多風道果園噴霧機風送系統(tǒng)優(yōu)化設計與試驗

摘要：針對果園傳統(tǒng)風送式噴霧機藥液浪費嚴重、在果樹冠層上沉積量較少的問題，設計一種果園多風道噴霧機風送系統(tǒng)。根據(jù)我國蘋果園種植模式及果樹生長狀態(tài)確定離心風機的風量及風壓，基于Fluent軟件對噴霧機外部氣流進行模擬研究，分析出風口處風筒結(jié)構(gòu)對氣流場分布特性的影響，尋找風筒最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過試驗進行驗證。試驗結(jié)果表明：風筒結(jié)構(gòu)參數(shù)對風速影響的顯著性由大到小為風筒長度、外壁傾角、導葉數(shù)量；當風筒長度為350 mm、外壁傾角為-4°、導葉數(shù)量為6時，風送系統(tǒng)外部氣流速度及均勻性達到最優(yōu)。經(jīng)霧滴穿透性試驗表明，與無風筒相比，在有風筒條件下，果樹冠層外、中、內(nèi)處的霧滴沉積密度分別提升14.94%、23.7%、26.6%。表明多風道果園噴霧機風送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，滿足果園植保機械需求。

關(guān)鍵詞：風送系統(tǒng)；計算流體力學；噴霧流場；噴霧機械

中圖分類號：S491 文獻標識碼：A 文章編號：2095?5553 （2024） 11?0077?06

Optimization design and experiment of air transmission system of

multi?duct orchard sprayer

Liu Zhaoguang， Li Yaqin， Zhao Huanmin， Pu Yanyan， Qiu Xinwei， Fu Yanwei

（School of Mechanical Engineering， Jiamusi University， Jiamusi， 154007， China）

Abstract： Aiming at the problems of serious waste of chemical liquid and the low amount of deposition on the canopy of fruit trees， a kind of air transmission system for orchard multi?duct sprayer was designed. According to the planting mode of apple orchard and fruit tree growth state in China， the air volume and wind pressure of the centrifugal fan were determined， and the external airflow of the sprayer was simulated based on the Fluent software， the influence of the duct structure of the fan at the air outlet on the distribution characteristics of the airflow field was analyzed， and the optimal structural parameters of the fan were found， and were verified by experiment. The test results show that the significance of the influence of wind turbine structural parameters on wind speed is from large to small， including fan length， outer wall inclination angle， and number of guide vanes. When the length of the fan pipe is 350 mm， the inclination angle of the outer wall is -4°， and the number of guide vanes is 6， the external airflow velocity and uniformity of the air conveying system reach the best. The droplet penetration test shows that the droplet deposition density installed at the spray outlet is 14.94%， 23.7% and 26.6%， respectively higher than that of the outside， middle and inner layers of fruit trees without the dryer. The result shows that the air conveyor system of multi?channel orchard sprayer has a reasonable structure to meet the needs of orchard plant protection machinery.

Keywords： air transmission system; computational fluid dynamics; spray flow field; spraying machinery

0 引言

為提高植保噴霧機械在果樹冠層中的農(nóng)藥沉積率及覆蓋面積，同時最大程度地減少農(nóng)藥液滴的漂移，風送系統(tǒng)作為果園噴霧機械的重要組成部分[1， 2]，能夠?qū)㈧F化的液滴隨氣流輸送至果樹冠層，同時氣流到達果樹冠層處的末速度也將帶動果樹的葉片進行翻轉(zhuǎn)，從而增加農(nóng)藥霧滴的覆蓋率，改善噴霧效果[3?6]。對于傳統(tǒng)塔型噴霧機，其安裝的軸流風機位置靠下，由于噴霧機導流板較長，噴霧機上部氣流動力損失嚴重，會導致噴霧效果不均勻等問題的出現(xiàn)[7]。

