静电喷粉颗粒沉积过程数值模拟与实验研究

以经典的圆柱绕流为例,通过对建立的颗粒群模型进行数值模拟和应用激光多普勒测速技术,从理论和实验上研究了静电喷粉的沉积特性,发现颗粒荷电对颗粒运动特性有明显的影响;在相同的荷质比时,颗粒荷电的影响随颗粒尺寸的增加而增加,影响的结果是增加了颗粒向农作物沉积的趋势。数值模拟和实验结果的对比表明,颗粒群模型合理地描述了荷电颗粒的运动特性。     

静电喷粉沉积速度场理论研究

基于颗粒的扩散特性和颗粒对流体湍流脉动响应的不同机理,以圆柱为模拟目标物,建立了静电喷粉沉积过程中荷电颗粒随机位移的概率密度分布函数所满足的Ｆｏｋｋｅｒ－Ｐｌａｎｃｋ方程。由该方程解出的分布函数表明,沉积过程中荷电颗粒的运动特性不仅决定于颗粒的荷电特性与空间电场分布以及流体的运动特性,而且与初始位置和速度有关。     

荷电气固两相流动管内输运流场的试验研究

基于输运段对荷电颗粒凝并效率的影响，建立了荷电颗粒输运试验系统，以研究管内颗粒输运流场随电压的变化情况．利用网状目标法测定颗粒群平均荷电量，应用流场测量技术PIV系统研究外加电场对颗粒运动的作用，运用二值化互相关图像处理算法，获得输运断面上的荷电颗粒速度、涡量以及湍动能分布图．试验发现：当充电电压低于-10kV时，颗粒的荷质比随充电电压的降低而增加，在-60kV时基本达到饱和荷电量；输运段中颗粒速度、涡量的分布值随电压的降低而增加；湍动能的分布呈现单峰特性，在-50kV时出现最大值．     

荷电气固两相流动凝并特性试验

采用传统除尘设备很难有效清除亚微米粉尘,而静电凝并是净化亚微米粉尘的有效方法.设计了一种静电凝并试验装置,以电厂飞灰为实验粉尘,对其荷电性能及凝并沉积性能进行了试验研究.飞灰粉尘直径在0.5-10μm之间,绝大多数在2-10μm之间.试验结果表明：荷电颗粒的荷质比随荷电电压值的升高呈现非线性方式增长,粉尘颗粒更容易荷负电;凝并沉积效率随风速的增大及浓度的减小而增加,随荷电电压绝对值的升高而增加;在双极非对称荷电组合电压＋25 kV/-23 kV时具有最高的凝并沉积效率.荷电后粉尘的粒径分布情况表明,在荷电段出口处,10μm以上颗粒的粒径频率分布有了明显的增加.     

荷电颗粒拟流体多相湍流模型的建立

荷电多相湍流与一般多相湍流相比，存在流场脉动与电场脉动耦合的复杂运动特征，如何用方程加以描述并利用模型方程模拟这种耦合作用成为荷电多相湍流模拟研究的一项重要任务。在单相荷电流体湍流模型方程和荷电颗粒拟流体多相湍流描述方程建立的基础上，根据目前发展和应用不断扩大的“双流体”多相湍流模型，把荷电颗粒当作拟流体处理，借用拟流体多相湍流描述方程建立的方法，获得了荷电颗粒拟流体多相湍流模型，该模型方程通过电场关联项描述了电场和流场湍流脉动的耦合作用。通过引入电湍能交换系数对电场关联项加以模化，该模型可用于工程中大尺度复杂荷电多相湍流的模拟计算和工业装置的设计。     

荷电雾滴运动轨迹的模拟研究

应用静电喷雾技术进行病虫害防治有着广阔的前景。论文在理论分析与实验研究的基础上,归纳出描述不同电压下雾滴喷出时的雾化角的拟合计算公式,建立了荷电雾滴的运动模型,采用时间增量法对荷电雾滴运动轨迹模型进行了求解,根据粒子系统原理,在Windows开发平台上,运用编程软件VC++和三维动画标准OpenGL,应用VC对话框编程技术实现参数自动输入,实现了在不同电压下雾滴雾化情况和雾滴运动轨迹的模拟。模拟软件用户界面良好,使用方便,为进一步深入研究静电喷雾的雾滴运动过程、雾滴沉积分布特性以及评价静电喷雾效果提供了一种新的方法。     

