基于Venturi效應的兩相流霧化噴嘴設計與性能試驗

陸岱鵬 陶建平 王玨

摘要：現有的兩相流霧化噴嘴普遍存在著出口氣流速度低、霧滴粒徑大且霧滴粒徑分布不均勻等缺點，不適合應用于設施農業的植物防治。為解決上述問題，結合Venturi閥芯可以產生高的氣液兩相速度差和負壓吸水的效應，設計了一種基于Venturi效應的兩相流霧化噴嘴。運用CFD數值模擬的方法分析了Venturi式兩相流霧化噴嘴的流場密度、壓力、速度及噴嘴出口平面速度分布規律，數值仿真結果表明，氣壓在0.2、0.3、0.4 MPa時，對應的出口速度分別為338、410、426 m/s;對試制的霧化噴嘴的物理樣機進行性能試驗，主要測試噴嘴的出氣口風速和霧滴粒徑大小與分布，探究不同氣壓對Venturi式噴嘴霧化性能的影響規律。試驗結果表明，氣壓在0.2、0.3、0.4 MPa時，對應的出口速度分別為345.5、425.7、437.4 m/s，噴嘴出口速度的實測值與仿真值得相對偏差在5%以內;當氣壓在0.2、0.3 MPa時，Venturi式霧化噴嘴的霧滴粒徑在3～65 μm內，達到85%以上，而當氣壓達到0.4 MPa時，霧滴粒徑在3～65 μm內，達到98%;氣壓在0.2、0.3、0.4 MPa時，分別為45.64、43.16、36.75 μm，可以得出Venturi式霧化噴嘴的霧滴粒徑細小，達到煙霧級且分布均勻;在相同水壓下，隨著氣壓的增大，霧滴粒徑的D10、D50、D90和Dav均呈現減小趨勢。該研究可為Venturi式兩相流霧化噴嘴在植物保護領域的應用提供參考。

關鍵詞：Venturi效應;兩相流霧化噴頭;流體動力學分析;霧化特性

中圖分類號：S491 ??文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）12-0250-06

設施農業中的果菜類作物，在其生長的中后期，由于枝葉的遮蔽作用，使得農藥霧滴難以沉積到冠層內部以及葉片背部等部位。目前在設施農業中大量使用手持噴槍、背負式噴霧器、背負式機動彌霧噴粉機、熱煙霧機和常溫煙霧機等[1-4]，存在作業效率和農藥利用率低、施藥人員安全性能差的問題[5]。近幾年，為解決這些問題，Nuyttens等研制了溫室用豎直噴桿噴霧機[6-7]，湯根法等研制了溫室大棚用小型推車式噴霧機[8]，石建業等研制了智能遙控拉移動式溫室專用噴霧機[9]，祁力鈞等研制了具有噴頭變速搖擺功能和自動進、排藥功能的溫室搖擺式變量彌霧機[10]，管春松等研制了溫室大棚用導風管式煙霧機[11]。對上述施藥機具及其性能進行分析，發現普遍存在霧滴粒徑大，達不到煙霧級且霧滴粒徑分布不均勻等問題。究其根本原因，發現現有的施藥機具的核心部件——噴嘴的霧化機制主要采用壓力霧化、離心霧化及靜電霧化等1種或多種霧化方式相結合的方法，存在著結構復雜、霧化效果不穩定及噴嘴容易堵塞等缺點[12]。根據Llop等的研究可知，風送輔助可以顯著提高溫室和冠層密集作物噴霧效果[13-14]，同時考慮到氣液兩相流霧化噴嘴出口氣流速度大，能夠促進設施空間內的氣流擾動，提高農藥霧滴的沉積率。但是目前市面上沒有專門適用于設施農業用的兩相流霧化噴嘴，現有的兩相流霧化噴嘴普遍具有出口氣流速度低、霧滴粒徑大且霧滴粒徑分布不均勻等問題。為了解決上述問題，結合Venturi喉管可以產生高的氣液兩相速度差和負壓吸水的效應，本研究擬設計一種基于Venturi效應的兩相流霧化噴嘴，以滿足設施農業中植物防治的需求。通過CFD數值模擬的方法對Venturi式噴嘴的流場密度、壓力、速度及噴嘴出口平面速度分布規律進行了探討，并試驗研究了該噴嘴的霧化特性。

