風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴漂移距離計算方法研究

賈衛(wèi)東，李　信，周慧濤，龔　辰，歐鳴雄

(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)

0　引言

霧滴飄移是指在施藥過程中，霧滴被氣流脅迫向非標(biāo)靶區(qū)域運(yùn)動的物理現(xiàn)象，是導(dǎo)致農(nóng)藥危害的主要因素之一[1]。一般來說，隨風(fēng)飄失的霧滴尺寸隨著自然風(fēng)速的增大而增大，農(nóng)藥的利用率也相應(yīng)降低。自然風(fēng)對霧滴產(chǎn)生的隨風(fēng)飄失，即噴頭噴出的細(xì)小霧滴被自然風(fēng)攜帶出靶標(biāo)區(qū)后消失或再沉降的過程，是造成環(huán)境污染的重要原因[2]。風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)施藥時形成的均勻風(fēng)幕能有效地提高霧滴沉積分布均勻度，增大霧滴的沉積和穿透能力，脅迫霧滴向作物冠層沉積，減少霧滴的飄失，可節(jié)省施藥量20%～60% ，從而提高農(nóng)藥利用率和施藥安全性，降低作業(yè)成本[3]。

茹煜[4]等在風(fēng)洞條件下進(jìn)行霧滴飄移試驗(yàn)，表明不同型號噴頭和側(cè)風(fēng)氣流速度，對霧滴飄移都有顯著影響，并提出了霧滴在側(cè)風(fēng)作用下的飄移預(yù)測模型。宋吉林[5]等的試驗(yàn)研究表明：氣流對霧滴漂移有顯著影響，小于50 μm的霧滴容易發(fā)生漂移，大于200 μm的霧滴很快就能到達(dá)目標(biāo)物。劉雪美等[6]采用三維流場的多相流計算流體力學(xué)模型對霧滴漂移展開研究，表明增大輔助氣流速度可減少霧滴飄移率，且當(dāng)噴嘴流量較小時，霧滴飄失率變小的趨勢更為明顯。張鐵[7]等結(jié)合超高地隙噴桿噴霧機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)，對漂移率與各影響因素之間的關(guān)系進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證研究，表明所建模擬模型能夠比較正確地反映風(fēng)幕系統(tǒng)各作業(yè)參數(shù)對霧滴漂移的影響。以上霧滴漂移研究主要是集中于側(cè)風(fēng)對霧滴漂移影響的研究，對于風(fēng)幕式噴桿噴霧漂移距離的預(yù)測，目前沒有相應(yīng)有效的計算方法。

本文通過對影響霧滴漂移的主要因素進(jìn)行動力學(xué)分析，獲得各因素對霧滴漂移的計算方法?；陔x散相模型的粒子跟蹤技術(shù)，分析風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度、噴霧壓力和噴霧高度對霧滴粒徑的影響，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。通過風(fēng)機(jī)生成的恒速風(fēng)模擬自然風(fēng)的側(cè)風(fēng)條件，利用風(fēng)幕式噴桿噴霧氣液兩相流系統(tǒng)試驗(yàn)平臺和自制的圓杯式霧滴承接器，對風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴漂移距離進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。

1　側(cè)風(fēng)條件下風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴漂移距離計算方法

為了便于研究，需要對模型進(jìn)行一些簡化，假設(shè)單個霧滴是慣性粒子；側(cè)風(fēng)風(fēng)速屬于低速氣流，忽略側(cè)風(fēng)對霧滴粒徑的影響。因此，霧滴在氣液兩相流運(yùn)動過程中僅考慮空氣曳力和重力的作用。

設(shè)霧滴直徑為d、霧滴質(zhì)量為m、霧滴密度為ρl、霧滴速度為vl、空氣密度為ρg、氣流速度為vg、氣體動力粘性系數(shù)為μ，根據(jù)牛頓第二定律，霧滴在穩(wěn)態(tài)氣流中的受力平衡微分方程為[8]

