基于LS-DYNA的智能植保車噴霧仿真分析＊

張安鵬 羅自力 陳志剛 趙煦蘇

1.四川省先進(jìn)智能農(nóng)機(jī)裝備有限公司，四川德陽

2.四川省丘區(qū)山區(qū)智能農(nóng)機(jī)裝備創(chuàng)新中心，四川德陽

3.鐵牛云智（深圳）科技有限公司，廣東深圳

我國是世界上果園種植面積最大的國家[1]，隨著人民生活水平的日益提高，鮮果需求量極大。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，我國果園面積呈逐年增長趨勢，2021年，我國果園種植面積達(dá)1 280.80 萬hm2[2]，預(yù)計(jì)2023 年將達(dá)1 351.06 萬hm2[3]。我國丘陵山區(qū)果園約占果園總面積的65%[4]，其主要種植方式為多植株密集型果園種植模型[5]。高效、精細(xì)的果園管理是水果增產(chǎn)、增收的關(guān)鍵，病蟲害防治是當(dāng)前果園植保的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中，化學(xué)防治是果園植保病蟲害防治的主要方法之一[6]。但過度使用化學(xué)農(nóng)藥，會造成環(huán)境污染和農(nóng)藥殘留，危害人體健康。為有效減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，提高農(nóng)藥噴灑效率，降低人工成本，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑，本文研制了新能源農(nóng)業(yè)智能植保車，并對智能植保車噴霧進(jìn)行了仿真分析，以期實(shí)現(xiàn)化學(xué)農(nóng)藥的精確噴灑，降低農(nóng)藥使用量，減少環(huán)境污染，提高生產(chǎn)效率。

在無人植保車噴霧性能方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量科學(xué)研究，主要研究方法為試驗(yàn)法和計(jì)算流體動力學(xué)方法[7]。石河子大學(xué)李瑞敏等通過試驗(yàn)方法，分析了扇形霧噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴霧性能的影響[8]；JING D、ZREMBA M 等通過流體動力學(xué)計(jì)算分析了噴嘴霧化特性[9-10]；聶濤等分析了壓力旋流噴嘴霧化特性[11]，蔣小平等通過流體動力學(xué)計(jì)算分析了噴射參數(shù)對扇形噴嘴霧化特性的影響[7]。試驗(yàn)法周期長、成本大，計(jì)算流體動力學(xué)方法求解時(shí)間長，資源消耗大。

基于以上分析，本文運(yùn)用時(shí)空守恒元/解元方法，基于LS-DYNA 對無人植保車噴霧仿真流固耦合模型進(jìn)行分析，從而獲得智能無人植保車噴霧特性，以期為研究無人植保車噴霧結(jié)構(gòu)及優(yōu)化參數(shù)提供理論支持。

1 智能植保車結(jié)構(gòu)

根據(jù)果園植保管理要求，智能植保車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮了果園種植行間距、丘陵山區(qū)地形坡度等因素，具有藥液載量大、續(xù)航久、動力足、通過性能好以及爬坡能力強(qiáng)等特點(diǎn)。智能植保車主要由動力傳動系統(tǒng)、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、噴藥機(jī)構(gòu)以及履帶式行走機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。噴霧裝置采用風(fēng)送式設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高壓噴霧。智能植保車主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 智能植保車主要技術(shù)參數(shù)

圖1 智能植保車

2 仿真模型的建立

智能植保車噴霧過程仿真模型的建立過程主要包括幾何建模、有限元前處理、數(shù)值仿真理論及邊界條件施加、結(jié)果后處理，如圖2所示。

圖2 仿真流程圖

LS-DYNA是一款兼具隱式和顯式求解功能的非線性求解器的軟件，能夠?qū)?fù)雜有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)、傳熱、流體以及流固耦合進(jìn)行求解[12]。LS-DYNA 求解器在設(shè)置噴霧仿真邊界條件時(shí)，同計(jì)算流體動力學(xué)求解器相比，無需設(shè)置復(fù)雜的邊界層網(wǎng)格，減小了仿真有限元模型單元數(shù)量，節(jié)約了計(jì)算資源，提高了求解效率。智能植保車噴霧仿真屬于典型的流固耦合，本文選擇LS-DYNA軟件進(jìn)行噴霧仿真分析。

2.1 噴嘴工作參數(shù)

