多風(fēng)筒風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

荀 露 ,李 君,2,陸華忠,2,李志強(qiáng),盧忠岳,袁謀青

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院,廣州 510642;2.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510642)

0 引言

大容量、淋雨式的噴霧方法常見于我國(guó)大部分果園,在施藥過(guò)程中農(nóng)藥流失、漂移嚴(yán)重,農(nóng)藥有效利用率低,且會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。風(fēng)送噴霧技術(shù)能夠增加霧滴動(dòng)能,提高對(duì)果樹冠層的穿透性,且由于氣流對(duì)枝葉的擾動(dòng)作用,可有效改善葉片正反面的沉積,因而被廣泛運(yùn)用到果園的植保作業(yè)中[2-11]。

為使不同類型風(fēng)送噴霧機(jī)的風(fēng)場(chǎng)特性與果樹冠層特征相匹配,有效提高霧滴在果樹冠層的覆蓋率,目前已進(jìn)行了大量相關(guān)研究。李龍龍等[7]設(shè)計(jì)的多風(fēng)機(jī)式果園風(fēng)送噴霧機(jī),利用冠層分割模型,得到單個(gè)霧化單元所需風(fēng)量,通過(guò)控制無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的局部調(diào)節(jié),增加霧滴穿透性和施藥精準(zhǔn)度。呂曉蘭等[12]通過(guò)仿真和試驗(yàn)研究了軸流式果園風(fēng)送噴霧機(jī)導(dǎo)流板角度對(duì)氣流場(chǎng)三維分布的影響,結(jié)果表明:分別以果樹樹干高度和冠層高度為依據(jù),調(diào)節(jié)上下導(dǎo)流板的角度,使風(fēng)場(chǎng)的垂直分布與果樹冠形相適應(yīng),有利于氣流脅迫霧滴進(jìn)入果樹冠層。宋淑然等[13]對(duì)寬幅風(fēng)送噴霧機(jī)空間氣流場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:風(fēng)筒軸心上的氣流速度隨風(fēng)送距離的增加呈現(xiàn)冪函數(shù)衰減,為得到契合果樹冠層的風(fēng)速和霧滴沉積,噴霧作業(yè)時(shí)靶標(biāo)果樹與出風(fēng)口間的距離應(yīng)選擇合理。

由于多風(fēng)筒風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的組成相對(duì)復(fù)雜,其氣流場(chǎng)分布及噴霧效果有待進(jìn)一步研究。為此,本文對(duì)該系統(tǒng)的各部件進(jìn)行了選型和設(shè)計(jì),并對(duì)系統(tǒng)的風(fēng)場(chǎng)分布特性和噴霧效果進(jìn)行了測(cè)試,以期為多風(fēng)筒噴霧機(jī)的優(yōu)化提供借鑒和參考。

1 風(fēng)送噴霧系統(tǒng)組成

果園多風(fēng)筒噴霧機(jī)的風(fēng)送系統(tǒng)主要由離心風(fēng)機(jī)、多口分配器、柔性輸風(fēng)管和風(fēng)筒構(gòu)成,如圖1所示。

1．風(fēng)筒 2.柔性輸風(fēng)管 3.多口分配器 4.離心風(fēng)機(jī)圖1 風(fēng)送系統(tǒng)組成圖Fig.1 Air delivery system。

離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流,首先通過(guò)有多個(gè)圓形出風(fēng)口的多口分配器,然后經(jīng)柔性輸風(fēng)管和風(fēng)筒擴(kuò)散到外部空間。噴頭內(nèi)置在風(fēng)筒內(nèi)部,液力霧化的霧滴能夠與風(fēng)送系統(tǒng)產(chǎn)生的氣流場(chǎng)充分混合,發(fā)揮風(fēng)場(chǎng)的輔助作用。風(fēng)筒固定在可調(diào)桿架上,手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)筒在空間的高度、寬度和角度來(lái)適應(yīng)不同的靶標(biāo)[14]。

