压力旋流喷头雾化性能的仿真

压力旋流喷头雾化性能的仿真
张少峰,宋立丽
(河北工业大学化工学院,天津300130)
摘要 为了提高喷雾质量,提高农药的使用效率,用C FD 商用软件F L U EN T 对雾化喷头在农药雾化时的流场进行数值模拟。

利用E u ler i-an -L a gran g ian 双流体模型来模拟气液两相流动。

模拟结果表明:药液雾化形状为中空锥形结构,大部分液滴速度大于1.12m /s ;雾化液滴的体积中值直径(N M D )在50～100μm 之间,数量中值直径(N M D )在30～70μm 之间,适用于苗期或者前期的叶片植物农药的喷洒;压差在2.0M P a 以下时,雾化均匀度(D R )大于0.67,雾化性能良好,所以此类型喷头选用的喷雾压差应小于2.0M P a 。

喷头仿真预测了雾化喷头的微粒化性能,为高效低喷量喷雾的研究提供一定的依据。

关键词 雾化喷头;数值仿真;VM D;N M D;D R
中图分类号 S49 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2009)17-08098-03
S i m u la tio n o f S pra y Ch a ra c te ris t ic s o f Pre s su re -sw irl No zz le ZHANG Sh ao -fen g e t a l (S ch o o l o f C h e m ica l E n g in ee rin g an d T ech n o log y ,H ebe i U n ive rsity o f T e chn o logy ,T ian jin 300130)A b s tra c t T o i m p rove th e qu a lity o f sp ray an d e fficien cy inth e u se o f pe sticide s ,a tom iza tionflow s o f pe sticide s w a s n um er ica lly si m u la ted by C FD.T h e m ix ed E u le r ian -L ag ran g ian m ode l w as u sed to si m u la te th e ga s-liqu id tw o -ph ase flow.S i m u la tionresu lts sh ow ed th a t li qu id pe sticide s h ad con e sh ape fo r th e h o llow s tru ctu re w h en a tom iz i n g ,m o st d rop le ts ve locity w a s above 1.12m /s ;T h e vo lum e m ed ian d iam e te r (VM D )w as be tw een 50μman d 100μm,num ber m ed ian diam e te r (NM D )w a s be tw een 30μman d 70μm.T h e drop le t w as fit fo r lea f p lan t on seed in g stag e o r proph ase.W h enth e w ork in g pre s-su re d iffe ren ce w a s u nde r 2.0M P a ,D R w as abo ve 0.67,a to m iza tion h ad exce llen t pe rfo rm an ce ,so th e p ressu re d iffe ren ce u n der 2.0M P a sh ou ld be ch o-sen w h enth is type o f n o zz le w as u sed to sp ra y pe sticide.N um e rica lly si m u la tion p redicts par ticu la te per fo rm an ces o f th e n o zzle ,th e resu lts p ro v ided th eo-re tica l fou n da tion for s tu dy in g th e flow s o f sp ray s w ith h igh e fficien cy an d low v o lum e.K e y w o rd s A tom iz in g n o zzle ;N um e r ica l si m u la tion;VM D ;N M D;D R
作者简介 张少峰(1965-),男,河北易县人,教授,从事环保设备方
面的研究。

收稿日期 2009-03-20
农药的有效利用率一直不高,尤其是国内的植保机械存在严重的技术和质量问题,使我国农药的有效利用率仅为20%左右,因而,80%的农药就飘逸到大气,落入水体中[1],致使高效的化学农药使用效率低下。

