果園多風(fēng)道風(fēng)送噴霧機(jī)送風(fēng)機(jī)構(gòu)模擬分析與試驗

李昕昊，王鵬飛，李建平，楊 欣，邊永亮

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000）

有效的農(nóng)藥施用需要增加噴霧機(jī)霧滴在不同冠層區(qū)域以及葉片表面的沉積和覆蓋范圍，同時最大程度地減少噴霧漂移［1-3］。噴霧漂移被定義為風(fēng)送式噴霧機(jī)在使用過程中，通過噴霧機(jī)氣流及環(huán)境風(fēng)的作用將藥物霧滴帶離目標(biāo)區(qū)域，從而導(dǎo)致不能將所有農(nóng)藥產(chǎn)品送至目標(biāo)植被［4-6］。此外，在農(nóng)業(yè)環(huán)境中，噴霧漂移仍然是人類接觸到農(nóng)藥產(chǎn)品的重要來源，并可能導(dǎo)致急性疾?。?-12］。因此在設(shè)計風(fēng)送式噴霧機(jī)的過程中必須考慮噴霧漂移現(xiàn)象，噴霧漂移的控制關(guān)鍵在于風(fēng)送系統(tǒng)的風(fēng)場分布。眾多研究人員通過大量試驗研究霧滴附著過程及影響條件，試圖通過調(diào)整優(yōu)化風(fēng)送系統(tǒng)，改變噴霧機(jī)內(nèi)部參數(shù)，從而減少霧滴漂移以及霧滴在不同冠層區(qū)域的分布情況［14-15］。然而，噴霧機(jī)在實際作業(yè)過程中，其風(fēng)場分布情況受到諸多因素的影響，尤其受非人為控制的相對濕度、溫度以及環(huán)境風(fēng)速等條件的影響。采用傳統(tǒng)的田間試驗方法研究會存在大量的變量，而近些年研究人員開始采用CFD仿真技術(shù)對噴霧機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)風(fēng)場分布情況進(jìn)行研究，以此來克服田間試驗中變量因素對試驗結(jié)果的影響，通過仿真軟件改變風(fēng)送系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)，獲得最優(yōu)結(jié)果。

宋雷潔等［16］針對塔型風(fēng)送噴霧機(jī)上層風(fēng)場氣流小的問題，對風(fēng)送系統(tǒng)上層導(dǎo)流板的安裝參數(shù)應(yīng)用STAR CCM+軟件進(jìn)行模擬分析。周杰等［17］利用CFD技術(shù)對軸流式果園風(fēng)送噴霧機(jī)進(jìn)行內(nèi)外部風(fēng)場分析，分析結(jié)果表明增設(shè)導(dǎo)流錐可將出風(fēng)口處風(fēng)速提高36.8%。陶濤等［18］設(shè)計出五指式果園風(fēng)送噴霧機(jī)，并利用CFD技術(shù)對模型進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果顯示五指式噴筒的內(nèi)部風(fēng)場和壓強(qiáng)分布均勻，5個出風(fēng)口差異較小。宋淑然等［19］利用CFD技術(shù)研究分析了風(fēng)筒內(nèi)導(dǎo)流片數(shù)量以及導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)對風(fēng)筒內(nèi)部風(fēng)場的影響，分析結(jié)果顯示導(dǎo)流片數(shù)量為4～5最合適，半橢形導(dǎo)流器壓力損失最小。丁天航［22］針對單風(fēng)機(jī)流道果園噴霧機(jī)氣流場分布不均的問題，研究分析雙風(fēng)機(jī)雙流道氣流特性，通過CFD技術(shù)對2種模型進(jìn)行仿真分析，研究其不同流道產(chǎn)生的風(fēng)場區(qū)別。

上述文獻(xiàn)利用CFD技術(shù)對不同的風(fēng)送結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，但未考慮田間試驗的干擾以及霧滴漂移。本試驗旨在建立果園多風(fēng)道風(fēng)送噴霧機(jī)送風(fēng)機(jī)構(gòu)主體部分的氣流場仿真分析模型，研究其主體風(fēng)道內(nèi)部風(fēng)場和壓力場的分布特性，揭示多風(fēng)道果園風(fēng)送噴霧機(jī)內(nèi)部風(fēng)場分布機(jī)理，并通過田間試驗進(jìn)行驗證，為改進(jìn)果園風(fēng)送式噴霧機(jī)防漂移性能，減少農(nóng)藥對環(huán)境以及人類的危害，提供理論參考。

