豆膠氣泡霧化噴霧器的三維設計及其數值模擬

蘇云鵬，陳光偉

（東北林業大學機電工程學院，黑龍　江哈爾濱　150040）

豆膠氣泡霧化噴霧器的三維設計及其數值模擬

蘇云鵬，陳光偉

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150040）

設計了一種注氣內管內徑漸變的高粘度豆膠氣泡霧化噴霧器，并應用流體分析軟件，對噴霧器內部氣液兩相混合流體特性進行了數值模擬研究。主要模擬了噴霧器內部氣液兩相流的速度場分布、壓力場分布并分析了模擬結果。分析表明：在設計的氣泡霧化噴霧器內部，豆基蛋白膠能夠與空氣進行很好地混合，其內部壓力場分布、速度場分布符合流體力學的運動規律。模擬結果對以后的多相流流動分析以及氣泡霧化的研究具有一定的指導意義。

多相流；氣泡霧化；數值模擬

0　引言

大豆蛋白膠黏劑（以下簡稱豆膠）是以大豆蛋白為基質，經酸、堿、?；肮簿鄹男院笾瞥傻囊环N環保型膠黏劑，它具有以再生資源為原料，生產加工過程簡單、膠接制品無游離甲醛釋放等諸多優點。但是，改性后的豆膠黏度高、流動性差，限制了它在“三板”（指纖維板、刨花板和膠合板）生產中的應用范圍，目前僅用于膠合板的生產。目前改性方法不加入甲醛進行共聚，改性后的大豆蛋基膠仍是一種無醛膠黏劑［1］。

纖維板與刨花板生產中，通常采用管道供膠、再使膠液與木材纖維或刨花共混的方式進行施膠；而豆膠過高的黏度使其在與纖維或刨花混合時難以分散，膠液的分布不均勻，從而造成成品板材的強度出現差異，質量達不到標準要求。氣泡霧化是一種能夠克服豆膠高黏度特點的霧化方法，其霧化原理并不是通過克服液體的黏性，而是通過克服液體的表面張力來達到霧化目的［2］。它具有液滴尺寸更小和要求的氣液的質量比較低等優點［3］。

為此，本文針對豆膠黏度高的缺點，利用液體氣泡霧化原理，設計了一種用于豆膠氣泡霧化的噴膠裝置。該裝置利用豆膠為假塑性非牛頓流體的特性，采用高速、高壓空氣沖破豆膠基團，加快豆膠的流動速度，并使其與壓縮空氣充分混合，達到降低膠液的黏度、提高其流動性、以及與纖維和刨花混合的均勻性的目的，使其能夠用于纖維板或刨花板的生產。

1　氣泡霧化機理及氣泡霧化噴霧器的三維設計

1.1氣泡霧化機理

氣泡霧化的機理是把壓縮空氣或蒸汽用適當的方式注入到液體中，并使兩者在噴霧器的混合室內形成穩定的氣液兩相流動［4］；在噴霧器出口處，由于氣體對液體的擠壓和剪切作用，液體形成含有大量微小氣泡的液絲或液線噴出；在離開噴口極短的距離內，由于氣泡內外壓差的急劇變化，氣泡急劇膨脹直至破裂，同時將包裹在其周圍的液膜進一步破碎，形成更加細微的霧液顆粒［5～10］。

1.2氣泡霧化裝置的三維結構設計

實驗表明，豆膠屬于非牛頓流體中的一種假塑性流體，其主要特點在于其表觀黏度隨剪切速率的增大而減小。設計的氣泡霧化裝置正是利用了豆膠的這一特征；在結構上，一方面該噴膠裝置的膠液流通管道內徑是漸變的，管內直徑沿豆膠流動方向逐漸減小，這可以增大膠液在管內的流動速度；另一方面，通入管道的通氣孔呈切向進入管道，從而使膠液產生附加旋轉流動，增強氣膠兩相的混合效果，從而實現更好的霧化。

結構設計軟件采用Pro/ENGINEER，利用該軟件的參數化設計（Parametric）技術，使用拉伸、旋轉、螺旋掃描等建模方法設計完成了氣泡霧化裝置的外管、噴霧器主體、進膠管接頭、進氣管接頭、緊固螺母、內外管密封圈等零件的三維設計，并進行了裝配。裝配后的氣泡霧化噴膠裝置如圖1所示。圖2是該霧化裝置的爆炸圖。

圖1　高粘度豆膠氣泡霧化噴霧器的裝配圖Fig.1 Assembly drawing of effervescent atomizer on soy protein adhesive

圖2　高粘度豆膠氣泡霧化噴霧器的爆炸圖Fig.2 Explosive drawing of effervescent atomizer on soy protein adhesive

2　氣泡霧化噴霧器流場模型的建立

2.1氣泡霧化噴霧器流場模型的建立

應用前處理軟件GAMBIT幾何建模，可以采用點、線、面、體的形式逐步構建，也可以直接生成面或體來完成建模。如果需要構建的幾何體十分復雜，則可以在三維設計軟件中完成建模后再導入GAMBIT。利用第二種方法建立了氣泡霧化噴霧器流場模型。