农药的低效率使用,不仅浪费大量农药,还使大量的农药流失到非靶标环境中,造成人畜中毒、环境污染等。

所以,农药喷洒技术是科学使用农药的重要环节,是化学防治的关键[2]。

液体农药的喷洒是化学农药的主要使用方式之一,而喷雾技术中的液体雾化是农药喷洒的关键环节。

小雾滴可以提高碰撞几率;增加在叶片上沉降的均匀性;提高在不易润湿叶表面的滞留能力;对于在叶组织中传导性较差的药剂,可以提高其生物学反应效率。

但液滴不能太小并且还要有一定的质量。

因此,在实际施药时,对某一特定目标要寻找到适宜的、最佳的雾滴直径和质量,以便达到最佳防治效果。

喷雾质量的高低,在很大程度上取决于喷头。

在我国使用最多的是空心锥压力旋转雾化喷头[3]。

由于这种喷头所产生的雾滴是从不同的角度到达靶标表面,所以最适合喷雾处理复杂的茎叶。

该研究对不同型号的空心锥压力旋转雾化喷头做了研究,用计算机仿真喷头的雾化性能,用计算流体动力学(C FD )方法中欧拉-拉格朗日模型对喷头的外流场进行了数值模拟,预测了雾化喷头的微粒化性能,为高效低喷量喷雾的研究提供一定的依据。

1 物理模型及网格划分
研究的喷头为空心锥压力旋转雾化喷头,其结构示意图如图1所示。

为了模拟喷嘴的雾化,建立的仿真模型包括2个部分,一部分为喷头,另一部分为雾化场。

喷头的尺寸由实际喷头
尺寸来确定。

雾化场计算区域简化成圆柱体。

对计算模型采用六面体非结构网格coope r 方式进行划分,对喷嘴部分进行网格加密处理。

从而提高网格质量,计算容易收敛。

网格总数约为39.8万,节点数为41.6万。

网格划分如图
2所示。

图1
空心锥压力旋流喷头的结构示意
F ig.1 T h e s tru c tu re o f h o llowc o n e p re s s u re -sw irl n o z z le
注:1,喷嘴;2,雾化场;3,液相进口;4,出口;5,壁面;6,气相进口。

N ote :1,N ozz le ;2,A tom iza tion field ;3,L i qu id-pha se in le t ;4,O u tlet ;
5,W a ll su rface ;6,G a s-ph ase ou tlet .
图2 计算区域网络分布示意
F ig.2
G r id d is tr ibu t io nin c a lc u la te d re g ion
2 气体-液滴控制方程
采用C FD 中的欧拉-拉格朗日离散模型,将液滴处理为
安徽农业科学,J ou rn a l o f A n h u i A g r i .S c i .2009,37(17):8098-8100 责任编辑 张彩丽 责任校对 况玲玲
离散相,空气处理为连续相,采用标准的k -ε湍流模型进行计算。

2.1 离散相颗粒的控制方程 FLU EN T 中通过积分拉式坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒的轨道。

颗粒沿其自身的轨道运动,在流动过程中,颗粒在场中受到曳力、压力梯度力、虚拟质量力和重力等力的作用,因此颗粒将沿轨道发生速度变化。

对每个单颗粒求解运动控制方程:m k d v k
d t
=(∑F)k (1)
式中,v k 为颗粒k 的运动速度,m k 为该颗粒的质量,(∑F)k 表示颗粒所受的合力。

颗粒的轨迹方程:d x
d t
=u p (2)
颗粒的运动方程为:
d u p d t =F D (u -u p )+g x (ρp -ρ
)ρp
+F x (3)其中,F D (u -u p )为颗粒的单位质量曳力,并且:
F D =18μρp d 2
p
C D R e 24(4)式中,u 是连续相速度;u p 是离散相速度;μ是连续相动力黏度;ρ是连续相密度;ρp 是离散相密度;d p 是离散相直径;R e 为相对雷诺数,R e =ρd p |u p -u |
μ。

在所有相间力中,曳力相对最重要。

因为涉及到离散相液滴崩裂的非稳态流动模型,所以选用动态曳力模型,以液滴形状的变化的动态形式确定曳力系数。

球形曳力系数表达式:C d ,sphe re =0.424(R e >1000)(5)C d ,sphe re =
24R e (1+16R 2/3
e
)(R e ≤1000)(6)非球形曳力系数表达式:C d =C d ,sphere (1+2.632y)(7)
其中,y 为液滴的变形值,由下式决定:
d 2y d t 2=C F C b ·ρερl ·u
2
r 2-C k σρl r 3·y -C d u 1ρl r
2·d y d t (8)
2.2 连续相运动方程
假设流体为连续、等温、不可压缩牛
顿流体稳态流动。