1 果園多風(fēng)道風(fēng)送噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

果園多風(fēng)道風(fēng)送噴霧機(jī)主要由風(fēng)道主體、轉(zhuǎn)接口、出風(fēng)口、渦輪、隔膜泵、藥箱等工作部件組成。通過AIP三維軟件繪制多風(fēng)道果園風(fēng)送噴霧機(jī)三維模型，如圖1所示。

圖1 多風(fēng)道果園風(fēng)送噴霧機(jī)三維模型Fig.1 Three dimensional model of multi-air-duct orchard air blast sprayer

噴霧機(jī)在工作過程中，由拖拉機(jī)后輸出軸提供動力，帶動渦輪產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流場，通過風(fēng)道主體及轉(zhuǎn)接口輸送至4個出風(fēng)口，藥液由噴頭噴出在高速氣流的帶動下與空氣撞擊霧化，進(jìn)而附著在葉片上。

2 風(fēng)道主體氣流速度場模擬分析

2.1 模擬求解理論模型

氣流速度場模擬分析的基本方程主要包括N-S方程中的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程以及K-Epsilon湍流模型數(shù)學(xué)方程。

（1）質(zhì)量守恒方程

式中ρ—流體密度，kg/m3；ui—流體速度，m/s；xi—i方向坐標(biāo)；t—時間，s。

（2）動量守恒方程

式中p—靜壓力，N；xj—j方向的坐標(biāo)；uj—流體速度沿j方向的分量，m/s；τij—應(yīng)力矢量；gi—i方向的重力分量，N；Fi—其他能源，N。

（3）K-Epsilon湍流模型數(shù)學(xué)方程

式中σk、CD、Cμ—經(jīng)驗常數(shù)；μ—湍流黏度。

2.2 軟件模擬分析工作流程

在STAR CCM+中進(jìn)行流場分析的工作流程包括：導(dǎo)入幾何文件→創(chuàng)建多面體網(wǎng)格→設(shè)置邊界名和類型→定義連續(xù)體內(nèi)的物理模型→定義邊界條件→運行模擬→輸出后處理結(jié)果。首先將在AIP三維軟件中建立的風(fēng)道主體流體域模型導(dǎo)入STAR CCM+軟件中，如圖2所示。

圖2 流體域模型Fig. 2 Fluid domain model

2.2.1 網(wǎng)格化處理 創(chuàng)建網(wǎng)格化連續(xù)體，在網(wǎng)格節(jié)點中選擇表面重構(gòu)、多面體網(wǎng)格生成器和棱柱層網(wǎng)格生成器3種網(wǎng)格模型。設(shè)置網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸0.25 m，棱柱層數(shù)為5，其他按軟件默認(rèn)數(shù)值計算。設(shè)置完成后生成體網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格化模型Fig.3 Gridding model

2.2.2 物理模型選擇及邊界條件定義 物理模型定義模擬的主變量，在STAR-CCM+中根據(jù)物理連續(xù)體定義物理模型，選擇定常、理想氣體、分離耦合流、湍流、K-Epsilon湍流。將流體域模型的內(nèi)圓周面作為邊界入口，定義入口邊界條件為滯止入口，出口為壓力出口，入口速度為渦輪旋轉(zhuǎn)的風(fēng)速，在軟件中分別設(shè)置為10、15、20 m/s。設(shè)置完成后點擊運行，執(zhí)行計算，得出結(jié)果。

2.3 模擬結(jié)果及分布特性

模擬結(jié)果表明，多風(fēng)道果園風(fēng)送噴霧機(jī)風(fēng)道主體部分的4個出風(fēng)口壓力分布均勻，如圖4（a）、圖5（a）、圖6（a）所示，不同風(fēng)速條件下各個風(fēng)口的風(fēng)量分布一致，4個風(fēng)口的風(fēng)壓隨進(jìn)口速度增大而增加，符合設(shè)計要求。觀察不同進(jìn)口速度的矢量圖，在v=15 m/s時，4個出風(fēng)口處速度波動較大，會導(dǎo)致噴霧機(jī)出口氣流不均勻，進(jìn)而造成霧滴無法在葉片上均勻附著。根據(jù)戴奮奮［20］研究的“末速度置換原則”，出口處的速度需達(dá)到53.33 m/s時，才可滿足對于蘋果樹的噴霧要求，在入口速度設(shè)置為20 m/s時，出口速度集中在57.2 m/s，滿足噴霧要求。

