（流体机械及工程专业论文）基于cfd技术的射流混合装置参数优化及特性研究.pdf

_ 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子 杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和 借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并 向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博 硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学 研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名： 趣乃 加j 1 年6 月i 噜同 指导教师签名： c o o t l 年 基于c f d 技术的射流混合装置参数优化及 特性研究 o p t i m i z a t i o na n di n v e s t i g a t i o no nt h e c h a r a c t e i u s t i co fj e tm i n gd e v i c eb a s e do n c f dt e c h n o l o g y 2 0 11 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 射流混合技术因其结构简单、操作安全、便于综合利用等优势在国民经济的许多领 域得到广泛应用。植保机械中的混药装置采用这一技术，可有效地避免预混式施药的诸 多弊端。因此，射流混合技术在植保机械的应用引起相关研究人员的高度注意。针对现 有单侧抽吸混合装置存在的问题，本文提出一种对称结构的射流混合装置，通过f l u e n t 数值仿真实现其主要结构参数的优化，并进一步得到优化结构的工作特性曲线，同时对 影响射流混合装置工作性能的空化现象进行了初步研究。本文进行的主要工作如下： 1 基于单侧抽吸射流混合装置建立内流混合流动模型，采用组分传输模型对非等密 度体系下的液体射流混合流场进行模拟，通过分析流场参数的分布规律，发现单侧抽吸 时存在着较为严重的流场分布不均现象。为改善这一弊端，改进设计单侧抽吸结构为对 称双侧抽吸结构。通过c f d 仿真对比了两者间速度、质量分数等参数分布，验证了对称 双侧抽吸结构的优势；为改善射流混合装置内流场分布均匀性研究提供了思路及理论参 考。 2 为了优化对称双侧抽吸装置的结构参数，借助c f d 技术分别研究了几个主要结 构参数( 嘴管距、混合管长度、混合管进口锥角) 对双侧抽吸射流混合装置基本性能及 内流场分布的影响，并以最高效率下降4 为标准确定了相应参数的最优区间，为新型 混合装置的设计及参数优化提供了理论依据。 3 针对射流混合装置实际使用中工作参数的选择及空化现象，采用m i x t u r e 模型和 c a v i t a t i o n 模型仿真研究了双侧抽吸射流混合装置在不同工作参数下的内流场。仿真结果 表明，空化发生后装置的流量比不随工作压差变化而变化，反而保持为一定值( 极限汽 蚀流量比) ，极限汽蚀流量比随进口压强的增大而降低。同时给出了射流混合装置的工作 特性曲线，并确定了装置的非空化高效率区、非空化低效率区和空化区。该研究结果为 射流混合装置结构参数和工作参数的合理匹配以及安全、高效运行提供了重要参考依据。 4 为了讨论射流混合装置中空泡动力学行为，文章从r a y l e i g h 方程及液体的粘压特 性出发，导出了考虑液体粘压特性关系的空泡动力学方程；借助有限差分方法求解了不 同液体粘度时的修正动力学方程，分析讨论了液体粘性对空泡脉动、空泡壁面速度和空 泡壁面加速度的影响。发现液体粘性在空泡的发育和溃灭过程中起到阻尼作用，且粘性 基y - c f d 技术的射流混合装置参数优化及特性研究 越大空泡的能量耗散越大，为深入研究空化现象对射流混合装置性能的影响机理奠定了 一定的基础。 