CN109909086A - 一种气液两相流雾化喷嘴及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利涉及一种气液两相流雾化喷嘴及其设计方法。该喷嘴由喷嘴芯体、外部套筒和雾化体组成，喷嘴芯体的内腔由进口渐缩段、射流段和出口扩散段组成，喷嘴芯体的出口扩散段与雾化体混合室相连，喷嘴芯体的射流段通过芯体进气孔、进气缓冲腔和套筒进气孔与外部大气相通。本发明将喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5等设计参数和几何尺寸参数之间用新的关系式联系起来，并给出射流段直径D1、射流段长度L1、出口扩散段扩散角β、雾化体混合室最大内径D2和和进气缓冲腔宽度b的设计公式。本发明设计的喷嘴具有流量小、喷雾压力低和雾滴粒径大的特点，可以提高植保机械作业效率和农药利用率。

Description

一种气液两相流雾化喷嘴及其设计方法
技术领域
本发明专利涉及一种气液两相流雾化喷嘴及其设计方法，具体的说，涉及 一种内混式的气液两相流雾化喷嘴的结构特征及其几何尺寸设计方法，该喷嘴适 用于果园和设施农业植保机械喷雾施药领域。
背景技术
在农业植保机械喷雾施药技术领域，气液两相流雾化喷嘴被广泛应用于各 种化学农药的喷施作业方面，农药液体通过气液两相流雾化喷嘴的雾化作用生成 精细的雾滴，并喷洒在植物表面。目前，气液两相流雾化喷嘴主要分为内混、外 混和内外混三种型式：内混式喷嘴是指液体和气体在喷嘴内部空腔内产生气液两 相流混合流动，然后通过喷嘴出口形成雾化，根据喷嘴内部结构的不同，有的内 混式喷嘴具有喷雾流量小、雾滴粒径大和防飘移的特点，有的内混式喷嘴则具有 喷雾流量小、雾滴粒径小和易飘移的特点。外混式喷嘴是一种采用高压气体辅助 雾化的喷嘴，高压气体带动雾滴在喷嘴出口外部空间产生了复杂的加速、碰撞、 合并和破碎等现象，其具有雾化效果好、粒径小和射程远的特点，但由于需要同 时配备液体加压和空气加压装置，喷雾系统较为复杂和昂贵，同时较小的粒径容 易产生飘移、损失和药害等现象。内外混式喷嘴则是一种同时具有内混和外混结 构的气液两相流雾化喷嘴，其具有喷雾流量小、雾化效果好、粒径小和射程远等 特点，但其和外混式喷嘴一样，需要同时配备液体加压和空气加压装置，喷雾系 统较为复杂和昂贵，同时容易产生飘移、损失和药害等现象。
为了减少化学农药的使用量，通过设计和开发具有喷雾流量小和雾滴粒径 大的气液两相流雾化喷嘴，可以达到农药喷施量小、药液附着性能好和飘移少等 目的，从而实现化学农药减量增效目标，但现有的专利技术仍然存在以下问题： 1.目前植保机械领域使用的气液两相流雾化喷嘴均以增强雾化效果为主，其雾滴 粒径小、射程远，容易产生农药飘移、损失和药害，而在通过气液两相流技术抑 制喷嘴的雾化效果，设计开发具有雾滴粒径较大、喷雾流量小的喷嘴方面，还缺 乏相应的专利技术成果和文献；2.现有的气液两相流相关专利技术内容没有建立 起喷嘴的喷雾雾滴粒径、喷雾流量、喷雾介质特性和喷嘴的几何尺寸参数等之间 的关系式，缺少雾滴粒径的设计和控制方法，现有的相关专利技术主要是围绕喷 嘴的组成部件、结构特征和流道形状进行阐述，提供了部分结构方案，但面对详 细的雾滴体积中径、设计喷雾流量和介质特性设计条件下的喷嘴产品时，还无法 为喷嘴的具体尺寸设计提供技术支持。
