摘要:目前設施農(nóng)業(yè)常用的植保機械為噴桿式噴霧機,作業(yè)過程中霧滴受重力和風阻影響會產(chǎn)生噴施不均現(xiàn)象,通過調(diào)整霧滴噴射源仰角和迎風角來優(yōu)化霧滴沉積特性。利用Fluent進行仿真模擬,設置實際作業(yè)相同工況,風速大小為1.0 m/s,調(diào)節(jié)噴射源矢量方向,將噴射源仰角控制在0°~15°,迎風角控制在-15°~0°,在距離噴射源0.2 m處設置有界云圖檢測捕捉顆粒信息,將沉積密度、霧滴粒徑DV0.9值、質(zhì)量流率作為評價指標。為進一步驗證仿真效果,并進行噴霧試驗,試驗結(jié)果與仿真結(jié)果均顯示:在仰角不超過5°時,迎風角越大,霧滴沉積效果增加;在仰角超過5°時,霧滴間的干涉區(qū)域變小,沉積效果呈下降趨勢;在迎風角為-15°、仰角為5°時,霧滴沉積效果達到最佳,為進一步優(yōu)化噴桿式噴霧機噴射源角度提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞:噴霧機;霧滴沉積特性;Fluent;噴射源角度;設施農(nóng)業(yè)
中圖分類號:S491" " " 文獻標識碼:A" " " 文章編號:2095?5553 (2025) 04?0179?07
Fluent simulation and experiment on droplet deposition characteristics of
spray bar sprayer
Yuan Yongwei, Ma Xiaoyu, Yi Jinggang, Zhang Xiuhua
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hebei Agricultural University, Baoding, 071000, China)
Abstract: At present, the plant protection machinery commonly used in facility agriculture is the spray?rod sprayer. During the process of operation, the gravity and wind resistance of the droplet will cause the spraying unequal phenomenon, the deposition characteristics of droplets can be optimized by adjusting the elevation angle and the windward angle of the spray source. At first, the simulation is carried out by Fluent, the wind speed is 1.0 m/s, the vector direction of the injection source is adjusted, the elevation angle of the injection source is controlled in 0°-15°, the windward angle is controlled in -15°-0°, at 0.2 m away from the ejector, a bounded cloud chart was set to detect and capture the particle information, and the sediment density, The DV0.9 value of droplet size and the mass flow rate were used as the evaluation indexes. In order to further verify the simulation results, spray experiments were carried out. The results of both experiments and simulations show that the larger the windward angle is when the elevation angle is less than 5°, the more the droplet deposition effect increases when the elevation angle is more than 5°, the interference area between the droplets decreases, and the deposition effect decreases. The deposition effect of the droplets is the best at -15° windward and 5° elevation angle. This paper can provide a theoretical basis for further optimizing the angle of injection source of rod sprayer.
