環(huán)形雙圓弧防飄罩蓋設(shè)計與防飄性能參數(shù)優(yōu)化

摘要：為減少農(nóng)藥施用量，提高農(nóng)藥利用率，優(yōu)化設(shè)計一種環(huán)形雙圓弧式防飄罩蓋。采用有限元ANSYS FLUENT軟件對環(huán)形雙圓弧式罩蓋噴霧流場進(jìn)行仿真模擬試驗，得到其連續(xù)相流場的速度矢量分布和離散相運動軌跡。以霧滴沉積率作為試驗指標(biāo)，通過單因素和多因素仿真試驗獲得罩蓋的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為罩蓋入口高度 48.74 mm、出口長度15.11 mm、噴頭距出口平面高度32.53 mm；在最優(yōu)組合下其霧滴沉積率為68.8%。噴霧臺試驗對比五種風(fēng)速下（1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s）罩蓋噴霧和常規(guī)無罩蓋噴霧的霧滴沉積率。結(jié)果表明，罩蓋噴霧的霧滴沉積率分別為80.58%、75.57%、65.16%、59.47%、54.29%，分別高于常規(guī)噴霧的 72.42%、61.24%、45.1%、38.34%、32.08%，罩蓋噴霧較常規(guī)無罩蓋噴霧有較好的防飄效果。

關(guān)鍵詞：噴霧；環(huán)形雙圓弧式；防飄罩蓋；FLUENT仿真；農(nóng)藥

中圖分類號：S491" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 10?0086?08

Circular double arc drift?proof cover design and optimization of drift?proof performance parameters

Zhang Baochuan1， Zhao Jianguo1， Ma Zhikai1， You Guangyu2， Wang Chunwei3， Cui Wenjun4

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Agricultural University， Baoding， 071000， China;

2. Baoding Agricultural Machinery Workstation， Baoding， 071000， China; 3. Yi County Agricultural and Rural Bureau， Baoding， 071004， China; 4. Hebei Kaian Agricultural Manufacturing Machinery Co.， Ltd.， Baoding， 071000， China）

Abstract： In order to reduce pesticide application and improve pesticide utilization， a circular double arc drift shield was" optimized. The finite element software ANSYS FLUENT was used to simulate the flow field of the annular double arc cover spray， and the velocity vector distribution and discrete phase trajectory of the continuous phase flow field were obtained. Droplet deposition rate was used as a test index， through single factor and multi factor simulation tests， the optimal combination of structural parameters of the cover was obtained as follows： the inlet height of the cover was 48.74 mm， the outlet length was 15.11 mm， and the height from the nozzle to the outlet plane was 32.53 mm; under the optimal combination， the droplet deposition rate was 68.8%. The droplet deposition rates of hooded and conventional hoodless sprays at five wind speeds （1 m/s， 2 m/s， 3 m/s， 4 m/s and 5 m/s） were also compared in a spray table test. The results showed that the droplet deposition rates of cover spray were 80.58%， 75.57%， 65.16%， 59.47% and 54.29% respectively， which were higher than those of conventional spray， which were 72.42%， 61.24%， 45.1%， 38.34% and 32.08% respectively. Covered sprays were more effective than conventional uncovered sprays in preventing drift. The cover spray had better anti drift effect than conventional non cover spray.

Keywords： spray; circular double arc; drift?proof cover; FLUENT simulation; pesticide

