脂溶性農藥旋動射流混合機理與混藥器流場數值模擬

宋海潮　徐幼林　鄭加強　Zhu Heping

(1.南京林業大學機械電子工程學院， 南京 210037； 2.南京工業職業技術學院機械工程學院， 南京 210023；3.美國農業部應用技術研究所， 伍斯特 OH 44691)

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脂溶性農藥旋動射流混合機理與混藥器流場數值模擬

宋海潮1，2徐幼林1鄭加強1Zhu Heping3

(1.南京林業大學機械電子工程學院， 南京 210037； 2.南京工業職業技術學院機械工程學院， 南京 210023；3.美國農業部應用技術研究所， 伍斯特 OH 44691)

以研究脂溶性農藥和水的混合均勻性為目的，試驗驗證了傳統射流混藥器結構對脂溶性農藥在線混合的局限，提出旋動射流混合機理以增加工作液和混合液的旋度，根據該機理設計的旋動射流混藥器采用螺旋彎曲收縮管、起旋器和在擴散管中加入固定導葉等方式，增加工作液的卷吸能力、摻混作用。經過數值仿真，采用容積分數分布均勻性評判指標來判斷混合效果，結果表明，噴嘴出口處面積加權平均均勻性指數γa為0.998 9，截面上藥液容積分數最大值與最小值的差值很小，整個截面上的藥液分布一致，旋動射流混藥器結構設計能夠保證出口位置處脂溶性農藥與水的均勻混合。

脂溶性農藥； 旋動射流； 混藥器； 混合均勻性； 容積分數分布均勻指數

引言

病蟲害肆虐造成糧食減產和植被破壞，必須施用農藥加以控制，但農藥施用不當會造成一系列危害，由此必須重視施藥品質。評價施藥品質的重要指標之一是農藥有效物質在靶標上沉積分布的均勻程度，農藥均勻分布防治效果好、不產生藥害，也最節約農藥[1]。目前生產中施藥以預混式為主，但預混式施藥除了對操作者有很大傷害外，對施藥機械和環境都存在很大污染，因此國內外眾多學者致力于在線混藥研究[2-6]。在線混合施藥實現隨用隨配，避免了預混式施藥時農藥配比隨意性和農藥的濫用[7]，可最大限度地減少農藥對人體和環境的污染。

圖2　混合性能試驗系統Fig.2　Mixing performance experimental set-up1.噴頭　2.混藥器　3.紫光燈　4.攝像機　5.離心泵　6.壓力計　7.溢流閥　8.流量計　9.電動機　10.計算機　11.水箱　12.藥箱　13.計量泵　14.流量計　15.壓力計

農藥分為水溶性和脂溶性，水溶性農藥可以與水充分溶解混合[1]；脂溶性農藥和助劑加水稀釋攪拌后，以極小的油珠均勻分散在水中形成相對穩定的乳濁液，或以平均粒徑2～3 μm分散顆粒與水混合形成有明顯分層現象的懸浮劑[8]。目前水溶性農藥的在線混合研究取得了較好的成果；而脂溶性農藥采用現有的在線混合混藥器結構很難達到農藥有效物質在靶標上均勻沉積分布，限制了在線混藥器的研究進展。針對脂溶性農藥，要保證農藥和水在線均勻混合，則要對現有混藥器，從結構上進行優化設計，通過改變混藥器的結構，改善水和農藥的混合效果，提高其混合均勻性。

旋動射流是通過特殊的流體邊界和流體的特性相互作用而形成的一種具有旋轉流場的流動形式，旋動射流出射后在周圍環境流體中的擴展比相應的無旋動普通射流快，其卷吸能力、摻混作用均比普通射流大[9]。因此，本文擬將旋動射流引入在線混合過程，深入分析旋動射流混藥器對非水溶性農藥的在線混合效果。