Keywords: spray machine; droplet deposition characteristics; Fluent; spray source angle; facility agriculture
0 引言
我國設施栽培歷史悠久,其生產(chǎn)方式逐漸成為最具活力的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)形式,粗糙噴霧導致的高風險隨之而行[1]。設施農(nóng)業(yè)種植密度大,霧滴的蒸發(fā)、流失、過量沉積引發(fā)病蟲害流行是影響作物產(chǎn)量與質(zhì)量的關(guān)鍵因素[2],而通過分析霧滴特性可以優(yōu)化霧滴沉積效果,實現(xiàn)減藥增效目的。目前國內(nèi)外學者一般通過計算流體力學(CFD)建立不同物理模型進行數(shù)值模擬,并結(jié)合試驗驗證其可行性。唐聰[3]利用Fluent模擬了單個噴頭在不同間距下的噴霧效果,在充分考慮湍流模型、破碎模型、碰撞模型等進行瞬態(tài)模擬,根據(jù)計算結(jié)果比較粒徑分布的均勻性;李杰等[4]通過Fluent模擬,通過改變送風角度,獲得距噴頭不同間距垂直面上的霧滴沉積量;Lu等[5]通過CFD模擬設施內(nèi)低容量噴霧器流場情況,進行霧滴沉積試驗;Hu等[6]通過建立溫室噴霧冷卻CFD模型,驗證分析噴霧溫度、蒸發(fā)率對噴霧冷卻系統(tǒng)性能的影響;牛成強[7]通過Fluent優(yōu)化風送噴霧中導流板參數(shù),強調(diào)導流板參數(shù)對于霧滴沉積效果的重要性;王松林[8]通過Fluent開展傾斜噴桿噴霧模擬,在0°~3°時有相對吻合的模擬值與試驗值;毛廣陽[9]利用CFD進行模擬發(fā)現(xiàn),噴桿噴霧中氣流噴射角、自然風、噴頭安裝對沉積質(zhì)量和霧滴飄移量存在重要影響。
國內(nèi)外學者對于噴霧的現(xiàn)有研究,大部分停留在自然環(huán)境理想情況下的三維空間模擬,噴霧方面多為風送外流場的單噴頭模擬;在考慮空氣阻力、重力等因素下,對設施環(huán)境下韭字式噴桿噴霧機的霧滴沉積分布鮮有研究。本文通過CFD離散相模擬,建立考慮重力與底盤運動產(chǎn)生空氣阻力的情況下的三維噴霧模型,以霧滴粒徑DV0.9值和霧滴沉積密度作為評價指標,研究通過改變噴射源仰角與迎風角對噴霧效果的影響。
1 噴桿式噴霧機
1.1 噴霧機物理模型
噴霧作業(yè)時,由于重力與風阻作用導致部分霧滴飄移或流失地面,部分霧滴無法到達靶標作物,藥物的利用率降低。針對韭字式噴桿噴霧機進行研究如圖1所示。
選取孔徑為1.1 mm,噴灑角度為110°的旋流霧化噴頭,根據(jù)噴頭物理規(guī)格且保證相鄰噴頭存在20%~30%噴灑重疊區(qū)域,確定沿噴桿軸向距離400 mm間隔布置噴頭,單個噴頭距離靶作物冠層200 mm時產(chǎn)生的覆蓋圓形區(qū)域直徑約580 mm;選擇研究對象為溫室成熟期番茄植株(株高約1.4 m),布置3個噴頭滿足高度范圍覆蓋,單個噴頭處配備相應單向電磁閥,工作壓力為0.2~0.8 MPa,三缸泵提供壓力約為0.8 MPa,整機輪距為420 mm,軸向距離為490 mm,滿載質(zhì)量約為80 kg。
1.2 噴霧原理
豎直噴桿噴霧作業(yè)時,忽略浮力產(chǎn)生的影響,霧滴主要承受相對底盤運動的阻力與自身重力作用,底盤作業(yè)過程中運行速度過快時,霧滴飄移導致對靶能力降低,被風攜帶至非靶標區(qū),因此,在實際工作過程中可以通過調(diào)節(jié)噴頭仰角和迎風角來抵消部分阻力的影響,改變霧滴行動軌跡,達到減輕飄移,提高霧滴沉積的作用,其噴霧原理如圖2所示。