气助式静电喷雾靶标物背部沉积特性

为了研究气助式静电喷雾中,药液雾化特性对其靶标背部沉积效果的影响,采用Ф80mm的西红柿果实作为靶标,配制1g／L的刚果红溶液模拟农药进行喷雾试验．运用OLID测试系统对不同施药条件（气体压力、静电电压、喷雾距离）下药液的雾化特性进行了测试,借助分光光度计定量分析靶标背部沉积量,结合试验结果对药液雾化特性与靶标背部沉积效果的关系进行了分析和讨论．结果表明：非静电喷雾时,雾滴不易粘附于标靶背部,与荷电喷雾时相比,背部沉积量较小可以忽略;在气动力和静电力的前后作用下,雾滴的粒径随气体压力、静电电压的增加而减小且分布愈均匀;增加气体压力、静电电压均可提高药液靶标背部的沉积量,其中静电电压影响最大;荷电啧雾时,雾滴的粒径愈小分布愈均匀有利于荷电药液在靶标物背部沉积．     

荷电两相流动颗粒运动微分方程的建立

荷电两相流动主要研究荷电颗粒的群体行为，从研究连续相中的荷电颗粒受力着手。选择Stokes阻力作为基准，确定了荷电两相流动中的主要受力，并对在荷电情况时颗粒群的粘性阻力系数进行了修正。根据牛顿运动定律，给出了一般形式的运动微分方程。这一方程的导出，对荷电两相流动的研究起到了一定的促进作用。     

大载荷无人直升机静电喷雾沉积特性试验研究

为探索在大载荷植保无人直升机下洗气流作用下各因素对静电喷雾沉积特性的影响规律,将正交试验与Box-Behnken响应面试验相结合,在定性分析的基础上,建立起沉积特性参数与荷电电压、飞行参数等影响因素之间的数学预测模型,定量地分析了各因素对沉积特性的影响.结果表明:大载荷无人直升机静电喷雾沉积特性受施药过程中荷电电压和飞行参数的影响显著.雾滴单位面积沉积量与荷电电压成正相关,与飞行速度、飞行高度成负相关.相同飞行参数下(飞行速度5m/s、飞行高度4m),荷电电压8kV的静电喷雾单位面积沉积量为0.3180μL/cm²,比非静电喷雾单位面积沉积量提高了1.17倍.与此同时,沉积量变异系数与飞行速度成正相关,与荷电电压、飞行高度成负相关,即增加荷电电压、降低飞行速度或者提高飞行高度能有效改善雾滴的沉积均匀性.     

影响雾滴靶标沉积效果的三种因素实验分析

为了节省农药及减少对生态环境的污染,研究喷雾角度、荷电电压、叶片表面性质对静电喷雾施药靶标沉积效果的综合影响,以黄瓜、西红柿、菠菜的叶片作为靶标进行静电喷雾实验,结合实验结果对喷雾角度、荷电电压、叶片表面性质与靶标沉积效果的关系进行分析和讨论。结果表明:随着喷雾角度的增加,荷电雾滴在叶片上的沉积量先升后降,合适的喷雾角度会使3种靶标上的沉积量都增加,对3种叶片最佳喷雾角度都为60°;荷电电压、叶片表面性质对沉积效果影响显著;叶片表面结构是影响作物上药液沉积效果的重要因素。该研究有助于更加合理高效调控静电喷雾系统工况参量,提高雾滴对靶标的有效沉积。     

荷电颗粒多相湍流数学模型的构建

随着静电喷雾技术的发展,对荷电多相湍流的研究也不断深入,由于这一流动现场极其复杂,模型构建的难度增大.在多相湍流模型建立的理论基础上,采用双流体模型,考虑湍流脉动与电场耦合作用,引入“体平均”概念,构建了荷电多相湍流数学模型.“双流体”多相湍流模型在工业领域模拟复杂湍流中的成功应用和不断发展,为荷电多相湍流提供了新的工程模拟模型和方法.在单相荷电流体湍流模型方程建立的基础上,根据“双流体”多相湍流模型建立的理论基础,把荷电颗粒当作拟流体处理,借用拟流体多相湍流描述方程建立的方法,推导了荷电颗粒拟流体多相湍流的描述方程,为进一步获得荷电颗粒拟流体多相湍流模型提供了基础.     

