側(cè)向風(fēng)對(duì)航空植保無(wú)人機(jī)平面扇形噴頭霧滴飄移的影響

陳盛德，展義龍，蘭玉彬，燕穎斌，錢士程，陳威任，陳樂君

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院/國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心，廣東 廣州 510642)

農(nóng)藥噴施是減少病蟲害、提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵手段[1]，農(nóng)藥噴施過程受到諸如噴頭型號(hào)、藥液噴施量、液滴頻譜、噴霧器上噴頭姿態(tài)等的影響[2-3]，不同的作業(yè)方式和作業(yè)環(huán)境往往導(dǎo)致不同的作業(yè)效果，不適宜的作業(yè)環(huán)境與作業(yè)方式會(huì)使藥液飄失并產(chǎn)生藥害。作為減少農(nóng)藥用量、降低農(nóng)藥殘留和污染的途徑之一，農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)近幾年在我國(guó)迅速發(fā)展，并受到各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[4]。低容量或超低容量噴霧是農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)的主要噴霧方式[5]，由于噴施霧滴粒徑小，易產(chǎn)生飄移，探明環(huán)境風(fēng)速對(duì)噴施霧滴霧化特性及飄移的影響規(guī)律是施藥技術(shù)的關(guān)鍵。野外實(shí)地試驗(yàn)[6-7]、風(fēng)洞試驗(yàn)[8]、仿真模擬[9]是測(cè)量噴霧沉積飄移的常用手段。野外實(shí)地試驗(yàn)難以控制風(fēng)速、可重復(fù)性差、成本高昂。相較于野外實(shí)地試驗(yàn)，風(fēng)洞試驗(yàn)和仿真模擬能夠模擬真實(shí)風(fēng)速、風(fēng)向等氣象環(huán)境，準(zhǔn)確控制相關(guān)參數(shù)，試驗(yàn)重復(fù)性好、可靠性高，已成為研究航空噴施霧滴霧化及飄移特性的主流方法[10-12]。風(fēng)洞試驗(yàn)可以根據(jù)試驗(yàn)需求對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而模擬無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)的真實(shí)飛行環(huán)境，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用風(fēng)洞模擬自然風(fēng)，對(duì)不同參數(shù)下噴頭噴施霧滴參數(shù)特性進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。Teske等[10]以旋轉(zhuǎn)霧化器為研究對(duì)象，利用澳大利亞昆士蘭大學(xué)的開路式風(fēng)洞對(duì)霧滴霧化效果進(jìn)行了研究，并建立了相關(guān)數(shù)據(jù)模型。Kirk[13]通過改變不同管道壓力、風(fēng)速和噴頭安裝角度，對(duì)CP系列噴頭進(jìn)行了霧滴粒徑擬合，預(yù)測(cè)不同參數(shù)下噴頭霧滴粒徑大小。Fritz等[14]和Hoffmann等[15]基于美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)航空研究中心的航空施藥風(fēng)洞，研究了高低速條件下的霧滴粒徑分布規(guī)律；Martin等[16]利用該風(fēng)洞對(duì)靜電噴霧在不同風(fēng)速條件下的霧滴分布規(guī)律進(jìn)行了研究。曾愛軍等[17]針對(duì)常用扇形噴頭霧化特性進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)飄移潛在指數(shù)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)霧滴粒徑和風(fēng)速是影響霧滴飄移的主要因素。張慧春等[18]通過在昆士蘭大學(xué)的風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了風(fēng)速、噴頭結(jié)構(gòu)型號(hào)、藥劑和采樣距離對(duì)霧滴飄失的影響，建立了包含這4個(gè)因素的多元非線性霧滴飄移特性模型，提供了判斷噴頭霧譜等級(jí)的量化標(biāo)準(zhǔn)。唐青等[19]基于北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心自主設(shè)計(jì)制造的IEA-I型高速風(fēng)洞，采用馬爾文Spraytec霧滴粒度儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭和空氣誘導(dǎo)噴頭在高速氣流條件下的霧化特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)速的增加，霧滴體積中徑逐漸減少；管道壓力的變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭的霧滴體積中徑影響較大。

