基于Fluent的風(fēng)送式噴霧機導(dǎo)流器仿真分析

胡 煜， 劉爍玲， 汪 屈， 宋淑然， 孫道宗

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院/人工智能學(xué)院，廣州 510642）

0 引 言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，施藥是一個重要的環(huán)節(jié)，隨著農(nóng)藥的使用量在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不斷增加，農(nóng)藥利用率低、浪費嚴重、環(huán)境污染等負面問題也日趨突出［1］。目前，國內(nèi)外較為先進的施藥技術(shù)有多種，如自動對靶施藥技術(shù)［2-3］、靜電噴霧技術(shù)［4］等。當前推廣使用最好的噴霧技術(shù)是氣力輔助風(fēng)送技術(shù)中的風(fēng)送式噴霧機［5-9］。風(fēng)送式噴霧技術(shù)的實施不僅減少了農(nóng)藥的使用量，還提高了農(nóng)藥液滴的均勻度和覆蓋密度，有著廣闊的農(nóng)業(yè)植保應(yīng)用前景［10-14］。

為改善風(fēng)送式噴霧機的綜合性能，對風(fēng)送式噴霧機進行仿真模擬和研究分析。Endalew等［15］利用流體動力學(xué)（computer fluid dynamics，CFD）建立風(fēng)送式噴霧機的仿真模型，研究噴霧機出口氣流速度高、低的分布，證實氣流逆向線性衰減。García-Ramos等［16］采用3D超聲波風(fēng)速計測量了雙風(fēng)機噴霧機地面以上4 m空間內(nèi)的氣流速度，驗證仿真模型以風(fēng)機進風(fēng)量為主要參數(shù)的相關(guān)性，其模擬值與測量值相關(guān)系數(shù)達0.859，具有良好的相關(guān)性。徐奕蒙等［17］利用計算流體力學(xué)仿真技術(shù)探究了安裝角度對風(fēng)送系統(tǒng)的氣流速度場的影響，并實現(xiàn)依據(jù)樹木冠的形狀來調(diào)整風(fēng)送式系統(tǒng)的傾角與高度，以適應(yīng)不同種類和不同生長時期的樹木，減少渦流和能量的損失。宋俊偉等［18］針對風(fēng)送式噴桿噴霧機對矮化密植農(nóng)作物的施藥效果不均勻的問題，設(shè)計出一種新型風(fēng)送式噴霧機風(fēng)筒，對風(fēng)筒內(nèi)外氣流速度場進行力學(xué)的仿真，得出外部氣流場風(fēng)速分布越均勻則能量損失越少的結(jié)論。

通過使用Fluent軟件對不同形狀、直徑的風(fēng)送式噴霧機內(nèi)部導(dǎo)流器進行仿真，設(shè)定多組導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真并分析導(dǎo)流器的形狀、直徑對于風(fēng)筒內(nèi)部風(fēng)壓、風(fēng)速等性能的影響，得到優(yōu)化的風(fēng)送式噴霧機導(dǎo)流器。

1 試驗?zāi)Ｐ图胺抡娣桨?/h2>

為了解風(fēng)送式噴霧機的結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)流器對風(fēng)送式噴霧機性能的影響，確定風(fēng)送式噴霧機的仿真試驗?zāi)Ｐ?，以及不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流器的仿真方案。

1.1 風(fēng)送式噴霧機試驗?zāi)Ｐ?/h3>

對于風(fēng)送式噴霧機來說，風(fēng)筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)是非常重要的部分。了解風(fēng)送式噴霧機風(fēng)筒內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)有利于進一步研究。以宋淑然等［19］在風(fēng)送式噴霧機結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗研究中的模型作為參考，試驗?zāi)Ｐ惋L(fēng)筒內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)送式噴霧機試驗?zāi)Ｐ偷娘L(fēng)筒部分主要包括柱形段風(fēng)筒、錐形段風(fēng)筒、風(fēng)扇、導(dǎo)流片和導(dǎo)流器5個部分。其中風(fēng)扇部分，葉片的數(shù)量為9片，葉片的長度為114.5 mm，寬度為82.5 mm，厚度為1 mm，葉片安裝角度為31°，輪轂直徑為0.200 mm，厚度為0.100 mm；其中導(dǎo)流片數(shù)量為5片，厚度為1 mm。仿真試驗中風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 926.5 r/min。

1.2 風(fēng)送式噴霧機導(dǎo)流器仿真方案

利用Fluent軟件［20-22］分別仿真圓柱體、圓錐體、半橢球這3種不同形狀和0.1、0.15、0.2、0.25和0.3 m這5種不同直徑組成的15個導(dǎo)流器的風(fēng)送式噴霧機模型，探究導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)對風(fēng)送式噴霧機性能的影響。