為研究噴霧機在實際作業(yè)過程中風送系統(tǒng)的風場分布情況以及外部環(huán)境條件對風場的影響，研究人員大多數(shù)采用計算流體力學（CFD）進行研究，通過仿真試驗的方式，模擬在外界條件影響下噴霧機的風場結(jié)構(gòu)[8?11]。Endalew等[12]基于雙風扇果園風送噴霧機，研究氣流速度及氣流方向?qū)婌F效果的影響，結(jié)果表明氣流初始速度以及氣流運動方向都會顯著影響霧滴的射流軌跡；Badules等[13]設計一種能夠適應果樹冠層幾何形狀的CFD模型，并分析幾種不同方式建立CFD模型的優(yōu)缺點；郭江鵬等[14]針對多風道噴霧機內(nèi)部氣流分布不均勻的問題，對每個風道導流板長度進行調(diào)整，最終使噴霧機兩側(cè)氣流分布均勻。上述文獻利用仿真模擬與試驗研究相結(jié)合的方式對不同送風結(jié)構(gòu)進行研究，通過控制農(nóng)藥噴頭的實時開閉以及改變風道結(jié)構(gòu)等方式改善噴灑效果，增加農(nóng)藥的沉積率，但是鮮有對風送噴霧機的出風口結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化、改進。因此本文設計優(yōu)化一種多風道果園噴霧機風送系統(tǒng)，根據(jù)我國蘋果樹生長形態(tài)以及植保工作要求，對離心風機主要參數(shù)進行計算，并對噴霧機出風口風筒進行結(jié)構(gòu)設計，利用CFD技術(shù)研究風送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征對噴霧機外部氣流場的影響，進而確定風送系統(tǒng)的最優(yōu)設計方案，以滿足果園植保需求。

1 風送噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

果園多風道風送噴霧機由輸藥裝置、風送系統(tǒng)及機架三部分組成，主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。藥泵將藥箱中的藥液經(jīng)過輸藥管路傳輸?shù)絿婎^處進行噴施，另一方面，離心風機產(chǎn)生的氣流通過柔性風管傳輸至位于農(nóng)藥噴嘴正后方的3個出風口，將農(nóng)藥霧滴輸送至果樹冠層，氣流中的動能不僅可以帶動噴頭噴施出的藥液霧滴進一步抵達果樹冠層，還能夠?qū)⑥r(nóng)藥霧滴再次打碎，增加霧化效果[15， 16]。

2 關(guān)鍵部件設計

2.1 離心風機參數(shù)確定

目前我國蘋果園主要栽培模式為矮砧密植型，果樹行距為3.5～4 m，株距為1～1.5 m，樹高為3～4.2 m[17]?？紤]果樹生長形態(tài)以及果園種植環(huán)境的特點，對離心風機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行確定，主要包括風機的風量及風壓，以滿足噴霧風力要求。

1） 風機風量確定。根據(jù)戴奮奮[18]提出的置換原則，風送噴霧系統(tǒng)產(chǎn)生的風量總和應不小于果樹空間的空氣量，風量按式（1）進行計算。

[Q≥ve?H?L1?K] （1）

式中： Q——風機風量，m3/h；

ve——工作速度，m/s；

H——果樹高度，m；

L1——噴霧間距，m；

K——氣流衰減系數(shù)。

根據(jù)矮砧密植型果園種植模式及果園噴霧機自身參數(shù)，各參數(shù)取值：ve=1.2 m/s，H=2.5 m，L1=1 m，K=1.3，計算得Q≥14 040 m3/h。

2） 風壓確定：風機的全壓主要包括動壓損失和靜壓損失[19]，動壓損失及靜壓損失按式（2）、式（3）進行計算。

動壓損失

[Pd=（ρv2）/2] （2）

靜壓損失

[Pm+Pj=λ2Rρv22L2+（ξρv2）/2] （3）

式中： ρ——空氣密度，kg/m3；

v——氣流速度，m/s；

Pj——局部壓力損失，Pa；

λ——摩擦系數(shù)；

R——風路管道的半徑，m；

ξ——局部阻力系數(shù)；

L2——風管長度，m。

連接離心風機出口的氣流分配器每個出風口的外圓直徑均為0.14 m，風路管道長1～2 m。則各參數(shù)取值：ρ=1.2 kg/m3，v=16 m/s，λ=0.1，R=0.07 m，ξ=0.3，L2=2 m，由式（2）、式（3）可得P=420 Pa，最終選擇4-72型工業(yè)離心風機，風壓達500 Pa。