噴嘴是智能植保車噴霧系統(tǒng)中重要組成部分，噴嘴結(jié)構(gòu)形式（如霧錐角、流量及壓力等）對噴霧特性有重要影響。噴嘴總流量公式為[13]：

式中，Qn為噴嘴流量；M為藥液總量；VF為智能植保車行走速度；B為作業(yè)寬度。

根據(jù)智能植保車技術(shù)參數(shù)M=230 L，VF=6 km/h，B=4 m，噴嘴總流量為Qn=9.2 L/min，噴嘴壓力為0.15 MPa，霧錐角α=80 °。

2.2 數(shù)值仿真理論

智能植保車噴霧仿真為典型流固耦合作用過程仿真。霧滴的噴灑過程遵循質(zhì)量守恒和動量守恒定律。其中，質(zhì)量守恒方程也稱為連續(xù)相方程，公式為[14]：

式中，ρ為空氣密度，t為時(shí)間，u、v、w為速度在x、y、z三個(gè)方向上的分量。

動量守恒方程公式為：

式中，ρ為流體微元靜壓，τxx、τyx、τzx為流體微元粘性應(yīng)力分量，F(xiàn)x、Fy、Fz為流體微元體積力。

2.3 仿真模型建立

在SPACECLAIM 中建立流場的三維模型，長、寬、高的尺寸分別為30.0 mm、10.0 mm、10.0 mm。將建立的流場三維模型導(dǎo)入HYPERMESH 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證求解精度，對流場三維模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，定義單元網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。建立的流場有限元模型如圖3所示。

圖3 三維流場有限元模型

2.4 邊界條件

將建立的流場有限元模型導(dǎo)入到LS-PREPOST 軟件中進(jìn)行邊界條件的加載。對流場有限元模型的6 個(gè)側(cè)面使用關(guān)鍵字BOUNDARY_NON_REFLECTIVE_SET 進(jìn)行無反射邊界條件的加載，使用關(guān)鍵字CESE_EOS_IDEAL_GAS定義理想氣體狀態(tài)方程。設(shè)定流體壓力為0.15 MPa，使用關(guān)鍵字STOCHASTIC_SPRAY_PARTICLES 設(shè)定噴霧模型。

邊界條件設(shè)定完成后，將包含求解模型單元信息、接觸方式等要素的k 文件導(dǎo)入非線性動力學(xué)程序LS-DYNA進(jìn)行求解，求解器采用非線性隱式動力學(xué)雙精度求解器。

3 結(jié)果分析

求解完成后，將求解結(jié)果文件d3plot 導(dǎo)入LSPREPOST 中進(jìn)行后處理分析。圖4～7 為0.15 MPa 流體壓力條件下噴霧噴射過程。在t=0.01 ms時(shí)刻，噴霧噴射口形成扇形噴霧，霧滴數(shù)量較少。在t=0.03 ms時(shí)刻，形成扇形簇狀噴霧，產(chǎn)生大量霧滴。隨著仿真的進(jìn)行，在t=0.50 ms 時(shí)刻，大量霧滴不斷生成，在流體壓力驅(qū)動下，霧滴沿著流體壓力推動方向進(jìn)行噴射。由于對三維流場有限元模型的6 個(gè)側(cè)面施加了無反射邊界條件，在t=1.20 ms 時(shí)刻，當(dāng)噴霧形成的扇形簇狀的截面直徑尺寸等于三維流場有限元壁面尺寸時(shí)，噴霧與流場壁面進(jìn)行接觸并沿著壓力推動方向運(yùn)動。智能植保車噴霧仿真與實(shí)際噴霧工作過程一致，驗(yàn)真了仿真的有效性。

圖4 t=0.01 ms時(shí)，少量霧滴初步形成扇形

圖5 t=0.03 ms時(shí)，大量霧滴形成扇形

圖7 t=1.20 ms時(shí)，噴霧接觸流場壁面并沿著壓力推動方向運(yùn)動

4 結(jié)論

基于LS-DYNA 對智能植保車噴霧過程進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，在使用LS-DYNA 軟件求解器完成的智能植保車噴霧過程仿真下，霧滴連續(xù)生成，在流體壓力驅(qū)動下，沿流體壓力推動方向噴射，其扇面直徑與三維流場有限元壁面直徑相等，與物理試驗(yàn)結(jié)果相一致，驗(yàn)證了仿真的有效性，從而為進(jìn)一步研究智能植保車的噴霧機(jī)理以及優(yōu)化噴霧參數(shù)提供了理論支持。