1　旋動射流混藥器結構參數與混藥機理分析

1.1射流混藥器混合非水溶性農藥局限性試驗分析

射流混藥器結構[1]如圖1所示，為了分析該結構對水溶性和非水溶性農藥在線混合的混合效果，首先利用該混藥器對各種農藥混合效果進行試驗驗證。

圖1　普通射流混藥器結構圖Fig.1　Diagram of jet mixer

混合性能試驗系統[1]如圖2所示，由供液系統、供藥系統、混合效果圖像數據采集系統組成。供水系統主要由水箱(Raven Industries, Inc.)、D19 Hypro型離心泵(Hypro Corp.)、184-11575-00型230 V三相電動機(Wagner Electric Corp.)組成，測量水壓的壓力計位于溢流閥和混藥器之間(圖2a)。供藥系統采用美國農業部應用技術研究所使用的Raven SCS 700農藥在線混合系統中的供藥系統，系統中包含藥箱、計量泵及流量控制顯示系統。該計量泵是一個往復泵，可以保證在計量泵工作范圍內能夠提供穩定、精確的流量。計量泵是通過電動馬達帶動的，其流量控制及顯示系統內有一個單片機，當輸入需要的流量參數時，該系統將發出指令調節馬達輸入頻率，從而調節計量泵的轉速。吸取的農藥和水在混藥器內混合后經噴頭噴出(圖2b)。為了便于拍攝混合過程的流動情況，試驗選用水溶液類劑型農藥的替代物為水和熒光物質Acid Yellow 7(Carolina Color & Chemical Company)的混合物，而脂溶性農藥選用Silicon Oil替代，Silicon Oil是一種無色硅樹脂非水溶性液體，因此在與水混合時它總是漂浮于水的上部，同樣為了便于拍攝，在Silicon Oil中加入油溶性熒光示蹤劑UVITEX OB(Keystone Aniline Corporation)。

圖3所示為通過試驗獲得的在線混合后在混藥器擴散段的圖像，試驗時系統工作參數為離心泵指示流量刻度3 000，農藥計量泵流量刻度值為10；水進口壓力為1 MPa，藥進口壓力為0.1 MPa，混藥器出口壓力為0.8 MPa；Acid Yellow 7質量濃度為0.1 g/L，UVITEX OB質量濃度為4 g/L，Silicon Oil粘度為97.7 mPa·s。水溶性農藥和脂溶性農藥在混藥器擴散段的混合效果圖像如圖3所示。

圖3　在線混合試驗圖像Fig.3　In-line-mixing image

從圖3a可以看出，在該參數下通過混藥器的液體各部分色彩基本均勻，說明水溶性農藥與水能均勻混合；但圖3b所顯示的脂溶性農藥基本呈團狀懸浮在水中，還有濃度較高的農藥存在懸浮液中沒有破碎分離，說明利用該混藥器不能將非水溶性農藥與水均勻混合。通過改變不同的工作參數繼續對脂溶性農藥進行試驗，發現該混藥器均不能實現對該種農藥的有效分離與擴散，無法獲得較好的混合效果，因此，需要從結構上對射流混藥器進行優化，以滿足脂溶性農藥的在線混合要求。

圖4　旋動射流混藥器結構圖Fig.4　Assembly diagram of swirling jet mixer1.藥瓶　2.進水管　3.收縮管　4.吸藥管　5.擴散管　6.起旋器　7.光管　8.噴頭

1.2旋動射流混藥器結構設計

旋動射流是自由射流加旋轉的一種復合流動，其與普通射流的區別在于有一個切向速度即旋轉速度。旋動射流的常規產生方式主要是切向徑流、安裝導流片及旋轉管道3種方式[10]。這里在射流混藥器結構基礎上，設計了一種旋動射流混藥器結構。

旋動射流混藥器如圖4所示，通過彎管起旋和起旋器起旋提高其旋動性，提高脂溶性農藥和水的均勻混合效果。混藥器主要由收縮管、吸藥管、擴散管、起旋器、光管和藥瓶組成，混藥器進口同進水管相連，出口和噴頭連接。吸藥管、起旋器和光管設計成標準件，可根據藥液黏度等特性調整其尺寸規格。藥瓶和擴散管固定連接，混藥器使用時，將藥瓶上端瓶蓋旋松，使瓶蓋上的氣孔和瓶體氣孔相通，保證藥瓶內的氣壓和大氣壓相通，農藥順暢流入混藥器。當混藥器不使用時，將瓶蓋旋緊，此時，瓶體氣孔和瓶蓋氣孔錯位，藥液無法流出。