其连续方程为:
ρt +ρu i x i =0(9)
动量方程为:ρu i
t +x i
(ρu i u j )=-ρ
x i +x j
(μ+u t )u i x j +u j
x i
(10)
k 方程为:
(p k)t +(p u i k)
x i =x i
μ+
μt
σk
k
x i
+G k +G b -ρε-Y M +S k
(11)
ε方程为:(ρε)
t
+(ρu i ε)
x i =x i
μ+
μt
σε
ωx i +C 1εε
k
(G K +C 2εG b )-C 2ερε
2
k
+S ε(12)
方程中G k 表示由速度梯度而产生的湍流动能,G b 是由浮力
产生的湍流动能,Y M 由于在可压缩湍流中,过渡的扩散产生的波动,C 1、C 2、C 3是常量。

3 计算条件和方法
研究基于有限体积法对控制方程进行离散,S I M PLE 算法对速度与压力进行耦合求解,气液无能量交换。

对连续相采用一阶迎风差分格式进行计算,动量方程采用二阶迎风差分格式进行离散。

流体相:连续相为空气,假设连续相入口边界为速度入口,假设喷洒农药是在无风或者是微风的情况下,所以入口处气流速度设为1m /s 。

颗粒相:采用压力旋流雾化模型,以水作为喷洒介质,选择离散相和连续相相耦合,动态曳力模型考虑颗粒的破碎与合并,破碎模型选择泰勒比模型,在雾化过程中不考虑热量质量的传递,计算过程中液滴为球形。

初始时喷嘴内充满水。

出口边界条件:雾化场的出口定义为ou tflow 出口边界条件。

壁面边界条件:连续相采用无滑移固体壁面边界条件,计算时为标准的壁面函数法;颗粒相在壁面处不满足无滑移条件,与壁面的碰撞类型为escape 类型。

4 模拟结果与分析
3W Z-25型动力喷雾机常用压差在2.0M P a 以内,所以模拟工作压差分别取1.0、1.2、1.5、1.8、2.0M P a 。

所选用的喷头口径分别为1.2、1.6、2.0m m 。

4.1 喷雾形状与液滴速度
药液在3W Z -25型动力喷雾机
的压力下,由喷头喷散出药液形状为中空锥形结构,其外轮廓如图3所示。

图中为1.2M P a 下的喷嘴喷雾速度图,由图3可以看出,液滴速度大部分在1.12m /s 以上,所以在无风或者是微风的条件下应用此种喷嘴,雾滴漂移不是很明显。

如果加大压力,则雾滴速度就更大,雾滴就更难漂移,击中
靶标的效率就更高。

图3 喷头喷雾示意
F ig.3 Sp ra y an d d iffe re n t s e c t io n o f sp ra yre g ion
4.2 液滴体积中值直径 体积中值直径(V o lum e M ed ian D i-
am e te r VM D )简称体积中径,是在一次喷雾中,将全部雾滴的
体积从小到大顺序累加,当累加值等于全部雾滴体积的一半时,所对应的雾滴直径
[4]。

图4为不同口径喷头的体积中值直径与压差的关系。

由图中可以看出粒径雾滴直径随着压差的增大而减小,随着
9
90837卷17期 张少峰等 压力旋流喷头雾化性能的仿真
喷头口径的增大而增大,但是粒径增大并不明显。

这是因为压差增大,流量增加,喷头液体速度增加,喷头出口的气液扰动加剧,从而把液膜撕裂成更小的液滴。

而喷头口径增加,相同压差下,喷头流量增大,液膜增厚,从而气流将液膜雾化的粒径比较大
,但是粒径增加的不是很显著。

图4 不同口径喷头VM D 与压差的关系
F ig.4 VM D -p re s su re d iffe re n c e c o rre la t io n o f d iffe re n t h o llow c on e
p re s su re -sw ir l n o zz le
选择合适的雾滴粒径,可以充分发挥药剂的杀虫作用,又不至于杀害天敌。

