苗木噴霧機風送系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及氣流場試驗

王杰，茹煜，周宏平，王水金，倪佳勝，張超

（南京林業(yè)大學機械電子工程學院，南京 210037）

風送噴霧技術(shù)依靠各種形式的風送系統(tǒng)產(chǎn)生強勁氣流，能夠遠距離輸送霧滴，增加霧滴在冠層的穿透性和沉積量，減少霧滴飄移，實現(xiàn)低量噴霧［1-3］。噴霧機的風送系統(tǒng)不斷向節(jié)能、環(huán)保和高效的方向發(fā)展，從半圓形氣流覆蓋整個作業(yè)區(qū)域發(fā)展到如今的對靶仿形噴霧，從單一不變的風速和施藥量發(fā)展到現(xiàn)在可變量調(diào)節(jié)風速和控制流量，目的是減少農(nóng)藥污染，提高噴霧效率［4-7］。由于風送系統(tǒng)氣流場用傳統(tǒng)試驗方法研究比較困難，存在測量環(huán)境復雜、測量結(jié)果不準確等問題，國內(nèi)外學者大多采用CFD（computational fluid dynamics）數(shù)值模擬的方法對氣流場展開研究［8］。Sidahmed 等［9］將數(shù)值模擬應用于風送噴霧機噴嘴外部半圓形氣流場研究，發(fā)現(xiàn)在非對稱速度流場的預測比實驗數(shù)據(jù)要更準確。Endalew 等［10-12］模擬風送噴霧機對梨樹三維模型噴霧的氣流場，發(fā)現(xiàn)隨著側(cè)風風速、噴霧距離和風向與噴嘴之間角度的增大，到達靶標的最大風速會減小。Salcedo 等［13］在對風送噴霧機外部氣流場進行二維數(shù)值模擬中采用3 種不同的湍流模型：k?ε模型、剪切應力SSTk?ω模型、雷諾應力RSM 模型，對比發(fā)現(xiàn)SSTk?ω模型預測結(jié)果最接近實驗情況。Duga 等［14］和Dekeyser 等［15］對風送噴霧機外部氣流場采用模擬分析，得出外部氣流場是影響霧滴分布和霧滴飄移的決定因素。傅澤田等［16］利用CFD 模擬對風送噴霧機氣流場進行分析，獲得氣流速度場的分布特性，并試驗驗證了模擬結(jié)果的準確性。周良富等［17］采用試驗與模擬的方法，得出圓盤霧化器最佳工作轉(zhuǎn)速和不同轉(zhuǎn)速下圓盤霧化器的氣流速度場。王景旭等［18］用離散相粒子跟蹤法模擬流場中的霧滴運動軌跡，得出氣流速度與霧滴粒徑是霧滴沉積的關(guān)鍵因素。徐立章等［19］、童水光等［20］改進了多出風口多風道的離心風機結(jié)構(gòu)，通過對內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，提高了風道內(nèi)氣流速度和分布均勻性。丁天航等［21］采用模擬和試驗的方法對單雙風道果園噴霧機氣流場對比研究，得到雙風道氣流場在兩側(cè)對稱性和對中性上較單風道有明顯的優(yōu)勢。

目前我國苗木多采用低矮密植型種植模式［22］，苗木行距均在3～4 m，株距2～3 m，樹高3 m左右。苗木噴霧機通過多出口裝置將傳統(tǒng)風送噴霧機單一的大出風口分成多個小出風口輸送霧滴，對苗木多形態(tài)特征能靈活調(diào)整風管支架結(jié)構(gòu)、風管長度和出口位置，多樣的工作模式能解決噴霧距離短、藥液利用率低等問題。但是，對于矮化密植型果園，由于苗木冠層疏密、大小各異，噴霧機可通過的地形比較狹窄，在實際作業(yè)中存在氣流風速低導致霧滴穿透性不足，而大型噴霧機又無法入場作業(yè)的問題。目前國內(nèi)多風管苗木噴霧機還存在風送距離短、機型體積與載重量大的缺點，難以解決以上問題。為了保證底盤承載能力和果園通過性要求，噴霧機整機輕量化和風送系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計迫在眉睫，要求在提高出口風速和風速均勻性，減少風送系統(tǒng)風量和風壓損失的同時，不增大噴霧機體積和載重量。目前苗木噴霧機多出口裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究還未見報道，筆者采用數(shù)值仿真和試驗的方法，研究不同多出口裝置結(jié)構(gòu)的風送系統(tǒng)內(nèi)部氣流場分布，獲得有利于氣流傳輸?shù)亩喑隹谘b置結(jié)構(gòu)特征，并對風送系統(tǒng)外流場和霧滴沉積分布進行試驗研究，以期為苗木噴霧機風送系統(tǒng)性能優(yōu)化提供參考。