2 風(fēng)送噴霧系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)選型主要在于風(fēng)量和風(fēng)壓的確定。根據(jù)置換原則[15]和壓力損失的計(jì)算,可分別確定滿足果園噴霧使用要求的風(fēng)量和風(fēng)壓。以南方果園[16]為標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算得風(fēng)量Q=0.24～1.5m3/s,風(fēng)壓P要大于774.7Pa。按照設(shè)計(jì)要求,選擇了九洲普惠11-62多翼式離心風(fēng)機(jī),風(fēng)量為2.2～2.8m3/s,風(fēng)壓為1 090～1 167Pa。

2.2 多口分配器設(shè)計(jì)

多口分配器設(shè)計(jì)成半圓柱面,增加可利用的出風(fēng)口數(shù)量。為提高對(duì)果樹冠層的適應(yīng)性,共設(shè)計(jì)了8個(gè)出風(fēng)口,如圖2所示。當(dāng)對(duì)不同幅寬要求的靶標(biāo)進(jìn)行噴霧作業(yè)時(shí),可用端蓋堵住特定出風(fēng)口進(jìn)行調(diào)整。為實(shí)現(xiàn)各出風(fēng)口風(fēng)量的調(diào)節(jié),在多口分配器圓形出風(fēng)口內(nèi)安裝有可調(diào)角度的風(fēng)門,通過(guò)改變出風(fēng)面積有效調(diào)節(jié)出風(fēng)量。

圖2 多口分配器Fig.2 Configuration of the distributor。

離心風(fēng)機(jī)矩形出風(fēng)口的長(zhǎng)L、寬W分別為350mm和320mm,以出風(fēng)口長(zhǎng)度L作為多口分配器的直徑。各出風(fēng)口采用梅花形排布,提高各出風(fēng)口風(fēng)速的均勻性。綜合考慮空間尺寸限制和柔性風(fēng)管的配合要求,出風(fēng)口直徑取為80mm。為得到出風(fēng)口風(fēng)速分布情況,利用風(fēng)速儀測(cè)試了各出風(fēng)口在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速660、810、960r/min下的風(fēng)速值:平均值和變異系數(shù)分別為18.68m/s、2.13%,21.39m/s、1.18%,24.84m/s、4.24%。變異系數(shù)都在5%以下,證明此結(jié)構(gòu)的多口分配器風(fēng)速分布均勻性較好。

2.3 風(fēng)筒設(shè)計(jì)

為改善風(fēng)筒出口氣流的空間分布,設(shè)計(jì)了如圖3(a)所示的帶導(dǎo)流裝置的風(fēng)筒。風(fēng)筒由柱形噴筒、錐形噴筒、擴(kuò)幅噴筒三段構(gòu)成[17]。其中,柱形噴筒和錐形噴筒內(nèi)安裝有4片導(dǎo)流片和1個(gè)橢球形導(dǎo)流器,可有效減少噴筒內(nèi)的渦流,使氣流速度向軸線集中;擴(kuò)幅噴筒用于提高噴霧機(jī)的噴幅。風(fēng)筒通過(guò)3D打印一體成型,質(zhì)量輕且精度高。

圖3 風(fēng)筒Fig.3 Air duct。

擴(kuò)幅噴筒的底部和兩側(cè)面開有小孔,藥管一端穿過(guò)底部小孔與噴霧系統(tǒng)相連,另一端通過(guò)兩圓桿卡接在側(cè)面小孔內(nèi)。噴嘴通過(guò)螺紋與藥管相連,內(nèi)置在風(fēng)筒內(nèi)部,液力霧化的霧滴能夠與風(fēng)場(chǎng)充分混合,發(fā)揮輔助風(fēng)場(chǎng)的作用。