(1)

其中，F(xiàn)D(vg-vl)為空氣曳力，則

(2)

(3)

(4)

其中，Re為雷諾系數(shù)，CD為阻力系數(shù),d=105～170 μm，μ=1.81×10-5Pa·s，ρg=1.205kg/m3, 可獲得霧滴在氣流中運(yùn)動的雷諾數(shù)區(qū)間為69.9

CD=24Re-1+3.73Re-0.5-

(5)

在笛卡爾坐標(biāo)系下運(yùn)用局部近似解法和霧滴速度模型[9],求解霧滴的運(yùn)動速度。其中，Y方向與風(fēng)幕出風(fēng)口氣流方向相反，Z方向?yàn)閭?cè)風(fēng)風(fēng)向，vh為風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度，vs為側(cè)風(fēng)風(fēng)速，其解析式可寫成

vlx=vlx0e-λSx

(6)

vly=vh-(vh0-vly0)e-λSy-gλ(1-e-λSy)

(7)

vlz=vz-(vs0-vlz0)e-λSz

(8)

(9)

其中，vlx、vly、vlz分別為霧滴在X、Y、Z方向的瞬時運(yùn)動速度,vlx0、vly0、vlz0分別為霧滴在X、Y、Z方向的瞬時初速度，vs0、vh0分別為氣流在噴頭安裝位置處的速度(m/s)，Sx、Sy、Sz分別為霧滴在X、Y、Z方向的運(yùn)動位移(m)，λ為動量弛豫系數(shù)。

聯(lián)立式(1)～式(9)，可以求出霧滴在笛卡爾坐標(biāo)系中某點(diǎn)的運(yùn)動速度。其中，霧滴初始速度與液膜速度一致，液膜初始速度主要由噴射壓力決定。霧滴初始速度通過流經(jīng)液力噴頭流體的伯努利方程和連續(xù)性方程可求得[5]。由上述表達(dá)式可以看出：隨著沉降距離的增大，霧滴在X、Y、Z方向的瞬時運(yùn)動速度都在變??；當(dāng)速度vlz幾乎等于零或霧滴沉降到地面時，霧滴的漂移運(yùn)動基本終止，此時可計算出霧滴的漂移距離。

2　風(fēng)幕式噴桿噴霧CFD模型

2.1　幾何模型

為使仿真模擬與實(shí)際條件盡可能一致，降低出口邊界條件對流場仿真結(jié)果的影響，將三維風(fēng)幕模型的內(nèi)流場和風(fēng)幕出風(fēng)口外離地面高度1.2m內(nèi)的自由流動區(qū)加入計算區(qū)域。根據(jù)風(fēng)幕式噴桿噴霧氣液兩相流系統(tǒng)試驗(yàn)平臺的實(shí)際尺寸及其噴灑范圍，選取如圖1所示的模擬計算區(qū)域。

圖1　CFD模擬的計算區(qū)域

本文選取一個噴嘴作為分析對象，以節(jié)省計算時間。為減少計算負(fù)荷，提高計算精度，將計算區(qū)域分成兩部分，上部分采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，下部分采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計算。網(wǎng)格如圖2所示。網(wǎng)格數(shù)量總共為1 370 075。

圖2　模型的網(wǎng)格劃分

2.2　連續(xù)相離散相模型及噴嘴霧化參數(shù)設(shè)置

本文忽略霧滴對氣流的影響，將氣流作為連續(xù)相處理，霧滴作為離散相處理，連續(xù)相使用雷諾平均方程，離散相采用Lagrangian離散相模型。由于形成的風(fēng)幕來源于風(fēng)機(jī)，因此連續(xù)相的入口邊界條件設(shè)置為“intake-fan”，風(fēng)機(jī)變頻器頻率設(shè)定為0、20、40Hz，對應(yīng)靜壓分別為0、45.7、274.8Pa，出口條件設(shè)置為壓力出口(pressure outlet)。在本研究中，設(shè)置地面為：“trap”邊界條件，其他邊界設(shè)置為 “escape”邊界條件，霧滴運(yùn)動到其他區(qū)域均視為發(fā)生漂移，霧滴運(yùn)動到各壁面均不發(fā)生反彈。

