不同雾化方式喷雾场的数值分析与试验验证

刘秀娟,张慧春

(1. 南京林业大学机械电子工程学院,江苏 南京 210037; 2. 南京林业大学林业资源高效加工利用协同创新中心,江苏 南京 210037)

植物生长过程中的病害、虫害、杂草的控制与农药应用技术直接相关,而喷头的雾化方式直接影响着农药的应用效益[1-2].近些年病虫害精准防治技术越来越受到重视[3-4],为了研究喷头雾化效果,需要进行全面的实地现场测试[5-7],通常试验成本高昂,可重复性差,可操作性不强.因此,计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术作为一种有效和成熟的工具,以其数值模拟的特点,解决了因试验条件限制难以解决的问题,得到了广泛应用.

目前,国内外一些学者已做了一些喷雾机工作时雾滴沉积分布或飘移CFD模拟研究.DUGA等[8]将4种不同的苹果树和梨树冠型集成到几何模型中,设计了3种空气辅助果园喷雾机,模拟果园气流对喷雾分布的影响.王景旭等[9]基于CFD模拟探讨了在温室环境中用气流辅助方式喷施农药时,施药对象周围的流场对雾滴飞行轨迹及雾滴附着行为产生的影响.HONG等[10]将粒子束按直径离散成108～390 μm的雾滴,以Rosin-Rammle分布规律从移动喷雾机口注入,作为CFD模型的雾滴源,研究苹果园的树冠上雾滴沉积、脱靶沉积和飘移.傅泽田等[11]建立了Hardi LB-255型果园风送式喷雾机气流场速度分布仿真模型,并设计试验对模拟结果进行了验证.

为了研究植保雾化喷头的雾化效果,文中基于CFD技术,采用拉格朗日粒子跟踪气液两相流模型,分别结合压力雾化、空气雾化模型数值模拟压力雾化、空气雾化喷头,对比分析2种雾化的喷雾场特征.选用TeeJet公司的型号TP11002压力喷头、AIXR11002空气雾化喷头进行试验验证,定量分析2种雾化方式在受到不同横向气流干扰时,对雾滴粒径、沉积等性能的影响,以期为喷雾系统的前期设计提供参考.

1 数值模型与计算方法

1.1 计算方法

喷雾是气-液两相流相互作用的一个过程,根据喷雾流动特征,连续相模拟采用RNGk-ε湍流模型,其输运方程为

Gk+Gb-ρε-YM+Sk,

(1)

(2)

式中:ρ为连续相密度,kg/m3;k为湍流动能,J;ui为xi方向上的速度,m/s;ε为湍流动能耗散率,m2/s3;αk,αε分别为湍流动能、湍流动能耗散率的有效普朗特数的倒数,1/J,s/J;μeff为偏湍流黏度张量,Pa·s;Gk为平均速度梯度引起的湍流动能项,Pa/s;Gb为由于浮力影响引起的湍流动能项,Pa/s;YM为可压缩湍流脉动对总的耗散率的影响,Pa/s;Sk,Sε为自定义项,Pa/s;Rε为湍流动能耗散率引起的附加项,Pa/s;C1ε,C2ε,C3ε为经验常数,分别为1.42,1.68,0.09.

计算中考虑连续相与离散相雾滴间的双向耦合作用.在笛卡尔坐标系中离散相雾滴运动方程为

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:up为雾滴速度,m/s;u为气流速度,m/s;μ为黏性系数,Pa·s;ρp为雾滴密度,kg/m3;dp为雾滴直径,μm;CD为曳力系数;Re为雷诺数;gz为重力加速度,m/s2;Fz为雾滴受到z方向的附加力,N;FD为雾滴单位质量曳力,N;α1,α2,α3为量纲一常数.

常用植保雾化喷头的工作原理是单向压力雾化和低压空气雾化.压力雾化喷头在喷头内部将压力能转化为液体柱的动能,使其高速喷入静止或较低速的空气环境中,气液相对运动剧烈,液体表面张力及黏性减弱,在气动力作用下雾化成大量的细小液滴.空气雾化喷头在喷头单侧或双侧设置喷射泵或文丘里喉道,将雾化空气引入混合室,在混合室内,液气速度差引起气体与液体混合物破碎分解成雾滴,再经喷口喷出[12].文中在数值计算中,喷雾模型选用压力雾化模型和空气雾化模型.离散相材料为水,计算中考虑雾滴的碰撞和聚合,雾滴二次破碎选用泰勒比拟破碎模型;在计算雾滴运动轨迹时,采用离散相随机轨道模型描述气流的瞬时速度对雾滴运动轨迹的影响.