1 噴頭的結構設計

1.1 兩相流噴嘴霧化原理分析

氣液兩相流噴嘴，其霧化過程涉及到復雜的兩相流，從流體力學角度分析，可認為雷諾數（Re）和韋伯數（We）是霧滴分裂和破碎的2個重要因素。Re和 We的求解方程為[15]

通過以上對噴嘴的霧化原理分析，可以明顯看出，氣液兩相速度差是影響噴嘴霧化性能的重要因素，同時考慮到超低量噴霧是植物保護行業大力推廣的一種施藥技術，所以在提高噴嘴出口速度的同時，還要降低噴嘴的進液量，降低噴嘴供液壓力，盡可能采用負壓吸水的原理，這樣不僅可以降低噴嘴的供液量，同時還可以減小噴嘴的磨損，延長噴嘴的使用壽命，因此結合Venturi效應，設計一種基于Venturi效應的兩相流霧化噴嘴。

1.2 Venturi式兩相流霧化噴嘴

本研究設計一種基于Venturi效應的兩相流霧化噴嘴，通過Venturi效應的作用增大噴嘴出口氣流速度，并在喉管處產生負壓進行吸水，為使分散的液滴與氣流的相對速度最大，對供水的方式主要要求是使液滴在喉管部整個截面上盡可能快的均勻分布，供水方式主要分為徑向內噴、軸向噴水、溢流供水3種，研究發現，徑向內噴適用于小流量的情況下。因此本設計采用徑向內噴的供水方式，從而既能增大氣液兩相速度差，又減小了流量且可以負壓吸水，以提高霧化性能，是非常合理的方法。

1.2.1 Venturi式霧化噴嘴結構 為了提高氣液兩相速度差以提高噴嘴的霧化性能，在現有兩相流霧化噴嘴外部結構不變的前提下，本研究應用Venturi效應對噴嘴內部閥芯的幾何結構進行改進[17]。從圖1-a可以看出，原霧化噴嘴內部閥芯的氣流通道為錐形結構（圖中虛線部分），其收縮錐角（γ）為15°，保持閥芯出口直徑和閥芯總長不變，則閥芯出口直徑（D1）為 2.2 mm，進水口直徑（D3）為3.6 mm，閥芯總長（L） 為9.5 mm。將錐形結構改為Venturi結構，Venturi式閥芯實物見圖1-b所示。

為減少氣流在擴張段的摩擦磨損和損失，擴張段中心角不宜太小，本研究選取擴張段中心角（θ）為24°，收縮段的中心角（β）為13°，Venturi結構的求解方程為經閥芯結構改進后的噴嘴稱為Venturi式霧化噴嘴，其具體結構組成見圖2-a，本Venturi式兩相流霧化噴嘴所有材質均為SUS304，主要由超聲頭、 閥芯結構、 進氣管、安裝螺母等部件組成。超聲頭為圓柱體狀，靠近噴嘴出口處設有一定深度的同心盲孔，通過鋼絲與超聲頭進行連接。超聲頭與進氣管通過螺紋連接并將閥芯結構固定在連接套管內部。進氣管上被加工的2個平面與連接套管內壁組成了水流通道，水流從進水口進入噴嘴，并充滿閥芯結構與連接套管中間的間隙，經閥芯出水口進Venturi結構。壓縮空氣從進氣口進入噴嘴，經閥芯處Venturi結構加速與出水口的水混合并高速向外噴出，高速的水氣混合流與振動腔碰撞破碎成彌散微細霧滴群。Venturi式霧化噴嘴實物見圖 2-b所示。

2 數值模擬

為了驗證噴嘴結構設計是否合理，本研究建立了噴嘴的氣流場三維模型，對所設計的噴嘴進行流體動力學仿真，分析Venturi式氣液兩相流霧化噴嘴的流場密度、壓力、速度及噴嘴出口平面速度分布規律，并探究不同氣壓對噴嘴霧化性能的影響規律。

2.1 流體控制方程

由于噴嘴射流場處于高湍流狀態，因此采用標準k-ε方程模型[18-19]，其湍動能k和耗散率ε方程如下：

2.2 數值模型與邊界條件

在Gambit軟件中建立噴嘴的氣流場模型，噴嘴長度為 64 mm，分別有氣相和液相2個圓形入口，其直徑分別為 134、12.0 mm，噴嘴出口直徑為2.2 mm的圓形平面，其下方約3.5 mm處有內徑為2.0 mm，外徑為2.6 mm，高度為 33 mm 的一空芯圓柱，底面封閉，主要用于液滴2次霧化;噴嘴氣流場模型見圖3。