由于仿真的風(fēng)幕式噴桿噴霧氣液兩相流系統(tǒng)試驗(yàn)平臺采用德國Lechler研制的標(biāo)準(zhǔn)扇形霧化噴嘴，因此離散相的噴嘴模型采用平板扇形霧化噴嘴。噴霧壓力設(shè)定為0.3、0.4、0.5MPa，對應(yīng)質(zhì)量流量為0.032 8、0.037 6、0.042 4kg/s。破碎模型選擇TAB模型, 液滴主要受拖曳力和重力的作用。模擬計算中連續(xù)相和離散相的主要參數(shù)如表1所示。

表1　連續(xù)相和離散相的主要參數(shù)

3　試驗(yàn)方法與設(shè)計

3.1　試驗(yàn)裝置

風(fēng)幕式噴桿噴霧氣液兩相流系統(tǒng)試驗(yàn)平臺示意圖，如圖3所示。

該試驗(yàn)裝置主要由3部分組成：風(fēng)幕運(yùn)行控制系統(tǒng)、噴桿運(yùn)動控制系統(tǒng)及噴霧運(yùn)行控制系統(tǒng)。風(fēng)幕運(yùn)行控制系統(tǒng)包括風(fēng)幕氣囊、變頻器和軸流風(fēng)機(jī)，通過變頻器控制軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)幕氣流速度，軸流風(fēng)機(jī)和風(fēng)幕氣囊均固定于機(jī)架上且緊密相連。噴桿運(yùn)動控制系統(tǒng)由滾珠絲桿、噴桿及U型卡環(huán)組成，噴桿利用U型管卡固定在風(fēng)幕氣囊下的支撐架上，通過調(diào)節(jié)滾珠絲桿實(shí)現(xiàn)噴桿的上下和前后運(yùn)動。噴霧運(yùn)行控制系統(tǒng)包括隔膜泵、噴桿、噴頭、開關(guān)閥、藥箱、壓力表和流量計，通過隔膜泵實(shí)現(xiàn)噴霧壓力的調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

1.開關(guān)閥　2.隔膜泵　3.流量計　4.壓力表　5.藥箱　6.變頻器7.噴桿　8.軸流風(fēng)機(jī)　9.噴頭　10.風(fēng)幕氣囊　11.風(fēng)速儀

主要裝置項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)Altivar 21H 異步電機(jī)變頻器變頻范圍/Hz0～50SF-3.5型軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量/m3·h-16500轉(zhuǎn)速/r·min-12900DP-130型隔膜泵(15W)額定壓力/MPa1流量/L·min-11.7藥箱容積/L60BS210S電子天平質(zhì)量/mg0.1LWGY-N型渦輪流量計測量范圍/m3·h-10～0.25Y-100型壓力表測量范圍/MPa0～0.6LECHLER ST110-01標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭噴霧角/(°)110°KA31型熱線風(fēng)速儀測量范圍/m·s-10～50

3.2　試驗(yàn)設(shè)計

3.2.1霧滴粒徑譜測量

如圖4所示：采用Winner318B型測量儀，在對應(yīng)仿真計算工況下對風(fēng)幕式噴桿噴霧流場中霧滴粒徑進(jìn)行測試，每種工況測試3次取平均值，并與仿真值進(jìn)行對比。測試介質(zhì)為清水，試驗(yàn)時無自然風(fēng)，環(huán)境溫度為(25±1)℃，相對濕度為64%。

3.2.2霧滴漂移距離試驗(yàn)

