1、基 于 ANSYS 雾化喷嘴流场分析及参数优化郝 磊1， 高 雄1， 陈铁 英2， 王海 超1( 1 内蒙古农业大 学 机电工程学院 ， 呼 和浩特 010018; 2 内蒙古农牧业机械技术推广站 ， 呼和浩特 010010)摘 要 : 喷嘴是喷雾作业的终端件 ， 也是核心部件之一 。喷嘴的锥形面处是流场速度和压力变化的关键部位 ，喷嘴入口对喷嘴出口流量和速度有很大影响 。为 此 ， 运 用 ANSYS 软件模拟了液力式雾化喷嘴的内部流场和喷嘴外部雾化场雾滴分布和速度分布情况 ， 对比分析了不同结构参数对喷嘴流场的影响 ， 为喷嘴结构参数的合理选择提供了一定的参考 。关键词 : 雾化场雾滴分布
2、 ; 喷嘴锥形面锥角 ; 速度分布 ; 参数优化中图分类号 : S491 文献标识码 : A 文章编号 : 1003 188X( 2016) 08 0019 050 引言近年 来 ， 为 了彻底解决长期困扰我国北方地区冬季新鲜蔬菜供应问题 ， 满足不同季节都有新鲜蔬菜水果供应 ， 我国温室总面积达到了 40 万 hm2 1多 。温室内 长 期密闭 、光照不足 、高温 、高湿 ， 极易产生病虫害 ，因此温室农药的喷洒对温室农产品产量有直接的影响 。同时 ， 农药的利用率很低 。据统计 ， 65% 的药液都流失到土壤 、河流 、空气中 ， 仅有 0 03% 的药液起到了杀虫作用 2。农药 的 喷洒
3、依靠喷雾器 ， 目前我国对温室 、大棚等密闭环境中的害虫防治仍以手动喷雾器施药为主 ， 该喷雾方式存在流量过大 、雾滴粒径一般情况大于 150m 及粒径均匀性差等缺点 。喷嘴是植保机械和喷雾器中的核心部件之一 ， 其性能的优劣直接影响施药量 、雾滴大小和均匀度等 。按照喷嘴的雾化方式来分 ， 大体可分为液力式雾化喷嘴 、气力式雾化喷嘴 、旋转式雾化喷嘴 、超声波雾化喷嘴及静电雾化喷嘴 ; 按形状可分为圆柱形喷嘴 、扇形喷嘴 ; 按孔数可分为单孔喷嘴和多孔喷嘴 ; 按压力可分为低压喷嘴 、高压喷嘴及超高压喷嘴等 3。液力式和气力式喷嘴是所有应用中最 为 广泛采用的喷嘴 ， 最 主要的特征是通过外
4、部作用对流体施加压力 ， 导致流体以相对较高的速度喷入周围气体介质中 4。我国在植保机械的基 础 理论和基础零部件的研究与应用方面还有所欠缺 。据相关资料显示 ， 目前绝大部分试验研究所用收稿日 期 : 2015 07 24基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 41161045)作者简介 : 郝 磊 ( 1989 ) ， 男 ， 内蒙古集宁人 ， 硕士研究生 ，( E mail) 471871462 qq com。通 讯作 者 : 高 雄 ( 1957 ) ， 男 ， 呼和浩特人 ， 副教授 ， 硕士生导师 ，( E mail) gao0927cn aliyun com。的喷嘴都是进口喷嘴
5、5， 农药的施用技术仍停留在大容量 、大 雾 滴喷雾水平上 ， 过分强调了药液从植株叶片上开始流淌为喷雾均匀的指标 ， 浪费了大量的资源 6。1 雾化 机 理喷雾是 一个动态过程 ， 受到喷嘴结构 、外部环境多种因素的影响 。一般来说 ， 雾化过程大致分为 3 种类型 : 液滴破碎 、液柱破碎和薄膜破碎 7。这 3 种破碎 形式在同一雾 化过程中同时存在 、相互作用 。本文研究的是 Y1/4AT 19V 液力式雾化喷嘴 ， 其雾化过程是 : 首先 ， 由于受外力的作用 ， 液体从细水雾喷嘴流道通过形成很细的水射流或很薄的水膜 ， 然后射流或薄膜从喷嘴出口喷出 ， 克服表面张力 ， 从液膜分裂成
6、细线 ， 加上湍流径向分速度和周围空气相对速度的影响 ， 使液体破碎成细小的水滴 。2 建立 模 型21 几何 模 型液力式雾化喷嘴二维结构如图 1 所示 。22 网格化分本文运用 ICEM CFD 划分网格软件 。在划分网格时 ， 考虑到计算边界结构和流场的复杂性 ， 采用三角形非结构网格 。为了模拟喷嘴的外部流场 ， 建立的仿真模型包括 2 个部分 : 一是喷头出口 ， 二是雾化场 。将喷头雾化场尺寸简化为矩形 。划分网格如图 2 所示 。3 数值 计 算31 输入并检查网格启动 FLUENT 三维单精度求解器 ， 输入上文所保912016 年 8 月 农 机 化 研 究 第 8 期DOI
7、:10.13427/ki.njyi.2016.08.004存的网格文件并对其进 行检查 ， 确定网格划分没有错误 。因为在 ICEM 建模时所使用的长度单位为 mm，而 FLUENT 默认的是 m， 因此在检查完网格后需对单位进行更改 。图 1 液力式雾化喷嘴二维结构 示 意图Fig1 Hydrostatic atomizing nozzle two dimensional structure diagram1， 3， 4， 6 壁面 2 入 口 5 出口图 2 喷嘴雾化场网格划分Fig 2 Nozzle atomizing field meshing32 计算 方 法采用标准 k 湍流模型
8、， 多相流模型选择 Eule-ria 模型 ， 主相为空气 ， 辅相为水 。动量方程 、湍动能方程和湍动能耗散率均采用一阶迎风差分格式 ， 采用SIMPLE 算法耦合求解压力与速度的耦合 。33 边界条件根据之前对锥直形喷头内部流场仿真 ， 喷头在2 5MPa 时 ， 出口最大速度为 6m/s。喷头出口速度是雾化场的入口速度 ， 因此设置雾化场入口边界条件为速度入口 ， 出口边界条件为压力出口 。4 计算结果与分析41 雾化场速度仿真与分析1) 液力式雾化喷嘴速度分布如图 3 所示 。图 3 喷嘴雾化场速度云图Fig 3 Nozzle atomizing field velocity cont