本发明提供了一种气液两相流雾化喷嘴及其设计方法，该喷嘴基于气液两 相流压力雾化原理，借助于液体在喷嘴内部射流段高速流动所产生的显著压降， 因而在外部大气压力和射流段内部液体压力之间形成压差，在这种压差驱动下， 空气通过喷嘴的套筒进气孔、进气缓冲腔和喷嘴芯体进气孔进入射流段内部，从 而与射流段内部的液体产生气液混合现象，气液两相流最终通过雾化体出口形成 压力雾化现象。该喷嘴具有喷雾流量小和雾滴粒径大的特点，适用于农业植保机 械喷雾施药方面，可以有效减少农药的使用量，提高农药利用率、附着性能和防 飘移性能。本发明不仅提供了一种气液两相流雾化喷嘴的结构，还建立了喷嘴的 喷雾雾滴体积中径D0.5、设计喷雾流量Q和喷嘴的几何尺寸等参数之间的关系式， 提供了喷嘴芯体进气孔直径d1、雾化体出口直径d2和套筒进气孔直径d3的设计原则，并给出射流段直径D1、射流段长度L1、出口扩散段扩散角β、雾化体混 合室最大内径D2和进气缓冲腔宽度b的设计公式。
专利号01111963.2的专利文献公开了一种具有改进的气帽的空气雾化喷嘴 组件，该喷嘴组件兼具内混和外混结构，通过将外部压缩空气引入气帽内部的空 气流道，同时达到内混和外混的目的，以增强雾化效果，该专利对喷嘴本体、液 体流道和气帽的结构特征进行了详细描述，并可用于产生大量精细的小雾滴，以 便于液体的快速蒸发。
相对于上述专利，本发明是利用自然条件下的外部大气环境中的空气和喷 嘴内部液体产生混合，喷嘴工作时无需提供压缩空气源，仅仅通过内部液体流动 所产生的压降和外部大气压力将空气吸入喷嘴内部，喷嘴的组件和结构之间有很 大差异，同时本发明设计的喷嘴具有喷雾流量小、雾滴粒径大的特点，而上述专 利所阐述的喷嘴具有雾滴小的特点，因而本发明的喷嘴结构和雾化目标与上述专 利内容之间存在显著差异。此外，本发明不仅提供了一种气液两相流雾化喷嘴的 结构，还建立了喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5、设计喷雾流量Q和喷嘴的几何尺 寸等参数之间的关系式，提供了喷嘴芯体进气孔直径d1、雾化体出口直径d2和 套筒进气孔直径d3的设计原则，并给出射流段直径D1、射流段长度L1、出口扩 散段扩散角β、雾化体混合室最大内径D2和进气缓冲腔宽度b的设计公式。
专利号03810334.6的专利文献公开了一种内混合式空气雾化喷射喷嘴组件， 该专利提供了一种具有气液内混和流体冲击结构的喷嘴组件，该喷嘴利用外部压 缩空气和液体混合产生两相流，并通过两相流在喷嘴内部的冲击碰撞和压力雾化 产生雾滴，其压缩空气流道沿轴向流道流动，空气流道较为狭长，喷嘴出口具有 多个圆形的孔口结构，该专利主要了喷嘴组件内部的流体流动流道、横截流道、 冲击元件和膨胀腔的结构特征。专利号200580034838.1的专利文献公开了一种 改进的内混合空气雾化喷嘴装置，该喷嘴装置由喷嘴主体、空气引导器和碰撞表 面等组成，该喷嘴通过引入的压缩空气产生内部气液混合，喷嘴内部具有气液两 相流冲击碰撞结构，同时其喷嘴出口具有多个圆形的孔口结构，该专利主要阐述 了喷嘴装置的内部流道结构特征、功能和流道面积比例要求。
相对于上述两项专利，本发明设计的喷嘴内部没有采用外部压缩空气源和流 体冲击结构，而是通过射流产生的流体压降和外部大气压力将空气吸入喷嘴内部， 借助于气液两相流的压力雾化产生大量的雾滴，空气流道和液体流道互相垂直， 空气沿着液体流道的径向方向流动，空气流道非常简短，喷嘴内部没有膨胀腔和 冲击碰撞结构，喷嘴出口仅有一个圆锥形的孔口，上述专利和本发明所提供的喷 嘴在基本原理和结构之间存在显著差异。此外，本发明不仅提供了一种气液两相 流雾化喷嘴的结构，还建立了喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5、设计喷雾流量Q和 喷嘴的几何尺寸等参数之间的关系式，提供了喷嘴芯体进气孔直径d1、雾化体出 口直径d2和套筒进气孔直径d3的设计原则，并给出射流段直径D1、射流段长度 L1、出口扩散段扩散角β、雾化体混合室最大内径D2和进气缓冲腔宽度b的设 计公式，为喷嘴雾滴粒径的控制和结构设计提供了参考。
