李雪 陆岱鹏 王士林 张美娜 雷哓晖 吕晓兰

摘要： 基于文丘里原理设计了一款农用气液两相喷头，并采用k-8湍流模型，利用FLUENT和CFX求解器对喷头内部气流场进行了计算流体力学（ CFD）仿真和试验验证。结果表明：喷头出口平面中心区域的气流速度达到亚音速和超音速，喷头出口的气流速度随着两相压力的增加而增加;当气相入口壓力一定时，液相人口压力的增大可使喷头下方两侧气流朝喷头轴向集中，喷口中心区域气流速度的实测值与仿真值的相对偏差≤10%，仿真结果真实可靠。雾滴粒径测试结果表明：在0.05 MPa的恒定水压下，雾滴粒径随着气压的增高而降低;在常用工作气压下，距喷头喷射距离1.6 m处，粒径65 μm以下的雾滴比例≥85%，雾滴体积中径（D50）<50 μm。所设计的喷头雾化性能优异，可获得烟雾级雾滴，适用于在设施农业中进行整棚弥散性喷雾防治病虫害。

关键词：气液两相;喷头;文丘里效应;计算流体力学（ CFD）;喷雾特性

中图分类号：S491

文献标识码：A

文章编号： 1000-4440（ 2019） 03-0722-07 喷头是决定植保机械喷雾性能的关键部件之一，与雾滴粒径、雾滴分布均匀度和施药量等关键指标直接相关1-3]。目前，中国植保机械上使用的喷头多为液力式圆锥雾喷头和扇形雾喷头，种类单调，生产规格不一，雾化质量参差不齐。国外除了常见的液力式圆锥雾和扇形雾喷头，还有专用的防飘失喷头和技术先进的变量喷头，品种多样，并具有相关的行业标准[4-7]。在喷头的研制上，中国落后于发达国家。特别是在设施农业领域，配套专用的植保机械和关键部件十分缺乏，喷雾方式多为大容量喷雾，这种作业方式的农药有效利用率不足30%[8-10]，大量雾滴流失到地面，增加了土壤湿度，为病虫害多次爆发提供条件，同时引起环境污染和食品安全等问题，此外大容量喷雾在作物成株期，雾滴不容易穿透植株冠层，难以在叶片背面沉积，致使病虫害防治不彻底。

与大田和果园植保作业不同，设施植保作业在一个相对封闭的环境中进行，没有自然风的干扰，同时高温高湿的独特环境，在导致作物易患病虫害之外，还会使设施内部蚊蝇蛾等飞行虫害（适宜农药雾滴尺寸10- 30 μm）频发[11-13]。因此，设施植保作业应主要考虑如何提升雾滴在整个棚室内部的弥散性，对棚室内部整个空间进行防治，而忽略雾滴飘失。较细雾滴[气雾（粒径≤50 μm）、弥雾（50μm<粒径≤100¨m）]的弥散性以及在固体表面的黏附性要显著优于较粗雾滴[常规雾（100 μm<粒径≤200μm）、粗雾滴（粒径>200 μm）][14]。而中国农用喷头常用压力下所产生的雾滴粒径一般为80 - 200 μm[15]，适合进行目标性强的作业，雾滴弥散性相对较差。因此，本研究针对设施栽培独有的环境特点和防治对象，研制一种能够产生烟雾级雾滴的农用气液两相喷头，并对喷头进行喷雾特性仿真与试验验证。

1 材料与方法

1.1 气液两相流雾化喷头的设计

基于文丘里原理（图1）设计气液两相流雾化喷头。设计的喷头（图2）主要由超声头、阀芯结构（内端头）、进气管、安装螺母等部件组成，材质为SUS304。其中阀芯采用文丘里结构，为使液滴在阀芯喉管部整个截面上较快均匀分布，采用了径向内喷的供水方式，以增大气液两相速度差，同时减小流量，提高喷头的雾化性能。

超声头为圆柱体，靠近喷头出口处设有一同心盲孔，通过钢丝与超声头连接。超声头与进气管通过螺纹连接并将阀芯结构固定在连接套管内部。进气管与后盖形成的套管间隙组成了水流通道。喷头内腔的低压气流在阀芯喉管处形成高速气流，高速气体和套管中被吸人的低压液体在狭窄真空区域充分混合和碰撞后以高速气雾流的形式喷出，喷出的气雾流再受到喷头尖的撞击进行二次雾化，形成烟雾状的细小雾滴。