考慮到噴嘴在氣相和液相進口面的鉛垂面具有面對稱特性，因此選擇噴嘴一半幾何模型作為研究對象;為了模擬氣相從噴嘴入口至流向大氣環境的流場特性，需建立噴嘴出口處的大氣環境計算域，并對整個流場計算域進行結構化網格劃分，在壁面及噴嘴出口處附近區域進行網格加密，網格節點總數約為50萬，其網格示意見圖4。

氣體流動具有明顯的紊流和可壓縮特性，其速度、壓力及密度變化較大，湍流模型選擇標準k-ε方程模型進行非穩態流動模擬，各離散方程均為二階離散格式。噴嘴氣相非穩態流動數值模擬邊界條件設置如下：（1）氣相入口。壓力進口邊界條件;（2）幾何對稱面。對稱邊界條件;（3）氣相出口。壓力出口邊界條件為環境大氣壓力;（4）其他。無滑移壁面邊界條件。

根據噴嘴試驗工況，分別選定0.2、0.3、0.4 MPa，3個工況進行模擬，由于氣體經過高壓壓縮至空壓機內，氣體溫度較環境溫度有較大升高，本研究取環境大氣溫度為300 K，高壓壓縮空氣溫度為360 K，迭代計算時間步長為2.5×10-5 s，監測氣相入口質量流量直至穩定，停止迭代計算。

3 結果與分析

3.1 數值模擬結果

本研究僅顯示氣相入口壓力P0=0.4 MPa 的對稱截面處的密度、壓力、速度及噴嘴出口平面速度云圖。從圖5至圖8中可以看出，由于氣體經過空壓機內處于高壓狀態，噴嘴入口處區域的氣體密度、壓力均比其他區域要大，密度約為常溫常壓下的3～5倍，隨著氣體在流道內流動，壓力和密度逐漸降低，壓能轉化為動能并在噴嘴喉部區域使速度達到最大，超過420 m/s;在噴頭出口處平面，在中心區域的速度最大，而靠近壁面附近區域的速度則明顯偏低，由于高速氣體的流出導致在噴頭出口處區域形成明顯負壓，致使噴嘴外部氣在噴嘴出口靠近壁面的區域形成回流，當氣體流出噴嘴出口，速度呈喇叭狀分布。

為了清楚地了解氣體速度在空間的分布情況，選擇對稱面上距離噴嘴出口平面下方1、10、50、100 mm處直線位置，并對各線名稱分別定義為Line1、Line2、Line3、Line4，觀察速度在噴嘴2側的分布（圖9）。

統計速度在各線上的分布特性，其沿y方向變化曲線分別見圖10。從圖10可以看出，離噴嘴出口平面1 mm位置處速度最大能達到426 m/s;從速度在噴嘴2側的分布來看，具有較為明顯的對稱特性，噴嘴正下方區域速度達到最大值，且隨著距噴嘴出口平面距離增大，速度衰減幅度也逐漸，如當距噴嘴出口平面100 mm時，其最大速度降至10 m/s以下。

通過對氣壓在0.2、0.3、0.4 MPa，3個工況的模擬，數值仿真結果表明，氣壓在0.2、0.3、0.4 MPa時，對應的出口速度分別為338、410、426 m/s;Venturi式兩相流霧化噴嘴能夠產生超音速氣流，對增大氣液兩相速度差具有顯著效果，且隨著入口壓力的增加，噴嘴出口的速度也相應增加，速度在中心區域的速度最大，而靠近壁面附近區域的速度則明顯偏低，由于高速氣體的流出導致在噴頭出口處區域形成明顯負壓，致使