专利号200580028231.2的专利文献公开了一种吸入空气的液体喷雾嘴组件， 该喷雾嘴组件主要由喷雾嘴主体和嵌入件两部分组成，其通过嵌入体内部的文氏 管通路将外部空气吸入喷雾嘴内腔，喷雾嘴的液体入口和排出孔采用偏心定位， 该专利主要阐述了由嵌入体所形成的液体流动通路形状、嵌入件结构以及组件卡 合安装关系。专利号201410034361.8的专利文献公开了一种内混式两相流喷嘴， 该喷嘴由喷嘴体和喷嘴帽两部分组成，液体和空气在供液管后部的锥状混合区进 行混合，该喷嘴出口包含多个孔径很小的圆形孔口结构，该喷嘴可在大喷雾流量 条件下产生精细的小雾滴，雾化效果好，从而便于液体的蒸发。
相对于上述两项专利，本发明提供了一种具有中心轴对称特征的喷嘴结构， 喷嘴内部的液体通道、空气流道和联结部分均为轴对称结构，液体和空气在喷嘴 芯体内的射流段形成混合，雾化体出口为一个圆锥形的孔口，喷嘴内部没有流体 冲击或碰撞部件，其具有喷雾流量小、雾滴粒径大的特点，该喷嘴设计目标和结 构与上述专利内容存在显著差异。此外，本发明不仅提供了气液两相流雾化喷嘴 的结构，还建立了喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5、设计喷雾流量Q和喷嘴的几何 尺寸等参数之间的关系式，提供了喷嘴芯体进气孔直径d1、雾化体出口直径d2和套筒进气孔直径d3的设计原则，并给出射流段直径D1、射流段长度L1、出口 扩散段扩散角β、雾化体混合室最大内径D2和进气缓冲腔宽度b的设计公式，为喷嘴雾滴粒径的控制和结构设计提供了参考。
专利号201510174084.5的专利文献公开了一种两相流雾化掺气喷嘴，该喷 嘴主要用于喷灌领域，其结构主要由喷嘴主体、调节套、锁紧套和混合喷嘴组成， 其喷嘴主体和混合喷嘴均为渐缩锥状，通过调节套上的调气孔和喷嘴上的进气孔 位置进行气流控制，其控制方法是在通过螺纹安装时控制调气孔和进气孔的相对 位置，该专利阐述了喷嘴各组件的结构、联结型式和孔口直径计算方法。
相对于上述专利，本发明提供的两相流雾化喷嘴主要用于植保机械喷雾施 药领域，本发明提供的喷嘴内部腔体包括进口渐缩段、射流段、出口扩散段和雾 化体混合室等，喷嘴内部腔体形状和功能各异，各喷嘴组件之间不采用螺纹联结， 进气通道的形状为固定型式，进气量依靠进气通道形状和尺寸进行控制，而不通 过装配进行调控，其内部腔体形状、结构和联结方式与上述专利具有显著差异。 和上述专利对孔口直径的计算方法所不同的是，本发明不仅提供了雾化喷嘴的结 构，还建立了喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5、设计喷雾流量Q和喷嘴的几何尺寸 等参数之间的关系式，提供了喷嘴芯体进气孔直径d1、雾化体出口直径d2和套 筒进气孔直径d3的设计原则，并给出射流段直径D1、射流段长度L1、出口扩散 段扩散角β、雾化体混合室最大内径D2和进气缓冲腔宽度b的设计公式，为喷 嘴雾滴粒径的控制和结构设计提供了参考。
发明内容
为了减少化学农药的使用量，提高植保喷雾施药机械的作业效率和农药利 用率，本发明提供一种气液两相流雾化喷嘴及其设计方法。使用本发明设计的气 液两相流雾化喷嘴具有喷雾流量小和雾滴粒径大等特点，其在减少农药使用量的 基础上，可以有效促进农药喷施作业的药液附着和防飘移性能，从而保证病虫害 的防治效果，以达到化学农药减量增效目标的目的。本发明不仅提供了雾化喷嘴 的结构，还建立了喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5、设计喷雾流量Q和喷嘴的几何 尺寸等参数之间的关系式，提供了喷嘴芯体进气孔直径d1、雾化体出口直径d2和套筒进气孔直径d3的设计原则，并给出射流段直径D1、射流段长度L1、出口 扩散段扩散角β、雾化体混合室最大内径D2和进气缓冲腔宽度b的设计公式， 为喷嘴雾滴粒径的准确控制和结构设计提供了参考。