1.2 几何模型建立及参数设置

在前处理软件Gambit下建立几何模型如图1所示,模型计算域长×宽×高为5.5 m×1.2 m×1.2 m,网格划分总数为1 953 125.喷雾口距进风口0.5 m,距底面0.6 m,喷雾方向与气流方向垂直,与重力方向一致.在进风方向上,距喷雾口2.0 m、底面0.1 m位置,z轴方向自下向上每间隔0.1 m,建立5个雾滴采样圆柱体;x轴方向,距离喷雾口2.00,2.75,3.50,4.25和5.00 m建立5个雾滴采样圆柱体,圆柱体长1 m、直径2 mm.

图1 仿真几何模型

计算域左侧面边界条件为速度入口(进风口),速度值分别为1,2,4 m/s;计算域右侧面与大气相接,边界条件设为压力出口;其余面边界设为壁面.喷雾参数为上游喷雾压力0.2 MPa,喷雾半角55°,喷雾流量率0.021 5 kg/s,喷孔直径0.001 m;喷射时间30 s,喷雾扩散角6°,液膜常数12,索带常数0.5.

2 试验设计

2.1 雾滴沉积试验

为了验证CFD数值模拟结果的可靠性,设计了收集雾滴沉积试验装置,如图2所示.沉积试验中收集杆的位置与模拟计算采样圆柱体相同.试验选用压力雾化喷头TP11002和空气雾化喷头AIXR11002,在小型低速风洞进行喷雾试验.试验中喷头被固定在距进风口0.5 m、距地面0.6 m位置.应用长1 m、直径2 mm的碳纤维杆收集喷雾沉积量.采用质量浓度为1 g/L的荧光素钠溶液作为示踪剂.喷雾结束后,把收集杆装入管袋中,加入50 mL清水充分振荡洗涤后,用荧光分光光度计(型号为960MC)对荧光素钠质量进行测量,每组试验3次,取其平均值作为沉积量进行定量分析.

图2 雾滴沉积试验布局

对雾滴沉积计算值和试验值进行归一化处理,即

(8)

(9)

式中:Ms,j为计算域j采样圆柱体上雾滴沉积量,mg;Ms,t为计算域内雾滴总质量,mg;Mm,j为试验收集杆沉积溶液中荧光素钠质量,mg;Mm,t为10 s喷施溶液中荧光素钠的总质量,mg.

将计算值和试验值进行卡方检验分析,即

(10)

式中:n为试验次数.

2.2 雾滴粒径试验

为了研究风速对雾滴粒径的影响,设计图3所示试验装置.在小型低速风洞内,对喷头TP11002和AIXR11002进行喷雾压力0.2 MPa,风速1,2和4 m/s的喷雾试验.试验中用相纸卡收集带有颜色的雾滴,在距离喷头1 m的下风处、距风洞底面高度0.1 m,设置3个相纸卡采样点.

图3 雾滴采集试验布局

试验结束后,使用CardScan将相纸卡扫描成图片,应用雾滴分析软件DepositScan对图片进行处理,测出雾滴斑点面积,由式(11)计算雾滴实际粒径.

d=1.06A0.455,

(11)

式中:d为雾滴实际粒径,μm;A为雾滴沉积在相纸卡上斑点的面积,μm2.

3 试验结果与讨论

3.1 数值计算结果分析

3.1.1 雾滴粒径及运动速度

图4为风速2 m/s时2种雾化模型下雾滴的粒径d及运动速度v.由图4a可见,大雾滴沉积在喷头附近,较小液滴悬浮在雾滴群上层,被风带到高处并顺风运动得更远.初始时,压力雾化模型雾滴粒径更小,顺风运动的雾滴随风飘移距离远达喷头3.0 m甚至更远.由图4b可见,压力雾化模型雾滴近喷雾口处速度更高,约是空气雾化模型的5倍.空气雾化模型雾滴初始时与气流相对速度越大,受到外部气流阻力越大,因此在图4bii(标志区)显示喷雾口附近的雾滴不易逆风运动.空气雾化模型大部分雾滴沉降在距离喷头1.5 m范围内.说明液滴粒径和横向气流存在互作效应,共同影响着雾滴的运动.

图4 不同雾化模型下的雾滴粒径及运动速度图

3.1.2 雾滴沉积质量浓度

对比在风速2 m/s、距离喷雾口高度0.5,0.4和0.3 m时,2种雾化模型雾滴质量浓度ρ分布,如图5所示.