关键词：射流混合，参数优化，性能分析，空泡动力学，粘性 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e j e tm i x i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n ya r e a so ft h en a t i o n a le c o n o m y , b e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e ，s a f eo p e r a t i o n ，a n dc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n j e tm i x i n g d e v i c eo fp l a n tp r o t e c t i o nm a c h i n e r yb a s e do nt h i st e c h n o l o g y , c a ne f f e c t i v e l ya v o i dm a n y d r a w b a c k so fp r e m i x e d - t y p es p r a y i n g ，t h u sa t t r a c t sm a n ya t t e n t i o n so ft h er e l e v a n tr e s e a r c h e r s f o rt h ep r o b l e m so fs i n g l es i d em i x i n gd e v i c e ，t h i sp a p e rp r o p o s e saj e tm i x i n gd e v i c e sw i t h s y m m e t r i c a ls t r u c t u r e t h eo p t i m i z a t i o no fm a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r sw a sa c h i e v e db yu s i n g f l u e n ts o f t w a r e ，a n dt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sc h i v eo ft h eo p t i m i z e ds t r u c t u r ew a sa l s o o b t a i n e d a tt h em e a n t i m e ，t h ec a v i t a t i o n st h a ta f f e c tt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ej e t d e v i c eh a v ea l s ob e e ns t u d i e db yu s i n gf l u e n t t h em a j o rw o r kc a r r i e do u ti nt h i sp a p e ri s a sf o l l o w s ： 1 t h em i x i n gm o d a lo ft h ei n t e r n a lf l o ww a se s t a b l i s h e db a s e do nt h es i n g l es i d em i x i n g d e v i c e ，a n dt h es i m u l a t i o no fm i x e df l o wf i e l du n d e rt h en o n i s o p y c n i cs y s t e mw a sm a d e a c c o r d i n gt ot h es p e c i e st r a n s p o r tm o d e l t h r o u g ha n a l y z i n gt h ep a r a m e t e r sd i s t r i b u t i o no f t h ef l o w , t h es e r i o u sn o n u n i f o r md i s t r i b u t i o no ft h ef l o ww a so b s e r v e d t or e s o l v et h i s p r o b l e m ，t h es t r u c t u r ew a sc h a n g e df r o ms i n g l es i d es t r u c t u r e t os y m m e t r i c a ld o u b l es i d e s t r u c t u r e b yc o m p a r i s o no ft h ep a r a m e t e r sd i s t r i b u t i o n ( s u c ha st h ev e l o c i t y , m a s sf r a c t i o n a n ds oo n ) b e t w e e nt h et w os t r u c t u r e s ，t h ea d v a n t a g e so fs y m m e t r i c a ld