由图4可以看出,VM D 范围基本在50～100μm,为弥雾范筹。

根据生物最佳粒径理论(B io log ica l O p ti-m um D rop le t S ize ,B ODS 理论),叶片植物的BOD S 值为40～100μm 。

所以此类型喷头适用于低容量喷雾,应主要用于苗期或前期叶片植物农药的喷洒。

4.3 液滴数量中值直径 数量中值直径(N um be r M ed ian D i-am e te r ,NM D )简称数量中径,是在一次喷雾中,将全部雾滴从小到大的顺序累加,当累加的雾滴数目为雾滴总数的一半时,所对应的雾滴直径。

图5为不同口径喷头的N M D 与压差的关系。

由图5可知,NM D 随压差的增大而减小,减小的速度大于VM D 随压差的变化速度;NM D 随喷头口径的增加而增大,但是其随口径变化不很明显。

其原理与VM D 粒径变化原理类似。

由图5中还可以看出,NM D 范围在30～70μm,与VM D 相比小
很多,
图5 不同口径喷头NM D 与压差的关系
F ig.5 NM D -p re s su re d iffe re n c e c o rre la t io n o f d iffe re n t h o llow c on e
p re s su re -sw ir l n o zz le
这说明体积中值直径偏高,喷雾群中粗雾滴比较多。

4.4 雾滴均匀度
喷头雾化性能的好坏可以由雾滴均匀度
(DR )来衡量。

其定义式如下:
DR =
NM D
VM D
(13)
表1为不同口径喷头的雾化均匀度值。

由表1可知,各个口径的喷头在压差小于2.0M P a 时,雾滴均匀度基本都在0.67以上,这说明喷头在此压差下物化性能良好,在此条件下用这些喷嘴喷雾效果较好,质量较高。

压差为2.0M P a 时,3种口径喷嘴的雾滴均匀度都小于0.67,说明在2.0M P a 时各个喷头的雾化性能有偏差。

这是因为压力增大,雾滴粒径减小,但是压力旋流喷嘴各个部分的粒径减小的速率不一样,所以导致雾滴不均匀度增加,雾化性能减弱。

因此,在应用此类型喷头喷洒农药时,为了达到较好的效果,尽量使用2.0M P a 以下的压差作为喷雾压差。

表1 不同口径喷头的D R 值
T a b le 1 D R v a lu e o f d iffe re n t c a lib re s o f n o z z le
压力∥M P a P re ssu re 口径1.2m m
C a lib re o f 1.2m m 口径1.6m m
C a lib re o f 1.6m m 口径2.0m m
C a l ib re o f 2.0m m
1.00.67840.68690.6831
1.20.69830.72410.69631.50.66990.66730.67211.80.71400.67330.6732
2.0
0.6598
0.6125
0.6224
5 结论
(1)应用C FD 软件FLU E N T 对空心锥压力旋流雾化喷头做了仿真计算,得到喷嘴雾化形状、雾滴速度分布等,大部分雾滴的速度在1.12m /s 以上,在无风或者是微风下漂移不明显。

(2)所选喷头类型液滴的VM D 随压差增大而减小;压差在1.0～2.0M P a 范围内体积中值直径在50～100μm,适用于苗期或者前期的叶片植物农药的喷洒。

(3)所选喷头类型液滴的NM D 受压差的影响大于VM D ;在压差范围内数量中值直径在30～70μm,远小于VM D,粗雾滴相对较多。

(4)压差范围在2.0M P a 以内,雾滴均匀度基本大于0.67,雾化效果良好;在2.0M P a 时雾化效果减弱,所以在喷药时选用2.0M P a 以下的压差,喷雾效果较好,药物应用率较高。

参考文献
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0018 安徽农业科学 2009年。