2 仿真過程

Fluent的風(fēng)送式噴霧機導(dǎo)流器的仿真設(shè)計主要分為：利用Gambit建立模型和利用Fluent求解處理。15個風(fēng)送式噴霧機風(fēng)筒模型中，不同的地方在于Gambit中建立的風(fēng)筒模型不同，在Fluent中的求解處理設(shè)置是相同的。本文以直徑為0.2 m的圓柱形導(dǎo)流器模型為例子，描述仿真設(shè)計的步驟。

2.1 利用Gambit建模

此過程包括幾何模型建立、網(wǎng)格劃分和邊界條件類型定義，完成3個主要步驟之后可以導(dǎo)出文件并進行仿真計算。

根據(jù)圖1按順序分別繪制點、線、面、體，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平移后得到幾何模型。創(chuàng)建圓柱段風(fēng)筒和錐形段風(fēng)筒。導(dǎo)流器和導(dǎo)流片，將風(fēng)筒模型導(dǎo)入到風(fēng)扇模型，進行位置調(diào)整，建立基本模型后對模型進行布爾運算。在建模過程中，風(fēng)扇、導(dǎo)流片和導(dǎo)流器都應(yīng)該為空心體，剩下的其他部分應(yīng)該為實心體。噴霧機三維幾何模型如圖2所示。

圖2 噴霧機三維模型圖

利用Split Volume切割主體的方法，將風(fēng)送式噴霧機風(fēng)筒分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5段，對風(fēng)筒的三維模型分段進行網(wǎng)格劃分。完成網(wǎng)格劃分的風(fēng)筒模型如圖3所示。

圖3 風(fēng)筒模型的網(wǎng)格劃分圖

在Gambit中對風(fēng)送式噴霧機風(fēng)筒進行邊界定義。對于風(fēng)筒的入口和出口，分別定義為PRESSUREINLET和PRESSURE-OUTLET類型；對于風(fēng)筒內(nèi)部流體交換面，將分割風(fēng)筒模型的4個切割面定義為INTERIOR類型；對于導(dǎo)流片、導(dǎo)流器、風(fēng)扇面和風(fēng)筒壁面，定義為WALL類型；對于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)輪廓區(qū)域，定義為FLUID類型。

在Gambit中完成模型建立后，導(dǎo)出mesh網(wǎng)格文件，利用Fluent進行求解處理。

2.2 利用Fluent求解并處理

在Fluent軟件中，選擇三維單精度求解器，讀入建立并劃分好的mesh網(wǎng)格文件。對風(fēng)筒三維模型進行網(wǎng)格檢查，查看區(qū)域范圍等網(wǎng)格信息并檢查網(wǎng)格質(zhì)量，確保最小網(wǎng)格體積大于零。對模型進行尺寸修改，將尺寸單位修改成米（m）。再進行單位設(shè)置，對風(fēng)扇速度設(shè)置為轉(zhuǎn)速，單位為r/min。最后調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量，使網(wǎng)格光滑。仿真中使用的求解方法是耦合隱式求解，求解器使用的是k-ε模型中的RNGk-ε模型。對風(fēng)筒模型設(shè)置內(nèi)部流體物質(zhì)屬性，選擇空氣。

針對風(fēng)筒風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用動參考系模型。將風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)輪廓區(qū)域定義為運動區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)設(shè)置為流體區(qū)域，風(fēng)扇壁面定義為動壁面邊界條件；風(fēng)筒的其他部位定義為靜止區(qū)域，采用靜止坐標系。建立動參考系模型之后，給定風(fēng)扇區(qū)不同的旋轉(zhuǎn)速度以進行仿真計算。

在Fluent中對模型進行初始化，即給定未定義邊界和區(qū)域的物理參數(shù)初值以及所選物理模型中的參數(shù)。同時設(shè)置監(jiān)視窗口，即調(diào)出殘差圖、入口質(zhì)量流動速率圖和出口質(zhì)量流動速率圖，以便于在仿真過程中觀察風(fēng)筒內(nèi)部的流體變化。設(shè)置迭代次數(shù)進行仿真計算，設(shè)置成1 000次。

3 仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 仿真結(jié)果判斷

觀察監(jiān)視窗口的曲線軌跡。殘差圖中每個參數(shù)迭代曲線最后走向都趨向平緩，入口和出口的質(zhì)量流動速率曲線圖的走向同樣趨于平緩，迭代計算仿真數(shù)據(jù)穩(wěn)定且收斂，如圖4所示。