0 引言

在農(nóng)藥噴施過程中，部分霧滴會受風(fēng)力影響而脫離靶標(biāo)，飄失到空氣中，從而造成農(nóng)藥的浪費及作業(yè)成本增加，且易造成環(huán)境污染，威脅人類健康[1?3]。據(jù)統(tǒng)計，我國農(nóng)藥有效利用率僅為20%～40%，美國、日本、歐盟等農(nóng)藥有效利用率達(dá)到 50%～60%[4， 5]。為減少農(nóng)藥飄失，提高農(nóng)藥利用率，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究，其中罩蓋式噴霧是一種能有效減少農(nóng)藥霧滴飄失提高農(nóng)藥利用率的方式，罩蓋式噴霧分為氣力式罩蓋噴霧與機(jī)械式罩蓋噴霧兩種噴霧形式，氣力式罩蓋噴霧指通過風(fēng)力生成裝置產(chǎn)生輔助氣流，通過輔助氣流改變霧滴原有的運動軌跡，迫使霧滴向靶作物運動，以此來提高霧滴沉積量。機(jī)械式罩蓋噴霧指通過在噴頭周圍添加罩蓋裝置來改變噴頭周圍的流場分布，從而減少霧滴的漂移，增大霧滴沉積量。罩蓋式噴霧顯著提高了霧滴沉積量和霧滴穿透能力，并在噴霧均勻性方面也有所改善。與氣力式罩蓋噴霧相比，機(jī)械式罩蓋噴霧有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低等優(yōu)點[6?8]。故本文選取機(jī)械式罩蓋噴霧作為研究對象。但由于機(jī)械式罩蓋式噴霧易受到周圍環(huán)境的影響，因此應(yīng)用模擬仿真技術(shù)對噴霧系統(tǒng)的研究有重要作用[9]。

計算流體力學(xué)（CFD）的數(shù)值模擬分析[10]，是國內(nèi)外學(xué)者研究罩蓋風(fēng)場流動及分布的主要方法[11]。Reichard等[12]首次將CFD數(shù)值仿真技術(shù)用于分析風(fēng)洞條件下的霧滴漂移情況。Tsay 等[13]用 CFD 模擬6種罩蓋分別在6 m/s風(fēng)速下噴霧的霧滴運動軌跡以及流場分布。Ozkan等[14]通過風(fēng)洞試驗對比了9種機(jī)械式罩蓋在不同壓力和氣流流速下的防飄移效果。張京等[15]對雙圓弧罩蓋進(jìn)行了改進(jìn)，在外圓弧出風(fēng)口處加了一個導(dǎo)流板，并通過風(fēng)洞試驗對比了常規(guī)噴霧以及改進(jìn)前后的霧滴沉積量。Sidahmed等[16]在雙圓弧罩蓋的基礎(chǔ)上先后研究了對稱雙圓弧罩蓋以及對稱三圓弧罩蓋。陶雷等[17]設(shè)計了一種開口雙圓弧罩蓋，通過FLUENT仿真分析以及風(fēng)洞試驗探究了罩蓋周圍低速渦流區(qū)對霧滴沉積的效用。魏錫攀[18]設(shè)計并優(yōu)化了一種加有輔助氣流的防飄罩蓋，應(yīng)用FLUENT軟件對所設(shè)計的罩蓋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，并進(jìn)行了田間多工況試驗確定罩蓋噴霧最佳工況。

為減少農(nóng)藥飄失，提高農(nóng)藥利用率，本文設(shè)計一種環(huán)形雙圓弧式罩蓋，擬實現(xiàn)噴霧作業(yè)時藥液防飄效果有所提升。利用CFD技術(shù)模擬罩蓋的防飄效果，得到罩蓋的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，并與常規(guī)噴霧的霧滴沉積率進(jìn)行試驗對比，為罩蓋設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 罩蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計

環(huán)形雙圓弧式罩蓋主要由內(nèi)外兩個環(huán)形圓弧構(gòu)成，其中心截面圖如圖1所示，環(huán)形雙圓弧罩蓋是由雙圓弧繞同中心軸旋轉(zhuǎn)360°所成。

1.2 仿真模擬

為了保證模型的精確性，應(yīng)該使仿真試驗條件與實際情況盡量相同，但考慮到計算機(jī)處理數(shù)據(jù)能力和計算量，對模型做出合理的簡化與假設(shè)[19， 20]。

1） 三維模型假設(shè)。由于罩蓋的形狀對流場及霧滴運動的影響明顯，因此把罩蓋流場模型作為三維模型處理。

2） 數(shù)學(xué)模型假設(shè)。模擬計算中選用了標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、能量方程、物質(zhì)輸運模型、Lagrangian離散模型、霧滴的碰撞，破碎模型、泰勒比（TAB）破碎模型、霧滴隨機(jī)游動模型等數(shù)學(xué)模型。