本发明的技术方案是：
1.一种轴对称结构的气液两相流雾化喷嘴，其包括喷嘴芯体、外部套筒和雾化 体三部分，喷嘴芯体的内腔由进口渐缩段、射流段和出口扩散段组成，其中出口 扩散段与雾化体混合室相联通。喷嘴芯体和外部套筒的壁面分别开设有喷嘴芯体 进气孔和套筒进气孔，使得喷嘴芯体内腔中的射流段通过喷嘴芯体进气孔、进气 缓冲腔和套筒进气孔与外部大气相通。液体沿着喷嘴的中心轴方向流动，依次经 过进口渐缩段、射流段、出口扩散段、雾化体混合室和雾化体出口后形成雾化现 象。液体在射流段的高速流动过程中，液体静压会显著降低直至低于外部大气压 力，从而在外部大气压力驱动下，空气通过套筒进气孔、进气缓冲腔和喷嘴芯体 进气孔进入射流段内部，液体与空气在射流段、出口扩散段和雾化体混合室内产 生气液两相流的混合流动，并生成雾滴。
根据喷嘴作业要求和液体特性条件，首先确定喷嘴在设计工作条件下的喷雾 雾滴体积中径D0.5、设计喷雾流量Q、液体密度ρ、液体表面张力系数σ、液体 动力粘度μ和空气密度ρg的数值。在确定上述参数值基础上，按照以下方法对 喷嘴芯体进气孔直径d1、雾化体出口直径d2和套筒进气孔直径d3进行详细设计。
根据喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5的数值要求，先确定喷嘴芯体进气孔直径 d1和雾化体出口直径d2的数值，其中喷嘴芯体进气孔直径d1的取值范围为 10D0.5～15D0.5，雾化体出口直径d2的取值范围为2D0.5～5D0.5，同时雾化体出口直 径d2的数值应满足如下约束条件(1)：
式中：Q是喷嘴的设计喷雾流量，单位是立方米/秒；
d2是喷嘴的雾化体出口直径，单位是米；
ρ是液体密度，单位是千克/立方米；
μ是液体动力粘度，单位是帕·秒；
当喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5≥300微米时，的取值范围为 当喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5＜300微米，的取值范围 为
喷嘴芯体进气孔直径d1和雾化体出口直径d2的数值满足上述条件外，喷嘴 芯体进气孔直径d1、雾化体出口直径d2和套筒进气孔直径d3还应满足以下关系 式(2)和约束条件(3)：
当液体动力粘度μ≥0.001帕·秒时，修正系数k1的取值范围为0.07≤k1≤0.10；当液体动力粘度μ＜0.001帕·秒时，修正系数k1的取值范围为0.10＜ k1≤0.12。其中喷嘴芯体进气孔数量N1应在如下限定范围内进行选取，套筒进气 孔数量N2的数值则按照约束条件(3)进行设计选取。
式中：D0.5是喷嘴的喷雾雾滴体积中径，单位是米；
Q是喷嘴的设计喷雾流量，单位是立方米/秒；
d1是喷嘴芯体进气孔直径，单位是米；
d2是喷嘴的雾化体出口直径，单位是米；
d3是套筒进气孔直径，单位是米；
ρ是液体密度，单位是千克/立方米；
ρg是外部大气环境的空气密度，单位是千克/立方米；
σ是液体表面张力系数，单位是牛顿/米；
k1是修正系数，k1＝0.07～0.12；
N1是喷嘴芯体进气孔数量，N1＝3～5；
2.喷嘴芯体的内腔由进口渐缩段、射流段和出口扩散段组成，沿着喷嘴芯体的 中心轴方向，进口渐缩段呈渐缩状，射流段呈圆柱状，出口扩散段呈渐扩状；射 流段的壁面开设有一系列周向均匀分布的喷嘴芯体进气孔，喷嘴芯体的内腔射流 段和进气缓冲腔通过喷嘴芯体进气孔相联通；喷嘴芯体的主要几何尺寸参数中， 射流段直径D1、射流段长度L1和出口扩散段扩散角β的设计公式如下：