在仿真模擬方面，隨著流體力學(xué)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)軟硬件性能的提升，相關(guān)學(xué)者基于仿真模擬方法、針對(duì)噴施霧滴霧化和分布特性也開展了一系列的研究工作。Dekeyser等[2]通過計(jì)算流體力學(xué)(Computational fluid dynamics，CFD)模擬技術(shù)，對(duì)幾種常用噴頭的羽流分布和附帶空氣流進(jìn)行研究，證明了液體分布與產(chǎn)生的空氣流動(dòng)直接相關(guān)。Duga等[20]考慮樹木結(jié)構(gòu)、冠層風(fēng)流和噴霧器的運(yùn)動(dòng)，通過建立三維CFD模型，評(píng)估計(jì)算果園噴霧器噴霧沉積和飄移，并對(duì)不同噴嘴布置的蘋果園進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。Hong等[21]開發(fā)了一個(gè)綜合CFD模型，預(yù)測(cè)了空氣輔助噴霧器在樹冠內(nèi)部和周圍的風(fēng)速分布，并與實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明該模型可以合理預(yù)測(cè)空氣輔助噴霧器排出的空氣分布。孫國(guó)祥等[22]基于三維模擬離散相技術(shù)建立了不同噴霧高度和風(fēng)速下的霧滴沉積量和沉積率預(yù)測(cè)模型。劉雪美等[23]利用三維流場(chǎng)模擬多相流模型研究了在自然風(fēng)影響、輔助氣幕脅迫和自身重力作用下，連續(xù)相和霧滴粒子群離散相耦合的交互作用對(duì)霧滴沉積的影響。風(fēng)洞試驗(yàn)和仿真模擬是研究噴頭霧化及霧滴沉積飄移特性的重要手段，鮮見有人將風(fēng)洞試驗(yàn)與仿真模擬結(jié)合起來(lái)研究航空噴施作業(yè)藥液霧滴霧化和沉積過程。本文以航空噴施作業(yè)常用的Lechler系列LU 120-015和LU 120-03標(biāo)準(zhǔn)扇形壓力式噴頭為研究對(duì)象，通過仿真模擬將噴頭噴施霧滴分布特性可視化，探究霧滴的沉積和飄移分布特性，結(jié)合實(shí)際的風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，并對(duì)其噴施過程的霧滴飄移特性進(jìn)行分析，以期為航空植保噴施實(shí)際作業(yè)過程中作業(yè)參數(shù)的選擇和關(guān)鍵部件改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐和理論指導(dǎo)。

1 模型構(gòu)建及模擬

1.1 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

如圖1所示，在Ansys15.0 Workbench下集成三維建模軟件Geometry中建立模擬計(jì)算域模型，模擬計(jì)算域設(shè)為長(zhǎng) 20.0 m (x：?2.5～17.5 m)、入口處寬 2.0 m (z：?1.0～1.0 m)、出口處寬 2.2 m (z：?1.1～1.1 m)、高 1.1 m (y:0～1.1 m)的箱體。為方便后期統(tǒng)計(jì)，在計(jì)算域底面以原點(diǎn)(0，0，0)為圓心建立一個(gè)狹長(zhǎng)橢圓面Aface，用于后期統(tǒng)計(jì)霧滴準(zhǔn)確沉積，沉積面在距噴霧口高度為l的平行面上，Aface是以噴嘴軸心為圓心、a為半長(zhǎng)軸、b為半短軸的橢圓。計(jì)算公式如下：

圖 1 模擬流體域線框圖Fig. 1 Wireframe of simulated fluid domain

式中，a為準(zhǔn)確沉積區(qū)域的半長(zhǎng)軸、b為準(zhǔn)確沉積區(qū)域的半短軸，m；Aface為霧滴準(zhǔn)確沉積區(qū)域，m2；θ1為噴射半角，(°)；θ2為噴霧擴(kuò)散角，(°)；l為沉積面高度，此處為 0.6 m；la為噴口半短軸，此處為0.095 mm；lb為虛擬原點(diǎn)到噴口距離，此處為1.200 mm。同時(shí)，在計(jì)算域內(nèi)x=2～15 m 處以 1 m等間距建立多個(gè)面，用以切割上述霧滴沉積面，用Meshing進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，為保證后期結(jié)果準(zhǔn)確性，劃分過程優(yōu)先考慮網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)劃分單元總數(shù)為300 163個(gè)。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