o u b l es i d em i x i n g d e v i c ew e r ep r o v e d t h ew o r kp r o v i d e si d e a sa n d t h e o r yr e f e r e n c e sf o rt h es t u d yo fi m p r o v i n g t h ep a r a m e t e r sd i s t r i b u t i o no f f l o wf i e l dw i t h i nt h ej e tm i x i n gd e v i c e 2 t oo p t i m i z et h ep r o p e r t i e so fs y m m e t r i c a ld o u b l es i d ed e v i c e ，w es t u d i e dt h ei n f l u e n c e o fs o m em a j o rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ( n o z z l e t o - t h r o a t ，l e n g t ho fm i x i n gt u b e ，i n l e tc o n ea n g l e o fm i x i n gt u b e ) t ob a s i cp r o p e r t i e sa n df l o wf i e l dp a r a m e t e r sd i s t r i b u t i o no fs y m m e t r i c a l d o u b l es i d ed e v i c eu s i n gt h ec f dt e c h n o l o g y t h eo p t i m a li n t e r v a l so ft h ec o r r e s p o n d i n g p a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e dw i t ht h ec r i t e r i a t h a tt h ee f f i c i e n c yr e d u c t i o nt ot h eh i g h e s t e f f i c i e n c yw a sl o w e rt h a n4 a n di ta l s op r o v i d e st h e o r yr e f e r e n c ef o rt h en e wm i x i n gd e v i c e d e s i g na n do p t i m i z a t i o no fi t sp a r a m e t e r s 3 t h em i x i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t e r n a lf l o wo ft h es y m m e t r i c a ld o u b l es i d em i x i n g d e v i c ew e r es i m u l a t e db ym i x t u r em o d e la n dc a v i t a t i o nm o d e lt os t u d yt h ec a v i t a t i o na n dt h e 1 1 1 基于c f d 技术的射流混合装置参数优化及特性研究 c h o i c eo ft h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h ej e tm i x i n gd e v i c ei na c t u a la p p l i c a t i o n t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ef l o wr a t i oo ft h et w of l u i d sd i d n tv a r yw i t ht h ew o r k i n gp r e s s u r e ，b u tk e p ta c o n s t a n tv a l u e ( t h el i m i tc a v i t a t i o n sf l o wr a t i o ) w h i l et h ec a v i t a t i o n sw a so c c u r r e d t h ev a l u e o fl i m i tc a v i t a t i o n sf l o wr a t i