2.2 風筒設計

為使農(nóng)藥霧滴與氣流充分接觸，提高霧化性能，在噴霧機出風口上加裝聚風筒來增加氣流速度并降低氣流體壓力，從而提升農(nóng)藥霧滴在果樹冠層上的覆蓋效果。設計一種噴霧出風口結(jié)構(gòu)如圖2所示，一方面，風機產(chǎn)生的高速氣流通過固定的導風扇葉時會改變運動方向，原本軸向運動的氣流變?yōu)樾蜻\動，使風送氣流與農(nóng)藥霧滴充分接觸，將農(nóng)藥霧滴輸送至靶標區(qū)域，并帶動冠層葉片翻轉(zhuǎn)，增加果樹冠層葉片上的農(nóng)藥覆蓋率。另一方面，氣流經(jīng)過風筒前部壓縮段可增加氣流壓力，提升氣流速度，增加霧滴在果樹冠層中的穿透能力。出風口結(jié)構(gòu)剖視圖如圖3所示，風筒由進風口處的柱形段和末端的錐形段組成，柱形段內(nèi)置扇葉形導流板，柱形段與風機出風口處的氣流分配器通過柔性風管連接，柱形段直徑h1=140 mm，柱形段長度l1=120 mm，風筒末端出風口處直徑由θ決定。為研究聚風筒結(jié)構(gòu)特征對噴霧機外部氣流速度的影響，對風筒主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真分析。

通過多次實地調(diào)試，確定聚風筒的軸向長度、外壁傾角、導葉數(shù)量是影響風道出口風速與霧滴覆蓋面積的主要因素。為得到理想的風速水平，需對聚風筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。為綜合考慮風筒結(jié)構(gòu)對外部氣流速度以及氣流覆蓋面積的影響，根據(jù)果園植保作業(yè)要求以及果樹外形尺寸，以農(nóng)藥霧滴橫向覆蓋范圍不小于1.5 m、縱向覆蓋范圍不小于2 m且最大化噴霧出風口風速為目標，將每組試驗風筒出口氣流速度與氣流覆蓋面積的比值作為試驗指標。設計以風筒軸向長度、導葉數(shù)量、風筒外壁傾角為因素的試驗編碼表如表1所示。使用Design?expert軟件進行回歸分析，試驗方案如表2所示。

利用SolidWorks軟件對噴霧出風口結(jié)構(gòu)進行初始建模，將建立的13組出風口流體域模型依次導入Fluent軟件中，對出風口模型進行邊界分割并定義邊界類型，氣流入口設置為速度入口，出口設置為壓力出口。初始風速根據(jù)現(xiàn)場實測設置為12 m/s，多面體網(wǎng)格基本尺寸為30 mm，空間溫度和氣體密度保持默認值。對模型進行求解計算，通過模擬氣流運動，獲得噴霧出口處氣流的速度云圖，監(jiān)測每組試驗出口處氣流速度，風筒出口截面風速的仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著聚風筒軸向長度的增加，出風口內(nèi)部流道的平均風速呈上升趨勢，且外壁傾角越大，出風口內(nèi)部流道的最大風速越大，風筒內(nèi)部氣流速度差異越小，并且當導葉數(shù)量為偶數(shù)時，氣流分布較為均勻，波動幅度不明顯。通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，無論是風筒長度或是風筒外壁傾角的增加，都會影響植保噴霧作業(yè)的橫、縱向噴幅，導致噴霧效果降低。為了保證噴霧機作業(yè)噴幅，建立風道與聚風筒組成的風送系統(tǒng)三維模型，設置計算域為2 m×1 m×1 m的矩形空間，保持與在果園中實際作業(yè)的噴霧間距基本相同，利用流體仿真后處理軟件CFD-post進行體積渲染如圖5所示。監(jiān)測獲得每組試驗在距離出風口1.5 m處的氣流覆蓋面積。