1.2.1 連續(xù)相模型選擇 本文采用基于壓力的瞬態(tài)模擬求解，考慮重力作用。為精確模擬和捕捉空氣流場(chǎng)細(xì)節(jié)，根據(jù)噴霧氣流特征，連續(xù)相湍流模型采用Launder和Spalding提出的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[24]，該模型在保證雷諾應(yīng)力求解計(jì)算精度的條件下具有較好的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，近壁面處理方法為標(biāo)準(zhǔn)壁面功能。

1.2.2 離散相模型選擇 霧滴輸送方程采用歐拉?拉格朗日方法[25]求解，其離散相顆粒運(yùn)動(dòng)方程如下：

噴嘴模型采用平面扇形噴嘴模型(Flat-fan atomizer model)，霧化破碎模型采用線性化不穩(wěn)定液膜霧化模型。噴霧模擬考慮離散相霧滴碰撞和聚合，判斷霧滴合并和反彈主要根據(jù)Rourke等[26]得到的臨界值，臨界值是碰撞韋伯?dāng)?shù)和集合霧滴管與小液滴半徑的函數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中，bcrit為判斷霧滴碰撞合并或反彈的臨界值，m；r1、r2為小液滴半徑，m；f為r1/r2的函數(shù)；W為碰撞韋伯?dāng)?shù)，霧滴碰撞二次破碎模型選用Taylor破碎模型(TAB)。

1.2.3 模擬試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置 1) 離散相噴射源參數(shù)：離散相材料為水，離散相釋放位置坐標(biāo)為(x，y，z)=(0，0.6，0)；噴嘴軸向矢量分量為 (x，y，z)=(0，?1，0)；霧滴質(zhì)量流率為 0.02 kg/s；噴射半角為 60°；噴霧擴(kuò)散角為6°。啟用非穩(wěn)態(tài)粒子追蹤，采用離散隨機(jī)游走模型，粒子釋放時(shí)間尺度常數(shù)為0.01 s。

2) 邊界條件參數(shù)：對(duì)于流體邊界條件(Boundary condition)：箱體域x=?2.5 m 平面為速度入口邊界 (Velocity-inlet)，速度分別設(shè)置為 0、1、2、3、4、5 和 6 m/s；x=17.5 m 平面為自由出流邊界(Outflow)；其他面均為壁面邊界(Wall)。對(duì)于離散相的邊界條件類型 (DPM boundary condition type)，入口處和出口處為逃逸(Escape)，地面為形成液膜(Wall-film)，其余均為反彈(Reflect)，計(jì)算區(qū)域內(nèi)部材料為空氣。

3) 求解方法及模擬參數(shù)：壓力?速度耦合方式為SIMPLE，瞬態(tài)公式為二階隱式，亞松弛因子保持默認(rèn)設(shè)置。求解開始前對(duì)全局進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)初始化，求解時(shí)迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.010 s。當(dāng)研究風(fēng)速對(duì)霧滴粒徑影響時(shí)，模擬噴施時(shí)長(zhǎng)0.005 s，噴施開始前開啟風(fēng)場(chǎng)，待模擬區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定后開始噴霧，噴霧結(jié)束后延遲0.010 s統(tǒng)計(jì)流場(chǎng)域中的全部粒子粒徑分布，目的是讓噴施的離散相粒子可以在空中充分碰撞或聚合，此時(shí)離散相粒子距離噴頭平均長(zhǎng)度為0.35 m，達(dá)到常規(guī)的霧滴統(tǒng)計(jì)位置；當(dāng)研究霧滴沉積飄移特性時(shí)，模擬噴霧時(shí)長(zhǎng)5 s，同樣，噴霧開始前開啟風(fēng)場(chǎng)，待模擬區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定后開始噴霧，噴霧結(jié)束后風(fēng)場(chǎng)保持開啟一段時(shí)間，直到空間內(nèi)霧滴被地面捕捉或離開計(jì)算域。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備和材料