圖4 v=10 m/s模擬分析結(jié)果圖Fig.4 v=10 m/s simulation analysis results

圖5 v=15 m/s模擬分析結(jié)果圖Fig.5 v=15 m/s simulation analysis results

圖6 v=20 m/s模擬分析結(jié)果圖Fig.6 v=20 m/s simulation analysis results

3 模擬結(jié)果試驗驗證

3.1 試驗條件及方案

模擬分析結(jié)果表明，多風(fēng)道果園風(fēng)送噴霧機(jī)風(fēng)道主體部分4個出風(fēng)口氣壓分布均勻，在進(jìn)口速度為20 m/s時，霧滴在葉片上的附著情況滿足風(fēng)送式噴霧機(jī)噴霧標(biāo)準(zhǔn)。為驗證上述結(jié)果的準(zhǔn)確性以及該風(fēng)道結(jié)構(gòu)能夠有效減少霧滴漂移的性能，設(shè)置田間試驗加以驗證。田間試驗于2020年7月10日在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)曲陽縣果樹試驗站標(biāo)準(zhǔn)果樹示范基地進(jìn)行，果樹類型為6年生‘國光’蘋果樹。該果園采用矮砧密植的現(xiàn)代化栽培模式，果樹冠層形狀為紡錘形，株距1 m，行距3.5 m，樹高3.5 m，試驗條件：環(huán)境溫度25～30 ℃，試驗濕度40%，環(huán)境風(fēng)速0.56 m/s。

在園內(nèi)選取10行果樹作為試驗區(qū)，在每一行內(nèi)間隔選取3棵果樹，在另一行選取對稱位置的果樹，標(biāo)號A1～A6，A1、A3、A5分別與A2、A4、A6對稱分布，如圖7所示。將每一棵果樹分為上中下3層，距地高度分別為2.9、1.8、0.7 m，對應(yīng)的冠層半徑為0.4、0.8、1.1 m，如圖7所示。

圖7 樹形及分布示意圖Fig.7 Tree shape and distribution diagram

為驗證噴霧機(jī)兩側(cè)霧滴沉積一致性及在渦輪風(fēng)速為20 m/s時滿足噴霧標(biāo)準(zhǔn)，在A1、A3、A5東側(cè)距離樹干0.2 m的上中下層張貼水敏紙，在A2、A4、A6西側(cè)距離樹干0.2 m的上中下層張貼水敏紙，以保證水敏紙位置距噴霧機(jī)距離一致。

試驗開始前調(diào)試風(fēng)道入口速度即渦輪風(fēng)速，打開拖拉機(jī)后輸出軸，拖拉機(jī)后輸出軸轉(zhuǎn)速大小決定渦輪風(fēng)速高低，通過希瑪AS856S風(fēng)速測試儀測量，使其風(fēng)速控制在（20±0.2）m/s。此外，增加傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)對比試驗，用以驗證多風(fēng)道送風(fēng)結(jié)構(gòu)能夠有效減少霧滴漂移，試驗時調(diào)整工作參數(shù)，依據(jù)戴奮奮“置換原則”，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使得風(fēng)機(jī)單位時間內(nèi)輸入風(fēng)量一定，確保對比試驗結(jié)果由“輸風(fēng)方式”這一單一因素改變。調(diào)試過后開始試驗，試驗過程拖拉機(jī)作業(yè)速度1.25 m/s，全程噴施清水。試驗過后，待葉片上的霧滴蒸發(fā)干采集水敏紙，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2 數(shù)據(jù)處理

將采集好的水敏紙如圖8所示，進(jìn)行掃描處理，通過Image-master軟件進(jìn)行霧滴信息后處理，經(jīng)過框選提取水敏紙、調(diào)節(jié)霧滴背景像素、霧滴背景剝離、霧滴反選、降噪篩選干擾因子等過程最后統(tǒng)計結(jié)果。提取結(jié)果中的霧滴沉積密度進(jìn)行匯總分析。對提取的霧滴沉積密度根據(jù)公式進(jìn)行變異系數(shù)計算，變異系數(shù)越小，霧滴分布越均勻：

圖8 水敏紙采集示意圖Fig.8 Schematic diagram of water sensitive paper collection

式中CV—變異系數(shù)，%；S—標(biāo)準(zhǔn)差；—霧滴平均沉積密度，滴/cm2。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 噴霧機(jī)兩側(cè)霧滴沉積一致性分析