1.2 喷头喷雾特性试验

1.2.1 雾滴粒径测试采用Winner318B工业喷雾激光粒度分析仪（济南微纳科技有限公司产品）对气液两相雾化喷头进行粒径测量，环境温度为26 -28℃。测试时喷头的进气口经调压阀（台湾AIRTAC亚德客公司产品，型号AR2000）与气泵（上海奥突斯工贸有限公司产品，型号550W-30L）相连，进水口经调压阀与液泵（宁波雷诚泵业有限公司产品，型号LS-0416）相连（图3）。在水压恒定（0.05 MPa）的前提下测试不同气压下雾滴粒径的分布，喷头距离仪器1.6 m，每种工况重复3次。

1.2.2 喷头计算流体力学仿真试验 为了解喷头内部两相流体的运动情况，利用FLUENT和CFX求解器对喷头进行计算流体力学（ Computational fluiddynamics，CFD）仿真[16-17]，建立喷头的气流场三维模型，分析不同气压下气流速度的变化特性。由于喷头的气液两相流动涉及高压压缩空气和液相水，为了观察喷头流道内外的气液两相分布情况，采用VOF模型18]进行气液两相非稳态流动模拟。因此，仿真分为2部分：①对喷口气雾流速度起决定性作用的气流速度进行仿真，分析不同压力下喷头截面速度变化和出口平面气流速度分布;②气液两相非稳态流动仿真，分析气雾的分布情况。

1.2.2.1 喷头气流速度仿真 选择标准k-ε双方程[19-20]湍流模型进行非稳态流动模拟，喷头的气相人口压力从0.2 MPa变化至0.5 MPa，将气体物理属性设为可压缩理想气体。在Gambit软件中建立喷头的气流场模型，喷头长度为64.0 mm，分别有气相和液相2个圆形人口，其直径分别为13.4 mm和12.0 mm，喷头出口直径为2.2 mm的圆形平面，其下方约3.5 mm处有内径为2.0 mm、外径为2.6mm、高度为3.3 mm的一空芯圆柱，底面封闭，用于液滴二次雾化。喷头气流场模型如图4所示。

喷头在气相和液相进口面的铅垂面具有面对称特性，因此选择喷头几何模型的一半作为研究对象。为了模拟气相从喷头入口至流向大气环境的流场特性，建立喷头出口处的大气环境计算域，并对整个流场计算域进行结构化网格划分，在壁面及喷头出口处附近区域进行网格加密，网格节点总数约为5. Ox105（图5）。根据喷头后期试验工况，分别选定气压0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa及0.5 MPa 4个工况进行气相模拟。喷头气相非稳态流动数值模拟边界条件设置如下：（1）气相人口压力0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa及0.5 MPa;（2）几何对称面，对称边界条件;（3）气相出口压力为环境大气压1 atm;（4）其他为无滑移壁面边界条件。

1.2.2.2 气液两相非稳态流动仿真喷头几何外形如图4所示，喷头气相流动经历了亚音速到超音速的过程，同时伴随液相流动，过程复杂。为提高仿真的精度，合理缩减仿真时间，根据几何对称性对喷头外形进行简化，选取喷头圆周方向的1/8作为研究对象。气液两相流动计算域由喷头出口面下方100mm和喷头出口面平面外延半径150 mm组成的扇形区域，两侧面（对称面）的夹角为450，对计算域进行全结构网格划分，全局网格节点约1.7×10（图6）。

用CFX求解器对喷头喷口周围的气液两相流场分布特性进行仿真计算，湍流模型选择标准k一ε双方程模型，气相和液相表面视为均匀相自由表面，气体选择可压缩理想气体，同时考虑水的表面张力为0. 072 N/m，主相为气体。相应边界条件设置如下：（1）气相入口边界条件设置见表1;（2）液相人口边界条件设置见表2，液相温度设置为300 K;（3）两侧对称面为对称边界条件;（4）圆柱面及底部扇形面为出口边界条件，环境大气压为1 atm，环境温度为300 K;（5）其他为无滑移的壁面边界条件。

1.2.3 气流仿真结果验证试验为了验证仿真的准确性，对气液两相喷头出气口速度随喷头气液入口压力变化的规律进行试验。试验方法：在喷头工作后，利用气流稳压缓冲装置（图7），在恒定气压下，用热敏式风速仪（智标GM8903）测定装置出气口处界面气流速度，待风速仪上数值稳定后，记录数据，试验重复3次。塑料管口的速度记为V试，塑料管内孔面积为Js管，喷头出口的速度为V喷，喷头出口的面积为S喷，则V试XS管=V喷XS喷，V喷=V试×（D管/D喷）2，式中，塑料管内径D管=20.0 mm，喷头出气口直径D喷=2.2 mm。