圖4 殘差圖

風(fēng)筒進口和出口的質(zhì)量流量差相差極小，可以判斷計算的收斂性，也說明了網(wǎng)格劃分的合理性，如圖5、6所示。

圖5 入口質(zhì)量流動速率圖

圖6 出口質(zhì)量流動速率圖

質(zhì)量流動速率計算的是面積積分，在入口處的流量為正，在出口處的流量為負，說明風(fēng)筒內(nèi)部的氣流從風(fēng)筒入口流動到出口。

3.2 數(shù)據(jù)分析

在給定風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速為2 926.5 r/min的情況下，對3種形狀（圓柱體、半橢球、圓錐體）的導(dǎo)流器以及5種直徑（0.1、0.15、0.2、0.25和0.3 m）的風(fēng)筒模型，分別進行網(wǎng)格劃分并通過Fluent計算仿真得出入口風(fēng)壓（Pa）、入口風(fēng)速（m/s）、出口風(fēng)壓（Pa）、出口風(fēng)速（m·s-1）。壓差通過入口總壓減去出口總壓計算，壓力損失率通過壓差與入口總壓之比計算，出口風(fēng)量通過出風(fēng)口氣流均速與出風(fēng)口面積的乘積計算。其中，風(fēng)筒模型的出風(fēng)口面積均為0.093 43 m2。不同直徑的圓柱體導(dǎo)流器、圓錐體導(dǎo)流器和半橢球?qū)Я髌鞣抡嬗嬎憬Y(jié)果見表1～3。

由表1～3中風(fēng)筒入口、出口的風(fēng)速、總壓值，可得，改變導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致風(fēng)送式噴霧機風(fēng)筒內(nèi)部風(fēng)壓、風(fēng)速和風(fēng)量的變化。風(fēng)筒出口風(fēng)速可分為軸向速度、徑向速度和切向速度這3個速度分量，15個模型的軸向速度、徑向速度和切向速度見表4～6。

表4 圓柱體導(dǎo)流器對應(yīng)風(fēng)筒出口的速度分量

壓力損失用風(fēng)筒出入口的總壓差表示，實際上反映了氣流經(jīng)過風(fēng)送式噴霧機裝置所消耗的機械能。不同形狀與尺寸的導(dǎo)流器同樣會引起不同的壓力損失，由表1～3的數(shù)據(jù)繪制的風(fēng)筒內(nèi)部壓力損失折線圖，如圖7所示。

圖7 風(fēng)筒內(nèi)部壓力損失折線圖

表1 不同直徑的圓柱體導(dǎo)流器仿真結(jié)果

表2 不同直徑的圓錐體導(dǎo)流器仿真結(jié)果

表3 不同直徑的半橢球?qū)Я髌鞣抡娼Y(jié)果

表5 圓錐體導(dǎo)流器對應(yīng)風(fēng)筒出口的速度分量

表6 半橢球?qū)Я髌鲗?yīng)風(fēng)筒出口的速度分量

對比3種導(dǎo)流器形狀，圓柱體導(dǎo)流器對風(fēng)筒內(nèi)部壓力損失的影響最大，圓錐體和半橢球?qū)Я髌鞯挠绊懗潭认嗖畈淮?。隨著導(dǎo)流器直徑增大，圓柱體導(dǎo)流器對應(yīng)的風(fēng)筒內(nèi)部壓力損失率逐漸增大，而部分圓錐體和半橢球?qū)Я髌鞯膲毫p失率增大。

不同形狀與尺寸的導(dǎo)流器對風(fēng)筒出口風(fēng)量和風(fēng)速的影響不同。根據(jù)表1～3的數(shù)據(jù)繪制了風(fēng)筒出口氣流均速折線圖，如圖8所示。

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當導(dǎo)流器的直徑為0.1～0.25 m時，3種不同形狀導(dǎo)流器對風(fēng)筒出口均速的影響規(guī)律基本一致；當導(dǎo)流器直徑為30 cm時，圓柱體導(dǎo)流器對應(yīng)的風(fēng)筒出口均速最小，圓錐體和半橢球?qū)Я髌鲗?yīng)的風(fēng)筒出口均速相差較小。對比5種不同直徑的導(dǎo)流器，3種形狀的導(dǎo)流器在直徑為15 cm時均獲得最大的風(fēng)筒出口均速，而圓錐體和半橢球?qū)Я髌髟谥睆綖?5 cm時獲得最小的風(fēng)筒出口均速。