1 風送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究苗木噴霧機試驗樣機改裝自南通廣益機電的3WG?8B 履帶自走式果園噴霧機（圖1），整機尺寸為1 910 mm×900 mm×1 380 mm，底盤寬度為900 mm，主要應用于低矮密植型果園的噴霧作業(yè)。風送系統(tǒng)主要由離心風機、多出口裝置和風管構(gòu)成，氣流由離心風機產(chǎn)生，經(jīng)多出口裝置分配至各風管流出。每個風管固定在風管支架上，風管長度可伸縮調(diào)節(jié)，有利于提高噴霧射程，風管支架可實現(xiàn)水平和垂直方向調(diào)節(jié)，能根據(jù)苗木冠層形狀調(diào)節(jié)每個風管出口的位置，提高噴霧方向的精確度。由于風管出口面積更小，相同風量下的風管出口風速更高，噴霧穿透性更好［23-24］。

圖1 苗木噴霧機Fig.1 Seedling sprayer

離心風機在氣流射程達到5 m 的要求下，風機在3 000 r/min 時的風量Q＝7 000 m3/h，全壓P＝1 400 Pa，長寬高尺寸為670 mm×260 mm×580 mm。

為了減少氣流損失，多出口裝置的出口位置與入射氣流方向的偏轉(zhuǎn)角要小，內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)沿氣流方向的容積應光滑有弧度地逐漸減小，流道內(nèi)部避免存在較大的折角、彎角，各出口管道應布置緊湊，減少氣流流道阻擋產(chǎn)生的回流損失。根據(jù)出口裝置這些結(jié)構(gòu)特點，研制了結(jié)構(gòu)可行的3 種多出口裝置（圖2），按出口排列方式及數(shù)量分為多排八出口、多排六出口和雙排八出口3 種樣式。多出口裝置的圓形出口與風管配合，直徑為100 mm，風管是可伸縮彎曲的褶皺管，多出口裝置入口與風機矩形出口相配合。

圖2 多出口裝置Fig.2 Multi?outlet devices

2 多出口裝置特性模擬及分析

2.1 模型的建立

雖然氣流射程受風管出口風速直接影響，但是在各出口風管長度相同時，風管的影響可以不考慮，因此，為了方便分析多出口裝置結(jié)構(gòu)對氣流場的影響，忽略風送系統(tǒng)風管部分。風送系統(tǒng)模型共劃分進口集流器、葉輪、蝸殼、出口裝置4 個流動區(qū)域，網(wǎng)格劃分采用混合四面體網(wǎng)格，離心風機葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域最大網(wǎng)格間距為8 mm，集流器和蝸殼區(qū)域最大網(wǎng)格間距為10 mm，多出口裝置和風管區(qū)域最大網(wǎng)格間距為16 mm，網(wǎng)格總數(shù)為9 962 475。3 種風送系統(tǒng)簡化模型如圖3 所示，Z＝0、Z＝55 mm、Z＝-55 mm 截面是3 種風送系統(tǒng)的圓形出口中心截面。