為驗證多風(fēng)道果園風(fēng)送噴霧機(jī)風(fēng)道主體部分氣流場均勻分布，設(shè)置了A1與A2、A3與A4、A5與A6 3組對照組，每組對照分別在5行進(jìn)行試驗，將兩側(cè)霧滴沉積密度平均值值做成下表1，并對其兩側(cè)相對誤差進(jìn)行計算。

表1 兩側(cè)霧滴沉積密度對比Table1 Comparison of droplet deposition density on both sides

通過對3個組別上中下以及葉面葉背的霧滴沉積密度進(jìn)行統(tǒng)計，噴霧機(jī)兩側(cè)霧滴沉積密度相對差值均在10%以下，個別組別的相對差值大于10%，分析其原因可能受到環(huán)境風(fēng)速的影響導(dǎo)致兩側(cè)霧滴沉積密度偏差較大。噴霧機(jī)東西兩側(cè)霧滴沉積密度相對差值集中在10%以下，表明多風(fēng)道果園風(fēng)送噴霧機(jī)4個出風(fēng)口處氣流場分布一致，與軟件模擬結(jié)果相吻合。變異系數(shù)CV值在10%以下，參考文獻(xiàn)［21］中的變異系數(shù)值，多風(fēng)道果園風(fēng)送噴霧機(jī)整體施藥效果均勻。

4.2 霧滴噴霧效果驗證

霧滴沉積密度對比如圖9所示，當(dāng)渦輪風(fēng)速在（20±0.2）m/s時，多風(fēng)道果園風(fēng)送噴霧機(jī)的沉積密度均在果園風(fēng)送噴霧國家標(biāo)準(zhǔn)20滴/cm2上。試驗過程中，布置水敏紙的位置位于距離樹干較近的葉片上，此時葉背的霧滴沉積密度同樣高于20滴/cm2，表明試驗用噴霧機(jī)對于果樹冠層的穿透效果較好，噴霧機(jī)氣流能夠擾動葉片使得霧滴在葉面和葉背上有效沉積，達(dá)到果園風(fēng)送噴霧標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 霧滴沉積密度對比圖Fig.9 Comparison of droplet deposition density

4.3 霧滴漂移效果對比

進(jìn)行對比試驗時，監(jiān)測2種噴霧機(jī)進(jìn)行50 m噴霧試驗的藥液消耗量，多風(fēng)道風(fēng)送噴霧機(jī)和傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧機(jī)分別為8.0 L和12 L，多風(fēng)道送風(fēng)機(jī)構(gòu)相較傳統(tǒng)送風(fēng)機(jī)構(gòu)節(jié)省藥量約33.3%。對2種噴霧機(jī)5組重復(fù)試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，如圖10所示。數(shù)據(jù)顯示2種噴霧機(jī)霧滴沉積密度均值分別為67.67滴/cm2和72.01滴/cm2，差值為5.1%，在多風(fēng)道風(fēng)送噴霧機(jī)藥液消耗量少的情況下，能夠驗證該多風(fēng)道送風(fēng)機(jī)構(gòu)可以有效減少霧滴漂移。

圖10 霧滴沉積密度對比圖Fig.10 Comparison of droplet deposition density

5 結(jié)論

通過STAR CCM+流體分析軟件對多風(fēng)道果園風(fēng)送噴霧機(jī)風(fēng)道主體部分進(jìn)行氣流場分析，并通過田間試驗對模擬分析結(jié)果進(jìn)行驗證，得出以下結(jié)論：

（1）多風(fēng)道果園風(fēng)送噴霧機(jī)風(fēng)道主體部分出風(fēng)口壓力分布均勻，通過田間試驗，對噴霧機(jī)兩側(cè)霧滴沉積密度進(jìn)行統(tǒng)計分析，與模擬結(jié)果相吻合，兩側(cè)差值集中在10%以下，噴霧機(jī)在實際作業(yè)過程中兩側(cè)霧滴沉積一致；

（2）當(dāng)入口速度為20 m/s時，噴霧機(jī)出口風(fēng)速滿足戴奮奮的“末速度置換原則”，田間試驗數(shù)據(jù)表明，霧滴沉積密度均在果園風(fēng)送噴霧標(biāo)準(zhǔn)20滴/cm2以上，模擬分析結(jié)果得以驗證；

（3）對比傳統(tǒng)風(fēng)送式噴霧機(jī)，2種噴霧機(jī)霧滴沉積密度均值為67.67滴/cm2和72.01滴/cm2，相差5.1%，而藥液消耗量減少33.33%，因此多風(fēng)道送風(fēng)機(jī)構(gòu)藥液漂移減少，滿足設(shè)計要求。