如圖5所示：自制的圓杯式霧滴承接器水平布置，圓杯數(shù)量為10×10,圓杯直徑28mm,每2個圓杯間距為110mm；噴頭位置在水平面的投影位于霧滴承接器中心線上，霧滴承接器距離噴頭的水平距離根據(jù)不同工況來做出相應(yīng)地調(diào)整，每次噴180s；用風(fēng)機(jī)模擬自然風(fēng)，用BS210S電子天平依次稱取每個圓杯內(nèi)水的質(zhì)量，并記錄數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，計算單位面積上的噴霧量。參照GB/T24681―2009《植物保護(hù)機(jī)械 霧滴漂移的田間測量方法》，凡噴霧量等于0.04mL/(min·cm2)的最遠(yuǎn)邊界到噴嘴的水平距離即為水平射程。

圖4　風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴粒徑測試試驗(yàn)裝置

圖5　霧滴漂移距離試驗(yàn)現(xiàn)場

4　結(jié)果與分析

4.1　霧滴粒徑分析

4.1.1霧滴粒徑仿真結(jié)果分析

圖6為靜壓45.7Pa，噴霧壓力0.3MPa工況下，2 s時刻的霧滴粒徑分布圖，粒徑范圍為52～246 μm。選取距離噴頭高度為300、500、700mm的3個水平面，分別計算3個水平面上散點(diǎn)的體積中徑，其體積中徑分別為135.3、150.5、159.4μm。

4.1.2風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度對霧滴粒徑的影響

采用KA31型熱線風(fēng)速儀測量風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度，風(fēng)機(jī)變頻器頻率為0、20、40Hz時，對應(yīng)風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度分別為0、6.3、12.3m/s。圖7是噴霧壓力0.5MPa時霧滴粒徑變化趨勢圖。由圖7可知：霧滴粒徑隨著風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度的增加而減??；當(dāng)氣流速度在0～6.3m/s時，霧滴粒徑隨著氣流速度的增大，其下降趨勢緩慢；當(dāng)氣流速度在6.3～12.3m/s時，霧滴粒徑隨著氣流速度的增大，其下降趨勢顯著。由此說明，在一定速度范圍內(nèi)，風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度是影響霧滴粒徑的重要因素。

1.噴頭　2.液膜形成區(qū)　3.地面

圖7　風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度對霧滴粒徑的影響

4.1.3噴霧壓力對霧滴粒徑的影響

圖8是噴霧高度700mm時霧滴粒徑變化趨勢圖。由圖8可知：在相同風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度條件下，霧滴粒徑隨著噴霧壓力的增大而減小；噴霧壓力在0.3～0.4MPa之間時，霧滴粒徑變化值較??；在0.4～0.5MPa時，霧滴粒徑變化值較大。

4.1.4噴霧高度對霧滴粒徑的影響

圖9是風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度為12.3m/s時霧滴粒徑變化趨勢圖。由圖9可知：在相同噴霧壓力條件下，霧滴粒徑隨著噴霧高度的增加而增大；當(dāng)噴霧高度在300～500mm之間時，霧滴粒徑增長趨勢比較明顯；當(dāng)噴霧高度在500～700mm之間時，霧滴粒徑增長趨勢比較緩慢。

圖8　噴霧壓力對霧滴粒徑的影響

圖9　噴霧高度對霧滴粒徑的影響

通過對比霧滴平均體積中徑的仿真值與試驗(yàn)值，最大誤差為4.8%，可認(rèn)為仿真值與試驗(yàn)值基本吻合，證明了CFD模型的正確性，也說明霧滴漂移計算模型僅考慮空氣曳力和重力的作用是可行的。

從霧滴粒徑結(jié)果中選擇噴霧高度700mm的霧滴粒徑，作為霧滴漂移距離計算方法的相關(guān)參數(shù)和霧滴飄移試驗(yàn)的作業(yè)參數(shù)。選擇側(cè)風(fēng)風(fēng)速為0、2、4m/s(無風(fēng)、2級風(fēng)和4級風(fēng))的3種側(cè)風(fēng)條件，比較霧滴漂移距離的計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果。