圖3 3 種風送系統(tǒng)簡化模型Fig.3 Simplified model of three kinds of pneumatic system

2.2 求解方法及邊界條件設(shè)定

根據(jù)苗木噴霧機的工作環(huán)境，假設(shè)風送系統(tǒng)內(nèi)空氣為不可壓縮的牛頓流體［25］。對于離心風機的數(shù)值模擬，標準k?ε湍流模型應用最為廣泛。采用標準壁面函數(shù)和穩(wěn)態(tài)求解器進行求解，模擬結(jié)果的精度滿足工程應用要求［26-27］。應用SIMPLE 算法對風機內(nèi)部氣流速度和壓力進行耦合計算，動量、湍流動能、湍流耗散率的離散格式設(shè)置為二階迎風格式。在不影響結(jié)果精度的要求下，考慮計算機硬件性能和時間的局限，設(shè)置收斂殘差為0.001。

風機進口集流器、蝸殼、出口裝置表面為靜止壁面，葉輪及葉片部分設(shè)置為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，對風機轉(zhuǎn)速在2 000，2 500，3 000 r/min 時進行模擬。風送系統(tǒng)入口和出口與外界大氣壓相通，工作壓力設(shè)置為1 個標準大氣壓，入口邊界采用壓力入口條件并給定壓力0 Pa，出口邊界采用壓力出口并給定壓力0 Pa。葉輪及葉片區(qū)域流體流動的描述采用多重參考模型（multiple reference frame，MRF）［28-29］。

2.3 多出口裝置氣流場模擬結(jié)果與分析

2.3.1 多出口裝置型式對速度場的影響

圖4 3 種多出口裝置速度分布圖Fig.4 Velocity distribution nephogram of three kinds of multi?outlet devices

風管圓形出口中心處的氣流對風送噴霧起主要作用，風管邊緣附近氣流因為易發(fā)生擴散而風速衰減較快，因而圓形出口中心風速能反映風管主氣流的風送能力?，F(xiàn)場試驗的出口風速測量點在多出口裝置圓形出口中心處，根據(jù)試驗測點的位置，拾取對應圓形出口中心處的風速模擬結(jié)果。在3 000 r/min時，對3 種多出口裝置氣流場速度分布圖進行對比分析，如圖4 所示。由于出口面積不同，多排六出口裝置風速較高，多排八出口和雙排八出口裝置出口風速相近，多排六出口裝置在31.26～34.61 m/s，多排八出口裝置在26.09～30.56 m/s，雙排八出口裝置圓形出口中心點處的風速范圍在26.33～33.33 m/s。以坐標XY面為前面，多排八出口裝置右前方出口風速較高，多排六出口裝置前面出口風速較高，雙排八出口裝置前排中間和右側(cè)3 個出口風速較高，原因是離心風機出口右前側(cè)的氣流風速較高，由于渦流影響，雙排八出口裝置渦流上方的前排左側(cè)出口風速較低。3 種多出口裝置在前面左下方都有低速渦流區(qū)，多排六出口裝置渦流最小，雙排八出口裝置渦流最大。這是離心風機由于自身結(jié)構(gòu)原因在蝸舌附近產(chǎn)生的渦流，由于雙排八出口裝置從風機出風口至風管入口，容積先擴大再縮小，因此渦流在空腔內(nèi)因氣流擴張變大。

綜上可知，采用樣機中的風機，多出口裝置出口風速分布特點是較高風速出現(xiàn)在前排中部及右側(cè)出口，較低風速出現(xiàn)在前排左側(cè)及后排右側(cè)出口。多排六出口裝置和多排八出口裝置容積逐漸縮小的結(jié)構(gòu)，對氣流的損失較小，有利于氣流均勻穩(wěn)定的流動。

2.3.2 多出口裝置型式對壓力場的影響

對轉(zhuǎn)速3 000 r/min 時風送系統(tǒng)的內(nèi)部氣流壓力場進行對比分析，3 種風送系統(tǒng)圓形出口中心截面的全壓分布如圖5 所示。

多排八出口風送系統(tǒng)在中心截面中部偏右側(cè)形成部分低壓區(qū)，圓形出口中心點處的全壓范圍在478～725 Pa，多排六出口在中心截面中部形成小部分低壓區(qū)，圓形出口中心點處的全壓范圍在709～954 Pa，雙排八出口在Z＝55 mm 截面中部偏右側(cè)形成低壓區(qū)，在Z＝-55 mm 截面左下側(cè)（蝸舌附近）形成較大的低壓區(qū)，造成左上方出口管道內(nèi)的壓力也較小。這是離心風機由于自身結(jié)構(gòu)原因在蝸舌附近產(chǎn)生渦流引起的，由于雙排八出口裝置容積最大，因此渦流因氣流擴張變大，圓形出口中心點處的全壓范圍在581～864 Pa。綜上可知，多排六出口裝置圓形出口中心截面的壓力分布均勻性較好，出口全壓最高。