β＝6°～10°
式中：D1是射流段直径，单位是米；
ρg是外部大气环境的空气密度，单位是千克/立方米；
Q是喷嘴的设计喷雾流量，单位是立方米/秒；
σ是液体表面张力系数，单位是牛顿/米；
d1是喷嘴芯体进气孔直径，单位是米；
d2是喷嘴的雾化体出口直径，单位是米；
L1是射流段长度，单位是米；
ρ是液体密度，单位是千克/立方米；
μ是液体动力粘度，单位是帕·秒；
β是出口扩散段扩散角，单位是度。
3.喷嘴芯体和雾化体安装在外部套筒的内部，外部套筒的内壁面与喷嘴芯体的外壁面之间为圆环状的进气缓冲腔；雾化体的内部腔体为雾化体混合室，雾化体 出口为固定扩散角的圆锥形孔口，雾化体混合室的内腔呈圆锥状，沿着气液两相 流流动方向，雾化体出口的内径沿出口方向线性增大；雾化体和喷嘴芯体安装在 外部套筒的内部腔体内，雾化体和喷嘴芯体采用陶瓷、不锈钢或黄铜材料制作， 外部套筒采用尼龙、聚乙烯或聚四氟乙烯材料制作；雾化体的主要几何尺寸参数 中，雾化体混合室最大内径D2和进气缓冲腔宽度b的设计公式如下：
D2＝2.6D1+L1tgβ
b＝k2D1
当液体动力粘度μ≥0.001帕·秒时，修正系数k2的取值范围为0.6≤k2≤0.7； 当液体动力粘度μ＜0.001帕·秒时，修正系数k2的取值范围为0.5≤k2＜0.6； 式中：D2是雾化体混合室最大内径，单位是米；
D1是射流段直径，单位是米；
L1是射流段长度，单位是米；
β是出口扩散段扩散角，单位是度；
b是进气缓冲腔宽度，单位是米；
k2是修正系数，k2＝0.5～0.7；
本发明的有益效果是：按照本发明设计的气液两相流雾化喷嘴具有喷雾流量 小和雾滴粒径大等特点，在使用该喷嘴进行化学农药喷施过程中，可以达到农药 喷施量小、药液附着性能好和飘移少等目的，从而实现化学农药减量增效的目标， 同时还可以降低喷嘴的内部磨损，有效延长喷嘴的工作寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1是本发明一个实施例的喷嘴轴面剖视图；
图2是同一个实施例的喷嘴芯体轴面剖视图；
图3是同一个实施例的喷嘴芯体和外部套筒组合件的轴面剖视图；
图4是同一个实施例的雾化体轴面剖视图；
图中：1.喷嘴芯体，2.外部套筒，3.雾化体，4.进口渐缩段，5.喷嘴芯体进气 孔，6.射流段，7.出口扩散段，8.出口扩散段扩散角β，9.射流段长度L1，10. 喷嘴芯体进气孔直径d1，11.射流段直径D1，12.套筒进气孔，13.进气缓冲腔， 14.套筒进气孔直径d3，15.进气缓冲腔宽度b，16.雾化体混合室，17.雾化体 出口，18.雾化体出口直径d2，19.雾化体混合室最大内径D2。
具体实施方式
图1至图4共同确定了这个实施例的喷嘴结构和几何尺寸，这是一种轴对称 结构的气液两相流雾化喷嘴，其包括喷嘴芯体1、外部套筒2和雾化体3三部分， 而喷嘴芯体1的内腔由进口渐缩段4、射流段6和出口扩散段7组成，其中出口 扩散段7与雾化体混合室16相联通。喷嘴芯体1和外部套筒2的壁面分别开设 有喷嘴芯体进气孔5和套筒进气孔12，使得喷嘴芯体1内腔中的射流段6通过 喷嘴芯体进气孔5、进气缓冲腔13和套筒进气孔12与外部大气相通。液体沿着 喷嘴的中心轴方向流动，依次经过进口渐缩段4、射流段6、出口扩散段7、雾 化体混合室16和雾化体出口17后形成雾化现象。液体在射流段6的高速流动过 程中，液体静压会显著降低直至低于外部大气压力，从而在外部大气压力驱动下， 空气通过套筒进气孔12、进气缓冲腔13和喷嘴芯体进气孔5进入射流段6内部， 液体与空气在射流段6、出口扩散段7和雾化体混合室16内产生气液两相流的 混合流动，并生成雾滴。