本試驗(yàn)所用風(fēng)洞位于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空中心風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，為符合ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 22856)的高低速?gòu)?fù)合風(fēng)洞。試驗(yàn)過程中為消除因壁面湍流和霧滴反彈造成的試驗(yàn)誤差，風(fēng)洞底面鋪設(shè)防飛濺人工草皮。風(fēng)速測(cè)量設(shè)備為加野麥克斯公司生產(chǎn)的 Kanomax 6036-BG Anemomaster帶壓力傳感器式數(shù)字風(fēng)速計(jì)。噴霧系統(tǒng)是由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所設(shè)計(jì)的噴霧控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由延時(shí)繼電器、儲(chǔ)水箱、增壓泵、卸壓閥、壓力表、噴施管道以及噴頭(德國(guó)Lechler系列LU 120-015和LU 120-03標(biāo)準(zhǔn)扇形壓力噴頭)組成，通過調(diào)節(jié)減壓閥出口壓力，能夠精確控制噴施壓力，通過調(diào)節(jié)繼電器模式，可以定時(shí)噴施。熒光度檢測(cè)設(shè)備為天津港東科技發(fā)展有限股份公司生產(chǎn)的F-380熒光分光光度計(jì)及配套軟件。

2.2 風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將噴頭安裝在風(fēng)洞內(nèi)距離風(fēng)洞底面0.6 m的中心支架上，調(diào)整噴嘴方向，使噴嘴豎直朝下，噴施扇面橢圓長(zhǎng)軸方向和來(lái)風(fēng)方向垂直。試驗(yàn)介質(zhì)選用可溶性熒光示蹤劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的羅丹明?B)水溶液，采用直徑為1 mm的聚乙烯線進(jìn)行霧滴收集。在下風(fēng)向距離噴頭平面2 m的位置，由風(fēng)洞地面向上0.1～0.8 m放置8根間距為0.1 m的收集線，用以檢測(cè)穿過垂直平面空氣的霧滴通量，分別命名為V1～V8；其中，設(shè)置距離地面為0.1 m收集線的目的是消除由于風(fēng)的湍流和霧滴在地面的飛濺導(dǎo)致對(duì)收集線的污染。此外，沿水平方向在距離地面0.1 m高的位置以1.0 m的間隔距離放置13根收集線，以檢測(cè)噴霧從2～15 m范圍內(nèi)的水平飄失，分別命名為H3～H15。根據(jù)植保無(wú)人機(jī)的航空植保噴施作業(yè)規(guī)范，環(huán)境側(cè)風(fēng)大于3級(jí)風(fēng)時(shí)不能進(jìn)行噴施作業(yè)，選擇1、3、6 m/s的風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，每次噴施時(shí)間為5 s，噴施結(jié)束后待附著在線上的霧滴充分晾干，戴上一次性橡膠手套收集聚乙烯線并單獨(dú)放置在編好號(hào)的自封袋中，避光低溫保存，及時(shí)處理，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。風(fēng)洞試驗(yàn)布置如圖2所示。

圖 2 風(fēng)洞試驗(yàn)布置圖Fig. 2 The layout of wind tunnel test

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)及數(shù)據(jù)處理

霧滴水平飄移率(Rh)以距離地面0.1 m布置的13根聚乙烯線收集的霧滴沉積量占噴頭噴施霧滴的百分比來(lái)表示，計(jì)算公式如下：

式中，Ad為噴霧過程中，霧滴在收集線上的沉積總量，μg；n為收集線的數(shù)量；di為第i根收集線上示蹤劑的沉積，μg；s為收集線間的距離，m；w為收集線的直徑，本試驗(yàn)中的w為0.001 m；Ta為噴施示蹤劑的質(zhì)量，μg；v為噴霧體積，L；c為示蹤劑質(zhì)量濃度，μg/L。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

無(wú)側(cè)向風(fēng)條件下，噴頭的霧滴在風(fēng)洞內(nèi)部的沉積分布模擬情況如圖3所示。由圖3可以看出，無(wú)側(cè)向風(fēng)時(shí)，噴嘴離散相霧滴以噴射半角為60°的扇形面分布，并以6°的擴(kuò)散角向外擴(kuò)散，除空間中的極少數(shù)無(wú)序離散相粒子外，絕大部分離散相粒子均在式(1)～(3)所求得的橢圓范圍內(nèi)。

