轴流风送静电喷雾实验与数值模拟研究

论文摘要

近年来,轴流风送静电喷雾在植物病虫害的防治、大型公共场所的消毒和灭菌等领域已显示其优越性。本文针对传统液力式喷雾喷射距离短,雾滴粒径大、雾滴均匀性差,药液浪费和环境污染严重等问题,从理论和实验两个方面对轴流风送静电喷雾进行了系统的研究,研究内容主要包括荷电喷雾射流流场测定、喷嘴的选型与设计、雾滴的荷电机理分析、荷电雾滴的沉积性能测量。1.从理论上分析了不同充电电极、充电方法的荷电原理,建立了环状电极与针状电极的组合电极空间电位计算的数学模型。分析了荷电两相流中带电雾滴的受力情况,求解了运动方程。2.建立了荷电气液两相湍流射流模型,该模型考虑了荷电与流场的耦合,气相与颗粒相的相互作用,同时考虑了颗粒本身的湍动能。3.对喷嘴进行了选型、设计,并通过实验的方法检测了其雾化性能,结果表明:旋转式雾化喷嘴的雾化性能明显优于常用的孔口式雾化喷嘴,其雾化产生的雾滴体平均直径dp=17.638μm。4.通过对静电场和气相流场的实验研究表明:静电场对喷雾的效果有着明显地改善,随着充电电压的升高,雾滴荷质比增加,雾滴颗粒进一步细化,雾滴质量分布的均匀性和沉积性能都明显提高,轴流风送静电喷雾装置的灭菌实验表明,静电喷雾持续消灭细菌的能力远高于非静电喷雾,当喷洒时间为60秒时,灭菌可达90%以上;气相流场对喷雾的影响主要表现在气相对雾滴相的输运和喷雾的均匀性上,通过风送的手段能明显提高喷雾的喷射距离。通过加导流叶片的手段能明显提高气相的均匀性,提高喷雾的质量,同时,对雾滴直径的测量结果表明,轴流风送对雾滴的二次雾化作用不明显。5.通过大量的实验建立了轴流风送静电喷雾沉积性能的经验公式。6.对荷电两相湍流射流进行了数值模拟,用雷诺平均N-S方程加RNGκ-ε模型计算了气相背景流场,再用DPM模型计算了液滴运动并与实验结果进行比较,该模型在一定程度上可以实现对荷电两相湍流射流的预报。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 农药喷洒的现状和要求
• 1.2 公共场所灭菌、消毒的需求
• 1.3 静电喷雾技术的特点及其在国内外研究概况
• 1.4 轴流风送静电喷雾优点和国内外研究概况
• 1.5 本课题研究的目的和主要内容
• 1.5.1 目前存在的问题
• 1.5.2 本课题研究的目的
• 1.5.3 课题研究的技术路线
• 1.5.4 本课题研究的主要内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 轴流风送静电喷雾的射流力学、两相流基础
• 2.1 射流的定义和类型
• 2.2 射流模型的建立
• 2.2.1 圆形紊动射流模型
• 2.2.2 圆形紊动射流雷诺数的计算和流速分布
• 2.3 液体的雾化及喷嘴的选择、设计
• 2.3.1 液体雾化
• 2.3.2 喷嘴的选择
• 2.3.3 喷嘴的结构、雾化原理及主要技术参数
• 2.4 气液两相射流
• 2.4.1 两相流的基本参数
• 2.4.2 气液两相射流雷诺时均方程组
• 2.5 荷电两相湍流射流
• 2.6 本章小结
• 第三章 轴流风送静电喷雾的静电技术基础
• 3.1 人工荷电
• 3.2 电极形式及空间电位的计算
• 3.3 带电粒子引起的力学现象
• 3.3.1 雾滴受力分析
• 3.3.2 雾滴运动分析
• 3.4 荷电的测量及对喷雾的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 轴流风送静电喷雾实验
• 4.1 实验装置的设计
• 4.2 射流流场的测量
• 4.3 喷嘴雾化性能的对比
• 4.4 荷电特性的测量
• 4.5 风场对雾滴直径的影响
• 4.6 静电场对雾滴粒径的影响
• 4.7 生产应用中的灭菌测试
• 4.8 本章小结
• 第五章 雾滴沉积性能分布的测量及经验公式的建立
• 5.1 雾滴沉积性能研究的意义
• 5.2 雾滴沉积量的测量
• 5.3 沉积性能经验公式的建立
• 5.4 本章小结
• 第六章 轴流风送静电喷雾流场的数值计算
• 6.1 控制方程及边界条件
• 6.1.1 计算模型
• 6.1.2 控制方程及方程的离散
• 6.1.3 边界条件
• 6.2 CFD求解过程
• 6.2.1 实体建模及网格划分
• 6.2.2 数值模拟步骤
• 6.3 计算结果
• 6.4 计算结果分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 附录一 雾滴沉积性能测量实验数据
• 参考文献
• 致谢
• 在读学位期间发表的论文