使用Design-Expert 12.0進行數(shù)據(jù)處理及分析，將回歸方程的顯著性及方差分析列于表3中。

由表3可知，試驗模型顯著，失擬項不顯著，顯著性檢驗P<0.01，決定系數(shù)R2=0.959 9說明模型擬合程度較高；對出口氣流速度與氣流覆蓋面積比值的影響，B、B2極顯著，A、C顯著，風筒長度A與風筒外壁傾角B、風筒長度A與導葉數(shù)量C、風筒外壁傾角B與導葉數(shù)量C的交互作用影響均顯著，對出口氣流速度與氣流覆蓋面積的比值的回歸模型為

[Y=1.003 2+3.072A-4.541 38B+2.439 13C-4.3AB+1.565AC-3.157 75BC+2.932 02B2]

試驗因素交互作用對出口氣流速度與氣流覆蓋面積的比值的響應面如圖6所示。由圖6（a）可知，在風筒長度不變時，隨著風筒外壁傾角的增大，出口氣流速度與氣流覆蓋面積的比值呈現(xiàn)下降趨勢而后呈現(xiàn)上升趨勢；在外壁傾角一定時，出口氣流速度與氣流覆蓋面積的比值隨著風筒長度的增大呈上升趨勢；由圖6（b）可知，在風筒長度不變時，出口氣流速度與氣流覆蓋面積的比值隨著風筒葉片數(shù)量的增加而增大；在葉片數(shù)量一定的情況下，出口氣流速度與氣流覆蓋面積的比值隨著風筒長度的增加呈上升趨勢。由圖6（c）可知，在風筒外壁傾角一定的情況下，氣流速度與覆蓋面積的比值隨著葉片數(shù)量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；在葉片數(shù)量一定的情況下，隨著外壁傾角的增大，氣流速度與覆蓋面積的比值呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢。根據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)出口氣流速度與氣流覆蓋面積的比值在12～16時噴藥效果較好，根據(jù)以上試驗結(jié)果，在Design-Expert軟件中對風筒結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，得到兩種較優(yōu)的風筒結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，即風筒長度為300 mm、風筒外壁傾角為-4°、葉片數(shù)量為7（后續(xù)簡稱300-4-7型風筒）以及風筒長度為350 mm、風筒外壁傾角為-4°、葉片數(shù)量為6（后續(xù)簡稱350-4-6型風筒）兩種風筒結(jié)構(gòu)進行后續(xù)試驗。

3 風送系統(tǒng)性能試驗

3.1 試驗設備

為驗證風送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的合理性，將出風口結(jié)構(gòu)安裝在果園噴霧試驗臺上。采用SMART AR866型手持式風速儀測量氣流速度，開展風送系統(tǒng)的模型和噴霧霧滴穿透性能試驗。

3.2 試驗方法

3.2.1 風送系統(tǒng)模型試驗

為驗證仿真分析結(jié)果的準確性，設計室內(nèi)風速試驗對出風口處氣流速度分布情況進行研究。試驗測量噴霧出風口裝置的出口氣流速度情況，設置風機轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，沿出風口出口處均勻選擇5個監(jiān)測位置測量平均風速，各監(jiān)測點位置如圖7所示。此外，測量距離出風口水平位置1.5 m處各高度下外部氣流速度，在距地面每隔30 cm記為一個監(jiān)測點，最高測量到3.0 m處?，F(xiàn)場試驗如圖8所示。將2種出風口結(jié)構(gòu)分次安裝在果園噴霧試驗臺上，將風速儀探頭置于試驗臺出風口測速位置及1.5 m處各個監(jiān)測點位置，對風送系統(tǒng)實時風速進行采集，每組試驗重復3次，以保證數(shù)據(jù)的準確性。

1） 出風口氣流速度分布。出風口處各測量點氣流速度仿真值與試驗值如圖9所示，每種出風口出口處氣流速度的仿真值和試驗值基本吻合，每個出風口氣流速度分布較為均勻，中間部分速度略高于四周。出風口氣流速度仿真值和試驗值的絕對誤差<2.7 m/s，相對誤差<12.9%。