2 流場模型計算
2.1 流場幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分
基于計算流體力學(CFD),通過Fluent建立不同噴射角度的物理模型進行數(shù)值模擬,通過噴頭物理規(guī)格建立噴霧流場,在空氣中噴霧流場模型為氣液二相流模型,其中霧滴為離散相,空氣為連續(xù)相,且離散相體積占比小于10%,通過Design—Modeler對整個噴射區(qū)域進行建模,在模型中設置3個噴頭的噴灑范圍,為降低計算成本,將噴霧區(qū)域簡化為1 m×1 m×2.4 m的長方體流體區(qū)域。
利用ICEM對流體區(qū)域進行劃分,采用基于TGrid的協(xié)調(diào)分片算法(Patch Conforming)和基于ICEM CFD的獨立分片算法(Patch Independent)的四面體網(wǎng)格(Tetrahedrons),可通過邊界降低偽耗散,實現(xiàn)更復雜的計算。如圖3所示,通過更適合流體的proximity尺寸控制函數(shù)對流體區(qū)域進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,生成網(wǎng)格數(shù)168 866個,節(jié)點數(shù)32 361;劃分完畢后對邊界進行命名,考慮霧滴沉積在右壁面和流失在地面,將右邊界和下邊界設置為霧滴逃逸出口(escape),為模擬底盤運動產(chǎn)生霧滴的飄移,設置運動方向的平面命名為進風口(wind?inlet),對應面命名為出口(outlet),其余平面命名為壁面(wall),劃分結(jié)束查看氣傾斜度(Skewness)平均值為0.230,正交質(zhì)量(Orthogonal Quality)平均值為0.95,網(wǎng)格劃分質(zhì)量評估優(yōu)秀。
2.2 流體計算模型的確定
在Fluent中激活離散相模型(Discrete Model),采用歐拉—拉格朗日法進行求解霧滴顆粒的軌跡方程,追蹤并捕捉每個粒子軌道以及沉積信息。理想情況下,霧滴顆粒沿著各自的軌道運動且互不干涉,總通量始終保持守恒,然而顆粒間的相互作用或流場的湍流擴散作用的存在會影響農(nóng)藥液滴在分散區(qū)域的傳輸效率,因此,考慮其相互作用關(guān)系進行模型計算。
連續(xù)相采用噴射流散布率預測更加精確的Realizable k—ε湍流模型,該模型為標準k—ε的變形[10],Realizable k—ε湍流模型輸運方程如式(1)、式(2)所示。
2.3 噴霧模型參數(shù)設置
理想情況下噴霧總通量始終保持守恒,各霧滴之間互不干涉,但實際情況下顆粒間的相互作用起到積極作用,因此,兩個相鄰噴頭噴灑范圍保證20%~30%的重疊,該干涉區(qū)域霧滴相互碰撞使較大的霧滴進一步破碎、聚合,以提高霧滴的初始動能和分布均勻性。
噴桿姿態(tài)為豎直噴霧,激活壓力基求解器,采用瞬態(tài)方式,重力加速度為Y方向,大小為-9.81 m/s2,激活連續(xù)相湍流模型與離散相模型,打開與連續(xù)相交互選項,顆粒處理采用非定常顆粒跟蹤,跟蹤參數(shù)為500,激活物理模型中更適合溫室噴霧(低速射流、低韋伯數(shù))的TAB碰撞、破碎以及聚合模型,且在相同跟蹤步中考慮子顆粒;噴射源采用Pressure?Swirl?Atomizer injection得到相同軌跡,添加噴射源位置以及噴射矢量方向,根據(jù)番茄高度設置3個噴頭,中心坐標分別為(0.5,0.4,0.5),(0.5,0.8,0.5),(0.5,1.2,0.5);上述可知水平噴霧姿態(tài)主要承受重力與相對運動阻力,部分霧滴被帶至非靶標區(qū)域。