根据喷嘴作业要求和液体特性等条件，首先确定喷嘴在设计工作条件下的喷 雾雾滴体积中径D0.5、设计喷雾流量Q、液体密度ρ、液体表面张力系数σ、液 体动力粘度μ和空气密度ρg的数值，按照本实施例的设计技术要求，其喷雾雾 滴体积中径D0.5＝0.0002米＝200微米，设计喷雾流量Q＝1.25×10-5立方米/秒＝0.75 升/分钟，液体密度ρ＝1050千克/立方米，液体表面张力系数σ＝0.065牛顿/米， 液体动力粘度μ＝0.00095帕·秒，空气密度ρg＝1.2千克/立方米。在确定上述参 数值的基础上，按照以下三个步骤进行喷嘴芯体进气孔直径d1、雾化体出口直径 d2和套筒进气孔直径d3的详细设计。
第一步：根据喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5的数值要求，先确定喷嘴芯体进 气孔直径d1和雾化体出口直径d2的数值，其中喷嘴芯体进气孔直径d1的取值范 围为10D0.5～15D0.5，本实施例的喷嘴芯体进气孔直径d1取值为0.002米＝10D0.5， 雾化体出口直径d2的取值范围为2D0.5～5D0.5，本实施例的雾化体出口直径d2取 值为0.0006米＝3D0.5，与此同时，雾化体出口直径d2的数值还应满足如下约束 条件(1)：
式中：Q是喷嘴的设计喷雾流量，单位是立方米/秒；
d2是喷嘴的雾化体出口直径，单位是米；
ρ是液体密度，单位是千克/立方米；
μ是液体动力粘度，单位是帕·秒。
当喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5≥300微米时，的取值范围为 当喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5＜300微米，的取值范围 为
带入本实施例的雾化体出口直径d2和设计喷雾流量Q等数值，获得 满足的要求。
第二步：在获得上述喷嘴芯体进气孔直径d1和雾化体出口直径d2的数值基 础上，将喷雾雾滴体积中径D0.5、设计喷雾流量Q、喷嘴芯体进气孔直径d1和雾 化体出口直径d2等参数带入关系式(2)，获得满足关系式(2)的套筒进气孔直 径d3的数值。
当液体动力粘度μ≥0.001帕·秒时，修正系数k1的取值范围为0.07≤k1≤0.10；当液体动力粘度μ＜0.001帕·秒时，修正系数k1的取值范围为0.10＜k1≤0.12。 式中：D0.5是喷嘴的喷雾雾滴体积中径，单位是米；
Q是喷嘴的设计喷雾流量，单位是立方米/秒；
d1是喷嘴芯体进气孔直径，单位是米；
d2是喷嘴的雾化体出口直径，单位是米；
d3是套筒进气孔直径，单位是米；
ρ是液体密度，单位是千克/立方米；
ρg是外部大气环境的空气密度，单位是千克/立方米；
σ是液体表面张力系数，单位是牛顿/米；
k1是修正系数，k1＝0.07～0.12。
按照上述要求，带入本实施例的喷嘴芯体进气孔直径d1、雾化体出口直径d2、 喷雾雾滴体积中径D0.5、设计喷雾流量Q、喷嘴芯体进气孔直径d1和雾化体出口 直径d2等参数，获得满足关系式(2)的套筒进气孔直径d3的取值为0.0043米， 其中k1＝0.11。
第三步：将上述第一步和第二步所获得的喷嘴芯体进气孔直径d1和套筒进气 孔直径d3带入约束条件(3)，以确定喷嘴芯体进气孔数量N1和套筒进气孔数量 N2的具体数值，其中喷嘴芯体进气孔数量N1应在限定范围内进行选取，套筒进 气孔数量N2的数值则按照约束条件(3)进行设计选取：
式中：d1是喷嘴芯体进气孔直径，单位是米；
d3是套筒进气孔直径，单位是米；