圖5 中心截面的全壓圖Fig.5 Total pressure graph of center section

3 多出口裝置氣流場試驗

3.1 試驗方法與步驟

根據(jù)GB/T 24683—2009《植物保護機械 灌木和喬木作物用風送式噴霧機試驗方法》氣流速度分布測定（靜態(tài)測試）部分，采用多點風速儀（型號6243，風速測試范圍0.1～50.0 m/s，日本加野kano?max）和風壓計（型號AS510，量程0～100 hPa，希瑪）測量多出口裝置圓形出口中心處的風速和風壓，并測量風送系統(tǒng)外流場風速分布，風機設(shè)置為2 000，2 500，3 000 r/min 3 種轉(zhuǎn)速，3 種多出口裝置各出口排列序號如圖6 所示。外流場測點分布如圖7 所示（圖中只畫出多排六出口一側(cè)3 個風管測點分布，八出口一側(cè)4 個風管測點分布以此類推），測量點布置在風管豎直中間截面的一側(cè)（由于出口氣流速度分布均勻，截面另一側(cè)風場對稱）。由于在風管出口距離2 m 以內(nèi)的風速會衰減較快，考慮測量數(shù)據(jù)的準確性設(shè)置各測量截面距離風管出口分別為0.6，1.2，2，3，4，5 m，使2 m 以內(nèi)風速數(shù)據(jù)量較多，利于風速的規(guī)律分析。每個測量截面高度為1.5 m，相鄰風管高度間隔為0.5 m，每個截面布置兩列豎直排列的測點，在風管豎直截面的中間一列點測試風管出口主氣流的風速隨噴霧距離變化的情況，外側(cè)的一列點測試風管出口氣流的邊界。

根據(jù)大量試驗經(jīng)驗總結(jié)，當風速在1.5 m/s 以下時，氣流對苗木冠層的穿透性不足，外側(cè)一列的測量點即氣流場邊界。測速桿支架平行放置于被測截面（垂直于氣流方向），不在測試氣流的流向截面之內(nèi)，對測試截面內(nèi)的風場分布沒有影響。多點風速儀重復測量10 次，取平均值為測量結(jié)果，出口風速測量試驗現(xiàn)場如圖8 所示。

圖6 3 種多出口裝置測量點對應的出風口位置Fig.6 The outlet location of the measurement points of three kinds of multi?outlet devices

圖7 多風管測量點分布Fig.7 Multi?duct measuring points distribution

圖8 試驗現(xiàn)場Fig.8 Testing site

3.2 多出口裝置出口風速分析

在風機3 000 r/min 轉(zhuǎn)速下，對比分析3 種多出口裝置出口風速試驗結(jié)果。從出口風速柱狀圖9 中分析可知，多排六出口裝置出口平均風速最高為32.01 m/s，多排八出口和雙排八出口裝置出口平均風速相差不多，分別為26.29 和26.13 m/s。多排八出口裝置在1、4、8 號出口風速較高，3 號出口風速較低，風速范圍在23.11～28.27 m/s；多排六出口在5 號出口風速較高，2 號出口風速較低，風速范圍在29.52～34.85 m/s；雙排八出口在2、3 號出口風速較低，其他出口位置速度相近，風速范圍在23.55～28.41 m/s。按測量點對應的出口位置圖7 中所給視圖方向，多排八出口下側(cè)和右上側(cè)風速較高，中部風速較低，多排六出口右側(cè)風速較高，雙排八出口右側(cè)風速較低，與模擬的出口風速相比，分布趨勢大致相似。