噴嘴外部氣體在噴嘴出口靠近壁面的區域形成回流，當氣體流出噴嘴出口，速度呈喇叭狀分布。

3.2 性能試驗與結果

為了驗證仿真的準確性和噴嘴的霧化性能，對Venturi式兩相流霧化噴嘴的出氣口速度及霧滴粒徑與進入噴嘴的氣壓進行了相關性試驗。

3.2.1 噴嘴出口風速及流量測定 試驗于2017年5月10日在江蘇省農業科學院農業設施與裝備研究所實驗中心進行，當日溫度為26～28 ℃，以自來水的靜止壓力P1=50 kPa作為試驗時的水壓，并保持恒定，分別在不同氣壓下進行風速測試試驗，每種工況重復3次。具體試驗裝置見圖11。采用臺灣先馳ST732熱線式風速儀間接測定霧化噴頭的出風口速度。由于ST732熱線式風速儀的風速測量范圍是0～40 m/s，所以根據能量守恒原理，間接地求出噴嘴的出口速度，為了方便計算，記測試處的速度值為v1，測試處出口的截面積為S1，本試驗中S1=176.7 mm2，噴嘴的出口速度值為v2，噴嘴的出口截面積為S2，本試驗中S2=3.8 mm2，則由耗氣量Q= v1 ·S1= v2 ·S2，可以得到噴嘴的出氣口速度，為了驗證仿真的準確性，計算出氣口速度與仿真值的偏差，試驗結果見表3。噴嘴的出口速度均達到超音速，且隨著氣壓的增加，噴嘴出口速度也相應增加;噴嘴出口速度的實測值與仿真值得相對偏差在5%以內，進一步說明對噴嘴的流場分析，可以較高精度地預測噴嘴的出氣口速度。

3.2.2 噴霧試驗 試驗于2017年5月16日在農業部南京機械化研究所植保檢測中心實驗室進行，當日溫度為26～28 ℃，在水壓恒定的情況下，分別在不同氣壓下進行噴霧試驗，每種工況重復3次。具體試驗裝置見圖12。采用Winner318B工業噴霧激光粒度分析儀（濟南微納顆粒儀器股份有限公司生產）對本研究設計的霧化噴頭粒徑進行測量，其主要工作原理是以光學原理為基礎，不同顆粒經過激光截面時會產生不同的散射譜[20]。

3.2.3 試驗分析 測試時，以自來水的靜止壓力P1=50 kPa作為試驗時的水壓，并保持恒定，氣壓P0的調節范圍為 0.2～0.4 MPa。將原始數據在霧滴測試系統中進行處理，得到氣壓分別為02、0.3、0.4 MPa時，3種氣壓下噴頭的霧滴所占比例。從表4可以看出，當氣壓在0.2、0.3 MPa時，Venturi式霧化噴嘴的霧滴粒徑在3～65 μm內，達到85%以上，而當氣壓達到0.4 MPa時，霧滴粒徑在3～65 μm 內，達到98%，完全符合超低量施藥的霧滴要求。

利用霧滴測試系統分析，D10（累計霧滴直徑分布百分數達到10%所對應的直徑）、D50（累計霧滴直徑分布百分數達到50%所對應的直徑）、D90（累計霧滴直徑分布百分數達到90%所對應的直徑）、Dav（霧滴直徑分布的平均直徑），對其分別取平均值。從表5可以看出，氣壓在0.2、0.3、0.4 MPa時，D50對應的分別為45.64、43.16、36.75 μm;在相同水壓下，隨著氣壓的增大，霧滴粒徑的D10、D50、D90和Dav均呈現減小趨勢。

4 結論與討論

根據有限單元法構建的兩相流霧化噴頭虛擬樣機系統，可以較好地檢驗噴頭設計是否合理，并且可以較高精度地預測噴嘴的出氣口速度，噴嘴出口速度的實測值與仿真值的相對偏差在5%以內。

氣壓在0.2、0.3、0.4 MPa時，對應的仿真值分別為338、410、426 m/s;Venturi式兩相流霧化噴嘴能夠產生超音速氣流，且隨著入口壓力的增加，噴嘴出口的速度也相應增加，在中心區域的速度最大，而靠近壁面附近區域的速度則明顯偏低，由于高速氣體的流出導致在噴頭出口處區域形成明顯負壓，致使噴嘴外部氣體在噴嘴出口靠近壁面的區域形成回流，當氣體流出噴嘴出口，速度呈喇叭狀分布。

當氣壓在0.2、0.3 MPa時，Venturi式霧化噴嘴的霧滴粒徑在3～65 μm內，達到85%以上，而當氣壓達到0.4 MPa時，霧滴粒徑在3～65 μm內，達到98%;氣壓在02、0.3、0.4 MPa 時，D50分別為45.64、43.16、36.75 μm，可以得出Venturi式霧化噴嘴的霧滴粒徑細小，達到煙霧級且分布均勻;在相同水壓下，隨著氣壓的增大，霧滴粒徑的D10、D50、D90和Dav均呈現減小趨勢。

基于本研究結論，建議對噴嘴進行兩相流模擬分析，進一步分析噴嘴在不同氣液比下，霧滴的大小與分布。

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