od e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fw o r k i n gp r e s s u r e t h ew o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c sc u r v e so ft h ej e tm i x i n gd e v i c ew e r ea l s oo b t a i n e da n dt h eh i g he f f i c i e n c yo f n o n c a v i t a t i o na r e a ，l o we f f i c i e n c yo fn o n c a v i t a t i o na r e aa n dc a v i t a i o na r e aw e r ed e t e r m i n e d b yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h e s er e s u l t sp r o v i d ei m p o r t a n tr e f e r e n c e sf o ro p t i m i z a t i o nj e t m i x i n gd e v i c es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，r a t i o n a la l l o c a t i o n ，a n ds a f ea n de f f i c i e n to p e r a t i o n e n v i r o n m e n t 4 i no r d e rt od i s c u s st h ed y n a m i cb e h a v i o ro fb u b b l ei nj e tm i x i n gd e v i c e ，t h ed y n a m i c s e q u a t i o nw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h ep r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c so fl i q u i dv i s c o s i t y , w a sd e r i v e d f r o mt h er a y l e i g he q u a t i o na n dt h ep r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c so fl i q u i dv i s c o s i t y t h ee f f e c to f t h el i q u i dv i s c o s i t yo nt h er e b o u n do fb u b b l e ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no fb u b b l ew a l lw a s d i s c u s s e db ys o l v i n gt h ed y n a m i c se q u a t i o nw i t ht h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h el i q u i dv i s c o s i t yp l a y e dad a m p i n gr o l ei nt h es t a g e so fe x p a n s i o na n dc o l l a p s e o fb u b b l e ，a n dt h eg r e a t e rt h ev i s c o s i t yw a s ，t h el a r g e rt h ee n e r g yd i s s i p a t i o no fb u b b l eh a d t h i sc o n c l u s i o ni sv e r yh e l p f u lt ot h es t u d yo fc a v i t a t i o ni nj e tm i x i n gd e v i c e k e y w o r d s ：j e tm i x i n g ，p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，d y n a m i c so fb u b b l e ， i v v i s c o s i t y 