3） 無滑動條件。罩蓋及其他壁面的風(fēng)速為零。

4） 流場源水平進(jìn)入假設(shè)。假設(shè)流場入口風(fēng)速為水平方向，無垂直分量。實際應(yīng)用中雖有側(cè)向風(fēng)的影響，但是機(jī)具前進(jìn)方向的風(fēng)是始終存在的，為了引入氣流對罩蓋防飄的作用效果，這里只考慮流場入口僅為水平方向的風(fēng)。

5） 流場源穩(wěn)定假設(shè)。假設(shè)流場入口風(fēng)速大小穩(wěn)定不變。

6） 霧滴分布規(guī)律假設(shè)。假設(shè)霧滴分布函數(shù)滿足Rosin-Ramler分布規(guī)律。

7） 霧滴三種終結(jié)方式假設(shè)。假設(shè)霧滴最終只有三種終結(jié)方式假設(shè)：沉積、飄失和蒸發(fā)，無其他不可預(yù)知終結(jié)方式。

8） 接觸沉積假設(shè)。假設(shè)只要是接觸到地面的霧滴就為沉積霧滴，霧滴不發(fā)生反彈。

借鑒現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，計算區(qū)域流場的具體尺寸為2 400 mm×800 mm×800 mm，噴頭距地面高度500 mm，罩蓋距離自然風(fēng)入口處為1 000 mm，流場區(qū)域截面圖和流場區(qū)域3D圖如圖2、圖3所示。

采用自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格劃分，單位網(wǎng)格邊長0.05 m，網(wǎng)格劃分如圖4所示。選擇3D解算器讀入劃分好網(wǎng)格的流場，并檢查網(wǎng)格，選擇默認(rèn)分離隱式解，定義物理模型，設(shè)置流體性質(zhì)并取流場區(qū)域左面為進(jìn)口邊界，設(shè)定為速度入口（Velocity?Inlet），其入口進(jìn)風(fēng)速度設(shè)置為5 m/s，方向水平向右；右面為出口邊界，并設(shè)定為壓力出口（Pressure?Outlet），出口與空氣相通，設(shè)置其壓力為0 MPa。上下面、前后面以及右面設(shè)置為“Escape”邊界，當(dāng)霧滴運動到“Escape”邊界時，終止仿真計算，認(rèn)為霧滴發(fā)生漂移。

2 結(jié)果與討論

2.1 評價指標(biāo)

以霧滴沉積率DP作為衡量指標(biāo)，以罩蓋入口高度H（mm）、出口長度L（mm）以及噴頭距出口平面高度h（mm）為影響因素，通過單因素仿真試驗以及中心組合試驗設(shè)計原理設(shè)置各因素水平，并將試驗結(jié)果導(dǎo)入Design-Expert軟件中進(jìn)行三因素三水平中心組合試驗。

霧滴沉積率DP：在計算時間內(nèi)，沉積在流場區(qū)域內(nèi)的霧滴質(zhì)量（即霧滴沉積量）與在此時間段內(nèi)噴頭噴出的霧滴總質(zhì)量的比值。在噴頭下風(fēng)向1 m處設(shè)置界面，超出該界面的霧滴認(rèn)為飄失霧滴，在該界面以內(nèi)的認(rèn)為霧滴沉積。霧滴沉積量越大，防飄效果越好。

