CN109376368B - 一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法 - Google Patents

一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法，根据设计输入雾化角度β，计算喷口处液体充满系数Φ，根据液体充满系数,计算出几何特征系数
Figure DDA0001776195260000011
根据几何特征系数
Figure DDA0001776195260000012
液体充满系数Φ，计算出流量系数φ，根据计算出流量系数φ，计算出无旋水芯喷口截面积尺寸A，几何特征系数为影响喷头性能的关键尺寸组合，采用ANSYS FLUENT仿真平台，基于有限容积法的有限元来解三维Navier–Stoker方程，选RNG k–ε两方程模型，运用Eulerian模型捕获内部流场的气穴现象，仿真分析喷头的压力流量特性、喷雾角、分布均匀性。本发明大大提高了数值分析的计算速度及精度，降低了仿真难度。

Description

一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法
技术领域
本发明涉及一种雾化喷头设计方法，特别是一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法。
背景技术
带旋水芯压力雾化喷头是农药喷洒、工业喷淋冷却或降压最主要采用的设备。如图1所示，一般而言，带旋水芯压力雾化喷头主要由旋水芯、喷头壳体组成。液体在压力作用下进入旋水芯使液体旋转，在涡流室内产生切向速度及轴向速度，且在喷口(收敛通道)内加速喷出空心扩散锥状液膜，利用液体与外界空气的高速差而破碎、雾化。因此旋水芯和喷口的结构尺寸是喷头设计时重点关注。
而目前主要采用经验系数法和试验测试相结合的设计方法，设计成本高、研发周期长。虽然数值仿真技术在农业和工业流体设备上有广泛应用，受雾化机理方面的理论缺失，其在喷头雾化方面的仿真无能为力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法，解决带旋水芯压力雾化喷头的仿真设计问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：明确设计输入，包括工作流体介质、密度ρ、喷嘴流量Q、喷雾压差ΔP、雾化角度β；
步骤二：根据设计输入雾化角度β，计算喷口处液体充满系数Φ，喷口处液体充满系数Φ计算公式为：
Figure BDA0001776195240000021
充满系数Φ定义为喷口处充满流体的面积与总面积之比；
步骤三：根据液体充满系数,计算出几何特征系数
Figure BDA00017761952400000212
几何特征系数
Figure BDA00017761952400000213
计算公式为：
Figure BDA0001776195240000022
步骤四：根据几何特征系数
Figure BDA0001776195240000023
液体充满系数Φ，计算出流量系数
Figure BDA0001776195240000024
所述流量系数
Figure BDA0001776195240000025
计算公式为：
Figure BDA0001776195240000026
流量系数
Figure BDA0001776195240000027
为实际流量与最大流量之间的比值；
步骤五：根据计算出流量系数
Figure BDA0001776195240000028
计算出无旋水芯喷口截面积尺寸A，喷口直径尺寸A计算公式为：
Figure BDA0001776195240000029
步骤六：几何特征系数为影响喷头性能的关键尺寸组合，几何特征系数
Figure BDA00017761952400000210
计算式为：
Figure BDA00017761952400000211
步骤七：采用ANSYS FLUENT仿真平台，基于有限容积法的有限元来解三维Navier–Stoker方程，选RNG k–ε两方程模型，运用Eulerian模型捕获内部流场的气穴现象，仿真分析喷头的压力流量特性、喷雾角、分布均匀性，喷雾角tan(α/2)以出口截面的径向速度与轴向速度比来计算，分布均匀性采用喷嘴出口截面速度分布均匀性来衡量；
步骤八：根据步骤七的结果，分析是否符合设计要求，如不符合要求返回步骤六重新匹配设计结构参数，然后继续执行步骤七。
进一步地，所述步骤五计算得到喷口直径尺寸A，从而继续计算得到喷口半径r。
进一步地，根据喷头外接口尺寸要求，以最大值设计进水口截面半径R。
进一步地，所述旋水芯流道截面为矩形截面，其螺旋升角α为30°。
进一步地，根据(5)式计算出流道总面积A1，流道槽数n根据流量值选择2、4或6槽。
进一步地，所述旋水芯流量为0-10m3/h，槽数取2。
进一步地，所述旋水芯流量为10-100m3/h，槽数取4。
进一步地，所述旋水芯流量大于100m3/h，槽数取6。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明采用理论分析为指导，不考虑喷头对流体的雾化过程，通过研究喷头体内部流场流动规律，衍射出喷头雾化的实际性能，经验证效果良好；采用喷头出口截面的流体速度矢量及速度分布均匀性来描述喷头的雾化角度和沉积分布均匀性，故计算域不需考虑外部流场，这大大提高了数值分析的计算速度及精度，降低仿真难度。