因此,設置迎風角與仰角抵消重力與阻力引起的飄移效果,并分析相互作用下最佳角度,噴射矢量坐標如表1所示;噴霧質(zhì)量流率為0.001 5 kg/s,噴射時間為100 s,霧化半角為55°,初始壓力為0.8 MPa,出口孔直徑為1.1 mm,噴霧擴散角為6°,材料設置為水,粒子類型為慣性顆粒;設置邊界條件,溫室環(huán)境與大田環(huán)境相比,參數(shù)可控性強且較穩(wěn)定,設置進風口速度為1 m/s模擬底盤運動的平均速度,地面和壁面的離散相模型邊界條件為wall?film,創(chuàng)建包含顆粒軌跡與逃逸位置的噴霧場景,時間步長設置為0.02 s,時間步數(shù)為500,單元中心變量梯度采用格林高斯(Green?Gauss Node?Based),在流體計算中更好地適應四面體網(wǎng)格,降低偽耗散,對流差值方法采用一階(First?Order?Upwind)易收斂進行初始化并計算,運算結(jié)果顯示,連續(xù)性方程、湍動能、耗散率等曲線均收斂,且殘差值均小于10-4。
2.4 模擬結(jié)果
仿真模擬結(jié)果如圖4所示,根據(jù)結(jié)果可看出,隨仰角度數(shù)的增加,相鄰噴射源之間的重疊區(qū)域逐漸變小,降低霧滴間的相互碰撞,仰角為15°的相鄰區(qū)域的霧滴幾乎不發(fā)生相互碰撞干涉的情況。
噴射源處粒子直徑相對較大,大粒徑顆粒無法發(fā)生碰撞分裂,受重力影響沉積地面,初始動能降低,噴霧分布的均勻性降低。
2.5 后處理及數(shù)據(jù)統(tǒng)計
噴射源距離作物冠層距離設置為0.2 m,在該位置設置平面大小為0.15 m×0.15 m的有界云圖,有界云圖位置表示植株生長初期的生長高度范圍,用于檢測調(diào)整迎風角的霧滴顆粒沉積信息如圖5所示。
為綜合衡量噴霧沉積效果,將沉積密度、霧滴粒徑DV0.9、質(zhì)量流率作為評價指標,其中霧滴粒徑DV0.9值反映大部分霧滴的直徑范圍[11];表2為各位置顆粒信息(e,f,g)值,其中e表示有界檢測云圖位置處沉積密度,粒/cm2;f表示有界檢測云圖位置處霧滴粒徑DV0.9值,μm;g表示質(zhì)量流率,kg/s。
由表2可知,仰角≤5°時,隨著迎風角的增加,有界云圖范圍內(nèi)的顆粒數(shù)逐漸增加,而迎風角一定時,仰角在5°時沉積顆粒達到峰值;仰角增加至10°~15°時,噴射源干涉碰撞區(qū)域減少,導致部分粒徑較大顆粒無法再次分解,分布均勻性與初始動能降低,檢測區(qū)域顆粒數(shù)變少;當迎風角為-15°,仰角為15°時,檢測的顆粒最少為43粒/cm2,但仍然大于國家標準25粒/cm2。
迎風角一定時,隨著仰角的增加,沉積密度減小,當迎風角為-15°,仰角為5°時,沉積密度最大達202粒/cm2;仰角一定時,隨著迎風角增加,有界區(qū)域內(nèi)霧滴粒徑DV0.9值在小范圍內(nèi)起伏變化;但迎風角一定、仰角增加時,區(qū)域內(nèi)霧滴粒徑DV0.9值持續(xù)增長,最大達到145.2 μm。
迎風角一定時,隨著仰角的增加,地面質(zhì)量流率下降;仰角一定時,隨著迎風角的增加,地面質(zhì)量流率增加,噴射源產(chǎn)生較多的大粒徑顆粒受飄移影響嚴重而沉積到地面,質(zhì)量流率在仰角10°后變化程度減小但依舊在減少,最小達1.7×10-6 kg/s。