2.2 模擬流場和霧滴運動軌跡

2.2.1 噴霧流場仿真結(jié)果與分析

圖5為罩蓋噴霧流場仿真結(jié)果截面圖，流場中不同的顏色對應(yīng)著相應(yīng)的流速。將流場區(qū)域劃分為a、b、c、d、e五個部分分析罩蓋噴霧下的流場對噴霧效果的影響，a區(qū)域在罩蓋正上方形成向右的高速氣流，由于防飄罩蓋頂部封閉，所以對噴霧效果無影響；b區(qū)域為罩蓋左側(cè)環(huán)形通道，由于環(huán)形通道面積由上到下逐漸減小，其氣流速度會逐漸增大，在此區(qū)域會形成沿著環(huán)形通道軌跡整體向下的高速氣流，該氣流會脅迫霧滴向下運動，有利于霧滴沉積；c區(qū)域位于罩蓋內(nèi)部中心區(qū)域，由于罩蓋的遮蔽作用，會在此位置出現(xiàn)低速區(qū)，避免霧滴受到自然風(fēng)造成飄失；d區(qū)域位于罩蓋右側(cè)環(huán)形通道，此區(qū)域有一個向下的氣流，該氣流會同b區(qū)域一樣脅迫霧滴向下運動，但由于自然風(fēng)向以及環(huán)形通道的影響，此區(qū)域的氣流速度相對于b區(qū)域的氣流速度較小，對霧滴產(chǎn)生的有利沉積影響也相對較小；e區(qū)域在罩蓋下方會形成高速氣流，方向右下，會存在使霧滴向右飄失和迫使霧滴向下沉積兩種效果，與此同時b區(qū)域的流場也會對e區(qū)域的流場產(chǎn)生影響。取風(fēng)場水平向右為X軸正方向，豎直向上為Z軸正方向建立XOYZ笛卡爾坐標(biāo)系，對在b區(qū)域和e區(qū)域交互作用下的單個霧滴進(jìn)行受力分析來對風(fēng)場交互作用進(jìn)行說明，圖6為霧滴受力分析圖。霧滴受到e區(qū)域的風(fēng)場力為[Ne]，[Nex']與[Nez']分別為[Ne]在X軸和Z軸上的分力，通過環(huán)形通道b加速過的風(fēng)場給霧滴的作用力為[Nb]，霧滴所受b區(qū)域風(fēng)場力[Nb]可正交分解為沿X軸負(fù)方向的[Nbx']和沿Z軸負(fù)方向的[Nbz']，分力[Nbx']會削弱X軸正方向上的力[Nex']和[Ns]從而削弱e區(qū)域流場向右方向的流速，減少霧滴飄失，分力[Nbz']與分力[Nez']會加強(qiáng)豎直向下的分力以此來增強(qiáng)e區(qū)域流場向下的流速，有利于脅迫霧滴向下快速沉積，減少霧滴飄失。

圖7為常規(guī)噴霧流場仿真結(jié)果截面圖。可以看出，由于噴頭的影響會發(fā)生局部較小的變化，這里不考慮其產(chǎn)生的影響，即流場流速基本不變?yōu)? m/s，流場方向水平向右。這會導(dǎo)致霧滴向右飄失。對比上述罩蓋噴霧流場分析，常規(guī)噴霧從霧滴噴出到沉積將都會受到自然風(fēng)的影響，且速度均為5 m/s，影響較大，相比罩蓋噴霧，常規(guī)噴霧的霧滴飄失較為嚴(yán)重。由此看出，罩蓋噴霧具有較好的防飄效果。

2.2.2 霧滴運動軌跡仿真結(jié)果與分析

圖8、圖9分別為罩蓋噴霧下和常規(guī)噴霧下的霧滴運動軌跡。可以看出，霧滴直徑相對較小的更容易受到自然風(fēng)的影響，更容易飄失。對比圖8、圖9可知，由于環(huán)形雙圓弧罩蓋的導(dǎo)流作用，使霧滴的運動軌跡發(fā)生改變，在罩蓋的所形成的風(fēng)幕作用下，脅迫霧滴整體向下運動，加速了霧滴向靶標(biāo)沉降；而常規(guī)噴霧受自然風(fēng)影響，直徑較小霧滴的飄失嚴(yán)重，只有直徑較大霧滴的會沉積在靶標(biāo)區(qū)域；由此表明，罩蓋噴霧相對常規(guī)噴霧具有較好的防飄效果。

2.3 防飄罩蓋最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

2.3.1 單因素試驗

在FLUENT仿真軟件中以霧滴沉積率DP作為衡量指標(biāo)，選擇罩蓋入口高度、出口長度以及噴頭距出口平面高度三個因素對罩蓋進(jìn)行噴霧單因素試驗。參考相關(guān)研究[13?15]并結(jié)合預(yù)試驗，將罩蓋入口高度的取值范圍定義為20～70 mm，步長10 mm；出口長度的取值范圍定義為5～30 mm，步長5 mm；噴頭距出口平面高度的取值范圍定義為10～60 mm，步長10 mm。