附图说明
图1是本发明的带旋水芯压力雾化喷头的示意图。
图2是本发明的喷头主要结构尺寸的影响与建议值表格。
图3是本发明实施例的工作压力仿真图。
图4是本发明实施例的喷雾角分布曲线图。
图5是本发明实施例的出口截面速度云图与雾量分布图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：明确设计输入，包括工作流体介质、密度ρ、喷嘴流量Q、喷雾压差ΔP、雾化角度β；
步骤二：根据设计输入雾化角度β，计算喷口处液体充满系数Φ，喷口处液体充满系数Φ计算公式为：
Figure BDA0001776195240000041
充满系数Φ定义为喷口处充满流体的面积与总面积之比；
步骤三：根据液体充满系数,计算出几何特征系数
Figure BDA0001776195240000042
几何特征系数
Figure BDA0001776195240000043
计算公式为：
Figure BDA0001776195240000044
(2)；
步骤四：根据几何特征系数
Figure BDA0001776195240000051
液体充满系数Φ，计算出流量系数
Figure BDA0001776195240000052
所述流量系数
Figure BDA0001776195240000053
计算公式为：
Figure BDA0001776195240000054
流量系数
Figure BDA0001776195240000055
为实际流量与最大流量之间的比值；
步骤五：根据计算出流量系数
Figure BDA0001776195240000056
计算出无旋水芯喷口截面积尺寸A，喷口直径尺寸A计算公式为：
Figure BDA0001776195240000057
步骤六：几何特征系数为影响喷头性能的关键尺寸组合，几何特征系数
Figure BDA0001776195240000058
计算式为：
Figure BDA0001776195240000059
步骤七：采用ANSYS FLUENT仿真平台，基于有限容积法的有限元来解三维Navier–Stoker方程，选RNG k–ε两方程模型，运用Eulerian模型捕获内部流场的气穴现象，仿真分析喷头的压力流量特性、喷雾角、分布均匀性，喷雾角tan(α/2)以出口截面的径向速度与轴向速度比来计算，分布均匀性采用喷嘴出口截面速度分布均匀性来衡量；
步骤八：根据步骤七的结果，分析是否符合设计要求，如不符合要求返回步骤六重新匹配设计结构参数，然后继续执行步骤七。
步骤五计算得到喷口直径尺寸A，从而继续计算得到喷口半径r。根据喷头外接口尺寸要求，以最大值设计进水口截面半径R。旋水芯流道截面为矩形截面，其螺旋升角α为30°。
根据(5)式计算出流道总面积A1，流道槽数n根据流量值选择2、4或6槽。旋水芯流量为0-10m3/h，槽数取2。旋水芯流量为10-100m3/h，槽数取4。旋水芯流量大于100m3/h，槽数取6。其余各参数对性能影响关系及建议如图2所示。
本发明采用理论分析为指导，不考虑喷头对流体的雾化过程，通过研究喷头体内部流场流动规律，衍射出喷头雾化的实际性能，经验证效果良好；采用喷头出口截面的流体速度矢量及速度分布均匀性来描述喷头的雾化角度和沉积分布均匀性，故计算域不需考虑外部流场，这大大提高了数值分析的计算速度及精度，降低仿真难度。
同时，在三维制图软件(如croe等)建立喷头三维装配模型，并以以.Stp格式保存在数值分析工作目录下；在网格划分软件中(如workbench中DM模块)导入结构模型并填充流体区域；对计算域进行分块网格划分，建议旋水芯部分采用四面体等非结构网格，网格尺寸小于1mm，其余部分采用六面体结构化网格。总体最大网格斜度需小于0.98。
运用Eulerian模型捕获内部流场的气穴现象。气化压力为3540Pa。设操作压力为0，即其他压力值均为绝对压力；工作流体入口采用压力入口边界条件(preesure inlet)，出口采用压力出口边界条件(preesure outlet)。
仿真案例结果：
仿真介质为水密度ρ＝1.0×103kg/m3，喷嘴设计流量Q＝41m3/h、喷雾压差即仿真压力入口条件ΔP＝40.8kPa、设计雾化角度β＝70°。根据步骤一～七得到几何特征系数
Figure BDA0001776195240000071
流量系数为0.43，喷嘴截面积为2586mm2，喷口半径为28mm，流道数为4个。仿真模型的网格方案及质量如下表，
Figure BDA0001776195240000072
(1)压力流量特性。如图3所示，流量值的仿真误差小于10％。
(2)雾化角。如图4所示，以出口截面直径处不同网络节点的喷雾角度的平均值为结果，结果与设计目标一致。
(3)分布均匀性。如图5所示，结果可以直观看出速度分布云图的仿真值与雾量沉积分布的试验结果的分布规律相一致。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：明确设计输入，包括工作流体介质、密度ρ、喷嘴流量Q、喷雾压差ΔP、雾化角度β；
步骤二：根据设计输入雾化角度β，计算喷口处液体充满系数φ，喷口处液体充满系数φ计算公式为：
Figure FDA0003919660760000011
充满系数φ定义为喷口处充满流体的面积与总面积之比；
步骤三：根据液体充满系数，计算出几何特征系数
Figure FDA0003919660760000012
几何特征系数