1.3旋動射流混藥器結構參數及混合機理

混藥器中混合管長度過短，會導致混合管出口處流速分布很不均勻，使擴散損失加大，混合管最優長度Lk為5～7倍d3[11]。當混合管直徑d3為7 mm、射流嘴直徑為4 mm時，射流混藥裝置混藥性能最好[12]。根據旋動射流混藥器的結構特點，結合以前研究[13]，確定混合管直徑d3為7.2 mm、射流嘴直徑為4 mm、收縮管收斂角α=16°、擴散管擴散角β=9°、混合管長度Lk=20 mm。

(1)彎管起旋

混藥器的收縮管設計成螺旋彎曲收縮管結構，收縮管入口直徑13 mm，出口直徑4 mm，入口和出口的圓心都在混藥器的軸心線上(見圖4)。當水流入收縮管時，在彎曲的管路中，由于流體的轉彎，出現從曲率中心向管子外壁的離心力[14]，外壁的壓力增高而內壁的壓力降低，因此，在外壁處流體的流速將減小，內壁處流速將相應增大，外壁處流體出現擴散效應，內壁處出現收縮效應；隨著流體在彎曲管路中流動，又有相反的現象發生，內壁附近產生擴散效應而外壁附近產生收縮效應，從而大大提高旋流強度。

(2)起旋器起旋

起旋器(見圖4)的結構參數主要有：起旋器長度、導葉個數、導葉高度及導葉包角。而導葉長度一般為管徑的1～4倍，導葉高度h為管徑的1/2，導葉個數為3～8片，導葉包角5°～20°[10]，綜合考慮阻力和混合效果[9]，確定導葉個數為3，導葉包角為15°。

根據文獻[1]，確定管壁內徑13 mm，由于混合管直徑d3為7.2 mm、擴散管擴散角β=9°，計算后確定擴散管導葉高度從0 mm逐漸增大到6.5 mm，導葉長度36.848 mm，螺距221.028 mm。起旋器內壁導葉高度6.5 mm，導葉長度40 mm，螺距240 mm。當藥、水混合液通過該管段時，由于導葉的存在，混合液不僅沿軸向向前運動，而且產生徑向運動，顯著提高混合液的混合效果，混藥器結構參數如表1所示。

表1　在線射流混藥器結構參數Tab.1　Structural parameters of jet mixer

2　旋動射流混藥數值模擬分析

2.1網格劃分

Fluent常用的網格類型包括六面體網格、四面體網格/邊界層網格及多面體網格。通常六面體網格的計算精度要高于四面體網格，但對于復雜的幾何模型，通常無法生成六面體網格[15]。針對本文研究的混藥器，采用四面體+邊界層網格，然后轉換成多面體網格進行計算。采用四面體+邊界層網格劃分，網格數量4 525 485，然后導入Fluent轉換成多面體網格，網格數量1 989 646，如圖5所示。

圖5　網格劃分Fig.5　Meshing

2.2旋動射流混藥湍流模型及邊界條件

(1)湍流模型

采用混合多相流模型模擬兩相之間的摻混，湍流模型為Realizablek-ε模型，適用性廣，計算穩定[16]。采用SIMPLE算法求解本構方程組，殘差收斂標準為1×10-5，單元交界面處的壓力采用PRESTO插值格式，混合物動量方程對流項采用二階迎風格式離散，其余方程對流項采用一階迎風格式，湍流模型的其它參數取缺省值。

(2)邊界條件

邊界條件設置，水進口和農藥進口均采用壓力入口，混合液出口采用壓力出口。其余為壁面，采用強化壁面函數對混藥器近壁面參數進行計算，假定內表面光滑，如表2所示。

2.3容積分數分布均勻性評判指標

為了分析藥水混合均勻性，引入面積加權平均均勻性指數γa來判斷。γa可以表征某一位置處藥液容積分數分布的均勻性[17]。γa越接近1，表明藥、水混合越均勻。γa計算公式為

表2　邊界條件Tab.2　Boundary conditions

圖7　不同位置處藥液容積分數分布及均勻性指數Fig.7　Volume fraction distribution and homogeneity index of different locations