4.2　霧滴漂移距離結(jié)果分析

4.2.1側(cè)風(fēng)風(fēng)速對霧滴漂移距離的影響

圖10是噴霧壓力為0.5 MPa時霧滴漂移距離變化趨勢圖。由圖10可知：霧滴漂移距離隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增大而增大；當(dāng)側(cè)風(fēng)為0時，霧滴漂移距離為65～170 mm,這是霧滴在運(yùn)動過程中受到空氣阻力作用的結(jié)果，說明霧化過程中的霧滴擴(kuò)散會導(dǎo)致漂移現(xiàn)象，側(cè)風(fēng)不是影響漂移的唯一因素；當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速增大至2 m/s時，無風(fēng)幕情況下霧滴漂移距離增至3 710～4 140mm，平均增大了33.4倍，說明側(cè)風(fēng)是影響霧滴漂移的重要因素。

圖10　側(cè)風(fēng)風(fēng)速對霧滴漂移距離的影響

4.2.2風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度對霧滴漂移距離的影響

圖11是側(cè)風(fēng)風(fēng)速為4 m/s時霧滴漂移距離變化趨勢圖。

圖11　風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度對霧滴漂移距離的影響

由圖11可知：在側(cè)風(fēng)風(fēng)速相同的條件下，霧滴漂移距離隨著風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度的增大而減小；當(dāng)風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度為0時，霧滴漂移距離為90～8 970mm,這是由于霧滴易受到側(cè)風(fēng)的影響造成飄失；當(dāng)風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度增大至6.3m/s時，霧滴漂移距離減小至75～1 110mm；當(dāng)風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度增大至12.3m/s時，霧滴漂移距離下降了21倍，說明風(fēng)幕能有效地抑制霧滴漂移現(xiàn)象，這是由于風(fēng)幕形成的高速氣流脅迫霧滴向下沉降，能有效地縮短霧滴沉降的時間。

4.2.3噴霧壓力對霧滴漂移距離的影響

圖12是風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度為12.3m/s時霧滴漂移距離的變化趨勢圖。由圖12可知：在側(cè)風(fēng)風(fēng)速相同的條件下，隨著噴霧壓力的增加，霧滴漂移距離逐步增大，這是由于霧滴粒徑隨著噴霧壓力的增大而減小，小霧滴沉降時間較長，更易受到側(cè)風(fēng)的影響。

圖12　噴霧壓力對霧滴漂移距離的影響

對計算數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析，如圖13所示。由圖13可知：二者可以擬合成一條斜率接近于1、經(jīng)過原點(diǎn)的一條直線，擬合相關(guān)系數(shù)R=0.96，說明運(yùn)用霧滴受力模型來分析霧滴的漂移是可行的。

圖13　霧滴漂移距離計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的擬合

5　結(jié)論

1)基于Miller P H霧滴速度模型，在笛卡爾坐標(biāo)系中對單個霧滴顆粒進(jìn)行受力分析，獲得風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴漂移距離的計算方法。

2)無風(fēng)幕和側(cè)風(fēng)時，霧化過程中的霧滴擴(kuò)散會導(dǎo)致漂移現(xiàn)象。當(dāng)無風(fēng)幕和側(cè)風(fēng)時，霧滴漂移距離為65～170mm；當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速增大至4m/s時，無風(fēng)幕情況下霧滴漂移距離平均增大了52.4倍；當(dāng)風(fēng)幕出風(fēng)口氣流速度增大至12.3m/s時，霧滴漂移距離降低至340～390mm。由此說明：風(fēng)幕能有效地抑制霧滴漂移現(xiàn)象，在4級風(fēng)以下(含4級風(fēng))，風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)也能正常作業(yè)。