江苏大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1课题研究的背景：1 1 2课题相关的研究进展2 1 2 1 在线混药装置研究进展2 1 2 2 射流空化研究进展6 1 3本文的研究工作7 第2 章射流混合装置内部流动及c f d 理论基础一9 2 1有限空间射流基本理论9 2 1 1 有限空间射流流动结构9 2 1 2 有限空间射流基本特性1 0 2 2射流装置的工作原理与基本特性参数1 0 2 2 1 工作原理1 1 2 2 2 基本特性参数1 1 2 3射流混合装置基本性能方程1 3 2 4射流混合装置的空化性能1 4 2 5c f d 技术基础一1 5 2 5 1 有限体积法1 5 2 5 2 流体区域离散1 6 2 5 3 常用的流场迭代求解方法1 7 第3 章射流混合装置结构参数的优化设计。1 9 3 1射流混合装置的数值仿真1 9 3 1 1 计算模型1 9 3 1 2 控制方程2 0 3 2单侧抽吸混合装置的数值仿真2 1 3 2 1 结构参数及c f d 建模。2 1 3 2 2 计算结果与分析2 3 3 3双侧抽吸混合装置的数值仿真2 7 3 3 1 结构参数及c f d 建模一2 7 v 基于c f d 技术的射流混合装置参数优化及特性研究 3 3 2 计算结果及分析2 8 3 4双侧抽吸混合装置的参数优化3 2 3 4 1 嘴管距的优化设计3 3 3 4 2 混合管长度的优化设计3 9 3 4 3 混合管进口锥角的优化设计4 3 3 5本章小结4 8 第4 章射流混合装置工作特性的分析5 0 4 1考虑空化的多相流仿真理论基础5 0 4 1 1 多相流模型及控制方程5 0 5 1 5 4 5 4 5 4 5 6 5 7 6 0 6 1 6 1 6 5 6 9 7 0 7 0 7 1 7 2 7 3 8 0 江苏大学硕十学位论文 图表目录 图1 1 压差式混合装置结构示意图4 图1 2 正压式混合装置结构示意图5 图2 1 有限空间射流结构图9 图2 2 射流装置结构示意图。1 1 图3 1 单侧抽吸混合装置结构示意图2 2 图3 2 单侧抽吸混合装置流场网格划分2 3 图3 3 静压分布图2 3 图3 4 动压分布图2 4 图3 5 ( a ) 速度分布图。2 4 图3 6 湍动能分布2 5 图3 7 酒精质量分数分布。2 5 图3 8 选取横截面酒精质量分数分布2 6 图3 9 双侧抽吸混合装置结构示意图。2 8 图3 1 0 双侧抽吸混合装置流场网格划分2 8 图3 1 1 静压分布图2 9 图3 1 2 动压分布图2 9 图3 1 3 ( a ) 速度分布图2 9 图3 1 4 湍动能分布图3 0 图3 1 5 酒精质量分数分布图3 0 图3 1 6 选取截面酒精质量分数分布图。3 1 图3 1 7 不同嘴管距s 下中心面静压分布图3 4 图3 1 8 不同嘴管距s 下沿中心线的静压曲线3 4 图3 1 9 不同嘴管距s 下中心面速度分布图3 5 图3 2 0 不同嘴管距s 下沿中心线的速度曲线3 6 图3 2 1 不同嘴管距s 下中心面酒精质量分数分布图3 7 图3 2 2 流量参数与嘴管距s 的关系曲线3 8 图3 2 3 不同嘴管距下混合装置的l l - g 和q - q 曲线3 9 图3 2 4 不同混合管长度下中心面湍动能分布4 0 v 基于c f d 技术的射流混合装置参数优化及特性研究 图3 2 5 不同混合管长度下中心面速度分布4 1 图3 2 6 不同混合管长度下静压力沿程变化曲线4 2 图3 2 7 不同混合管长度的，7 q 曲线4 2 图3 2 8 不同混合管进口角下中心面静压分布图4 4 图3 2 9 不同混合管进口角下中心面速度分布4 5 图3 3 0 不同混合管进口角下中心面酒精质量分数分布4 5 图3 3 1 不同混合管进1 3 角下射流装置的h q 曲线4 6 图3 3 2 不同混合管进1 3 角下射流装置的r - q 曲线4 7 图3 3 3 ，7 印曲线4 8 图4 1 流量比q 与效率r 随鼽的变化曲线5 5 图4 2 不同出口压力时的流场分布对比5 6 图4 3 不同进口压力下的静压和速度分布曲线5 7 图4 4 q 一么p 曲线5 8 图4 5 , 7 - z a p 曲线5 9 图5 1 高压薄层区域平均压强随泡半径变化的理论值及拟合值6 5 图5 2 新旧模型数值计算结果及实验值的对比6 6 图5 3 不同粘性系数对空泡脉动的影响6 7 图5 4 空泡第一次收缩过程中泡壁速度、加速度与泡半径的关系曲线一6 8 图5 5 空泡第一次膨胀过程中泡壁速度、加速度与泡半径的关系曲线。6 8 表2 1 常见离散格式的性能对比1 7 表3 1 射流装置结构参数。