图5 不同雾化模型下距喷头不同高度时的雾滴质量浓度分布

从图5中可以看出,雾化方式对雾滴质量浓度的空间分布存在较大的差异.压力雾化模型雾滴释放后质量浓度分布更均匀,质量浓度先增加后降低,且随着距离喷雾口水平距离增加,雾滴数量逐渐减少,雾滴更易受到风的影响,顺风飘移得更远、沉积覆盖表面积更大.空气雾化模型雾滴释放后质量浓度迅速达到峰值,雾滴主要沉积在喷雾口附近,外围质量浓度更高,且由于喷雾口处雾滴密集、粒径较粗,喷雾的后方受到了风的防护,横风难以穿透高度密集的液滴,导致雾滴沉积范围小,质量浓度迅速衰减,喷幅较窄.

3.1.3 雾滴粒径分布

对2种雾化方式的雾滴粒径数目分布PDFN(某一尺寸液滴数目占液滴总数的数目分布)进行对比分析,如图6所示,vw为风速.

图6 不同风速下2种雾化模型的雾滴粒径数目分布

由图6可以看出,压力雾化模型中,粒径小于100 μm的雾滴占比小于2%,粒径175 μm的细雾滴占比约为25%.空气雾化模型,中等雾滴粒径分布在400～600 μm,占比20%左右.当风速由1 m/s增加到2 m/s时,2种雾化方式对雾滴粒径影响均不明显.但是当横风速达到4 m/s时,雾滴粒径分布曲线有向左偏移的趋势,压力雾化模型细雾滴分布比例降低,极细雾滴分布比例增加.说明当风速达到4 m/s时,横风加剧了雾化场中空气与雾滴相互作用,导致部分粒径雾滴二次破碎,小雾滴比例增加.

3.2 试验结果的对比验证

3.2.1 雾滴粒径

对比不同风速vw下,2种雾化方式雾滴粒径DV0.1(雾滴体积分布占全部雾滴体积分布10%的雾滴粒径)的计算值和试验值间的差异,结果见表1.由表可见,风速的1和2 m/s时,风速对雾滴粒径影响不明显,但计算值比试验值结果偏大.风速4 m/s时,试验值DV0.1粒径比风速1和2 m/s时明显增大,这是因为风速为4 m/s时,雾滴顺风速度相对于降落速度大,撞击到收集雾滴的相纸后,部分雾滴反弹减速后再次沉积在相纸上,和原雾滴痕迹相连、合并,导致在相纸上留下的雾滴斑点变大,软件DepositScan数据处理时,不能准确测量雾滴粒径,导致雾滴粒径偏大.

表1 风速对雾滴粒径的影响

3.2.2 雾滴沉积

通过对2种雾化方式计算值和试验值雾滴沉积对比,得到图7所示结果.图中H为距离喷雾口高度,L为沿风向与喷雾口的距离,M*为雾滴沉积归一化值.从图中可以看出,风速对雾滴沉积的影响显著,随风速增加,喷雾场中同一位置处雾滴的沉积明显增大.风速2 m/s时,在距喷雾口高度上,压力雾化模型雾滴沉积计算值与TP11002喷头试验值有较好的一致性.空气雾化模型计算值与AIXR11002喷头试验值的变化趋势相同,但计算值偏大,部分原因可能是空气雾化模型模拟空气雾化喷头时气液相对速度不能准确预估.

4 结 论

雾化方式对雾滴粒径、运动速度、质量浓度等性能参数有显著的影响.

1) 数值计算结果表明:压力雾化下,雾滴初始沉降速度较大;细雾滴150～200 μm粒径占比较大,当风速达到4 m/s时,细雾滴分布比例降低,极细雾滴分布比例增加.空气雾化下,中等雾滴粒径分布在400～600 μm,雾滴初始速度较低,不易逆风运动.

2) 在相同的工况参数下,2种雾化方式中,计算值与试验结果在不同程度上存在定量一致性.压力雾化下,在风速2 m/s时,距离喷雾口不同高度,沉积计算值与试验值有较好的一致性.空气雾化下计算值比试验值偏差大一些,部分原因可能是空气雾化模型模拟空气雾化喷头时气液相对速度不能准确预估.

3) 风速由1 m/s增加到2 m/s时,对雾化模型与试验喷头DV0.1雾滴粒径影响不明显.当风速增加到4 m/s时,雾化模型DV0.1减小,试验喷头DV0.1结果显著增大.