1） 入口高度對霧滴沉積率的影響試驗。試驗選取出口長度為17.5 mm，噴頭距出口平面高度為35 mm，對入口高度取值20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm和70 mm分別進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，霧滴沉積率隨著入口高度的增大而增大，且隨著入口高度的增加，霧滴沉積率增長速率先逐漸增大，后逐漸減小，若入口高度再逐漸增大，霧滴沉積率曲線將趨于平緩。這是由于當(dāng)出口長度一定，入口高度增加到一定高度時，由于氣阻現(xiàn)象，霧滴沉積率將不再增大。故取入口高度范圍為30～50 mm。

2） 出口長度對霧滴沉積率的影響試驗。試驗選取入口高度45 mm，噴頭距出口平面高度為35 mm，對出口長度取值5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm和30 mm分別進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，霧滴沉積率隨著出口長度的增大先增大后減小，且在出口長度為15 mm左右時，霧滴沉積率達(dá)到最大值。故取出口長度范圍為10～20 mm。

3） 噴頭距出口平面高度對霧滴沉積率的影響試驗。試驗選取入口高度45 mm，出口長度取值17.5 mm，噴頭距出口平面高度取值10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm和60 mm分別進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，霧滴沉積率隨著噴頭距出口平面高度的增大先增大后減小，且在噴頭距出口平面高度為30 mm左右時，霧滴沉積率達(dá)到最大值。當(dāng)噴頭距出口平面高度越來越大時，將可能導(dǎo)致霧滴在罩蓋上大量沉積，造成農(nóng)藥的浪費。故取噴頭距出口平面高度范圍為20～40 mm。

2.3.2 試驗因素水平

采用Box-Behnken響應(yīng)法設(shè)計試驗，選擇了影響霧滴沉積率的3種試驗因素，根據(jù)單因素試驗結(jié)果以及根據(jù)環(huán)形雙圓弧罩蓋的安裝尺寸對試驗因素的參數(shù)取值進(jìn)行選擇，試驗因素取值編碼如表1所示。

2.3.3 試驗結(jié)果

以霧滴沉積率（Y）指標(biāo)，入口高度（A）、出口長度（B）、噴頭距出口平面高度（C）為試驗因素進(jìn)行仿真試驗。將試驗結(jié)果整理并導(dǎo)入到Design-Expert軟件中進(jìn)行方差分析以及回歸分析。具體試驗方案與結(jié)果如表2所示。

2.3.4 試驗結(jié)果分析與優(yōu)化

根據(jù)表3的試驗數(shù)據(jù)，運用Design-Expert 軟件進(jìn)行處理，得出罩蓋入口高度、出口長度以及噴頭距出口平面高度對霧滴沉積率影響的方差分析和響應(yīng)面圖，并對表的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，建立平均扭矩的二次回歸方程。

[Y=65.20+4.21A+1.34B+1.37C-1.16AB+0.045AC-1.31BC-0.47A2-3.33B2-1.19C2] （1）

由霧滴沉積率回歸模型方差分析結(jié)果表3可知，Y回歸模型組間差異顯著性檢驗Plt;0.000 1，失擬項P=0.069 8，決定系數(shù)R2=0.973 9，回歸模型顯著，失擬項不顯著，決定系數(shù)接近1，表明Y回歸模型擬合度較好。Y回歸模型的變異系數(shù)（CV）為1.52%，表明該試驗數(shù)據(jù)可靠。當(dāng)精確度（Adep precision）[gt;4]，模型具有較好的預(yù)測性，Y回歸模型的精確度為19.694，表明Y回歸模型可較好地預(yù)測霧滴沉積率。一次項A、B、C對環(huán)形雙圓弧防飄罩蓋的霧滴沉積率影響極顯著（Plt;0.01），交互項AB、BC對霧滴沉積率影響顯著、二次項[B2]對霧滴沉積率影響極顯著，[C2]對霧滴沉積率影響顯著，其他因素影響不顯著。各因素對環(huán)形雙圓弧防飄罩蓋的霧滴沉積率顯著性影響順序為[Agt;B2gt;Bgt;BCgt;C2gt;AB]。