仰角在0°~5°的增加過程中對克服重力影響效果起到一定作用,沉積密度增大,但仰角過大引起干涉區(qū)域減少,大顆粒霧滴無法破碎的情況下沉積密度減小;當仰角過大時,迎風角的增加會使沉積密度下降,同時過大的迎風角也會增加地面的質(zhì)量流率,因此,綜合以上分析發(fā)現(xiàn),迎風角為-15°、仰角為5°的狀態(tài)下霧滴沉積效果最好。
3 田間試驗
根據(jù)NY/T 1876—2010《噴桿式噴霧機安全施藥技術(shù)規(guī)范》進行霧滴沉積試驗[12],試驗裝置為自行搭載噴霧系統(tǒng),主要包括壓力霧化噴頭、三缸泵、單向電磁閥等部分;試驗靶作物為(成熟期)番茄,將霧滴粒徑DV0.9和沉積密度作為評價指標綜合評判沉積效果[13],探究改變噴射源角度能否對沉積效果起到優(yōu)化的作用[14]。
3.1 試驗設計
準備水敏紙、別針、塑料封裝袋、顯色劑、清水、風扇等材料,根據(jù)種植高度將番茄分為a、b、c三層,每層的離地高度分別為0.3~0.6 m、0.6~1.0 m、1.0~1.3 m,每層隨機選取合適葉片進行采樣點固定,即單株番茄3個采樣點??紤]到番茄作物本身疏密程度存在的差異,對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響,對同一株處于成熟期且生長狀態(tài)正常的番茄植株進行試驗。
3.2 試驗過程
噴霧作業(yè)前對不同狀態(tài)進行編號,配置10%濃度的甲基紫溶液作為霧滴沉積顯示劑。將噴霧系統(tǒng)調(diào)節(jié)至額定工況,工作電壓為12 V,三缸泵壓力為0.8 MPa,固定噴射源噴射角度;為模擬底盤行走和溫室內(nèi)自然風的風阻,通過布置風扇并調(diào)節(jié)風速大小為1.0 m/s,一次作業(yè)結(jié)束后更換噴射方向再次進行作業(yè),直到完成16次測試。
噴霧結(jié)束后,等待空氣中的霧滴完全沉積后,佩戴防護性手套立即對水敏紙進行收集處理,放入密封袋準備檢測處理,并用記號筆在密封袋上標記位置和噴霧角度等信息,將水敏紙帶回實驗室晾干后,掃描拍照進行圖片灰度處理,處理后的灰度圖片通過Deposit Scan軟件進行信息處理,可以自動生成水敏紙上的信息,包括霧滴粒徑DV0.9值和霧滴沉積密度等數(shù)據(jù),表3為各層霧滴顆粒信息(h,k)試驗數(shù)據(jù),其中h為霧滴粒徑DV0.9值,μm;k為霧滴密度,粒/cm2。
3.3 霧滴沉積效果分析
噴桿豎直模式噴霧結(jié)果將a、b、c各層采樣水敏紙的信息進行統(tǒng)計,通過與仿真值以及變異系數(shù)對比,對試驗結(jié)果進行分析,霧滴粒徑DV0.9值試驗結(jié)果如圖6所示,豎直噴霧霧滴密度試驗結(jié)果如圖7所示。
由圖6、圖7分析可知,霧滴粒徑DV0.9值能更好地反映沉積面大部分霧滴粒徑的范圍,試驗所有層數(shù)的采樣點霧滴粒徑DV0.9值為44.5~140.5 μm,仿真結(jié)果顯示霧滴粒徑DV0.9值為35.4~145.2 μm,可以更好地消滅翼類、爬行類幼蟲;試驗所有層數(shù)霧滴密度為44.5~157.9粒/cm2,仿真結(jié)果霧滴密度為43~202粒/cm2,密度最小值大于25粒/cm2,均滿足國家標準。
試驗結(jié)果中,相同噴霧角度,不同噴霧高度,即同組試驗不同采樣點之間霧滴粒徑DV0.9值變異系數(shù)最大達到12.05%,霧滴密度變異系數(shù)達到18.57%,部分組試驗中,霧滴沉積效果差異較為明顯,主要受番茄冠層疏密程度的影響,番茄由于本身植株的特性越靠上冠層越稀疏,c(上)層最稀疏,因此,在上層的霧滴未沉積到上層卻因重力原因部分沉積到中層;b(中)層冠層最密,阻擋大部分霧滴沉積到a(下)層,因此,沉積效果中層最好;以上為同一組試驗不同層數(shù)霧滴參數(shù)差異大的主要原因。