风幕式气力辅助静电喷雾沉积特性

针对传统农业施药过程中雾滴漂移量大和雾滴冠层穿透力不足的问题,以风幕式气力辅助喷雾系统为研究对象,采用称重平面沉积量方法,研究了风幕式气力辅助下荷电喷雾和非荷电喷雾在不同高度面上的沉积规律,以及不同风幕风速影响下荷电喷雾和非荷电喷雾的沉积特性,分析了风幕射流流场对喷雾液滴沉积分布的影响。研究表明：风幕式气力辅助有效减少了液滴的横向扩散,使喷雾沉积集中在靠近喷雾中心的狭窄区域,有效抑制雾滴漂移;风幕流场加强喷雾流场的扰动,使非荷电喷雾和荷电喷雾沿喷杆轴向沉积都更加均匀。气体射流增加了液滴的动量,射流速度越大风幕对喷雾沉积分布影响越大。      

小型植保无人机下洗气流场影响雾滴运动特性规律研究

为了研究小型无人机下洗气流场对雾滴运动特性的影响规律，以小型无人机为基础，采用Navier-Stokes(N-S)方程、realizable k-ε模型和Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations算法，对施药过程中的下洗气流场和雾滴离散运动进行了详细的数值模拟分析。研究分析无人机下洗气流的速度特性、雾滴沉积特性以及作业高度对农药沉积效果的影响。通过试验结果可知，模拟值与试验值的相对误差在20%以内，验证了下洗气流场数值模型的可行性。进一步模拟分析结果表明，在无人机喷药平台的影响下，下洗气流场在距离旋翼1 m处达到速度峰值。随着作业高度的增加，雾滴逐渐分散并扩散。雾滴主要分布在两个“气流引入区”和两个“气流导出区”,该分布特征有助于优化施药效果和提高农药的使用效率。根据分析结果，当无人机飞行作业姿态与地表保持平行，且将作业高度调整至0.8～1.0 m之间时，可显著提高农药沉积量，从而提高植保无人机的施药效果。本研究验证了下洗气流场数值模型的可行性，为小型植保无人机的对靶雾滴漂移及沉积研究提供了参考依据。     

槽轮式补饲机颗粒动力学数值模拟与试验

为研究槽轮式补饲机颗粒饲料的排料特性,采用Hertz-Mindlin 无滑动接触模型,分析颗粒的碰撞接触力和阻尼力,建立颗粒饲料的平动运动和滚动运动方程,并采用离散元方法,数值模拟槽轮转动时颗粒群的速度分布、运动规律及单个颗粒与槽轮中心轴的距离,定性描述槽轮转速对颗粒速度分布、带动层厚度、槽轮充满系数的影响。采用临沂永澳700和永澳997颗粒饲料对四槽轮式补饲机的排料特性进行试验,得到槽轮充满系数随着槽轮转速的增加而减小,并且槽轮转速对充满系数有显著影响。同时,进行四槽轮补饲机的定比例和定量投料试验,经检测,投料计量误差最大值为1.13%,最小值为0.56%,平均计量误差为0.83%,颗粒饲料的掺混质量良好。     

风幕式气力辅助静电喷雾沉积特性

针对传统农业施药过程中雾滴漂移量大和雾滴冠层穿透力不足的问题,以风幕式气力辅助喷雾系统为研究对象,采用称重平面沉积量方法,研究了风幕式气力辅助下荷电喷雾和非荷电喷雾在不同高度面上的沉积规律,以及不同风幕风速影响下荷电喷雾和非荷电喷雾的沉积特性,分析了风幕射流流场对喷雾液滴沉积分布的影响.研究表明:风幕式气力辅助有效减少了液滴的横向扩散,使喷雾沉积集中在靠近喷雾中心的狭窄区域,有效抑制雾滴漂移;风幕流场加强喷雾流场的扰动,使非荷电喷雾和荷电喷雾沿喷杆轴向沉积都更加均匀.气体射流增加了液滴的动量,射流速度越大风幕对喷雾沉积分布影响越大.     