2） 噴霧出風口外部氣流場速度分布。記錄2種噴霧出風口外部1.5 m處各測量點的氣流速度分布，利用Origin軟件進行數(shù)據(jù)處理得到如圖10所示。根據(jù)末速度原則，3種噴霧出風口到達果樹冠層處的速度均滿足要求，但可以看出350-4-6型風筒與300-4-7型風筒較無風筒結(jié)構(gòu)整體氣流速度分別提升20.8%和17.45%，350-4-6型風筒和300-4-7型風筒在不同高度下整體平均風速相差不大，但前者速度在不同高度下分布更均勻，表明350-4-6型風筒結(jié)構(gòu)可提供穩(wěn)定均勻的氣流，同時也可滿足果園噴霧作業(yè)的技術(shù)要求。

3.2.2 噴霧霧滴穿透性能試驗

為研究噴霧出風口產(chǎn)生的旋向氣流在果樹冠層處的穿透能力，進行2種風筒和無風筒的噴霧霧滴沉積試驗。在果樹樹冠內(nèi)設置內(nèi)、中、外三層采樣面，將水敏紙分別放置在各采樣面采樣葉片的正面和背面，在距果樹樹干1.5 m處安裝聚風筒及農(nóng)藥噴頭。利用水敏紙分析農(nóng)藥霧滴沉積情況，霧滴穿透性試驗結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明：果樹冠層中，葉面部分的霧滴沉積密度普遍高于葉背上的霧滴密度。與無風筒相比，350-4-6型聚風筒將農(nóng)藥霧滴在果樹葉面及葉背上的平均沉積量分別增加了24.6%、30.4%。300-4-7型聚風筒將農(nóng)藥霧滴在果樹葉面及葉背上的平均沉積量分別增加了15.87%、16.85%。2種安裝風筒的結(jié)構(gòu)在果樹上層及中層的霧滴沉積量相差不大。未安裝風筒的設備在果樹冠層葉面及葉背上的霧滴沉積量普遍低于安裝風筒的噴霧設備，表明聚風筒的安裝有效改變了氣流的運動方向，使原本噴霧設備的軸向出風變?yōu)樾虺鲲L，增加了氣流在果樹冠層中的穿透能力。總體看來，不同出風口結(jié)構(gòu)影響霧滴的橫向穿透性能由大到小為350-4-6型、300-4-7型、無風筒。

4 結(jié)論

針對多風道噴霧機氣流穿透能力較弱，導致農(nóng)藥在果樹內(nèi)部冠層及果樹葉片背部的沉積量較少的問題，對多風道噴霧機內(nèi)部氣流場進行仿真分析，確定出風口聚風裝置的最優(yōu)組合參數(shù)，并進行室內(nèi)風速試驗以及霧滴穿透性能試驗。

1） 設計一種適用于標準化果園噴霧機的風送系統(tǒng)，對所采用的離心風機、出風口進行選型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確定出風口處聚風裝置的裝置參數(shù)與結(jié)構(gòu)特征。

2） 對果園多風道噴霧機送風系統(tǒng)出風口及外部氣流進行模擬分析，仿真結(jié)果表明，出風口結(jié)構(gòu)參數(shù)對風道出口風速及覆蓋面積影響由大到小分別為風筒長度、外壁傾角、導葉數(shù)量，聚風筒最優(yōu)參數(shù)組合為：風筒外壁傾角為4°、導葉數(shù)量為6、風筒長度為350 mm。

3） 通過外部氣流場速度分布試驗表明在噴霧機外部氣流場風速整體較為平穩(wěn)，350-4-6型風筒的安裝將整體氣流速度提升20.8%，并且通過霧滴穿透性能試驗表明，優(yōu)化后的聚風筒結(jié)構(gòu)可有效改變氣流速度以及運動方向，在有風筒的條件下，農(nóng)藥霧滴的橫向穿透性能具有顯著提高。

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