2 1 表3 2 混合装置离析度对比3 2 表5 1 数值计算采用参数的值6 6 表5 2 粘性影响数值计算采用参数的值6 7 v i i i 江苏大学硕十学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 植物保护技术一直是世界各国专家学者致力研究的领域，如何低投入、低污染、高 效率地实现植物病虫害的防治是研究中最令人关心的问题。现阶段植物保护的方法主要 有化学防治法、物理防治法、生物防治法、综合防治法等【1 】，化学防治法具有防治工效 高、防治及时等特点，特别是对于大面积暴发及突发性的病虫害，能够做到及时控制与 防治，因此化学防治是现阶段乃至今后相当长的时期内世界各国对作物进行病虫草害防 治的主要方法，也是综合防治的重要组成部分【2 1 。 药液混合是施药过程的重要环节。传统的人工预混方式在农药的剂量、混合均匀度 等方面都存在着很大的误差，严重影响喷雾施药效果，同时还存在费时费力、威胁操作 者自身安全、剩余预混药液难以处理以及需要耐腐蚀的容器等缺点。这一系列的缺点都 在无形中增加了植物保护防治的成本，同时也催生了在线实时药液混合装置的研究。研 制和开发在线混药装置是安全、可靠、高效使用农药和消除农药残留对环境污染的关键， 也是植保机械发展的必然趋势；另一方面，在线混合装置的应用也涉及了环保和防治质 量，所以在线混合装置的研究一直是国内外研究的热点【3 一。 从2 0 世纪8 0 年代起，国外研究人员开始研究并采用外加动力装置进行单独给药的 管路，由单片机或者微处理器芯片依据喷雾机行进速度和流量等控制给药量，达到农药 与水在线混合的目的【3 ，9 1 0 1 。但这种方法结构复杂，且成本较高，不太适合国内目前防治 人员的使用。 国内在线混合装置的研究主要集中在射流混合的结构上。射流混合装置是以液体射 流作为工作介质，通过射流质点的紊动扩散作用，把能量传给被抽吸流体( 液体、含固 体颗粒的液体) 的一种机械式混合反应器【1 1 】，由于它没有运动部件，简单可靠且维护与 使用方便，被广泛应用于水利电力【1 2 1 、环境保护【1 3 ，1 4 1 、给水排水【1 5 】、医药化工【1 6 ，1 7 1 、航 空航天【1 8 】等领域，逐步显示出其独特的优越性和不可替代性。射流混合装置使用在植保 机械上，不仅可以安全施药，同时能够有效地保护环境，符合中国的国情，近年来在植 保机械上的应用逐渐广泛f 4 5 ，1 9 2 0 l 。但射流混合装置亦有其自身的缺点：由于采用负压吸 液，且无压力补偿，压力损失较大，混药精度受出口压力波动较大，混合均匀度也不够 基于c f d 技术的射流混合装置参数优化及特性研究 理想【2 1 1 等。 同时，射流混合装置也存在空化空蚀问题。空化是当流体中局部压强低于当地饱和 蒸气压时产生气体空腔的一种物理现象【2 2 1 ，广泛存在于各种水工建筑、水力机械和高速 流体中，它的存在给工程界带来诸多不良影响【2 2 , 2 3 】。空化会改变液体流动的水动力作用， 降低水力机械的效率；空泡溃灭导致的空蚀效应损伤其附近的固体壁面，对水力机械或 是水工建筑物产生极大破坏；空化会辐射噪声并产生极大振动。在射流混合装置内，如 果空化比较严重，就会产生振动和噪声，影响射流混合装置的工况，降低系统的效率， 严重的甚至影响整个系统的安全运行。空化是射流混合装置内一种复杂的流动现象，对 射流混合装置及装置的安全和经济运行具有重要影响，同时射流混合装置空化的影响因 素众多，涉及到液体的相变、汽泡的运动、两相临界流等复杂的流动问题【猢。 1 2 课题相关的研究进展 1 2 1在线混药装置研究进展 国外在线混药装置的研究，大致经历了以预混药液为工质控制系统【辱2 7 1 、不受控的 在线混合喷药系统【刎、受控变农药浓度的在线混合系统【1 0 , 2 9 - 3 1 】、受控定农药浓度的在线 混合系统【3 2 - 3 5 】的研究过程。 1 9 世纪7 0 年代，g e b h a r d t 开发了一套总流量控制系统【2 5 之7 】，以控制预混药液的总 流量随i i f 进速度同步变化来保证单位面积上施药量恒定。这类以预混药液为工质的自动 控制系统，虽然不是严格意义上的在线混合装置，但却为随后的在线混合装置的发展提 供很好的思路。随着农药对环境和非靶标生物的影响成为社会关注的问题，国外混药装 置在之后的发展中将水箱与药箱分开，在计算机的控制下实现农药的精确计量和在管道 中的均匀混合，并能根据前进速度的变化及时调整。g h a t e 和p h a t a k 在1 9 9 1 年设计了喷 雾机混药装置【凋。该装置由两个液箱、两个变面积流量计和一个压缩空气罐组成。两个 液箱分别为水箱和药箱，变面积流量计分别用来测量农药和水的流量，压缩空气罐则用 来给水箱和药箱提供恒定的压力。