同的出口风速和喷雾压力条件下,雾滴速度大小的差异与初始动能有关。液体受压力做功雾化时,一部能量转换成了雾滴动能[17],另一部分用来克服液体表面张力,因此液体表面张力为60.3mN/m条件下产生的雾滴平均速度比液体表面张力为31.8mN/m条件下产生的雾滴平均速度更小。

图10 不同液体表面张力时各采样面上雾滴平均速度

在距离喷筒出口6～10m区域内,液体表面张力对雾滴平均速度影响相对较小,但影响效果相反,表现为液体表面张力越大雾滴的平均速度越大。以x=10m为例,液体表面张力为60.3mN/m,雾滴平均速度为4.37m/s;液体表面张力为31.8mN/m,雾滴平均速度为4.15m/s。这是因为在距离喷筒出口6～10m区域内,液体表面张力为60.3mN/m条件下产生的雾滴粒径比液体表面张力为31.8mN/m条件下产生的大粒径雾滴数量更多,而大粒径雾滴抗漂移能力强,速度衰减更慢,因此液体表面张力越大,6～10m区域内雾滴平均速度更大。

2.3.4雾滴沉积量田间试验及数值试验结果分析与模型验证

为了便于将数值试验结果与田间试验结果进行对比,将相同液体表面张力下田间试验中各采样点上雾滴沉积量的总和比上数值试验中各采样点上雾滴沉积量的总和,得到的比值作为数值试验雾滴沉积量的比例修正系数。将相同液体表面张力条件下数值试验中各采样点上雾滴沉积量分别乘以比例修正系数后,作为该采样点上的雾滴沉积量数值试验值,计算公式为

(5)

其中,Mi为雾滴沉积量数值试验值(g);Mai为雾滴沉积量田间试验值(g);Mbi为未乘以比例修正系数前雾滴沉积量数值试验值(g)。

由公式(5)可以得出不同液体表面张力下数值试验雾滴沉积量的比例修正系数,如表1所示。

表1 不同液体表面张力下比例修正系数

经仿真计算得出不同液体表面张力条件下各采样点雾滴沉积量数值试验值,如表2中b列所示,a列为雾滴沉积量田间试验值。由表2可以看出:x=1m处数值试验值均为0,田间试验值不为0。其原因如下:在开始喷雾和结束喷雾时,喷雾压力值未达到1.8MPa,雾滴动能小,部分雾滴沉降在距离喷嘴出口附近区域,导致x=1m处的玻璃皿采集到雾滴。

雾滴沉积量田间试验结果分析:在相同液体表面张力下,距离喷筒2～4m范围内采样点上的雾滴沉积量相比其他采样点上的雾滴沉积量更大。主要原因如下:首先是喷筒出口处下方的喷嘴喷雾出的雾滴一部分未受气流裹挟运动,在自身重力作用下沉积在此区域[13];其次是2～4m区域气流速度衰减梯度大,速度衰减快慢不同的雾滴会发生碰撞聚合,产生一部分大粒径雾滴,并沉积在此区间。

在不同液体表面张力下,雾滴沉积量随液体表面张力降低而减少。以x=2m处采样点上的雾滴沉积量为例进行分析:液体表面张力为60.3mN/m,雾滴沉积量为7.24g;液体表面张力为31.8mN/m,雾滴沉积量为2.81g。这是因为降低液体表面张力可以使喷嘴产生的雾滴粒径更小,而小粒径雾滴受气流影响显著,可以随气流运动到更远处,从而导致沉积在地面上的雾滴量更少。

雾滴沉积量数值试验结果与田间试验结果的原因相同,在此不再赘述。

表2 远射程风送式喷雾机外部流场雾滴沉积量田间试验值与数值试验值

模型验证:将表2中不同液体表面张力下a列的雾滴沉积量仿真值与b列雾滴沉积量实测值进行卡方分析,以检验雾滴沉积量数值试验值与田间试验值之间是否有统计意义上的显著差异。

由表3可以看出,不同液体表面张力下χ2计算值均小于16.92。这说明,数值试验雾滴沉积量与田间试验雾滴沉积量无显著差异,所采用的仿真模型对远射程风送式喷雾机雾滴特性分布及雾滴沉积分布的结果可信。

表3 χ2检验统计表

3 结论

1)各采样面上雾滴体积中值粒径随着喷雾距离的增加而变小,降低液体表面张力可以细化流场中雾滴粒径。

2)不同液体表面张力下,喷筒出风口轴心范围0～1m区间内雾滴密度在流场中是最大的;当液体表面张力从60.3mN/m下降至31.8mN/m时,雾滴密度>0.07kg/m3所占面积沿喷筒出口轴线方向逐渐增加。

3)雾滴平均速度随着与喷筒距离的增加而减小,液体表面张力对距离喷筒出口1～6m区域内雾滴平均速度影响最大,表现在液体表面张力越大雾滴平均速度越小;对6～10mm区域内,液体表面张力对雾滴平均速度影响相对较小,但影响效果相反,表现为液体表面张力越大雾滴的平均速度越大。

4)相同采样点上,雾滴沉积量随液体表面张力降低而减少。将雾滴沉积量的数值试验结果与田间试验结果进行卡方检验,证明了所采用的数值计算模型可信。