分行冠內(nèi)冠上組合風(fēng)送式噴桿噴霧機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化

宋俊偉，馮 業(yè)，吳 姝，魏新華

(1.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.海信科龍空調(diào)公司開(kāi)發(fā)中心，廣東 佛山 528000)

0 引言

在普通噴桿噴霧機(jī)的施藥方式下，大部分霧滴被作物上部冠層所截留，這種施藥方式無(wú)法穿透作物冠層，施藥效果不佳[1-4]。為提高矮化密植棉花冠層內(nèi)部的機(jī)械化施藥效果，本課題組前期將分行冠內(nèi)施藥與風(fēng)送式施藥技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)棉花分行冠內(nèi)冠上組合風(fēng)送式噴桿噴霧機(jī)[5]，并在滿(mǎn)足風(fēng)送系統(tǒng)末速度要求的風(fēng)速下進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)測(cè)試和大田試驗(yàn)驗(yàn)證。棉花分行冠內(nèi)冠上組合風(fēng)送式噴桿噴霧機(jī)是基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，而風(fēng)筒入口風(fēng)速作為噴霧機(jī)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)噴霧效果影響很大，故對(duì)風(fēng)筒工作參數(shù)優(yōu)化有待于作進(jìn)一步研究[6-11]。

Endalew等[12]利用CFD仿真技術(shù)建立了風(fēng)送式噴霧機(jī)的仿真模型，對(duì)噴霧氣流速度的高低分布進(jìn)行了研究。Tsay J R等[13]利用CFD仿真技術(shù)對(duì)果園風(fēng)助式噴霧機(jī)的霧滴穿透及噴霧性能進(jìn)行了研究。崔志華等[14]在原有噴霧機(jī)的出風(fēng)口設(shè)計(jì)安裝一個(gè)錐形導(dǎo)風(fēng)筒和一個(gè)同軸柱形導(dǎo)風(fēng)筒，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)不同的導(dǎo)風(fēng)筒進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其運(yùn)動(dòng)軌跡和出風(fēng)口處的氣流速度分布。劉雪美等[15]在原有風(fēng)筒上增加導(dǎo)流板裝置，減小出口尺寸和出口間距，試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的風(fēng)筒能實(shí)現(xiàn)高效和風(fēng)速變異小的風(fēng)幕。宋淑然等[16]利用仿真方法，研究了風(fēng)筒內(nèi)導(dǎo)流片數(shù)目對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明導(dǎo)流片數(shù)目一般以4～5為宜。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，CFD仿真技術(shù)對(duì)噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)的優(yōu)化研究是可行的，目前關(guān)于風(fēng)送式噴桿噴霧機(jī)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究很多，但對(duì)于工作參數(shù)優(yōu)化的研究較少。

本文針對(duì)課題組現(xiàn)有的棉花分行冠內(nèi)冠上組合風(fēng)送式噴霧機(jī)，考慮風(fēng)筒與風(fēng)筒之間氣流的相互影響作用，只需研究3個(gè)風(fēng)筒中間1個(gè)的外部氣流場(chǎng)分布，即可反應(yīng)出風(fēng)筒之間相互影響關(guān)系。利用CFD仿真技術(shù)對(duì)不同工作參數(shù)下3個(gè)風(fēng)筒組合的外流場(chǎng)進(jìn)行仿真優(yōu)化分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并在大田試驗(yàn)中對(duì)霧滴沉積性進(jìn)行研究。

1 不同參數(shù)條件下風(fēng)筒計(jì)算模型仿真模擬

1.1 CFD計(jì)算理論

通常流體流動(dòng)的守恒定律包括質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒，對(duì)于一般不考慮能量傳遞的氣流運(yùn)動(dòng)可以用如下質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程來(lái)描述：

質(zhì)量守恒方程為

(1)

動(dòng)量守恒方程為

(2)

其中，t為時(shí)間；ff為體積力矢量；ρt為流體密度；v為流體速度矢量；τf為剪切力張量，表示為

τf=(-p+μ·v)I+2μe

(3)

其中，p為流體壓力；μ為動(dòng)力粘度；e為速度應(yīng)力張量，e=1/2(v+vT) 。

1.2 風(fēng)筒結(jié)構(gòu)