2 结果与分析

2.1 气液两相流雾化喷头的雾滴粒径

当喷雾液的静止试验水压Pl=0.05 MPa时，不同气压Po（O.2 MPa、0.3 MPa及0.4 MPa）下雾滴粒径的分布百分比见表3。由表3可知，当气压在0.2MPa和0.3 MPa时，粒径65μm以下的雾滴占比在85%以上;而当气压达到0.4 MPa时，65 μm以下的雾滴占比高达98%。雾滴的体积中径D50均小于50μm。雾滴达到烟雾级水平，雾滴图谱见图8。

2.2 喷头计算流体力学仿真结果

2.2.1 气流速度仿真结果 随着压缩气体在流道内流动，压能转化为动能并在喷头喉部区域使气流速度达到最大，接近500 m/s。在喷头出口处平面的中心区域速度最大，而在壁面附近区域速度則明显偏低。由于高速气体的流出导致在喷头出口区域形成明显负压，致使喷头外部气体在喷头出口靠近壁面的区域形成回流，呈喇叭状分布。

为了解不同压力下气流速度的空间分布情况，选择对称面上距离喷头出口平面下方1 mm、10mm、50 mm以及100 mm处直线位置（图9），观察喷头两侧的速度分布。速度在各直线上的分布曲线如图10所示。由图10可知，距喷头出口平面1 mm位置处速度最大可达到450 m/s，速度在喷头两侧的分布具有明显的对称性，速度最大值出现在喷头正下方区域，且随着距离增大速度衰减幅度随之增大，当距喷头出口平面100 mm时最大速度已降至10m/s以下。

由4个工况的仿真结果可知，气压为0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa及0.5 MPa时，喷头出口中心区域气流速度分别为338 m/s、410 m/s、426 m/s和450m/s。说明所设计的气液两相流雾化喷头能够产生超音速气流，喷头的设计结构对增大气液两相速度差具有显著效果。

2.2.2 气液两相非稳态流动仿真结果采用非稳态计算，计算时间步长为2. Oxl0 s，计算总时长为0. 02 s。t=0 s时整个计算域处于初始状态，计算域内的流场速度和湍流强度等参数均为0，气体体积分数为1.0，环境温度为300 K，共计算6个工况（气压0.3 MPa，液压0.05 MPa;气压0.3 MPa，液压0. 10 MPa：气压0.4 MPa，液压0.05 MPa;气压0.4MPa，液压0.10 MPa;气压0.5 MPa，液压0.05MPa;气压0.5 MPa，液压0.10 MPa）。由仿真结果分析得出，气流自人口面进入，在喷头喉部的速度达到最大，约为540 m/s至630 m/s;在喉部下方，由于受喷头两侧水流的影响，气流高速区主要集中在中间区域，而两侧速度很小，形成较大的速度梯度，气体从喷头出口面喷出，径直喷向下方的空芯圆柱，但由于受到空芯圆柱底部壁面的阻挡，气流发生反向流动从空芯圆柱上表面流出后向两侧流动，随着离喷头出口面距离的变大，气流速度的衰减逐渐增大。从速度分布特征还可以得出，当气相入口压力一定时，液相入口压力的增大可使喷头下方的两侧气流朝喷头轴向集中，液相分布同样也具有这一特征。

2.3 气液两相流雾化喷头的气流仿真结果验证

喷头气流速度测试结果与仿真结果（表4）显示，喷头出口气流速度均达到超音速，且喷头出口气流速度随着两相压力的增加而增加，实测值与仿真值的相对偏差≤10%。说明喷头流场的仿真分析结果与喷头实际喷雾特性的一致性较高。

3 结论

设施农业棚室内部高温高湿，蚊蝇蛾等飞行虫害频发，而飞行虫害的防治对植保机械喷雾性能的要求较高，适宜的雾滴粒径在10 μm至30 μm之间。因此，设施植保作业应主要考虑提升雾滴在整个棚室内部的弥散性，对棚室内部整个空间进行防治，不用考虑雾滴飘失问题。本研究基于文丘里原理设计了一款农用气液两相喷头，并对喷头进行了喷雾特性仿真与试验验证，得到以下结论：（1）通过雾滴粒径测试试验测得，0. 05 MPa的恒定水压下，雾滴粒径随着气压的增高而降低，65 μm以下的雾滴占比≥85%，雾滴体积中径（D50）<50 μm，喷头雾化性能优异，能够获得烟雾级雾滴，可进行超低容量喷雾;（2）喷头气流速度场的CFD仿真和试验验证结果说明，喷头能够产生超音速气流，喷头的设计结构对增大气液两相速度差具有显著效果，有利于雾滴的超细雾化。（3）当气相入口压力一定时，液相人口压力的增大可促使喷头下方两侧的气流朝喷头轴向集中，喷头出口的气流速度随着两相压力的增加而增加，气流速度实测值与仿真值的相对偏差≤10%，仿真结果可靠。

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（责任编辑：张震林）