圖 3 無(wú)側(cè)風(fēng)影響下離散相在空間中的分布情況Fig. 3 Distribution of discrete phases in space without crosswind

圖4為無(wú)側(cè)風(fēng)條件下霧滴在橢圓面內(nèi)準(zhǔn)確沉積比例(Ra)和水平飄移率(Rh)的沉積分布，不同顏色代表不同的離散相沉積質(zhì)量濃度，藍(lán)色向紅色漸變代表濃度逐漸加大。由圖4可知，在無(wú)側(cè)向風(fēng)時(shí)，計(jì)算機(jī)模擬所得離散相霧滴在底面上的沉積質(zhì)量濃度云圖與通過式(1)～(3)計(jì)算所得區(qū)域基本一致，均沉積在以噴嘴為中心的橢圓區(qū)域。由于噴嘴正下方中間區(qū)域直接噴射且噴口中間較寬，所以離散相粒子能大量沉積；底面中心向兩側(cè)的沉積量逐漸下降，主要是由于噴嘴噴口兩側(cè)較窄，且噴施霧滴在z軸方向的運(yùn)動(dòng)勢(shì)能隨噴施時(shí)間的增加而減小，因此，霧滴粒子在噴施范圍內(nèi)霧量沿z方向總體上呈先增大后減小的正態(tài)分布。另外，由沉積比例圖可以看出，風(fēng)洞壁兩側(cè)處也出現(xiàn)較大濃度的霧滴沉積，這主要是由于單噴頭噴幅兩側(cè)的部分霧滴在運(yùn)動(dòng)勢(shì)能減小的情況下向兩側(cè)發(fā)生了擴(kuò)散，并與風(fēng)洞側(cè)壁碰撞反彈至底部從而產(chǎn)生一定的霧滴沉積。

圖 4 模擬離散相在底面上的沉積濃度云圖Fig. 4 The cloud map of discrete phase deposite concentration on the bottom surface

為更好地反映出不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速參數(shù)下的離散相霧滴分布特性，選擇適當(dāng)?shù)囊暯且苑从畴x散相霧滴沉積質(zhì)量濃度區(qū)間。圖5為側(cè)風(fēng)風(fēng)速為0～6 m/s時(shí)霧滴在計(jì)算區(qū)域內(nèi)Ra和Rh的沉積分布圖。由圖5可以看出，隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加，霧滴水平飄移越來(lái)越明顯，高濃度沉積區(qū)域逐漸偏離噴霧中心軸線(x=0 m)朝下風(fēng)向偏移，沉積質(zhì)量濃度大于0.008 kg/m3的x軸區(qū)域邊界由 5 m 逐漸推移至 13 m。對(duì)于沉積在底面上的霧滴，x軸向沉積質(zhì)量濃度分布變化明顯，z軸向霧滴沉積質(zhì)量濃度分布接近對(duì)稱，從z軸中心軸線向兩側(cè)呈現(xiàn)出由低到高再到低的“M”型分布。對(duì)于下風(fēng)向的離散相沉積質(zhì)量濃度，底面與兩壁交接處有2段沉積質(zhì)量濃度很高的窄條，在距兩側(cè)壁面0.1 m處存在一塊沉積質(zhì)量濃度較低的區(qū)域，且隨著風(fēng)速增大，區(qū)域沿x軸方向逐漸拉長(zhǎng)。

圖 5 不同風(fēng)速下的霧滴分布圖Fig. 5 Distribution of droplets at different wind speeds

圖6為在x=1 m平面內(nèi)氣流的z方向分速度云圖和風(fēng)洞內(nèi)x軸方向的流線圖。由圖6的云圖可見，霧滴粒子由藍(lán)向紅運(yùn)動(dòng)的方向表示z方向分速度由負(fù)變?yōu)檎混F滴粒子在x=1 m處的分速度近似對(duì)稱分布，表明離散相粒子在x=1平面及其附近空間內(nèi)存在著渦旋運(yùn)動(dòng)。圖6的流線圖可以看出，從入口處進(jìn)入的平行氣流通過扇形噴霧面后形成2個(gè)關(guān)于xy平面對(duì)稱的渦旋，渦旋的影響范圍超出噴霧的初始位置，導(dǎo)致霧滴在一定空間范圍內(nèi)出現(xiàn)上揚(yáng)；在此處兩側(cè)下風(fēng)向的小霧滴很容易被卷到噴施扇面后方，導(dǎo)致小霧滴均沉積在靠近風(fēng)洞中心平面處，此時(shí)離散相呈現(xiàn)出非流體特性，說明離散相霧滴和連續(xù)相空氣相互耦合且彼此影響。