喷雾作业时，操作人员根据喷雾机的前进速度，调节 水箱和药箱的空气压力，在箱内压缩空气的作用下，水和农药分别从箱中流出，并经变 面积流量计测量，直到满足要求时停止调压过程，缺点是前进速度的波动将影响单位面 积上施药量的恒定【4 1 。 2 江苏大学硕士学位论文 为保证喷雾机前进速度变化时也能获得单位面积上施药量的恒定，国外开发了农药 直接注入系统，即在水流量保持恒定的情况下，利用喷雾机管道系统外部供能装置，直 接根据喷雾机前进速度调节农药的注入量。根据农药注入量调节方式不同，分为压缩空 气直接注入系统和变容积泵直接注入系统。 1 9 9 4 年，g h a t e 和p h a t a k 完成了压缩空气直接注入系统的设计【1 0 1 ，主要作了以下几 方面的改进：1 ) 用涡轮流量计取代了变面积流量计，用以给控制系统提供农药实际流量 的反馈电信号；2 ) 增设药箱压力调节阀及控制其丌度的步进电机，用以精细调节药箱内 压力，继而调节农药流量；3 ) 增设雷达传感器，用以精确测量喷雾机前进速度；4 ) 增 设步进电机控制器，根据雷达传感器的速度信号和涡轮流量计的农药流量信号，调节步 进电机的位移量，通过控制调节阀丌度，调节药箱内压力，从而调节农药注入喷雾机管 道系统的注入量，达到农药浓度与前进速度的比例变化，水流量恒定，则单位面积上的 农药用量恒定。 变容积泵直接注入系统是采用与喷雾机前进速度成正比的变容积泵( 齿轮泵、活塞 泵或隔膜泵) 来调节喷雾机管道系统中农药的浓度【2 9 。3 。在水流量保持恒定情况下，利 用喷雾机管道系统外部的电能，根据喷雾机的前进速度调节驱动变容积泵运转的电机的 转速，从而调节农药注入喷雾机管道系统的注入量，通过喷雾机管道系统内混合液浓度 的变化，达到单位面积上农药的用量恒定。 农药直接注入系统在国外机动喷雾机上得到广泛应用【3 3 - 3 5 1 ，但是这类控制系统因农 药注入量所占总流量比例甚小，而需要很高控制系统的响应速度以及农药计量精度。1 9 9 8 年，k o oym 将总流量控制和农药直接注入技术相结合，开发了一套直接注入总流量控 制系统【3 2 】，该系统根据喷雾机f j 进速度同步调节水和农药的注入量，因而农药可以保持 浓度不变，同时总流量随喷雾机前进速度正比变化，所以单位面积上的农药用量和喷雾 总量均保持恒定。 总结国外在线混合装置的研究，可以发现这类混合装置在控制单位面积上农药喷洒 量的方法主要包括【3 ，9 】： 1 ) 水流量和农药注入量都不变，喷雾器保持匀速运动前进。 2 ) 水流量恒定，农药注入量随前进速度同步变化，从而农药浓度随喷雾机前进速度 同步变化，即直接注入系统( d i r e c ti n i e c t i o ns y s t e m ) 。 3 ) 水流量和农药注入量随前进速度同步变化，但保持农药浓度恒定，即直接注入总 3 基于c f d 技术的射流混合装置参数优化及特性研究 流量控制系统( d i r e c t i n j e c t i o n t o t a l f l o w c o n t r o ls y s t e m ) 。 国内在线混合装置的研究，主要包括静态混合装置【矧、压差式混合装置【3 7 1 、正压式 混合装剐7 l 、射流式混合装型4 】等。 静态混合装置：何雄奎等人在农药直接注入系统的基础上，采用s k 静态混合器实 现农药与水的在线混合【3 6 l ，并针对不同剂型及粘度的农药，对比研究了采用静态混合器 与传统直接注入式混药装置在混合均匀度方面的差异。由于静态混合器特殊的设备结构 可使其内部的流体各自分散然后混合，从而实现均匀混合的效果，对于药剂类型繁多粘 度范围广泛且复杂的农药混合来说是比较理想的装备，并能在很宽的雷诺数范围内使用， 对混合均匀度的提高和减少变量延迟都有一定的作用。 压差式混合装置：图1 1 为压差式混合装置的结构示意图，通过在喷雾主管1 中 串联管件2 在a ，b 两端形成压差，迫使储液罐4 中液体通过支管3 不断流入喷雾主管。 支管3 根据管件2 的具体形式( 文丘里管、阀门或毕托管等) 选择接于管件2 之后，或 直接与管件2 相接。该混合装置原理简单，操作方便，不存在导致控制严重失效的因素， 但混合比很不稳定，很难实现精确控制【3 7 1 ，适合与微滴灌技术【3 8 】联合使用。 1 唆劣l i 管2 管件3 交嚣4 储液舔5 调疆阀 图1 1 压差式混合装置结构示意图 f i g 1 1s t r u c t u r a ld i a g r a mo fp r e s s u r ed i f f e r e n t i a lm i x i n ga p p a r a t u s 正压式混合装置：吴萍等人基于射流混合原理，并结合手动药械的特性，设计了正 压式混合装置门，如图1 2 所示。