圖9 多出口裝置出口風速Fig.9 Velocity histogram of multi?outlet devices outlet

試驗數(shù)據(jù)中多排八出口風速標準差為1.79 m/s，多排六出口風速標準差為1.36 m/s，雙排八出口風速標準差為1.73 m/s。多排六出口的風速標準差比其他兩種較小，與多出口裝置出口風速模擬結(jié)果比較可知，試驗結(jié)果與模擬結(jié)果類似，多排六出口各出口風速均勻度較好。

3.3 多出口裝置出口風壓分析

在風機3 000 r/min 轉(zhuǎn)速下，3 種風送系統(tǒng)多出口裝置出口的風壓試驗數(shù)據(jù)如圖10 所示。由于六出口的總面積比八出口小，所以六出口的出口風壓比八出口高，多排六出口平均風壓為662 Pa，多排八出口和雙排八出口平均風壓分別為372 和432 Pa。多排八出口裝置在6、8 號出口風壓較高，1、2 號出口風壓較低，風壓范圍在312～449 Pa；多排六出口在4、5、6 號出口風壓較高，2、3 號出口風壓較低，風壓范圍在503～744 Pa；雙排八出口在5、6 號出口風壓較高，2、3、7 號出口風壓較低，風壓范圍在373～513 Pa。與多出口裝置出口風速相比，風壓與風速高低變化趨勢基本一致。試驗數(shù)據(jù)中多排八出口風壓標準差為51 Pa，多排六出口為98 Pa，雙排八出口為54 Pa。多排六出口的風壓標準差最大，八出口裝置各出口風壓均勻度較好，但是多排六出口裝置的出口平均風壓更高，有利于提高氣流的輸送距離。

圖10 多出口裝置出口風壓Fig.10 Wind pressure histogram of multi?outlet devices outlet

3.4 模擬與試驗風速比較分析

模擬值與試驗值之間是存在誤差的，為驗證數(shù)值模擬的準確性，本研究采用出口風速試驗值與模擬值進行對比，而不采用壓力試驗值，主要從兩方面考慮：一方面是壓力試驗數(shù)據(jù)的誤差較大。分析實際測量數(shù)據(jù)，同一測點壓力試驗值的波動范圍較大，約幾十帕；離心風機實際工作功率不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速不能一直維持在3 000 r/min，轉(zhuǎn)速可控范圍在2 960～3 000 r/min；風壓計的方形測量孔方向不能保證與風速方向絕對平行，存在試驗值偏小的測量誤差。另一方面，模擬值是在假定的理想情況下獲得的。由于網(wǎng)格劃分的質(zhì)量、計算模型和邊界條件的設(shè)置，風壓損失會比實際情況要小；測繪的離心風機模型與實際模型存在一些偏差，且風機流道結(jié)構(gòu)做了簡化。由于以上原因，導致壓力試驗值與模擬值的偏差要大于風速試驗值。因此，本研究選擇較為準確的出口風速試驗值來驗證模擬的準確性。

在3 種風機轉(zhuǎn)速下，對3 種多出口裝置出口風速的試驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進行線性相關(guān)擬合分析［30］，如圖11 所示，橫坐標為試驗測量值，縱坐標為模擬計算值。多排八出口風送系統(tǒng)共24 組數(shù)據(jù)，模擬值與試驗值的擬合方程為y＝0.829 8x＋5.164，擬合優(yōu)度R2為0.596 6；多排六出口風送系統(tǒng)共18 組數(shù)據(jù)，模擬值與試驗值的擬合方程為y＝1.029 0x -0.198 1，擬合優(yōu)度R2為0.968 8；雙排八出口風送系統(tǒng)共24 組數(shù)據(jù)，模擬值與試驗值的擬合方程為y＝0.952 5x＋2.784，擬合優(yōu)度R2為0.696 3，說明數(shù)值模擬風送系統(tǒng)內(nèi)流場的方法可行。比較可知多排六出口模擬值與試驗值最接近，模擬值和試驗值顯著相關(guān)。

圖11 多出口裝置出口風速試驗值與模擬值分析Fig.11 Fitting analysis between test and simulation value on the multi?outlet devices

