基于Fluent的農用超聲噴頭內流場分析*

王 斌，宮金良，張彥斐

(1.山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255000；2.山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255000)

0 引言

隨著中國農業的發展，糧食安全將是保障經濟增長、國家富強的重要基礎。在農作物的生長過程中，病蟲草害是威脅作物良好生長、糧食增產的主要原因，對其的防治手段將直接影響到糧食食品的安全[1，2]。與世界上先進的農業大國相比，我國的農藥噴灑技術仍處于落后階段，由于對農藥噴灑方式與理論研究仍有不足之處，造成農藥的使用不合理、利用率低，對農田的生態環境造成了嚴重污染[3，4]。

噴頭是噴霧器械實現噴霧作業的終端件,在噴霧過程中起著至關重要的作用，藥液的霧化效果將直接決定農藥利用率的高低[5]。施藥噴頭的性能會對整個噴施系統的質量產生影響,它體積雖小,但卻直接決定施藥量多少、霧滴粒徑大小和噴施均勻度等[6]。噴頭對流體的控制,是以流體在噴頭內腔中流動的運動學及動力學規律為基礎的,因此設計噴頭時需要掌握噴頭內部流場的流動狀況。

超聲波霧化噴頭是一種較為常見的流體動力式噴頭，由于其結構簡單、成本低、故障率低、生成霧化粒徑小且霧滴分布均勻、不易造成管道堵塞等，因此被廣泛應用于礦井降塵、藥劑霧化、噴涂等多個領域[7]，目前尚未有針對農業施藥設計的超聲波霧化噴頭。本文擬采用計算流體動力學方法對超聲波霧化噴頭進行氣液兩相混流體的仿真模擬分析,并對噴頭內部流場的壓力、速度分布進行分析,深入了解噴頭的內部液體流動特性,為今后超聲波霧化噴頭噴霧特性的研究以及噴頭的整體結構改進優化提供理論依據和技術參數。

1 超聲波霧化噴頭模型的建立

1.1 超聲波霧化噴頭工作原理

超聲波霧化噴頭以高速氣體作為動力源，高速氣體從高速噴頭噴出后，在噴頭前方會產生不穩定的激波，在不穩定的激波內設置一個諧振腔就會產生高頻共振[8]。超聲波霧化噴頭利用諧振腔內產生的高頻、高振幅的超聲波將高聲壓作用在液體上以及超聲波對液體產生的空化作用使液體霧化[9，10]。

1.2 建立幾何模型

圖1為超聲波霧化噴頭結構示意圖。氣液兩相入口處直徑為8 mm,斜面為45°；高速孔處直徑為2 mm；諧振腔孔徑為3 mm，高度為4 mm；出水口直徑為2 mm。

圖1 超聲波霧化噴頭結構示意圖

使用SolidWorks繪制噴頭三維模型，噴頭三維幾何模型剖面圖如圖2所示。

圖2 噴頭三維幾何模型剖面圖

通過SolidWorks繪制完成三維模型后，將模型保存為X_T格式。將保存完的文件導入ANSYS Workbench 15.0中Fluent的DM模塊中。將導入模型的氣液兩相入口命名為inlet1，出水口命名為outlet1，壁面命名為wall1，并保存文件。

1.3 進行網格劃分

選擇使用Automatic(自動劃分法)進行網格劃分，劃分完成后共計生成41 687個網格、9 851個節點，如圖3所示。

圖3 超聲波霧化噴頭網格劃分

2 Fluent數值計算

2.1 網格導入及網絡質量檢查

導入網格文件，啟動Fluent Launcher，選擇3D(三維)，計算精度選擇Double Precision(雙精度),計算過程選擇Serial(串行計算)，設置完成后進入Fluent。對導入的網格進行質量檢查，包括域的范圍、體積數據統計、網格拓撲等信息。

2.2 選擇計算模型

假設超聲波霧化噴頭內部流體為理想化不可壓縮流體，屬于湍流領域，選擇有限體積法，運用非結構網格的SIMPLE算法進行流場計算。模型的選擇如下：

連續方程為：

(1)

其中：ρ為流體密度；u為流體相對速度；t為時間。

動量方程為[11]：

(2)

其中：xj、xi為x、y方向坐標量；uj、ui、ut分別為x、y、z方向上的相對速度；p為離心力；μ為湍流有效黏度系數。

因為要進行氣液兩相混合流體流動的模擬，需要采用多相流模型，本次模擬選擇使用Eulerian(歐拉模型)。模擬計算方法采用標準k-ε模型，它通過在湍流動能k方程基礎上引入湍流耗散律ε方程，形成雙方程模型，是一種針對高雷諾數Re的湍流計算模型。求解雙方程得到k和ε的解，利用k和ε的解計算湍流黏度，最后通過Bouissinesq假設得到最終計算結果。

標準k-ε模型中k方程與ε方程[12，13]為：

Gk+Gb-ρεk-YM+Sk.