(1)

式中φi——面網格中心容積分數

Ai——面網格面積

n——面網格數

3　旋動射流混藥器仿真結果分析

3.1模型收斂驗證

在當前工況下，計算收斂時，水和藥液進口流量及混合液出口流量為：0.279、0.018、-0.297 kg/s。可知進口水和藥的質量流率之和為0.297 kg/s，等于出口混合液質量流率(負號指流出)。從計算結果來看，總的進口流量與出口流量誤差極小，表明此時流量守恒。

3.2藥液容積分數分布及均勻性指數

對混藥器結構進行仿真分析，得到后處理平面位置如圖6所示，定義平面位置1(x=0.04 m)；2(x=0.05 m)；3(x=0.06 m)；4(x=0.07 m)；5(x=0.08 m)；6(x=0.09 m)；7(x=0.10 m)；8(x=0.11 m)；9(x=0.12 m)；10(x=0.13 m)；11(x=0.17 m)。

圖6　后處理平面位置Fig.6　Plane position of post-treatment

圖7給出了沿流動方向不同截面處藥液容積分數分布及該位置處藥液的分布均勻性。由圖7可見沿流動方向，截面上藥液容積分數最大值與最小值的差值逐漸減小，混合漸趨均勻。最終到達出口位置處，整個截面上的藥液基本分布一致，實現了非水溶性農藥和水的均勻混合。

4　結論

(1)通過改變普通射流混藥器結構，采用螺旋彎曲收縮管、起旋器和在擴散管中加入固定導葉等方式，可增加工作液的卷吸能力、摻混作用，從而提高農藥和水的混合效果。

(2)采用容積分數分布均勻性評判指標來判斷混合效果，仿真結果表明，噴嘴出口處面積加權平均均勻性指數γa為0.998 9，截面上藥液容積分數最大值與最小值的差值很小，整個截面上的藥液分布一致，旋動射流混藥器結構設計能夠保證出口位置處脂溶性農藥與水的均勻混合。

1徐幼林.植保機械混藥器及其農藥在線混合性能研究[D].南京:南京林業大學,2009.

XU Youlin. Study on mixers for plant protection machinery and chemical in-line-mixing performance[D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2009. (in Chinese)

2VONDRICKA J, LAMMERS P S. Evaluation of a carrier control valve for a direct nozzle injection system [J]. Biosystems Engineering, 2009, 103(1): 43-48.

3VONDRICKA J, LAMMERS P S. Real-time controlled direct injection system for precision farming [J]. Precision Agriculture, 2009, 10(5): 421-430.

4SHEN Yue, ZHU Heping, LIU Hui, et al. Development of a real-time chemical injection system for air-assisted variable-rate sprayers[C]∥ASABE 2013 Annual Meeting, ASABE Paper 131594669,2013.

5XU Xichao, QIU Baijing, DENG Bin, et al. Analysis on online mixing performance of jet-mixing apparatus[C]∥Renewable and Sustainable Energy, Advanced Materials Research, 2011(347-353): 417-421.

6BUCHANAN Ian, LIANG H C, LIU Zengkai, et al. Pesticides and herbicides[J]. 2000 Literature Review, Water Environment Research, 2001:1038-1078.

7HOISEN M A, SELIM S M. Experimental study of cavitation criterion in centrifugal pumps [J]. Journal of Visualization, 2014, 17(1): 87-94.

8徐幼林,郭敬坤,鄭加強.農藥在線混合均勻度高速攝影分析[J]. 農業機械學報,2011,42(8):75-79.

XU Youlin, GUO Jingkun, ZHENG Jiaqiang. Mixing uniformity of chemical and water in direct injection system [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011,42(8):75-79. (in Chinese)

9華紹曾. 實用流體阻力手冊[M]. 北京: 國防工業出版社, 1985.

10孫西歡,閻慶紱,李永業，等. 管道螺旋流輸送水力特性研究[M]. 北京: 中國水力水電出版社, 2012.

11DAVID J, BEALE, SARIT L, et al. Detection of striazine pesticides in natural waters by modified large-volume direct injection HPLC[J]. Talanta, 2010,82(2):668-674.