棉花分行冠內(nèi)冠上組合風(fēng)送式噴桿噴霧機(jī)樣機(jī)如圖1所示。風(fēng)筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。風(fēng)筒由柱形段和錐形段組成，進(jìn)風(fēng)口柱形段與出風(fēng)口柱形段之間的夾角為160°，錐形段部分分成對(duì)稱(chēng)的兩側(cè)出風(fēng)口部分。在風(fēng)筒內(nèi)部，進(jìn)風(fēng)口柱形段部分與出風(fēng)口柱形段部分內(nèi)置兩個(gè)夾角為160°橫向?qū)Я靼?，錐形段出風(fēng)口部分均勻分布3片導(dǎo)流片，導(dǎo)流片之間的角度為60°[5]。

圖1 棉花分行冠內(nèi)冠上組合風(fēng)送式噴桿噴霧機(jī)樣機(jī)

圖2 風(fēng)筒結(jié)構(gòu)

1.3 3個(gè)風(fēng)筒仿真模型

矮化密植棉花行距為0.76m，所以?xún)蓛娠L(fēng)筒之間的距離為0.76m。在風(fēng)筒外部流場(chǎng)分析之前，首先要建立風(fēng)筒的仿真模型，本文通過(guò)軟件ANSYS，建立3個(gè)風(fēng)筒的仿真模型，在3個(gè)風(fēng)筒外部增加相應(yīng)的外流場(chǎng)，最終仿真模型如圖3所示。

圖3 3個(gè)風(fēng)筒仿真模型

1.4 網(wǎng)格劃分

本文采用ICEM對(duì)3個(gè)風(fēng)筒及外流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于風(fēng)筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、外流場(chǎng)部分相對(duì)規(guī)則、尺寸跨度大，為了節(jié)省計(jì)算成本和計(jì)算速度，故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格將風(fēng)筒各個(gè)部分設(shè)置不同的局部尺寸，在風(fēng)筒的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口處采用網(wǎng)格加密，且在內(nèi)外流場(chǎng)交界處進(jìn)行局部網(wǎng)格處理。最終網(wǎng)格化后的模型如圖4所示，三維結(jié)構(gòu)共劃分網(wǎng)格數(shù)為2 332 447，節(jié)點(diǎn)數(shù)為433 997。

圖4 仿真模型網(wǎng)格化

1.5 數(shù)值計(jì)算

風(fēng)筒氣流場(chǎng)仿真計(jì)算模型為Realizable k-e湍流模型，入口采用速度入口邊界條件，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為104mm；出口為壓力出口邊界條件，出口壓力為大氣壓，回流湍流強(qiáng)度為5%，回流水力直徑為667mm；壁面條件為默認(rèn)的WALL壁面函數(shù)，內(nèi)部交換面設(shè)為INTERIOR；選空氣作為材料，材料密度設(shè)為1.225kg/m3,動(dòng)力粘度設(shè)為1.789 4×10-5Pa·S。采用分離式求解器，壓力速度耦合方式選用SIMPLE算法，采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行求解。當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完畢后，設(shè)置迭代步數(shù)10 000進(jìn)行計(jì)算，在迭代計(jì)算2 006步后，各項(xiàng)殘差值均低于10-4，認(rèn)為計(jì)算收斂。

根據(jù)課題組前期研究,風(fēng)筒出風(fēng)口的風(fēng)速v≥15.4m/s[5]，故本文通過(guò)不同工作參數(shù)對(duì)3個(gè)風(fēng)筒的氣流場(chǎng)進(jìn)行仿真，風(fēng)筒入口速度分別為22、21、20、19、18、17、16m/s。圖5為距離出風(fēng)口0.5m各個(gè)速度下風(fēng)筒氣流場(chǎng)仿真速度云圖。

(a) v=16m/s

(b) v=17m/s

(c) v=18m/s

(d) v=19m/s

(e) v=20m/s

(f) v=21m/s

(g) v=22m/s

2 各個(gè)不同仿真結(jié)果分析

分析距離出風(fēng)口0.5m平面的速度分布云圖，從圖5中發(fā)現(xiàn)：隨著入口風(fēng)速的增加,距離出風(fēng)口0.5m平面處速度隨之增加;入口速度為16～19m/s時(shí)，速度云圖顯示V字型出風(fēng)口風(fēng)速集中部位風(fēng)速達(dá)到了4m/s以上，而對(duì)應(yīng)于棉花行冠層區(qū)域(橫坐標(biāo)14 ～62cm 范圍)的氣流場(chǎng)比較均勻但風(fēng)速在2m/s附近；在入口風(fēng)速v=20m/s，速度云圖表明對(duì)應(yīng)于棉花冠層中下部區(qū)域氣流場(chǎng)風(fēng)速達(dá)到2～5.5m/s且風(fēng)速分布比較均勻；入口速度為v=21m/s和v=22m/s時(shí)，棉花冠層區(qū)域氣流場(chǎng)風(fēng)速達(dá)到3.5～6.5m/s，風(fēng)速過(guò)大增加了風(fēng)機(jī)能耗。

