沥青喷嘴结构型式对喷洒性能的影响

焦生杰，程 义，，吴劲松，谢立扬

（1.长安大学 公路养护装备国家工程实验室，陕西 西安 710064；2.江苏华通动力重工有限公司，江苏 镇江 212003）

近年来高等级公路施工与养护中，同步封层车、沥青洒布车、带沥青洒布功能的薄层摊铺机等沥青喷洒作业设备的应用愈加频繁［1］.为了得到良好的沥青洒布效果，人们不断地对沥青喷洒系统进行优化.目前行业内普遍以“三重叠理论”［2］为指导，通过喷洒扇面的三次重叠克服单喷嘴喷洒面的不均匀性，而针对如何提高单喷嘴喷洒性能的研究也在进一步深入.专业人士普遍认为，优化喷嘴的开口型式能得到更加均匀的喷洒扇面［3－5］.文献［5］提出，喷嘴开口型式选择六边形时喷洒效果好于目前普遍采用的V型开口式扇形喷嘴.但加工开口为六边形等其他型式的异形喷嘴需要定制刀具与工艺，受成本因素制约，业内目前普遍采用的仍是V型开口的扇形喷嘴.以下将对开口角、导流面、开槽型式与宽度等因素对喷嘴喷洒性能的影响进行仿真与分析.

1 沥青喷嘴结构型式与特点

目前比较典型的沥青喷嘴喷头结构见图1.其中图1a所示的喷嘴采用V型槽口与平面喷洒端面；图1b所示的喷嘴采用V型槽口与球面喷洒端面，且喷头内外球面不同心；图1c所示的喷嘴采用U型槽口与球面喷洒端面，但喷头内外球面同心；图1d所示的喷嘴采用双U型槽口与球面喷洒端面，但喷头内外球面同心.以上4种类型的喷嘴导流面型式各不相同，其中图1a，b所示喷嘴导流面各截面宽度不一，而图1c，d所示喷嘴导流面各截面宽度一致.选择合理的收缩段能增大喷嘴开口处的出流速度，降低能量损失.图示收缩段为球面，实际应用中也可用椭球面代替.针对图1a，b型式的喷嘴，若将收缩段加工成椭球面，能降低对V槽端点的定位要求，但加工成球面可选用标准的球头铣刀［4］，一般厂家会根据自身的加工水平和业主的要求进行选择，总体差异不大.喷嘴喷洒角θ所在平面与开口角2α所在平面相垂直.

图1 4种典型沥青喷嘴结构Fig.1 Four typical kinds of asphalt nozzle structure

2 仿真条件的设定

基于Fluent软件能有效模拟流体运动过程的功能，根据沥青喷洒过程中沥青的流动状态选择湍流模型，并采用非结构化网格建立喷嘴模型［6－7］.分别针对图1b所示V型喷嘴不考虑导流面，针对图1c所示U型喷嘴考虑导流面进行建模，将得到图2所示的网格模型.其中图2a，c为喷头网格结构，图2b，d为喷头与设定喷洒区域网格结构.文中所涉及的其他结构喷嘴的网格模型与以上两种网格模型类似，可参考得到，在此不作赘述.

由文献［6］等流体动力学知识可知，黏性流体在喷洒流动过程中，其喷洒压力为泵出口压力减去沿程压力损失和局部压力损失，沥青喷洒过程中各压力的理论关系式如下［8］：

式中：p为沥青泵的理论计算压力；pq为沥青在管路中的沿程压力损失；∑pm为管路各处的局部压力损失之和；ph为喷洒压力.

图2 2种典型喷嘴与预定喷洒区域网格模型ig.2 Mesh models about two typical kinds of nozzle with a predetermined spray region

首先自定义喷洒介质属性，密度选取液态沥青近似值1 013kg·m－3，运动黏度分别设定为500，1 000，2 000mm2·s－1，喷洒压力设定为多数厂家选定的沥青喷洒系统喷洒压力0.3MPa［9］，采用图2a，b所示结构喷嘴进行仿真，得到喷洒速度云图，如图3所示.

结合式（1）分析上组仿真结果，若保证喷头处喷洒压力一致即不考虑沥青流动过程中在管道中的压力损失，可知介质黏度将直接影响有效喷洒距离，介质黏度越大喷洒过程中能量损失速度越快，有效喷洒距离越短；而一旦喷洒压力恒定，黏度的改变对喷洒角基本无影响.

图3 不同黏度介质仿真对比Fig.3 Simulating comparison of media with different viscosity

3 不同开口型式与参数的喷头喷洒仿真结果对比

基于恒定压力下黏度与喷洒角的无关性，为了更加清晰地观察开口形式对喷洒角的影响，故降低介质黏度按照以下3种情形进行仿真：

（1）针对同种内径结构且壁厚参数相同的喷嘴，设定喷洒压力都为0.3MPa，对V型槽高3 mm、宽2mm（图4a），V型槽高3mm、宽1mm（图4b），U型槽高3mm、宽1mm（图4c），双U型槽高3mm、单槽宽1mm（图4d），进行仿真，并截取喷洒角θ所在平面的速度云图，如图4所示.

对比图4a与图4b可知，V型槽开口角2α越小，有效喷洒距离越短，但有效喷洒距离内喷洒角θ越大；对比图4b与图4c可知，在同样开槽宽度的情况下，U型槽口的喷洒角大于V型槽口的喷洒角；对比图4c与图4d可知，U型槽口宽度越小喷洒角越小，而双槽型开口型式的喷嘴喷洒均匀性明显好于单槽型喷嘴.文献［4，10］给出了图1a与图2a所示V型槽喷嘴开口角与喷洒角的经验公式：

由式（2）可看出，当α在0至π/2之间时，V型槽开口角2α与喷洒角θ成反比关系，与上述仿真结果相同.若定义喷嘴开槽宽度与高度比（宽高比）为δ，则对于V型槽口有δ＝2tanα.以上仿真结果表明喷洒角θ与槽口宽高比δ成反比.