4 風送系統(tǒng)外流場試驗分析

4.1 外流場風速邊界分析

分析圖8 外側(cè)風速邊界測量點試驗結(jié)果，以風管豎直中間截面為起始面，3 種風送系統(tǒng)不同噴霧距離的風速邊界如表1 所示。

由表1 可知，同一種風送系統(tǒng)在不同風機轉(zhuǎn)速時，相同噴霧距離的風速邊界是幾乎一樣的，不隨風機轉(zhuǎn)速的不同而改變，即與風管出口風速無關(guān)。在風管高度間隔相同時，在同一噴霧距離多排八出口裝置的風速邊界比多排六出口的大，說明風管越多，外流場的風速邊界范圍越大。原因是風管越多，所有風管的氣流流動范圍越大，氣流在互相混合疊加下不斷向四周擴張，帶動更大范圍的氣流流動，從而使流場的風速邊界變大。

表1 3 種風送系統(tǒng)不同噴霧距離速度分布邊界Table 1 Velocity distribution boundary of different spray distance of three kinds of pneumatic system

4.2 外流場風管出口中心截面風速分析

在風送噴霧作業(yè)中，風管的主氣流是主要的風送動力，選取風管出口中心截面的主氣流為研究對象，比較3 種風送系統(tǒng)3 000 r/min 轉(zhuǎn)速下的外流場，利用MATLAB 軟件處理風管出口中心截面的風速試驗數(shù)據(jù)，繪制如圖12 所示的風速云圖。從圖12 中可知，3 種風送系統(tǒng)風管出口風速從風管出口至噴霧距離5 m 處呈不斷衰減的趨勢，速度衰減由劇烈變?yōu)榫徛黠L管的氣流都在0.5～1.0 m噴霧范圍內(nèi)開始互相混合形成連續(xù)的外流場。多排六出口風送系統(tǒng)風管出口風速最高，所以氣流場整體風速比八出口風送系統(tǒng)高。在相同的風管高度間隔和風機轉(zhuǎn)速下，八出口風送系統(tǒng)的氣流場覆蓋高度比六出口大，這表明八出口風送系統(tǒng)雖然整體風速比六出口低，但是氣流場覆蓋的范圍更廣。

圖12 3 種風送系統(tǒng)外流場速度分布云圖Fig.12 External flow filed velocity nephogram of three kinds of pneumatic systems

由于該苗木噴霧機主要應用于矮化密植果園，防治高度要求不高，因此離心風機功率能滿足作業(yè)要求即可。從風速均勻性、風速大小和風速邊界范圍分析，八出口和六出口裝置要求的離心風機功率都不高，離心風機體積不大，滿足輕量化設(shè)計要求。在相同的風管高度間隔和風機轉(zhuǎn)速下，雖然六出口氣流場覆蓋范圍沒有八出口風送系統(tǒng)廣，但是多排六出口裝置出口風速更均勻，風管出口風速比八出口裝置高，氣流射程更遠，風機體積也不大，在噴霧機可承載范圍內(nèi)。因此，比較本研究3 種出口裝置的出口風速大小和均勻性，采用多排六出口風送系統(tǒng)更合理。

多排六出口風送系統(tǒng)一側(cè)3 個風管離地面高度分別為0.75，1.25，1.75 m，在不同風管高度處風速隨噴霧距離變化曲線圖如圖13 所示。在噴霧距離0～1.5 m 范圍風速較高，在5 m/s 以上，在1.5～3.0 m 范圍風速在3 m/s 以上，在3～5 m 范圍風速衰減到1.5 m/s 左右，表明氣流風送距離能達到5 m 的射程要求。不同高度的氣流在同一噴霧距離處速度相差不大，且不同高度風速之間的差距隨噴霧距離增加呈現(xiàn)縮小的趨勢，有利于均勻覆蓋整個作業(yè)區(qū)域，提高工作效率。

圖13 多排六出口風送系統(tǒng)不同高度處風速曲線圖Fig.13 Velocity graph of pneumatic system of multi?row and six outlets at different heights