Figure FDA0003919660760000013
计算公式为：
Figure FDA0003919660760000014
步骤四：根据几何特征系数
Figure FDA0003919660760000015
液体充满系数φ，计算出流量系数
Figure FDA0003919660760000016
所述流量系数
Figure FDA0003919660760000017
计算公式为：
Figure FDA0003919660760000018
流量系数
Figure FDA0003919660760000019
为实际流量与最大流量之间的比值；
步骤五：根据计算出流量系数
Figure FDA00039196607600000110
计算出无旋水芯喷口截面积尺寸A，喷口直径尺寸A计算公式为：
Figure FDA00039196607600000111
步骤六：几何特征系数为影响喷头性能的关键尺寸组合，几何特征系数
Figure FDA00039196607600000112
计算式为：
Figure FDA0003919660760000021
其中，R为进水口截面半径，α为喷雾角，r为喷口半径，A1为流道总面积；
步骤七：采用ANSYS FLUENT仿真平台，基于有限容积法的有限元来解三维Navier–Stoker方程，选RNG k–ε两方程模型，运用Eulerian模型捕获内部流场的气穴现象，仿真分析喷头的压力流量特性、喷雾角、分布均匀性，喷雾角α以出口截面的径向速度与轴向速度比来计算，分布均匀性采用喷嘴出口截面速度分布均匀性来衡量；
步骤八：根据步骤七的结果，分析是否符合设计要求，如不符合要求返回步骤六重新匹配设计结构参数，然后继续执行步骤七。
2.按照权利要求1所述的一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法，其特征在于：所述步骤五计算得到喷口直径尺寸A，从而继续计算得到喷口半径r。
3.按照权利要求2所述的一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法，其特征在于：根据喷头外接口尺寸要求，以最大值设计进水口截面半径R。
4.按照权利要求1所述的一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法，其特征在于：所述旋水芯流道截面为矩形截面，其螺旋升角θ为30°。
5.按照权利要求1所述的一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法，其特征在于：根据(5)式计算出流道总面积A1，流道槽数n根据流量值选择2、4或6槽。
6.按照权利要求5所述的一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法，其特征在于：所述旋水芯流量为0-10m3/h，槽数取2。
7.按照权利要求5所述的一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法，其特征在于：所述旋水芯流量为10-100m3/h，槽数取4。
8.按照权利要求5所述的一种带旋水芯压力雾化喷头设计方法，其特征在于：所述旋水芯流量大于100m3/h，槽数取6。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102750404A (zh) * 2012-06-01 2012-10-24 上海交通大学 微量润滑切削区流场数值模型构建方法
CN105718691A (zh) * 2016-01-27 2016-06-29 柳州源创电喷技术有限公司 气道喷射喷油器仿真平台数值模拟方法
CN105806753A (zh) * 2016-03-07 2016-07-27 农业部南京农业机械化研究所 一种施药装备田间雾滴沉积分布仿真测试系统及测试方法
WO2017143694A1 (zh) * 2016-02-25 2017-08-31 江苏大学 一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102750404A (zh) * 2012-06-01 2012-10-24 上海交通大学 微量润滑切削区流场数值模型构建方法
CN105718691A (zh) * 2016-01-27 2016-06-29 柳州源创电喷技术有限公司 气道喷射喷油器仿真平台数值模拟方法
WO2017143694A1 (zh) * 2016-02-25 2017-08-31 江苏大学 一种低压均匀喷洒喷头空间流道的优化设计方法
CN105806753A (zh) * 2016-03-07 2016-07-27 农业部南京农业机械化研究所 一种施药装备田间雾滴沉积分布仿真测试系统及测试方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
压力旋流喷嘴内流场特性模拟研究;范华等;《机电工程》;20180820(第08期);全文 *
旋流式喷嘴喷雾效果的数值仿真研究;韩亚威等;《战术导弹技术》;20130715(第04期);全文 *
果园风送喷雾机气助式喷头风力性能数值模拟与试验;杨风波 等;《农业机械学》;20180630;第49卷(第6期);全文 *

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