2.2噴霧器模型內部流場三維網格劃分

利用TGrid程序對整體進行網格劃分，將體主要劃分為四面體網格單元，但在適當的位置可以包含六面體、椎體和楔形單元。整個流場總網格數為387432個。模擬的結果在Z=0截面顯示，基于上述網格劃分之后該截面的網格如圖3所示。

圖3　Z=0截面網格劃分Fig.3 Z=0 Section meshing

3　豆膠氣泡霧化機理的數值模擬

3.1構建計算模型

Mixture模型是一種多相流模型，可用于模擬兩相或多相具有不同速度流體或顆粒的流動。該模型主要實現求解混合相的連續性方程、動量方程、能量方程、第二相的體積分數及相對速度方程等功能。Mixture模型適用于離散相的體積率超出10%的黏性流動，用于兩相流時只有一相是可壓縮流體［11］。

使用Mixture模型模擬氣液兩相在噴霧器混合室中的混合，并選擇標準的k-epsilon［2 eqn］紊流模型。

3.2設置流體物理屬性

高粘度豆膠屬于非牛頓流體，在定義非牛頓流體材料時主要定義其密度和黏度。非牛頓流體的黏度與梯度滿足冪律關系。由實驗測得其密度為1.15×103kg/m3，k= 0.89Pa·sn-1，n=0.6。定義氣體為空氣，密度為1.225kg/m3，動力黏度為1.789×10-5Pa·s。

3.3設置邊界條件

入口邊界條件：進氣口和進液口均設置為VELOCITY_INLET。出口邊界條件：出口設置為PRESSURE_OUTLET，出口壓力為1.013×105Pa。氣體入口流量：19.72m3/h，液體的入口流量：0.55m3/h。水利直徑分別為：進液口14mm、進氣口16mm和出口孔2.5mm。

3.4求解與分析

對豆膠（非牛頓流體）與空氣在噴霧器內部的混合流動特性進行數值模擬研究，得到其速度場分布圖、壓力場分布圖。

4　模擬結果分析

4.1速度場模擬與分析

速度場分布圖用于顯示流場中流體的流動速度分布。從圖4可以看出，在氣液比為0.04的情況下，處于空腔位置的氣體和進入混合室之前的水都以平緩速度運動。當進入混合室的水和壓縮空氣在各個注氣孔末端相遇時，形成的氣液兩相流流速驟然升高至440m/s，氣液兩相流在噴霧器出口處速度達到了最大值1170m/s，符合噴霧器噴霧流體流速變化的要求。

圖4　Z=0截面速度場分布圖Fig.4 Z=0 Sectional velocity distribution

4.2壓力場模擬與分析

壓力場分布圖用于顯示流場各部分的壓力以及整個流場的壓力變化。圖5中，在氣液比為0.04的情況下，水與空氣在進液口和進氣口的壓力比較平穩，在混合室中下部沿著流動的方向壓力逐漸降低，在出口處發生明顯的變化，出口的位置是一個標準大氣壓，這符合流體的伯努利方程。

圖5　Z=0截面壓力場分布圖Fig.5 Z=0 Sectional pressure distribution

5　結論與討論

本文在分析高粘度豆膠流動特性的基礎上，利用三維設計分析軟件設計了一種注氣內管內徑漸變的氣泡霧化噴霧器，并對霧化過程進行了數值模擬：采用Mixture模型，對豆膠和空氣在噴霧器內部的混合情況進行數值模擬，得到它們的速度場分布圖、壓力場分布圖。模擬結果表明:在注氣內管內徑漸變的氣泡霧化噴霧器中，豆膠能與空氣實現很好的混合對完成良好的霧化起到促進作用。

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Numerical Simulation of Three-dimensional Design on Effervescent Atomizer of Soy Protein Adhesive

SU Yun-Peng，CHEN Guang-Wei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China）

An effervescent atomizer of soy protein adhesive is designed，with using a three-dimensional design and analysis software.Twophase fluid which is gas-liquid mixture inside the nozzle is simulated.The main simulation includes the velocity distribution and the pressure distribution of the two-phase flow inside the atomizer and the simulation results are analyzed.Analysis shows that：In this atomizing sprayer，the soy protein adhesive can be well mixed with the air，and finally complete in good atomization beneath the sprayer.Its internal pressure distribution and velocity distribution are consistent with the mechanics of fluid movement.The results are of certain guiding significance for the analysis and research of multiphase flow and effervescent atomization.

multiphase flow；effervescent atomization；numerical simulation

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.030

1002-6673（2015）01-084-03

2014-11-22

蘇云鵬（1990-），男，黑龍江省佳木斯人，碩士研究生。研究方向：機械制造工程及自動化；通信作者：陳光偉（1973-），黑龍江省哈爾濱人，博士，副教授。研究方向：機械設計及理論。