擴(kuò)幅噴筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3(b)所示。為達(dá)到壓縮擴(kuò)幅效果[18],對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算。擴(kuò)幅噴筒入口直徑D=75mm,為保證壓縮效果,同時(shí)留有噴嘴安裝空間,出風(fēng)口寬度B設(shè)計(jì)為45mm。當(dāng)入口直徑和出風(fēng)口寬度確定之后,噴筒長(zhǎng)度L決定了水平方向的壓縮率。為使擴(kuò)幅噴筒與錐形噴筒間光滑過(guò)渡,同時(shí)保證壓縮效果,最終確定風(fēng)筒長(zhǎng)度為120mm。出風(fēng)口高度H與射流在空間的擴(kuò)散角有關(guān),試驗(yàn)測(cè)得風(fēng)筒其它參數(shù)固定時(shí),在風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速下,射流擴(kuò)散角接近15°,氣流到達(dá)出風(fēng)口時(shí)的噴幅為200mm,所以出風(fēng)口高度H取200mm。

3 風(fēng)場(chǎng)分布特性試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)儀器

?，擜R866A熱線式風(fēng)送計(jì),風(fēng)速測(cè)量范圍0.3～30m/s,分辨率0.01m/s,風(fēng)速測(cè)量誤差±3%;自制的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量定位采樣架高3m,寬2m,網(wǎng)格大小11cm×11cm,鐵絲直徑2.5mm[13];光電式轉(zhuǎn)速計(jì)(10～99 999r/min),直尺等。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 單風(fēng)筒風(fēng)場(chǎng)分布特性試驗(yàn)

利用采樣架測(cè)量時(shí),每個(gè)截面測(cè)量3個(gè)數(shù)據(jù):風(fēng)筒軸心上的風(fēng)速值,沿風(fēng)筒長(zhǎng)軸方向風(fēng)速為2m/s的上下兩個(gè)位置點(diǎn)。以20cm為間隔移動(dòng)采樣機(jī)進(jìn)行測(cè)量,直到軸心風(fēng)速小于2m/s。分別在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速960r/min(額定轉(zhuǎn)速)和660r/min的工況下進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2.2 多風(fēng)筒風(fēng)場(chǎng)分布特性試驗(yàn)

利用采樣架測(cè)量時(shí),以中間風(fēng)筒軸線與采樣架平面交點(diǎn)為中心,以網(wǎng)格邊長(zhǎng)0.11m為步進(jìn)值,沿鉛錘方向向兩側(cè)延伸進(jìn)行測(cè)量。在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)上,取10s內(nèi)的平均風(fēng)速作為該點(diǎn)的采樣值,直到風(fēng)速值小于0.3m/s。以25cm為間隔移動(dòng)采樣機(jī)進(jìn)行測(cè)量,試驗(yàn)時(shí)各風(fēng)筒出口風(fēng)速調(diào)節(jié)為10m/s。中間風(fēng)筒位置固定,調(diào)節(jié)上下風(fēng)筒位置,在風(fēng)筒垂直間距分別為25、33、41cm進(jìn)行3組試驗(yàn)。風(fēng)場(chǎng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 風(fēng)場(chǎng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.4 The field site of wind velocity distribution。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 單風(fēng)筒風(fēng)場(chǎng)分布特性

不同轉(zhuǎn)速下軸心上的風(fēng)速曲線隨風(fēng)送距離的變化規(guī)律如圖5所示。對(duì)曲線進(jìn)行擬合表明,使用冪函數(shù)擬合時(shí)決定系數(shù)最大。高低轉(zhuǎn)速下,試驗(yàn)擬合的冪函數(shù)分別為

圖5 軸心上的風(fēng)速曲線Fig.5 Variation curve of longitudinal airflow。

V(960r/min)=4.5x-0.08,R2=0.95

(1)

V(660r/min)=5.53x-0.73,R2=0.96

(2)

由此可見,出風(fēng)口軸心上的風(fēng)速呈冪函數(shù)衰減,距出風(fēng)口較近時(shí),風(fēng)速急劇衰減,隨著風(fēng)送距離的增加,衰減程度不斷減小。