為提高氣流擾動(dòng)效果，確保氣流和霧滴能夠穿透冠層內(nèi)部，風(fēng)送系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需滿(mǎn)足末速度原則，即氣流達(dá)到作物冠層時(shí)，必須仍具有一定的速度，即末速度。根據(jù)作物冠層特性，末速度一般取為2～4m/s，當(dāng)冠層中下部風(fēng)速過(guò)大則會(huì)吹開(kāi)作物冠層，霧滴散落在土壤上，這種情況下并未對(duì)冠層霧滴沉積率有所改善，反而農(nóng)藥殘留在土壤上，對(duì)土壤的生態(tài)環(huán)境造成一定的影響，且增加了風(fēng)機(jī)風(fēng)量和能耗。因此，確定風(fēng)機(jī)入口風(fēng)速v=20m/s時(shí)為最佳的風(fēng)筒入口風(fēng)速，選取距離出風(fēng)口0.5m平面上，距離地面0.5m的中下部區(qū)域風(fēng)速均勻性進(jìn)一步研究，速度分布如圖6所示。由圖6可知：對(duì)應(yīng)于棉花行間間隙處(0cm和76cm附近)的氣流場(chǎng)風(fēng)速較小，由于棉花的類(lèi)樹(shù)形結(jié)構(gòu)，其上部冠層寬度較小、0.2m離地高度附近風(fēng)速很小，不但不會(huì)影響病蟲(chóng)害防治效果，反而有利于減少風(fēng)機(jī)風(fēng)量和能耗。而對(duì)應(yīng)于棉花行冠層區(qū)域的氣流場(chǎng)風(fēng)速較大而且比較均勻，中下部冠層對(duì)應(yīng)區(qū)域的風(fēng)速在2.5～5m/s之間，在兩風(fēng)筒之間出現(xiàn)低谷恰好對(duì)應(yīng)于棉花作物最中間莖稈部分，風(fēng)速較小并不影響霧滴附著和沉積。

圖6 速度折線(xiàn)圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 驗(yàn)證裝置

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果，并定量地對(duì)風(fēng)筒外流場(chǎng)的相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行速度測(cè)試，通過(guò)自制試驗(yàn)臺(tái)對(duì)風(fēng)筒氣流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，本試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)中風(fēng)筒的安裝距離，如圖7所示。本試驗(yàn)裝置可上下安裝兩排風(fēng)筒，基于本文的研究側(cè)重點(diǎn)，只應(yīng)用了本試驗(yàn)裝置中的一排3個(gè)風(fēng)筒對(duì)兩兩風(fēng)筒之間的交匯區(qū)域進(jìn)行氣流場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試。

3.2 風(fēng)場(chǎng)測(cè)試方法

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，在風(fēng)筒入口風(fēng)速為20m/s時(shí)，對(duì)兩兩風(fēng)筒之間的區(qū)域進(jìn)行速度分布測(cè)試。測(cè)試區(qū)域橫向?qū)挾热轱L(fēng)筒間距0.76m，距離出風(fēng)口0.5m的垂直面。橫向上間隔0.05m設(shè)置1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，共15個(gè)測(cè)試點(diǎn)，風(fēng)筒出風(fēng)口下段距離地面為0.3m、出風(fēng)口高度0.2m，因?yàn)槊藁ㄖ邢虏抗趯訉?duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)?.3～0.6m，故選取距離地面0.5m的一層測(cè)點(diǎn)。

(a) 試驗(yàn)裝置

(b) 風(fēng)筒安裝距離

風(fēng)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行盡量避免自然風(fēng)的影響。試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)機(jī)連接變頻器，通過(guò)改變頻率，使風(fēng)筒進(jìn)口風(fēng)度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的氣流速度，約為20 m/s。本試驗(yàn)采用VT100型熱線(xiàn)風(fēng)速儀(法國(guó)KIMO儀器公司)進(jìn)行風(fēng)速測(cè)試，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量6次取均值。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