(3)

(4)

其中：Gk為層流速度梯度引起的湍流動能；Gb為浮力引起的湍流動能；YM為湍流脈動膨脹產生的影響系數；εk為ε的修正系數；σk、σε分別為k和ε對應的普朗特系數，σk=1.0、σε=0.9；Sk、Sε均為湍流模型流體系數；C1ε、C2ε、C3ε為模型常量，C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09。

2.3 定義介質及邊界條件

本文采用氣液兩相混合流體作為介質用于內部流場的模擬研究。選用有限體積法對控制方程進行離散化，動量k方程和ε方程等項目均采用First Order Upwind(一階迎風差分)進行計算。設置入口邊界條件為Pressure-inlet、出口邊界條件為Pressure-outlet、壁面設置為Wall。設置迭代時間步長為0.001 s，迭代步數為2 000，固定時間步長開始模擬計算。改變各類參數，多次進行模擬仿真，對得出的結果進行分析。

3 計算結果分析

分別在進水口壓力為1 MPa、2 MPa、3 MPa的條件下對噴頭內部流場進行模擬。待模擬完成后，因二維視圖更方便對計算結果進行分析，所以在噴頭的XY面上創建一個平面Plane1，在該平面上分別對不同壓力下得到的壓力云圖、速度云圖、速度流線圖進行分析。

3.1 壓力分析

當混合流體進入噴頭后，噴頭內部的壓力也會逐漸增加，流體經高速噴孔灌入諧振腔后，隨著深入諧振腔壓力呈現逐漸增大的趨勢，并趨于穩定，從諧振腔出來后流體壓力逐漸減小，在出水口處形成負壓,有助于抽吸噴頭內部液體，加速噴霧的噴灑。進水口壓力為2 MPa時超聲波霧化噴頭內部流場壓力云圖如圖4所示。

圖4 進水口壓力為2 MPa時超聲波霧化噴頭內部流場壓力云圖

在進水口壓力分別為1 MPa、2 MPa、3 MPa時，超聲波霧化噴頭諧振腔不同深度的壓力曲線如圖5所示。由圖5可知：隨著諧振腔深度的增加，諧振腔內部壓力逐漸增大，到2 mm處逐漸趨于平穩，2 mm～4 mm壓力變化較小；隨著入水口壓力的增大，諧振腔內部壓力增幅逐漸變大，諧振腔內部壓力較入口處壓力增幅在入水口壓力為1 MPa、2 MPa、3 MPa時分別為80%、86%、94%。

圖5 不同進水口壓力下諧振腔內部各個位置的壓力曲線

3.2 速度分析

混合流體因為噴射腔斜面陡然收縮使得流體加速，通過高速噴孔時速度急速增加，并達到峰值，從內部高速噴孔高速射出。部分流體高速灌入諧振腔，產生巨大的聲壓能，隨著聲壓增大使噴頭內部混合流體進行聲傳播，使得噴頭內部流體擾動增強，液滴之間的碰撞越劇烈，液滴碰撞破碎的可能性越大。在諧振腔內碰撞后，能量損耗，速度略微降低，流體沖出諧振腔，繼續與噴頭內部噴霧及噴頭內壁碰撞，速度降低，最后經由狹小的噴頭出水口噴出，此處為負壓，加速了霧滴的噴出，霧滴速度進一步提高，成為高速噴霧噴灑出去。在進水口壓力為3 MPa時超聲波霧化噴頭內部流場水流速度云圖如圖6所示，流場水流速度流線圖如圖7所示。

圖6 進水口壓力為3 MPa時超聲波霧化噴頭內部流場水流速度云圖 圖7 進水口壓力為3 MPa時超聲波霧化噴頭內部流場水流速度流線圖 圖8 在進水口壓力為1 MPa、2 MPa、3 MPa時噴頭不同位置的速度

超聲波霧化噴頭在進水口壓力為1 MPa、2 MPa、3 MPa時噴頭不同位置的速度如圖8所示。由圖8可知：流場內部速度要高于出水口處速度，高速孔處流體速度最大；隨著進水口處的壓力增大，出水口噴射速度明顯提高，進水口壓力為2 MPa時速度比1 MPa時高90%，3 MPa相對于2 MPa速度提升27%。

4 結論

使用ANSYS Workbench 中Fluent模塊對超聲波霧化噴頭的內部流場進行數值模擬仿真，能夠清晰地模擬噴頭內部流場流體壓力變化及速度改變的情況，根據分析結果得出以下結論：

(1)諧振腔內部壓力趨于穩定，不斷增加流體壓力后諧振腔內部壓力增幅明顯提高，在進水口壓力為3 MPa時諧振腔壓力提高了94%；諧振腔處壓力高于噴頭內部壓力，利于諧振腔內部流體快速流出；出水口處為負壓，利于噴霧更快地噴出；在進水口壓力為1 MPa～3 MPa時，隨著流體壓力的提升，噴霧速度逐漸提高，但增幅效果逐漸降低，2 MPa時速度增幅效果最佳。

(2)噴頭入水口處的高速斜面為45°，高速孔孔徑為2 mm，相較于平面結構，流體在進入諧振腔時能夠得到較高的速度，在諧振腔內產生更大的能量，能形成更好的噴霧。同時經加速后流體速度更高，流體之間可交換的能量也更多，依照能量守恒原則，最后形成的霧滴表面總能量提高，將會形成大量的細小霧滴，碰撞破碎過程會更加劇烈，產生的霧滴更小，施藥效果更好。