9、ours2) 喷嘴雾化场轴向速度如图 4 所示 。图 4 喷嘴雾化场轴向速度图Fig 4 Nozzle atomizing field axial velocity3) 喷嘴雾化场径向速度如图 5 所示 。图 5 喷嘴雾化场径向速度图Fig 5 Nozzle atomizing field radial velocity从图 3 可 以 看出 : 在模拟的喷雾场中 ， 液力式雾化喷嘴喷出的雾滴群形状成锥形 。从图 4 可以看出 :雾滴的轴向速度随着距离喷孔轴向距离的增大 ， 其轴向速度减小 ; 雾滴从喷嘴喷出 ， 受到空气阻力等因素的作用 ， 其速度会逐渐变小并且破碎成更小颗粒 8。02201
10、6 年 8 月 农 机 化 研 究 第 8 期从图 5 可以 看出 : 雾滴径向速度关于轴线对称分布 ，随着径向距离变大 ， 其径向速度迅速减小 。42 雾化场离散相模型 ( DPM) 模拟分析采用多相流模型对喷雾场进行模拟 ， 不能得到雾滴的雾化过程 ， 只能简单地显示喷雾场的形状和速度分布情况 。采用离散相模型则可以直观地模拟出雾化过程 9。1) 连续相流场模拟 。为了用离散相模型模拟雾化过程 ， 必 须 先进行连续相流场模拟 。连续相进口边界条件为速度入口 ， 其值为 6m/s， 温度为 300K。出口边界条件为压力出口 ， 其值为一个标准大气压 。相关参数设置完成后 ， 进行迭代计算
11、， 残差曲线收敛后 ， 得到模拟分析结果 ， 如图 6 所示 。图 6 连续相流场速度分布图Fig 6 Velocity distribution of continuous phase2) 离散相流场模拟 。连续相流场模拟完成后 ， 选择 离 散相模型 DPM 且加入雾滴 ， 并选择湍流模型为标准 k 模型 ， 得到模拟分析结果 ， 如图 7 所示 。图 7 雾滴模 拟图Fig7 Droplets particle simulation diagram由图 7 可知 : 随着时间的增加 ， 雾滴群形状逐渐成 形 。可以看出较大的雾滴大多数集中在雾滴群中间 ， 雾滴较小的分布在雾滴群周围 ，
12、与实际情况相符 。5 参数 优 化51 增加 入 口数量将原喷头的 4 个入口改变为 6 个后的喷嘴二维结构如图 8 所示 。图 8 6 个入口喷嘴二维结构示意图Fig8 Six inlets nozzle two dimensional structure diagram6 个入 口 、4 个 入口的喷嘴速度 、喷嘴轴向速度及喷嘴出口流量如图 9 图 14 所示 。图 9 6 个入口喷嘴速度分布图Fig9 Six inlets nozzlet velocity distribution图 10 6 个入口喷嘴轴向速度图Fig10 Six inlets nozzle axial velocit
13、y122016 年 8 月 农 机 化 研 究 第 8 期图 11 4 个入 口 喷嘴速度分布图Fig11 Four inlets nozzle velocity distribution图 12 4 个入口 喷嘴轴向速度图Fig12 Four inlets nozzle axial velocity图 13 6 个入 口 喷嘴出口流量Fig13 Six inlets nozzle outlet flow图 14 4 个入口 喷嘴出口流量Fig14 Four inlets nozzle outlet flow图 9 图 14 表明 : 在相 同入口压力 ( 2 5 MPa) 条件下 ， 优化入
14、口数量 ， 使喷嘴入口和出口流量变大 ， 轴向速度显著提高 。这样既扩大了喷嘴雾化面积 ， 又提高了工作效率 。52 改变喷嘴锥形面锥角本试验喷嘴锥形面锥角 ， 喷孔直径 0 66mm ， 保持喷孔直径和入口数量不变 ， 将锥角依次改为 30、35、45、50、55后进行模拟 。对模拟结果进行处理后 ， 得到的雾滴轴向速度如图 15 所示 。图 15 不同锥角喷嘴轴向速度 图Fig 15 axial velocity of different angle从图 15 可 以看出 : 速度都是约在 x = 25mm 后迅速增大 ， 其原因是由于锥形面收缩 ; 在 =30和 =35之间 ， 随着锥角
15、增加 ， 出口轴向速度变化不大 ; 在 =35和 =45间 ， 随着锥角增加 ， 出口轴向速度增大明显 ; 在 = 45和 = 55之间 ， 随着锥角增加 ， 出口轴向速度几乎没有变化 。因此 ， 喷嘴锥形面锥角为45时 ， 雾滴已达到较高的出口轴向速度 。6 结论运用 ANSYS 软件模拟了液力式雾化喷嘴的内部流场 ， 对比分析了不同结构参数对喷嘴流场的影响 ，结果表明 : 增加喷嘴入口数量 ， 出口流量和轴向速度增加 ; 喷嘴的锥形面处是流场速度变化的关键部位 ，在一定范围内增大锥角可以提高轴向速度 ， 锥角为45时 ， 雾滴达到较高的出口轴向速度 ， 其后再增大锥角出口轴向速度几乎不变
16、。此外 ， 利用多相流模型和离散相模型模拟喷嘴二维网格模型的雾化场和喷嘴雾化形成过程 ， 直观得到喷嘴雾滴分布和速度分布情况 ， 这些结论可为今后喷嘴的结构设计提供参考 。参考文献 : 1 孙晓 红 液体雾化及其沉降性能研究 D 呼 和浩特 : 内蒙古农业大学 ， 2013222016 年 8 月 农 机 化 研 究 第 8 期 2 罗瑶 植 保 机械喷头内部流场的数值模拟 D 长沙 : 湖南农业大学 ， 2008 3 王彬 雾化角对压力式液体雾化效果影响的理论及实验研究 D 重庆 : 重庆大学 ， 2007 4 金春玉 空心圆锥雾化喷嘴喷雾实验与数值研究 D 上海 : 上海交通大学 ， 20