圖 6 在x=1 m平面內(nèi)離散相粒子z方向分速度矢量圖Fig. 6 z-direction velocity of discrete phase particles in the plane with x=1 m

為進(jìn)一步表明側(cè)向風(fēng)速對(duì)霧滴飄移的影響，用狹長(zhǎng)橢圓內(nèi)霧滴沉積質(zhì)量占總的離散相沉積質(zhì)量的比例來(lái)表示某一風(fēng)速下的Ra，用下風(fēng)向2 m后地面和出風(fēng)口捕獲霧滴沉積量占總的沉積質(zhì)量的比例來(lái)表示某一風(fēng)速下的Rh，根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬針對(duì)風(fēng)洞內(nèi)底面上不同區(qū)域的霧滴沉積質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算霧滴在不同風(fēng)速下的Ra和Rh，結(jié)果如圖7所示。

圖 7 側(cè)風(fēng)影響下模擬離散相準(zhǔn)確沉積率和水平飄移率Fig. 7 Accurate deposition rate and horizontal drift rate of simulated discrete phases under crosswind

由圖7可以看出，隨著側(cè)向風(fēng)速的增加，模擬離散相的Ra呈指數(shù)下降，由14.11%降到0.66%；Rh呈線性增加，由14.25%增加到60.58%?？梢?，隨著側(cè)向風(fēng)速的增大，離散相霧滴飄移程度越來(lái)越嚴(yán)重。為進(jìn)一步分析沉積結(jié)果和側(cè)向風(fēng)速的相關(guān)性，對(duì)Ra、Rh與風(fēng)速(v)分別進(jìn)行回歸分析，回歸方程分別為：Ra=0.1476e?0.529v(R2=0.995)和Rh=0.0796v+0.1456(R2=0.995)，對(duì)應(yīng)的顯著性水平P值分別為 0.0063 和 0.0036，均達(dá)極顯著相關(guān)(P<0.01)，表明隨著側(cè)向風(fēng)速的增加，離散相Ra呈指數(shù)式降低、Rh呈線性增加；側(cè)向風(fēng)速的增加不利于噴施霧滴在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的準(zhǔn)確沉積，容易造成飄移。

3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)LU 120-015和LU 120-03噴頭在不同風(fēng)速下的霧滴飄移進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，噴施壓力為0.3 MPa，側(cè)向風(fēng)速分別為1、3和6 m/s，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，在側(cè)風(fēng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)，噴頭在下風(fēng)向2 m處的豎直平面內(nèi)霧滴通量由下至上逐漸減小；在側(cè)風(fēng)風(fēng)速為3和6 m/s時(shí)，霧滴通量先增大后減小?？梢?，當(dāng)側(cè)向風(fēng)速較小時(shí)，在噴頭壓力作用下，霧滴上揚(yáng)程度低，主要向底部運(yùn)動(dòng)；當(dāng)側(cè)向風(fēng)速增加時(shí)，較大的側(cè)向風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致噴出的霧滴上揚(yáng)，此時(shí)霧滴在豎直平面內(nèi)的分布呈先增加后減少的趨勢(shì)。

圖 8 不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下LU 120-015和LU 120-03噴頭霧滴在采集線上的沉積分布Fig. 8 The deposition and distribution of droplets of LU 120-015 and LU 120-03 nozzles on the sample line at different crosswind speeds