针板电极荷电液体射流不稳定性分

基于荷电液体射流的模型和广义坐标下的Lagrange方程,建立了静电场作用下无粘性液体射流的色散方程,并对该方程进行了数值求解,分析了若干因素对荷电液体射流的轴对称模型和非轴对称模型的影响。研究结果表明：随着电场强度的增大,荷电液体射流的最大扰动增长率增大。低电压时静电场对轴对称射流的不稳定性有显著作用,电压逐渐升高时非轴对称模型逐渐占据主导地位,最终导致液滴的破碎;随着射流半径的减小,荷电液体射流的不稳定性增加,轴对称模型下射流半径的改变对射流不稳定性的影响比非轴对称模型小;不同的液体介质对荷电液体射流不稳定性的影响在非轴对称模型下表现得更为显著。     

荷电两相湍流模型的建立

荷电两相湍流存在着非均匀的空间电场与流场的耦合作用,以及荷电颗粒相与连续相流体的相间作用,是非常复杂的两相湍流运动.本文采用颗粒拟流体假设得到了荷电两相流动瞬时状态的方程组.根据雷诺时均方法,建立了荷电两相湍流的时间平均雷诺方程组,并对其中的脉动关联项进行了模拟.     

针板电极荷电液体射流不稳定性分析

基于荷电液体射流的模型和广义坐标下的Lagrange方程,建立了静电场作用下无粘性液体射流的色散方程,并对该方程进行了数值求解,分析了若干因素对荷电液体射流的轴对称模型和非轴对称模型的影响.研究结果表明:随着电场强度的增大,荷电液体射流的最大扰动增长率增大.低电压时静电场对轴对称射流的不稳定性有显著作用,电压逐渐升高时非轴对称模型逐渐占据主导地位,最终导致液滴的破碎;随着射流半径的减小,荷电液体射流的不稳定性增加,轴对称模型下射流半径的改变对射流不稳定性的影响比非轴对称模型小;不同的液体介质对荷电液体射流不稳定性的影响在非轴对称模型下表现得更为显著.     

气流中荷电液滴破碎数值模拟

荷电液滴破碎过程十分复杂，影响因素繁多，并且破碎时间短暂。难以进行试验研究。对荷电液滴的破碎过程进行了分析，根据荷电后液体表面张力的变化，得出荷电液滴耽数的表达式，得出破碎过程的主要影响因素有气液相对速度、气液物性参数以及静电场。在此基础上，选用VOF多相流模型、四边形网格和SIMPLE算法，设定不同的气液相对速度、液滴初始粒径等参数。对液滴破碎过程进行了数值模拟。模拟结果发现耽数不同，液滴有可能出现袋形破碎、剪切破碎或爆炸破碎。对于低粘度液体，We数可以作为破碎类型的主要判别依据。气液参数相同的情况下，荷电液滴耽数大，液滴更容易发生变形破碎。     

叶片式渣浆泵叶轮中浆体浓度分布数值模拟

离心式渣浆泵叶轮中固液两相流动，对于不同颗粒粒径有不同的运动规律和渣浆浓度分布。采用FLUENT软件，并以颗粒碰撞理论为基础的颗粒动力学双流体模型，来对颗粒渣浆泵叶轮内部流动进行数值模拟，揭示其固体相的颗粒分布和运动规律，就能够比较精确地了解叶轮磨损的主要区域和磨损规律，这样有助于改善离心式渣浆泵叶轮的水力设计，减少磨损，提高使用寿命。对颗粒直径分别为0．5，1，2min时颗粒浓度分布进行了数值模拟，对颗粒相体积分布图的分析表明，模拟结果与实验结论基本相同。