從圖6和圖7可以看出,通過調(diào)整噴射源的角度從而抵消風阻和重力產(chǎn)生的負面效果,霧滴的沉積密度增加,分布均勻性得到改善,對沉積效果起到優(yōu)化效果,試驗結(jié)果與仿真結(jié)果均表示在第8組(迎風角為-15°,仰角為5°)霧滴沉積密度達到最大,適當調(diào)整仰角可以抵消重力引起的霧滴沉積到地面的現(xiàn)象,但是仰角過大,各噴射區(qū)域干涉減小,霧滴粒徑均呈現(xiàn)增大的趨勢,也再次驗證噴射過程中霧滴碰撞、分裂對于霧滴沉積粒徑大小的影響;同時第8組試驗結(jié)果顯示霧滴粒徑DV0.9值適用于消滅番茄類常見翼類爬行類幼蟲,大幅度優(yōu)于傳統(tǒng)噴霧方式。
霧滴粒徑DV0.9值和霧滴密度試驗值整體上與仿真值存在一定的誤差,主要原因為Fluent模型的沉積面為平面,有利于霧滴更好沉積,而采樣點處布置的水敏紙?zhí)幱诹Ⅲw空間,霧滴濺落、飄移等現(xiàn)象更為明顯;仿真模型設置的沉積面不存在冠層稀疏程度不同的問題,因此,顯示的霧滴密度數(shù)據(jù)較為均勻,但試驗結(jié)果顯示的霧滴粒徑DV0.9值和霧滴密度總體上均呈現(xiàn)波動的趨勢,且變化趨勢相同。
3.4 采樣點變異系數(shù)分析
在3.3節(jié)中分析同組試驗不同采樣點之間霧滴粒徑情況,每組試驗相同位置處的采樣點變異系數(shù)如表4所示。豎直噴桿噴霧全部試驗中,相同位置的采樣點變異系數(shù)最小為24.74%,最大為35.00%,主要原因是通過中層較密的冠層使霧滴進一步破碎,大霧滴分裂為多個小粒徑霧滴,部分更小粒徑的霧滴飄移或濺落到其他層,而每層采樣點之間隨機布置,因此,相同層數(shù)采樣點試驗結(jié)果存在一定差異。
4 結(jié)論
通過CFD離散相模擬,建立考慮重力與底盤運動產(chǎn)生空氣阻力的情況下的三維噴霧模型,研究通過調(diào)節(jié)噴射源仰角與迎風角改變霧滴噴射軌跡后,霧滴發(fā)生飄移與地面質(zhì)量流率以及噴射區(qū)域有界云圖的沉積分布特性。
1) 通過ANSYS—Fluent進行離散相仿真計算,并考慮到霧滴之間的碰撞、破碎、聚合等物理現(xiàn)象,當噴霧狀態(tài)在仰角為5°,迎風角為-15°時,沉積密度為202粒/cm2,霧滴粒徑DV0.9值為74.2 μm,同時地面質(zhì)量流率為6.7×10-5 kg/s,霧滴沉積效果最好。
2) 通過搭建多模式噴霧機的噴霧系統(tǒng)進行試驗,霧滴粒徑DV0.9值和沉積密度作為評價指標,改變噴射源角度在工作環(huán)境下進行作業(yè),統(tǒng)計結(jié)果后探究改變噴射源角度后的優(yōu)化效果,結(jié)果顯示:噴桿豎直試驗中所有層數(shù)的采樣點霧滴粒徑DV0.9值為44.5~140.5 μm,可以更好地消滅翼類、爬行類幼蟲;霧滴密度為44.5~157.9粒/cm2,試驗結(jié)果與仿真結(jié)果均表示在第8組(迎風角為-15°,仰角為5°)霧滴沉積密度達到最大,由于植株生長特征與疏密度不同,中層沉積效果優(yōu)于其他層,改變噴射源角度能夠?qū)F滴沉積起到優(yōu)化作用。
參 考 文 獻
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