（2）考虑到高黏性流体在导流面流动时的能量损失，选择图1c所示U型喷嘴，分别设定喷头槽口壁厚（导流面厚度）为1mm（图5a，b）和2mm（图5c，d），进行仿真并截取喷洒角θ与开口角2α所在平面的速度云图，如图5所示.

图4 不同开槽型式仿真对比Fig.4 Simulating comparison of different slotted types

图5 不同导流面仿真对比Fig.5 Simulating comparison of different diversion surfaces

由图5可发现喷口壁厚（导流面厚度）增加后，喷洒扇形区域速度分布更均匀，扇形长度基本不变，宽度略有增加，从而在单喷嘴喷洒量不变的情况下降低了单位面积的洒布量.同理可推断，喷洒端面加工成平面（图1a）或内外球面不同心（图1b）的喷嘴导流面宽度不一，会造成扇形长度方向上出流液体能量损失存在差异，从而加剧喷洒的不均匀性.

（3）在喷嘴的实际加工过程中，为了避免突发性变截面造成的能量损失，一般可将喷头收缩段与槽口重合处的接合面进行圆整.为了验证圆整之后的效果，分别对双槽型U型（图1d所示）喷嘴收缩段与槽口重合处的接合面为平面（图6a，b）和圆柱面（图6c，d）2种情况进行仿真，得到如图6所示结果.

图6 有无突发性变截面仿真对比Fig.6 Simulating comparison between two kinds of conditions whether exist suddenly varied cross-section

由图6可看出，接合面为平面时喷洒角略大，但接合面为圆柱面时喷洒速度云图分布更均匀，且速度衰减较慢.可知将喷嘴收缩段与槽口重合处的接合面进行圆整后的喷嘴喷洒均匀性有明显改善，有效喷洒距离也略有增加.

4 结语

（1）一旦喷头入口处压力恒定，则流体黏度不影响喷嘴的喷洒角，但流体黏度与喷洒速度以及有效喷洒距离成反正；在其他条件相同的情况下，有效喷洒距离与喷洒角成反比.

（2）对于任意槽口的喷嘴，当其他条件不变时，喷洒角θ与槽口宽高比δ成反比.

（3）对相同尺寸的喷嘴，U型槽口的喷洒角大于V型槽口的喷洒角，双槽型喷嘴喷洒均匀性好于单槽型喷嘴.

（4）在一定范围内，均匀增大导流面面积可改善单喷嘴的喷洒均匀性，球形端面且内外球同心的喷嘴导流面宽度一致，其喷洒均匀性更好.

（5）对喷嘴收缩段与槽口重合处的接合面进行圆整，避免突发性变截面在喷头中出现，能有效降低流体喷洒中的能量损失，改善单喷嘴的喷洒均匀性.

［1］焦生杰，顾海荣.沥青洒布车及其控制技术现状［J］.筑路机械与施工机械化，2007，24（1）：1－4.

JIAO Shengjie，GU Hairong.Status of asphalt distributor and control technology［J］.Road Machinery ＆ Construction Mechanization，2007，24（1）：1－4.

［2］康敬东.沥青洒布车多重叠洒布的参数分析［J］.建筑机械，2005（2）：83－87.

KANG Jindong.The parameters analysis of asphalt distributor multiple overlapping spreaders［J］.Construction Machinery，2005（2）：83－87.

［3］张晓东，郝鹏飞，董志国，等.扁平扇形喷嘴的设计研究［J］.机械设计与研究，2008，24（5）：63－65.

ZHANG Xiaodong，HAO Pengfei，DONG Zhiguo，et al.Design research of flat fan nozzle［J］.Machine Design and Research，2008，24（5）：63－65.

［4］张晓东，董志国，郝鹏飞，等.扁平扇形喷嘴设计及实验研究［J］.机械设计与研究，2008，24（1）：89－92.

ZHANG Xiaodong，DONG Zhiguo，HAO Pengfei，et al.Design of flat fan nozzle and experimental study［J］.Machine Design and Research，2008，24（1）：89－92.

［5］张存公，黄铜生，张新强.喷嘴沥青洒布成形形态对喷洒质量的影响［J］.养护机械与施工技术，2010（2）：54－56.

ZHANG Cungong，HUANG Tongsheng，ZHANG Xinqiang.The nozzle asphalt distributor molding form how to affect the spray quality［J］.Maintenance Machinery and Construction Technology，2010（2）：54－56.

［6］韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.

HAN Zhanzhong，WANG Jing，LAN Xiaoping.FLUENT fluid engineering simulation and application examples［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2004.

［7］李洪旗，刘鸿飞.FLUENT软件在扁平扇形喷嘴设计中的应用［J］.机电产品开发与创新，2008，21（5）：106－108.

LI Hongqi，LIU Hongfei.Use of FLUENT in the flat fan nozzle design［J］.Mechanical and Electrical Product Development and Innovation，2008，21（5）：106－108.

［8］何挺继.筑路机械手册 ［M］.北京：人民交通出版社，1998.

HE Tingji.Road construction machinery manual［M］.Beijing：People＇s Communications Press，1998.

［9］Wirtgen Group.1800－2SJSample［M］.Windhagen：Wirtgen Group，2010.

［10］LAURA J，OSMO A，PASI M，et al.Droplet size measurement：effect of three independent variables on droplet size distribution and spray angle from a pneumatic nozzle［J］.International Journal of Pharmaceutics，1995，123：247－256.