由圖13（a）可知，當(dāng)噴頭距出口平面高度一定時，隨著入口高度的增大，霧滴沉積率也增大；隨著出口長度的增大，霧滴沉積率先增大后減??；且由等高線圖可知，入口高度對霧滴沉積率的影響大于出口長度對霧滴沉積率的影響。由圖13（b）可知，入口高度一定時，隨著出口長度和噴頭距出口平面高度的增大，霧滴沉積率均先增大后減??；且由等高線圖可知，噴頭距出口平面高度對霧滴沉積率的影響大于出口長度對霧滴沉積率的影響。

為得最優(yōu)參數(shù)組合，以提高霧滴沉積率為指標(biāo)對環(huán)形雙圓弧罩蓋的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合試驗因素邊界條件，建立參數(shù)模型，并運用Design-Expert軟件對上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析求解，從優(yōu)化結(jié)果中選取一組合理結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)組合，即當(dāng)罩蓋入口高度H為48.74 mm、出口長度L為15.11 mm以及噴頭距出口平面高度h為32.53 mm時，霧滴沉積效果最優(yōu)，其霧滴沉積率為68.8%。對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行虛擬仿真驗證，得到其霧滴沉積率為67.2%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

2.3.5 風(fēng)速對霧滴沉積量的影響

為進(jìn)一步探究不同風(fēng)速下罩蓋噴霧的防飄效果，分別模擬了罩蓋噴霧以及常規(guī)噴霧在1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s這五種風(fēng)速下的霧滴沉積情況；其邊界設(shè)置與仿真試驗條件相同，試驗指標(biāo)為霧滴沉積率[DP]與霧滴沉積率差異[DPD]。霧滴沉積率差異[DPD]為罩蓋噴霧沉積率與常規(guī)噴霧沉積率之差與常規(guī)噴霧沉積率的比值。霧滴沉積率差異[DPD]用來比較常規(guī)噴霧與罩蓋噴霧的防飄效果，且[DPD]越大，對比噴霧（罩蓋噴霧）的防飄效果越好。

表4為模擬試驗得到的罩蓋噴霧以及常規(guī)噴霧在1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s風(fēng)速下的霧滴沉積率以及霧滴沉積率差異，其中D表示霧滴沉積量。在五種風(fēng)速下，罩蓋噴霧的霧滴沉積率分別為81.42%、78.12%、68.82%、62.36%、57.62%，分別高于常規(guī)噴霧的74.26%、64.58%、47.18%、40.85%、34.79%，較常規(guī)噴霧，罩蓋噴霧的霧滴沉積率分別提高了9.64%、20.97%、45.87%、52.66%、65.62%。從圖14可看出，在各風(fēng)速下霧滴沉積率隨著風(fēng)速的增大而減??；且風(fēng)速增大對常規(guī)噴霧的影響明顯大于對罩蓋噴霧的影響，即風(fēng)速較高時常規(guī)噴霧與罩蓋噴霧的霧滴沉積率之差遠(yuǎn)大于風(fēng)速較低時，故風(fēng)速越高，罩蓋噴霧的防飄效果越明顯。

3 噴霧臺試驗

3.1 試驗條件

將優(yōu)化后的防飄罩蓋結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行圓整處理，即罩蓋入口高度為48.5 mm，出口長度為15 mm，噴頭距出口平面高度為32.5 mm。在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)噴霧試驗臺進(jìn)行噴霧試驗，試驗裝置示意圖如圖15所示，與仿真試驗條件一致，噴頭在罩蓋正中心距罩蓋出口平面高度32.5 mm，在噴頭下方500 mm處是接收裝置，試驗選用ST110-04型標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭，工作壓力為0.4 MPa，相對濕度為40%，環(huán)境溫度為281～288 K，用自來水代替農(nóng)藥進(jìn)行噴霧試驗。