17、07 5 樊荣 ， 师帅兵 ， 杨福增 ， 等 我国植保机械常用喷头的研究现状及发展趋势 J 农机化研究 ， 2014， 36( 6) : 6 9 6 刘 玉洲 液力式喷雾机液体雾化的试验 研究 D 呼和浩特 : 内蒙古农业大学 ， 2011 7 李冬青 气力式喷嘴雾化过程的实验研究与数值模拟 D 杭州 : 浙江大学 ， 2007 8 汪新智 双通道气流式雾化喷嘴模拟计算与优化 D 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学 ， 2013 9 黄发光 植保用喷头的参数化设计 D 杨凌 : 西北农林科技大学 ， 2014Based on ANSYS Atomization Nozzle Flow Field A
18、nalysis andParameter OptimizationHao Lei1， Gao Xiong1， Chen Tieying2， Wang Haichao1( 1 College of Mechanical and Electrical Engineering， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010018， China;2 Inner Mongolia Agricultural and Animal Husbandry Machinery Technology Extersion Station， Hohhot 0100
19、10， China)Abstract: Nozzle is the terminal of spray operations， is also one of core parts Nozzle of the conical surface is the keypart of flow velocity and pressure changes， nozzle entrance has a great influence on the nozzle outlet flow and speed Usingthe ANSYS software to simulate the internal flo
20、w field in hydraulic atomizing nozzle and nozzle external atomized dropletsdistribution and velocity distribution of comparison and analysis the influence of different structural parameters on the noz-zle flow field， for the nozzle structure parameters of reasonable selection have provided the certa
21、in basisKey words: atomized droplets distribution; nozzle cone angle; velocity distribution; parameter optimization( 上接 第 18 页 )Abstract ID: 1003 188X( 2016) 08 0012 EADevelopment of a Variable swath Deck for a Zero Turning adiusMower and Finite Element Analisys of Main PartsWang Xinyan， Zhou Hao， L
22、iu Yong， Gao Liyue， Zhou Yuan( Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China)Abstract: To enable operation in different size environments， a variable swath deck for use in a zero turning radius( ZT) mower was developed in this paper A WBZ12219K S ZT mower with the fixed swath
23、 of 1 2 m was used asthe original vehicle Using a combination of a primary deck and a secondary deck， a variable swath deck with swaths of1 5， 1 8 and 2 3 m was realized A double layer blade shaft and a double layer pulley were used to transmit powerfrom the primary deck to the secondary deck In add
24、ition， the rigidity and deformation of the main parts of the mowerwere determined using finite element analysis software The stress diagram showed that the structure is reasonable andmeets the relevant strength requirements Finally， a prototype model with the different swath decks was manufactured，and a field test demonstrated the good performance of this variable swath mowerKey words: mower; variable swath deck; zero turning radius; finite element analysis322016 年 8 月 农 机 化 研 究 第 8 期