氣流場(chǎng)風(fēng)速的測(cè)量結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：在距離出風(fēng)口0.5m處的橫向垂直面上，對(duì)應(yīng)于棉花行間間隙處的氣流場(chǎng)風(fēng)速在2m/s附近，不至于風(fēng)速過(guò)小對(duì)行間的較稀疏枝葉效果不佳；而對(duì)應(yīng)于棉花行冠層區(qū)域的氣流場(chǎng)風(fēng)速較大而且比較均勻，中下部冠層對(duì)應(yīng)區(qū)域的風(fēng)速在2.5～5.5m/s之間，滿(mǎn)足了風(fēng)送系統(tǒng)的末速度要求，且不至于過(guò)大對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量要求太大。

如圖9所示：由于試驗(yàn)環(huán)境因素等影響，在誤差圖上存在少數(shù)點(diǎn)誤差較大，大部分采樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與仿真值的絕對(duì)誤差均在±0.5范圍內(nèi)，在此試驗(yàn)的驗(yàn)證下，表明仿真結(jié)果的正確性。

圖8 風(fēng)速測(cè)試效果

圖9 誤差圖

4 霧滴沉積特性試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)方法

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該最優(yōu)組合下霧滴沉積的效果，在田間進(jìn)行噴霧機(jī)實(shí)際作業(yè)，在兩兩風(fēng)筒之間的區(qū)域選擇不同的測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)為中部冠層區(qū)域葉片。分別在作物中部冠層葉片的正面和反面布置相應(yīng)的水敏紙，使噴霧機(jī)按照一定的作業(yè)速度進(jìn)行施藥；完成施藥后，等待水敏紙晾干，從作物冠層上取下并放入密封袋，回到實(shí)驗(yàn)室對(duì)每張水敏紙進(jìn)行掃描并進(jìn)行相關(guān)的圖像處理，計(jì)算霧滴的有效沉積率。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用MatLab軟件對(duì)掃描完成的水敏紙圖像進(jìn)行處理，將灰度圖像轉(zhuǎn)化成二值化圖像，根據(jù)二值化圖像的像素點(diǎn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算每個(gè)測(cè)試點(diǎn)葉片的霧滴沉積率。水敏紙圖像的處理過(guò)程如圖10所示，冠層中部正面、冠層中部反面的平均霧滴沉積率結(jié)果如表1所示。

由表1可知：作物冠層中部的葉片正面霧滴沉積率達(dá)到了79.88%，葉片反面霧滴沉積率達(dá)到了60.67%，冠層霧滴沉積分布均勻性較好。

(1) 原圖 (2) 灰度圖 (3) 二值化圖

(1) 原圖 (2) 灰度圖 (3) 二值化圖

冠層位置葉片面冠層中部正面反面沉積率82.8760.67

5 結(jié)論

1)通過(guò)CFD技術(shù)在不同風(fēng)速下對(duì)噴桿噴霧機(jī)風(fēng)筒的外部氣流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化確定風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為20m/s時(shí)，棉花行冠層區(qū)域氣流場(chǎng)風(fēng)速較大、橫向分布均勻、氣流穿透能力較強(qiáng)，完全滿(mǎn)足風(fēng)送系統(tǒng)末速度要求；中、下部冠層區(qū)域的氣流速度衰減緩慢，有利于霧滴在棉花冠層內(nèi)部的擴(kuò)散。

2)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)比實(shí)測(cè)值與仿真值，驗(yàn)證了風(fēng)筒仿真模型的有效性。同時(shí)，通過(guò)大田試驗(yàn)利用水敏紙對(duì)實(shí)際霧滴沉積率進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)水敏紙圖像進(jìn)行后處理，確定作物冠層中部的葉片正面霧滴沉積率為82.87%，作物冠層中部的反面霧滴沉積率為50.67%，優(yōu)化前相比正面霧滴沉積率提高了17.57%，反面霧滴沉積率提高了10.84%。

3)通過(guò)本文對(duì)風(fēng)送式噴桿式噴霧機(jī)風(fēng)筒入口風(fēng)速的優(yōu)化分析，對(duì)風(fēng)送式噴桿式噴霧機(jī)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的確定提供了參數(shù)指標(biāo)，對(duì)風(fēng)機(jī)的選型具有一定的指導(dǎo)意義。

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