4.3 外流場霧滴沉積分布試驗分析

4.3.1 試驗方法

采用多排八出口風送系統(tǒng)進行外流場霧滴分布研究，即一側(cè)4 個風管出口的氣流場（3 個風管氣流場相似）。本試驗在風速小于1 m/s 的室外環(huán)境進行，試驗前將收集霧滴的水敏紙固定在支架上，分別在距離噴頭3，4，5 m 處測試風場垂直面的霧滴分布情況。支架上有7 處霧滴收集點，均勻分布在垂直高度0.5，0.8，1.1，1.4，1.7，2.0，2.3 m 上，高度間隔0.3 m。霧滴分布試驗現(xiàn)場如圖14 所示。

圖14 霧滴分布試驗現(xiàn)場Fig.14 Fog distribution test site

在2 000，2 500，3 000 r/min 3 種轉(zhuǎn)速下測試霧滴分布。提前開啟噴霧，使噴霧機以4.8 km/h的行駛速度勻速經(jīng)過水敏紙支架，當噴霧機氣流場完全經(jīng)過支架時，霧滴采集完畢，待水敏紙干燥后放入塑封袋中保存。霧滴沉積的覆蓋率通過專用軟件iDAS Pro 檢測。

4.3.2 風送系統(tǒng)的霧滴沉積分布分析

在3 種風機轉(zhuǎn)速下，風場垂直面的霧滴沉積分布的覆蓋率試驗數(shù)據(jù)如圖15 所示。

圖15 3 種風機轉(zhuǎn)速下風場垂直面霧滴沉積覆蓋率柱狀圖Fig.15 Histogram of vertical droplet deposition coverage of wind field under three fan speeds

對比分析可知，在2 000 r/min 轉(zhuǎn)速時，距離噴頭4 和5 m 處的覆蓋率平均在30%以下，轉(zhuǎn)速增加到3 000 r/min 時，距離噴頭4 m 處的覆蓋率平均約70%，距離噴頭5 m 處的覆蓋率平均約40%。隨著風機轉(zhuǎn)速的提高，在氣流場風速增加的帶動下，霧滴在距噴頭相同位置處的沉積覆蓋率隨之提高，表明霧滴的穿透性也更好。

在相同轉(zhuǎn)速下，隨著距離噴頭的位置越遠，霧滴沉積覆蓋率越低。從風場垂直面不同高度的霧滴沉積覆蓋率分析，在3 種轉(zhuǎn)速下，3 和4 m 處的風場垂直面霧滴沉積分布均勻性較好，5 m 處的風場垂直面在第1～5 測點的霧滴沉積分布均勻性較好，第6、7 測點的覆蓋率較低，即在0.8 m 高度以下的霧滴沉積較少。原因是霧滴在氣流帶動的過程中，粒徑較大的霧滴在漂移至5 m 遠之前已經(jīng)由于自身重力而散落在地上，粒徑較小的霧滴會飄移至更遠處。因此，4 m 距離內(nèi)的風場垂直面霧滴沉積分布均勻性較好，5 m 處的風場垂直面在0.8 m以上高度霧滴沉積分布均勻性較好，能夠滿足5 m的作業(yè)要求。

5 結(jié)論

1）出口裝置容積逐漸縮小的結(jié)構(gòu)，對氣流損失較小，有利于氣流均勻穩(wěn)定的流動。在風機轉(zhuǎn)速相同時，多排六出口裝置比多排八出口、雙排八出口裝置出口風速更大，風速分布更均勻。

2）風管出口外流場在同一距離的邊界范圍，不會隨著出口風速的改變發(fā)生變化，而是受多出口裝置出口數(shù)量影響，多排八出口的風速邊界范圍比多排六出口的大。

3）多排六出口風送系統(tǒng)氣流場邊界范圍雖然沒有八出口廣，但是出口風速比八出口風送系統(tǒng)高，氣流場分布更均勻，射程更遠，需要的離心風機體積不大，適合低矮密植型果園的作業(yè)環(huán)境，符合輕量化設(shè)計要求。

4）氣流場風速越高，霧滴的穿透性越好。本研究苗木噴霧機風送系統(tǒng)外流場在4 m 距離內(nèi)風場垂直面的霧滴沉積分布均勻性較好，5 m 距離以上霧滴沉積分布均勻性較差。