3.2 評價指標(biāo)及試驗方案

試驗比較了常規(guī)噴霧與罩蓋噴霧兩種方式下的霧滴沉積量（D），以驗證罩蓋噴霧的防飄性能。試驗采用稱量法來對常規(guī)噴霧以及罩蓋噴霧的霧滴沉積量進(jìn)行測量。試驗開始時，打開風(fēng)扇調(diào)節(jié)風(fēng)扇檔位以及與噴頭的距離，用數(shù)字式風(fēng)速計測量其風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速分別達(dá)到1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s時，打開噴霧開關(guān)進(jìn)行噴霧，測量噴頭下風(fēng)向1 m內(nèi)霧滴接收裝置內(nèi)的沉積量，超過該界面視為霧滴飄失，接收裝置順著軌道流入量筒，并進(jìn)行讀數(shù)，計算其質(zhì)量，所有試驗重復(fù)3次求平均值。

3.3 試驗結(jié)果與分析

表5為噴霧臺試驗得到的罩蓋噴霧以及常規(guī)噴霧在5種風(fēng)速下的霧滴沉積率以及霧滴沉積率差異。在五種風(fēng)速下，罩蓋噴霧的霧滴沉積率分別為80.58%、75.57%、65.16%、59.47%、54.29%，分別高于常規(guī)噴霧的72.42%、61.24%、45.1%、38.34%、32.08%，較常規(guī)噴霧，罩蓋噴霧的霧滴沉積率分別提高了11.27%、23.4%、44.48%、55.11%、69.23%。

4 噴霧臺試驗與仿真試驗結(jié)果比較

噴霧臺試驗與仿真試驗均為收集或計算噴頭下風(fēng)向1 m處的霧滴沉積量。圖16為五種風(fēng)速下噴霧臺試驗與仿真試驗結(jié)果的對比，表6為五種風(fēng)速下噴霧臺試驗與仿真試驗的相對誤差。4 m/s風(fēng)速下的常規(guī)噴霧與5 m/s風(fēng)速下的罩蓋噴霧和常規(guī)噴霧的相對誤差較高，分別為6.54%、6.14%、8.46%，其余相對誤差均在8.46%以內(nèi)。且噴霧臺試驗在各風(fēng)速下的霧滴沉積變化趨勢與仿真試驗基本一致。

[δ=D1-D2D2×100%] （2）

式中： [δ]——相對誤差，%；

[D1]——仿真試驗霧滴沉積量，g；

[D2]——噴霧臺試驗霧滴沉積量，g。

5 結(jié)論

1） 所設(shè)計環(huán)形雙圓弧罩蓋能改變其周圍流場從而改變霧滴運動軌跡，減少霧滴飄失，提高農(nóng)藥利用率。

2） 通過仿真試驗可知，環(huán)形雙圓弧式防飄罩蓋最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為罩蓋入口高度48.74 mm，出口長度15.11 mm，噴頭距出口平面高度32.53 mm，此時霧滴沉積率為68.8%。對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行虛擬仿真驗證，得到其霧滴沉積率為68.2%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

3） 模擬5種風(fēng)速下罩蓋噴霧的霧滴沉積率較常規(guī)噴霧分別提高9.64%、20.97%、45.87%、52.66%、65.62%。噴霧臺試驗中罩蓋噴霧較常規(guī)無罩蓋噴霧在5種風(fēng)速下均具有良好的防飄效果，且較常規(guī)無罩蓋噴霧，罩蓋噴霧的霧滴沉積率分別提高11.27%、23.4%、44.48%、55.11%、69.23%，與仿真結(jié)果相對誤差在8.46%以內(nèi)。

參 考 文 獻(xiàn)

[ 1 ] 石雨欣， 龔艷， 劉德江， 等. 設(shè)施離心霧化噴霧機(jī)的霧化性能探究試驗[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報， 2022， 43（12）： 44-50， 66.

Shi Yuxin， Gong Yan， Liu Dejiang， et al. Research on the atomization performance of centrifugal atomizing sprayer in the greenhouse [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2022， 43（12）： 44- 50， 66.