N1是喷嘴芯体进气孔数量，N1＝3～5。
按照约束条件(3)的要求，带入本实施例的喷嘴芯体进气孔直径d1和套筒 进气孔直径d3的数值，喷嘴芯体进气孔数量N1取值为3，由此计算获得，套筒 进气孔数量N2取值为6，满足约束条件(3)的要求。
喷嘴芯体1的内腔由进口渐缩段4、射流段6和出口扩散段7组成，沿着喷 嘴芯体1的中心轴方向，进口渐缩段4呈渐缩状，射流段6呈圆柱状，出口扩散 段7呈渐扩状；射流段6的壁面开设有一系列周向均匀分布的喷嘴芯体进气孔5， 喷嘴芯体1的内腔射流段6和进气缓冲腔13通过喷嘴芯体进气孔5相联通；喷 嘴芯体1的主要几何尺寸参数中，射流段直径D111、射流段长度L19和出口扩 散段扩散角β8的设计公式如式(4)、(5)和(6)所示：
β＝6度～10度 (6)
式中：D1是射流段直径，单位是米；
ρg是外部大气环境的空气密度，单位是千克/立方米；
Q是喷嘴的设计喷雾流量，单位是立方米/秒；
σ是液体表面张力系数，单位是牛顿/米；
d1是喷嘴芯体进气孔直径，单位是米；
d2是喷嘴的雾化体出口直径，单位是米；
L1是射流段长度，单位是米；
ρ是液体密度，单位是千克/立方米；
μ是液体动力粘度，单位是帕·秒；
β是出口扩散段扩散角，单位是度。
将上述数值带入公式(4)、(5)和(6)计算本实施例的射流段直径D111等 数值，由此获得，射流段直径D111取值为0.008米，射流段长度L19取值为0.012， 出口扩散段扩散角β8取值为6度。
喷嘴芯体1和雾化体3安装在外部套筒2的内部，外部套筒2的内壁面与喷 嘴芯体1的外壁面之间为圆环状的进气缓冲腔13；雾化体3的内部腔体为雾化 体混合室16，雾化体出口17为固定扩散角的圆锥形孔口，雾化体混合室16的 内腔呈圆锥状，沿着气液两相流流动方向，雾化体出口17的内径沿出口方向线 性增大；雾化体3和喷嘴芯体1安装在外部套筒2的内部腔体内，雾化体3和喷 嘴芯体1采用陶瓷、不锈钢或黄铜材料制作，外部套筒2采用尼龙、聚乙烯或聚 四氟乙烯材料制作；雾化体3的主要几何尺寸参数中，雾化体混合室最大内径 D219和进气缓冲腔宽度b15的设计公式如式(7)和(8)所示：
D2＝2.6D1+L1tgβ (7)
b＝k2D1 (8)
当液体动力粘度μ≥0.001帕·秒时，修正系数k2的取值范围为0.6≤k2≤0.7； 当液体动力粘度μ＜0.001帕·秒时，修正系数k2的取值范围为0.5≤k2＜0.6； 式中：D2是雾化体混合室最大内径，单位是米；
D1是射流段直径，单位是米；
L1是射流段长度，单位是米；
β是出口扩散段扩散角，单位是度；
b是进气缓冲腔宽度，单位是米；
k2是修正系数，k2＝0.5～0.7。
将上述数值带入公式(7)和(8)计算本实施例的雾化体混合室最大内径 D219和进气缓冲腔宽度b15的数值，由此获得，雾化体混合室最大内径D219取 值为0.022米，进气缓冲腔宽度b15取值为0.0045，其中k2＝0.55。
根据上述设计计算过程，可获得本发明实施例的喷嘴结构和关键几何尺寸， 通过本发明实施例样品的试制和试验结果，对本发明实施例试验数据和相应的单 相流体雾化常规喷嘴性能数据进行对比，具体结果如下表所示：
表1：本发明实施例和常规喷嘴性能数据对比
如表1所示，在喷雾压力为0.2MPa至0.3MPa时，本发明实施例的喷嘴性能 在一定范围内能够满足特定的喷雾雾滴体积中径D0.5和设计喷雾流量Q等设计 参数要求，和单相流体雾化常规喷嘴相比较而言，实施例喷嘴具有明显的喷雾流 量小和雾滴粒径大的特点，在同样的喷雾压力条件下，其雾滴粒径较常规喷嘴普 遍增大约60％左右，喷雾流量减小约35％左右，尤其适用于果园和设施农业中 的低量植保喷雾施药技术领域。

Claims (3)