風(fēng)筒出口軸向速度是指垂直于風(fēng)筒出口面方向往外的風(fēng)速，是風(fēng)送式噴霧機風(fēng)筒出口主要的速度分量。根據(jù)表4～6的數(shù)據(jù)繪制了風(fēng)筒出口軸向速度折線圖，如圖9所示。

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不同形狀與尺寸的導(dǎo)流器對風(fēng)筒出口軸向速度和風(fēng)筒出口均速的影響規(guī)律基本一致，區(qū)別在于軸向速度稍低于出口均速。

風(fēng)筒出口徑向速度是指風(fēng)筒出口面的圓心指向半徑的風(fēng)速，是引起氣流在空間中發(fā)散的速度分量。根據(jù)表4～6的數(shù)據(jù)繪制了風(fēng)筒出口徑向速度折線圖，如圖10所示。

圖10 風(fēng)筒出口徑向速度折線圖

對比3種形狀的導(dǎo)流器，圓柱體和圓錐體導(dǎo)流器對應(yīng)的風(fēng)筒出口徑向風(fēng)速相差不大，隨直徑變化規(guī)律基本相同；半橢球?qū)Я髌鲗?yīng)的風(fēng)筒出口徑向速度最大，且隨直徑的增大而增大。對比5種導(dǎo)流器直徑，3種形狀的導(dǎo)流器均在直徑為10 cm時對應(yīng)的風(fēng)筒出口徑向速度最小。

風(fēng)筒出口切向速度是指風(fēng)筒出口面的圓周切線方向的風(fēng)速，是引起氣流在空間中旋轉(zhuǎn)的速度分量。根據(jù)表4～6的數(shù)據(jù)繪制了風(fēng)筒出口切向速度的折線圖，如圖11所示。

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3種不同形狀的導(dǎo)流器對風(fēng)筒出口切向速度的影響規(guī)律相似，其中圓柱體導(dǎo)流器對應(yīng)的風(fēng)筒出口切向速度比圓錐體導(dǎo)流器的小，半橢球?qū)Я髌鲗?yīng)的風(fēng)筒出口切向速度變化較平緩。對比5種導(dǎo)流器直徑，當導(dǎo)流器直徑為10 cm時，3種形狀的導(dǎo)流器對應(yīng)的風(fēng)筒出口切向速度最大；當導(dǎo)流器直徑為30 cm時，3種形狀的導(dǎo)流器對應(yīng)的風(fēng)筒出口切向速度最小。

直徑為10、15、20、25和30 cm的圓柱體導(dǎo)流器風(fēng)筒縱切面流線圖如圖12（a）～（e）所示。

圖12 圓柱體導(dǎo)流器風(fēng)筒不同縱切面流線圖

4 結(jié) 語

通過使用Fluent仿真軟件對15個不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)送式噴霧機的導(dǎo)流器進行仿真。探究不同形狀和尺寸的導(dǎo)流器對風(fēng)送式噴霧機出口的風(fēng)壓損失、均速、軸向速度、徑向速度以及切向速度的影響規(guī)律。

對比3種不同形狀導(dǎo)流器的仿真結(jié)果得出以下結(jié)論：相比圓柱體導(dǎo)流器，采用半橢球和圓錐體導(dǎo)流器的風(fēng)送式噴霧機產(chǎn)生的壓力損失較小。當導(dǎo)流器直徑小于或等于25 cm時，3種形狀的導(dǎo)流器的出口均速相差不大，最大的均速差不超過1.6 m/s。相比圓柱體和圓錐體導(dǎo)流器，采用半橢球?qū)Я髌鞯娘L(fēng)送式噴霧機產(chǎn)生的徑向速度較大，風(fēng)筒出口氣流較收斂。

對比5種不同直徑導(dǎo)流器的仿真結(jié)果得出以下結(jié)論：當導(dǎo)流器直徑逐漸減小，風(fēng)送式噴霧機產(chǎn)生的壓力損失總體上減少。當導(dǎo)流器直徑為10～20 cm時，隨著導(dǎo)流器直徑的增加，風(fēng)送式噴霧機的出口均速基本不變，出口均速在19.0～21.1 m/s之間波動。當導(dǎo)流器的直徑逐漸增大時，風(fēng)筒出口切向速度總體上減小，即風(fēng)筒出口的旋轉(zhuǎn)氣流逐漸減少。

不同形狀和尺寸的導(dǎo)流器會影響風(fēng)送式噴霧機的壓力損失和出口均速以及3個速度分量，從而影響風(fēng)送式噴霧機的綜合性能。通過仿真得出優(yōu)化的導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)，使得風(fēng)送式噴霧機的能量損耗減少、風(fēng)筒出口均速增大，提高風(fēng)送式噴霧機的綜合性能。