[ 2 ] 陳澤鴻， 陳建澤， 宋淑然， 等. 果園懸掛式柔性對靶噴霧裝置研制與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2022， 38（18）： 11-20.

[ 3 ] 殷慧子， 奚小波， 陳金楚， 等. 履帶自走式雙隧道噴霧機(jī)設(shè)計與試驗[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報， 2022， 43（9）： 73-80.

Yin Huizi， Xi Xiaobo， Chen Jinchu， et al. Design and experiment of track?self?propelled double tunnel sprayer [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2022， 43（9）： 73-80.

[ 4 ] 何雄奎. 我國植保無人機(jī)噴霧系統(tǒng)與施藥技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)， 2018， 38（9）： 33-38.

[ 5 ] 馮耀寧， 裴亮， 陳曉， 等. 變量施藥關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報， 2021， 42（12）： 65-71.

Feng Yaoning， Pei Liang， Chen Xiao， et al. Summary of the key technology of variable rate application [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2021， 42（12）： 65-71.

[ 6 ] 熊文江， 隋新， 王深研， 等. 3ZF-1200型輥籠式中耕除草機(jī)的研發(fā)[J]. 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)， 2019（11）： 71-72.

[ 7 ] 劉照啟， 張蔚然， 韓鑫， 等. 淺談除草技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備， 2020（4）： 80-81.

[ 8 ] 段小賀， 韓建國， 巴金磊， 等. 玉米田化學(xué)除草現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 園藝與種苗， 2019， 39（8）： 54-56.

[ 9 ] 李建平， 邊永亮， 霍鵬， 等. 噴霧機(jī)風(fēng)送式環(huán)形噴管噴霧裝置設(shè)計與試驗優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報， 2021， 52（9）： 79-88.

[10] 王攀， 易文裕， 程方平， 等. 基于CFD的茶葉理條部件試驗與優(yōu)化[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報， 2022， 43（10）： 86-91.

Wang Pan， Yi Wenyu， Cheng Fangping， et al. Experiment" and optimization of tea slitting parts based on CFD [J].Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2022， 43（10）： 86-91.

[11] 袁野， 秦禎， 李建平， 等. 葡萄園噴霧機(jī)螺旋風(fēng)罩設(shè)計與試驗[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報， 2022， 43（9）： 55-62.

Yuan Ye， Qin Zhen， Li Jianping， et al. Design and experiment of spiral air hood for vineyard sprayer [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2022， 43（9）： 55-62.

[12] Reichard D L， Zhu H， Fox R D， et al. Wind tunnel evaluation of a computer program to model spray drift [J]. Transactions of the ASAE， 1992， 35（3）： 755-758.

[13] Tsay J， Ozkan H E， Fox R D， et al. CFD simulation of" " " mechanical spray shields [J]. Transactions of the ASAE，" 2002， 45（5）： 1271.

[14] Ozkan H E， Miralles A， Sinfort C， et al. Shields to reduce spray drift [J]. Journal of Agricultural Engineering Research， 1997， 67（4）： 311-322.

[15] 張京， 楊雪玲， 何雄奎， 等. 改進(jìn)雙圓弧罩蓋減少霧滴飄失試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報， 2009， 40（7）： 67-71.

[16] Sidahmed M M， Awadalla H H， Haidar M A." Symmetrical multi?foil shields for reducing spray drift [J]. Biosystems Engineering， 2004， 88（3）： 305-312.

[17] 陶雷， 何雄奎， 曾愛軍， 等. 開口雙圓弧罩蓋減少霧滴飄失效果的CFD模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報， 2005（1）： 35-37， 78.

[18] 魏錫攀. 罩蓋式噴霧系統(tǒng)仿真分析及試驗研究[D]. 咸陽： 西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2021.

[19] 陳雨. 氣力輔助靜電噴頭及噴霧系統(tǒng)的設(shè)計與試驗研究[D]. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué)， 2022.

[20] 燕明德， 毛罕平， 賈衛(wèi)東， 等. 風(fēng)幕式噴桿噴霧氣液兩相流數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報， 2013， 44（10）： 68-74.