圖6為風(fēng)機(jī)為960r/min和660r/min時(shí)風(fēng)筒出分口的射流邊界曲線。在高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速下,其變化規(guī)律呈現(xiàn)出一致性:上下射流邊界曲線,在達(dá)到最大噴幅前成線性擴(kuò)展,之后開始無(wú)規(guī)律的衰減收縮。高轉(zhuǎn)速下,在2m處達(dá)到最大噴幅85cm;低轉(zhuǎn)速下,在1.2m處達(dá)到最大噴幅52cm。風(fēng)筒噴出的高速氣流在開始階段不斷卷吸周圍的空氣,射流邊界曲線線性擴(kuò)大;達(dá)到射程后,能量嚴(yán)重衰減,邊界開始無(wú)規(guī)律地向內(nèi)收縮。分別對(duì)線性部分進(jìn)行擬合,其函數(shù)和決定系數(shù)分別為

圖6 出風(fēng)口射流邊界曲線Fig.6 Curve of jet boundary at outlet。

y1=0.1342x+0.1184,R2=0.9624

(3)

y2=-0.1414x-0.0991,R2=0.8817

(4)

y3=0.1341x+0.103,R2=0.9293

(5)

y4=-0.1473x-0.091,R2=0.9581

(6)

高轉(zhuǎn)速下,兩條射流邊界曲線y1、y2交于點(diǎn)(-0.785,0.0125),與x軸的夾角分別為7.643°、8.049°;低轉(zhuǎn)速下,兩條射流邊界曲線y3、y4相交于點(diǎn)(-0.689,0.0106),與x軸的夾角分別為7.638°、8.379°。高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速下,射流邊界曲線的交點(diǎn)基本落在x軸上,上下夾角差異很小,風(fēng)筒出風(fēng)口的射流邊界曲線基本以風(fēng)筒軸線為中心上下對(duì)稱地進(jìn)行線性擴(kuò)展。

3.3.2 多風(fēng)筒風(fēng)場(chǎng)分布特性

不同風(fēng)筒間距下,噴霧機(jī)的風(fēng)場(chǎng)分布如圖7所示。當(dāng)間距為33cm和41cm時(shí),風(fēng)場(chǎng)分布類似:當(dāng)風(fēng)送距離較小時(shí),與風(fēng)筒等高的位置出現(xiàn)風(fēng)速的高峰區(qū);隨著距離的增大,風(fēng)速分布呈中間高、上下低的紡錘形。當(dāng)風(fēng)送距離較小時(shí),各出風(fēng)口的氣流是分散狀態(tài),因而出現(xiàn)了3個(gè)高峰區(qū);隨著距離的增大,3股氣流的邊界曲線呈線性擴(kuò)展,在空間開始混合并相互作用,中間區(qū)域的風(fēng)速值趨向一致,上下邊界的氣流不斷衰減,呈現(xiàn)紡錘形。

圖7 不同風(fēng)筒間距下的氣流場(chǎng)分布Fig.7 Wind velocity distribution under different air duct spacing。

當(dāng)風(fēng)筒間距為25cm時(shí),風(fēng)場(chǎng)在各垂直截面的分布呈現(xiàn)一致性:中間區(qū)域是風(fēng)速的高峰區(qū),上下兩側(cè)風(fēng)速值急劇減小;當(dāng)風(fēng)筒間距為25～50cm時(shí),風(fēng)速衰減明顯,之后風(fēng)速開始緩慢衰減。由于風(fēng)筒間距小,3股氣流在25cm處就開始接觸混合,形成了中間區(qū)域風(fēng)速均勻、穩(wěn)定的風(fēng)幕。

針對(duì)冠形規(guī)則的果樹(如籬壁型),可適當(dāng)減小風(fēng)筒間距值,形成風(fēng)幕一樣的風(fēng)場(chǎng)適應(yīng)果樹冠層;針對(duì)冠形變化較大的果樹,如紡錘型、三角型,可適當(dāng)增大風(fēng)筒間距,使風(fēng)速的高峰區(qū)與冠厚大的區(qū)域相匹配。

不同間距下,風(fēng)場(chǎng)的垂直截面分布具有良好的對(duì)稱性,說(shuō)明所設(shè)計(jì)的風(fēng)送系統(tǒng)保證了各風(fēng)筒氣流分布的一致性和穩(wěn)定性。