對(duì)于下風(fēng)向2 m及大于2 m的霧滴沉積飄移量，在不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速條件下，隨著收集線離噴頭水平距離的增加，霧滴沉積量均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，但下降速率有一定的差異。當(dāng)側(cè)向風(fēng)速為3 m/s時(shí)，隨采樣距離的增加，霧滴沉積量下降速率大于側(cè)向風(fēng)速為6 m/s時(shí)。相對(duì)于大霧滴，小霧滴沉降速度慢，隨著風(fēng)速逐漸增加，側(cè)向風(fēng)對(duì)霧滴水平飄移距離的影響也逐漸增大，小霧滴更容易受到側(cè)向風(fēng)的影響，且風(fēng)速越大，霧滴的飄移距離越遠(yuǎn)。當(dāng)側(cè)向風(fēng)速為3 m/s時(shí)，飄移的霧滴及數(shù)量非常小，沉積量下降速率較快；側(cè)向風(fēng)速為6 m/s時(shí)的沉積情況相反，且同一位置采集到的霧滴沉積量大于3 m/s時(shí)的霧滴沉積量?？梢?，側(cè)向風(fēng)速較大時(shí)霧滴飄移的數(shù)量及粒徑增加，從而導(dǎo)致在同一位置處采集到的霧滴沉積量較大。通過計(jì)算得到3種側(cè)風(fēng)風(fēng)速下霧滴飄移量分布的特征高度(h)分別為0.175、0.200和0.245 m，對(duì)應(yīng)的水平飄移率分別為0.4%、48.1%和75.1%，這與霧滴飄移量隨著風(fēng)速的增大而逐漸增加的規(guī)律相吻合。

通過統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果中豎直單位距離內(nèi)的離散相粒子沉積質(zhì)量，獲得模擬結(jié)果的飄移量數(shù)據(jù)。將風(fēng)洞內(nèi)水平布置的V1(H2)、H3～H15聚乙烯線上的羅丹明?B沉積質(zhì)量與收集距離進(jìn)行線性擬合，反推得出在一定距離下的霧滴飄移量數(shù)據(jù)。通過SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析可知，在1、3和6 m/s側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，風(fēng)洞實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬的霧滴飄移量的相關(guān)系數(shù)分別為0.905、0.995和0.978。對(duì)計(jì)算機(jī)模擬的霧滴水平飄移率(Rht)和風(fēng)洞試驗(yàn)中霧滴水平飄移率(Rhs)進(jìn)行相關(guān)分析，其表達(dá)式為Rht=1.888Rhs?0.3533 (R2=0.963)，對(duì)應(yīng)的顯著性水平P值為 0.038(P<0.05)，表明兩者具有較強(qiáng)的相關(guān)性，從而驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文以航空植保無(wú)人機(jī)平面扇形噴頭為研究對(duì)象，采用CFD離散相模型的粒子跟蹤技術(shù)方法模擬霧滴在低風(fēng)速條件下的沉積飄移特性，并結(jié)合相近情況下的風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)扇形噴頭的霧滴沉積飄移特性進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：

1)通過對(duì)模型結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和分析，隨著側(cè)向風(fēng)速的增加，模擬離散相粒子的準(zhǔn)確沉積率(Ra)由14.11%呈指數(shù)下降到0.66%，水平飄移率(Rh)由14.25%呈線性增加到60.58%，可見，隨著側(cè)向風(fēng)速的增大，離散相霧滴飄移程度越嚴(yán)重，霧滴水平飄移越明顯。

2)在不同的側(cè)向風(fēng)速下，霧滴在豎直平面內(nèi)的分布有差異。計(jì)算得出1、3和6 m/s風(fēng)速下霧滴的飄移量分布的特征高度(h)分別為0.175、0.200和0.245 m，水平飄移率分別為0.4%、48.1%和75.1%，可見，隨側(cè)向風(fēng)速的增加，霧滴飄移程度急劇增加。

3)通過對(duì)比計(jì)算機(jī)模擬與風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果可知，設(shè)置合適的噴施參數(shù)，計(jì)算機(jī)模擬可以獲得與風(fēng)洞測(cè)試試驗(yàn)有一定相關(guān)性的霧滴飄移結(jié)果；對(duì)比計(jì)算機(jī)模擬及風(fēng)洞測(cè)試試驗(yàn)的水平飄移率發(fā)現(xiàn)，兩者具有顯著的相關(guān)性(R2=0.963，P<0.05)，說明數(shù)值模擬和風(fēng)洞測(cè)試試驗(yàn)結(jié)合對(duì)于霧滴飄移具有較好的預(yù)測(cè)效果。