12歐鳴雄,賈衛東,邱白晶，等.射流混藥裝置變工況流場特性試驗與數值分析[J].農業機械學報,2015,46(9):107-111.

OU Mingxiong， JIA Weidong， QIU Baijing, et al. Experiment and numerical analysis of flow field in jet mixing device under variable working conditions[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(9): 107-111. (in Chinese)

13邱白晶,徐溪超,楊寧，等.射流混藥裝置結構參數對混藥性能影響的模擬分析[J].農業機械學報,2011,42(6):76-79.

QIU Baijing, XU Xichao, YANG Ning, et al. Simulation analysis of structure parameters of jet-mixing apparatus on jet-mixing performance [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(6): 76-79. (in Chinese)

14董志勇. 射流力學[M]. 北京: 科學出版社, 2005.

15XU Youlin, WANG Xiwei, ZHENG Jiaqiang, et al. Simulation and experiment on agricultural chemical mixing process for direct injection system based on CFD [J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(5): 148-152.

16SONG Xueguan. Performance comparison and erosion prediction of jet pumps by using a numerical method [J]. Mathematical and Computer Modeling, 2013, 57(1-2): 245-253.

17鐘紹華,孔斌，MIROSLAW Lech Wyszynski，等. 均質壓燃(HCCI)單區和多區燃燒模型的比較[J]. 內燃機工程,2007, 28(3): 6-10.

ZHONG Shaohua, KONG Bin, MIROSLAW Lech Wyszynski,et al. Comparison of single-zone and multi-zone combustion model for HCCI engine [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2007, 28(3): 6-10. (in Chinese)

Swirling Jet Mixture Mechanism of Fat-soluble Pesticides and Numerical Simulation of Mixer Field

Song Haichao1,2Xu Youlin1Zheng Jiaqiang1Zhu Heping3

(1.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China2.CollegeofMechanicalEngineering,NanjingInstituteofIndustryTechnology,Nanjing210023,China3.USDA-ARS-ATRU,WoosterOH44691,USA)

To characterize jet mixture profiles for in-line injection of pesticides, two-phase flow fields in conventional mixing chambers were investigated under various test conditions. The two-phase flow was formed with water mixed with either a water-soluble liquid or a fat-soluble liquid (silicon oil). Test results illustrated that there were limitations for the conventional mixers to obtain uniform mixtures with the fat-soluble pesticide. To overcome these limitations, a new mixing device based on the swirling jet mechanism was conceived and developed to improve the mixture uniformity of water and the fat-soluble pesticide. The swirling jet mixer consisted of a spiral curved shrink tube, a diffuser and a guide vane to accelerate the two-phase flow spiral movement and blend the two liquids. A computational fluid dynamics program (Fluent) was used to simulate the flow field inside the swirling jet mixer to optimize its design. The mixture uniformity was evaluated by introducing the uniformity indexγa, representing that the two liquids were blended homogenously asγawas 1. Simulated results showed that theγawas 0.998 9 across the entire cross sections inside the mixer, confirming uniform mixture profiles with the new mixer design. Therefore, the new swirling jet mixer would solve the non-uniform mixture problem associated with conventional mixers and could significantly improve the in-line injection technology to reduce pesticide waste. Key words: fat-soluble pesticide; swirling jet; mixer; mixture uniformity; volume fraction uniformity index

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.012

2016-02-18

2016-04-14

江蘇省農機三新工程項目(NJ2014-11)、江蘇省農業科技支撐計劃項目(BE2012383)、江蘇高校優勢學科建設工程項目(PAPD)、2013年度江蘇高校優秀科技創新團隊項目(蘇教科(2013)10號)、高校研究生科研創新計劃項目(KYLX_0868)、江蘇省高等職業院校國內高級訪問學者計劃項目(2015FX037)和江蘇省333高層次人才培養工程項目

宋海潮(1978—)，男，博士生，南京工業職業技術學院副教授，主要從事數字化設計與制造研究，E-mail: songhc@njfu.edu.cn

徐幼林(1961—)，女，教授，博士生導師，主要從事植保機械、現代機械設計理論與方法研究，E-mail: youlinxu@njfu.edu.cn

TP391.41；S482

A

1000-1298(2016)09-0079-06