该装置由吸入室、突缩管、混合室、挤压室、挤压装 置等部分组成。其中在吸入室的下端开有连通挤压室的分流孔；混合室进口端开有连通 挤压装置的抽吸孔；挤压室内有药液挤压装置( 要求具有良好的弹性) 。喷雾作业时，高 压水流( 0 3 m p a ) 进入吸入室后分作两路：一部分压力水经突缩管流入混合室，流动中 因水流通径突然变小，流速加快，压力下降；另一部分压力水经分流孔进入挤压室，对 药液挤压装置施以正压力。在挤压室与混合管之间的压力差作用下，挤压装置内的药液 由抽吸孔被挤压进入混合室。在混合室内，两种液体完成混合，最后经喷头喷出。这种 混药装置吸药稳定性和均匀性比较好，但挤压装置的存在也引发新的弊端：( 1 ) 挤压装 4 江苏人学硕士学位论文 置需要具有较高的耐腐蚀性和良好的弹性，一定程度上增加了生产成本；( 2 ) 向挤压装 置中增加药液困难；( 3 ) 由于挤压装置需密封，其中药液不能抽吸干净，残留物处理困 难。 v 门叫 一 x x1 吸入： x x2 分流 x 3 突缩： 4 抽吸： 5 混合。 x x6 挤胍。 x ( 图1 2 正压式混合装置结构示意图 f i g 1 2s t r u c t u r a ld i a g r a mo fb a r o t r o p i cm i x i n ga p p a r a t u s 射流式混合装置：射流式混合装置由射流嘴、吸入室、混合管和扩散管等部分组成， 属于有限空问射流，其基本工作机理就是湍流射流、湍流混合过程。何培杰等率先对单 级射流混合装置进行了理论研究，在作了一定简化的基础上用无因次参数比p 妒压力比 h 、流量比q 、面积比m 和4 个阻力系数描述了该射流混合装置的性能，并建立了它们之 间的理论关系【3 9 】。借助实验手段，研究了结构参数( 主要是面积比i l l 和嘴管距s ) 及工 作参数( 主要是进口压力p o ) 对射流装置性能的影响，得到面积比小的射流装置具有高 压力比、低流量比的特性；嘴管距对射流混药装置的性能有较大的影响；进口压力较高 时易发生汽蚀等结论【矧。为了揭示射流装置内部流动规律，何培杰等应用有限控制容积 法，在标准七一f i - 二方程紊流模型下，对射流混药装置内混合管轴对称流场进行了数值 计算，初步得到了流场的参数分布；借助p i v 技术对射流混合装置射流嘴入口和混合 管内有限空间水射流进行了测量研究，获得了不同流量比情况下射流混合装置对称面流 场的速度矢量和轴心速度分布【4 2 】；并进一步研究了流量比q 对流场的影响，发现射流混 合装置的面积比确定后，射流混合装置有限空间的射流结构只与射流混合装置的流量比 有关：流量比愈小，轴心速度衰减得愈快，高速射流区愈短【4 3 1 。以上研究为分析射流混 合装置内部流动提供了可靠依据。目前对单级射流混药装置的研究已较为完善，但单级 混药，混合比相对较大，且混药精度受压力波动影响较大，混合均匀度不高。 5 基于c f d 技术的射流混合装置参数优化及特性研究 。针对以上不足，何培杰等在单级射流混药的基础上提出了双级射流混合装割4 钔，理 论推导给出了双级射流混合装置的性能方程，通过单级、双级射流混药装置喷雾工作性 能测试，优选出双级射流混药装置的结构参数。李羊林、吴春笃等人【4 5 】实验研究了主、 辐射流混合装置采用不同的射流嘴直径及嘴管距的组合时，双级射流混药装置的压力和 混药比的变化规律，从一定程度上揭示了试验参数对压力损失、混药比等系统参数的影 响，为双级射流混药装置的设计提供了参考。陈长林，龚艳【刎等验证- ；x 2 级射流混合装 置比单级射流混合装置的优势，并通过改变双级射流混合装置的多个参数，研究其变化 规律，得到参数变化对装置性能的影响。双级射流混合装置解决了混合比过大、混合比 受压力影响较大的问题，但增加了一个辐射流装置，同时由于结构的原因增加了两个弯 管，造成了更大的压力损失【矧。 1 2 2射流空化研究进展 射流混合装置中空化发生时内部的流态十分复杂，对射流混合装置的空化研究至今 也没有精确的计算方法，基本上沿用其它流体机械常用的能量法来研究，并采用经验或 者半经验的计算公式。计算方法中一类是以汽蚀系数来表征射流混合装置空化性能的好 坏，另一类是以汽蚀流量比来判断空化发生与否。 r g c u n n i n g h a m 对射流混合装置的空化问题进行了较为系统的研究【4 7 1 ，认为射流 混合装置的空化由射流速度的增加和混合区的绝对压力降低引起；随着混合管压力的增 加，气体释放变多，但其产生的汽泡对射流混合装置的性能没有影响；空化形成的泡状 云开始雍塞混合管时，空泡开始接触壁面，壁面接触先发生在混合管入口和混合管下游。 k u d i r k a 对沸水反应堆中的射流装置在8 0 c 和2 8 0 。c 时的空化性能进行了试验研究【牾1 ， 根据试验结果将射流混合装置的