1.一种气液两相流雾化喷嘴，其特征在于，所述气液两相流雾化喷嘴包括喷嘴芯体、外部套筒和雾化体三部分，喷嘴芯体的内腔由进口渐缩段、射流段和出口扩散段组成，沿着喷嘴芯体的中心轴方向，进口渐缩段呈渐缩状，射流段呈圆柱状，出口扩散段呈渐扩状，其中出口扩散段与雾化体混合室直接相联；喷嘴芯体和外部套筒的壁面分别开设有喷嘴芯体进气孔和套筒进气孔，使得喷嘴芯体内腔中的射流段通过喷嘴芯体进气孔、进气缓冲腔和套筒进气孔与外部大气相通；液体沿着喷嘴的中心轴方向流动，依次经过进口渐缩段、射流段、出口扩散段、雾化体混合室和雾化体出口后形成雾化现象；射流段的壁面开设有一系列周向均匀分布的喷嘴芯体进气孔，喷嘴芯体内腔的射流段和进气缓冲腔通过喷嘴芯体进气孔相联通；喷嘴芯体和雾化体安装在外部套筒的内部，外部套筒的内壁面与喷嘴芯体的外壁面之间为圆环状的进气缓冲腔；雾化体的内部腔体为雾化体混合室，雾化体出口为固定扩散角的圆锥形孔口，雾化体混合室的内腔呈圆锥状；雾化体和喷嘴芯体安装在外部套筒的内部腔体内，雾化体和喷嘴芯体采用陶瓷、不锈钢或黄铜材料制作，外部套筒采用尼龙、聚乙烯或聚四氟乙烯材料制作；
喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5、设计流量Q和喷嘴的部分几何尺寸等参数之间适合以下关系：
约束条件：
当喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5≥300微米时，的取值范围为 当喷嘴的喷雾雾滴体积中径D0.5＜300微米，的取值范围为当液体动力粘度μ≥0.001帕·秒时，修正系数k1的取值范围为0.07≤k1≤0.10；当液体动力粘度μ＜0.001帕·秒时，修正系数k1的取值范围为0.10＜k1≤0.12；
式中：D0.5是喷嘴的喷雾雾滴体积中径，单位是米；
Q是喷嘴的设计流量，单位是立方米/秒；
d1是喷嘴芯体进气孔直径，单位是米；
d2是喷嘴的雾化体出口直径，单位是米；
d3是套筒进气孔直径，单位是米；
ρ是液体密度，单位是千克/立方米；
ρg是外部大气环境的空气密度，单位是千克/立方米；
σ是液体表面张力系数，单位是牛顿/米；
μ是液体动力粘度，单位是帕·秒；
k1是修正系数，k1＝0.07～0.12；
N1是喷嘴芯体进气孔数量，N1＝3～5。
2.如权利要求1所述的一种气液两相流雾化喷嘴，其特征在于，喷嘴芯体的主要几何尺寸参数中，射流段直径D1、射流段长度L1和出口扩散段扩散角β的设计公式如下：
β＝6°～10°
式中：D1是射流段直径，单位是米；
ρg是外部大气环境的空气密度，单位是千克/立方米；
Q是喷嘴的设计流量，单位是立方米/秒；
σ是液体表面张力系数，单位是牛顿/米；
d2是喷嘴的雾化体出口直径，单位是米；
L1是射流段长度，单位是米；
ρ是液体密度，单位是千克/立方米；
μ是液体动力粘度，单位是帕·秒；
β是出口扩散段扩散角，单位是度。
3.如权利要求1所述的一种气液两相流雾化喷嘴，其特征在于，雾化体的主要几何尺寸参数中，雾化体混合室最大内径D2和进气缓冲腔宽度b的设计公式如下：
D2＝1.2D1+L1tgβ
b＝k2D1
当液体动力粘度μ≥0.001帕·秒时，修正系数k2的取值范围为0.6≤k2≤0.7；当液体动力粘度μ＜0.001帕·秒时，修正系数k2的取值范围为0.5≤k2＜0.6；式中：D2是雾化体混合室最大内径，单位是米；
D1是射流段直径，单位是米；
L1是射流段长度，单位是米；
β是出口扩散段扩散角，单位是度；
b是进气缓冲腔宽度，单位是米；
k2是修正系数，k2＝0.5～0.7。
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