4 噴霧作業(yè)性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與方法

為驗(yàn)證多風(fēng)筒風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的噴霧效果,選擇冠高1.5m、冠厚1.2m的柑橘樹進(jìn)行試驗(yàn),如圖8所示。在冠層高度分別為50、80、110cm的左邊緣中部及右邊緣共布置9個(gè)采樣點(diǎn),在葉片的正反面用回形針固定水敏紙。采樣點(diǎn)布置情況如8(b)所示。

圖8 試驗(yàn)柑橘樹與采樣點(diǎn)布置Fig.8 Sample distribution and Citrus tree used in the experiment。

試驗(yàn)時(shí),作業(yè)速度1m/s,噴霧距離30cm,噴霧壓力0.5MPa。選用霧錐角為80°的扇形霧噴頭進(jìn)行雙側(cè)噴霧試驗(yàn),每組試驗(yàn)重復(fù)3次。根據(jù)此柑橘樹的冠形和冠高,風(fēng)筒間距取33cm,各風(fēng)筒的出風(fēng)口風(fēng)速調(diào)節(jié)為10m/s。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)束后,利用DepositScan分析水敏紙的霧滴覆蓋率。點(diǎn)1、2、3視為左列,點(diǎn)4、5、6視為中列,點(diǎn)7、8、9視為右列;點(diǎn)1、4、7視為上層,點(diǎn)2、5、8視為中層,點(diǎn)3、6、9視為下層。冠層內(nèi)的沉積狀態(tài)如圖9所示。

圖9 冠層沉積試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Droplet coverage on the canopy。

柑橘樹冠層左右兩外側(cè)霧滴覆蓋率基本相同,葉片正面霧滴覆蓋率分別為62.25%和58%,葉面背面霧滴覆蓋率分別為24.99%和19.46%。由于冠層的遮蔽作用,冠層內(nèi)部的藥液附著有所減少,葉片正反面的覆蓋率分別為43.82%和14.23%,冠層內(nèi)部葉片反面仍然有不少霧滴沉積,說(shuō)明所施加的輔助氣流能夠穿透果樹冠層,對(duì)枝葉產(chǎn)生擾動(dòng)作用,增加葉片背面的沉積。

冠層不同高度處的葉片,正反面的霧滴覆蓋率基本一致,正面為53.25%～57.21%,反面為17.72%～20.72%。由此表明:輔助氣流場(chǎng)與冠層特征匹配良好,提高了霧滴在冠層不同高度的覆蓋均勻性。

利用DepositeScan分析樣本沉積密度的最小值為66.6個(gè)/cm2,滿足病蟲害防治的要求20個(gè)/cm2。

5 結(jié)論

1)單個(gè)風(fēng)筒軸心上的風(fēng)速值隨風(fēng)送距離呈冪函數(shù)衰減,射流邊界曲線先線性擴(kuò)展,達(dá)到最大噴幅后開始無(wú)規(guī)律地衰減和收縮。

2)根據(jù)不同風(fēng)筒間距下噴霧機(jī)的風(fēng)場(chǎng)分布特性,在實(shí)際噴霧作業(yè)中,針對(duì)冠形規(guī)則的果樹(如籬壁型),可適當(dāng)減小風(fēng)筒間距,形成風(fēng)幕一樣的風(fēng)場(chǎng)適應(yīng)冠層;針對(duì)冠形變化較大的果樹(如紡錘型、三角型),可適當(dāng)增大風(fēng)筒間距值,使風(fēng)速的高峰區(qū)與冠厚大的區(qū)域相匹配。

3)柑橘樹的噴霧試驗(yàn)表明:施加的輔助風(fēng)場(chǎng)能夠穿透冠層,提高冠層內(nèi)部的霧滴沉積;風(fēng)場(chǎng)與冠層特征匹配良好,冠層不同高度處的霧滴覆蓋率分布均勻;霧滴沉積密度最小值為66.6個(gè)/cm2,滿足病蟲害防治要求。