風幕式噴桿噴霧霧滴漂移距離計算方法研究

賈衛東，李　信，周慧濤，龔　辰，歐鳴雄

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江　212013)

0　引言

霧滴飄移是指在施藥過程中，霧滴被氣流脅迫向非標靶區域運動的物理現象，是導致農藥危害的主要因素之一[1]。一般來說，隨風飄失的霧滴尺寸隨著自然風速的增大而增大，農藥的利用率也相應降低。自然風對霧滴產生的隨風飄失，即噴頭噴出的細小霧滴被自然風攜帶出靶標區后消失或再沉降的過程，是造成環境污染的重要原因[2]。風幕式噴桿噴霧機施藥時形成的均勻風幕能有效地提高霧滴沉積分布均勻度，增大霧滴的沉積和穿透能力，脅迫霧滴向作物冠層沉積，減少霧滴的飄失，可節省施藥量20%～60% ，從而提高農藥利用率和施藥安全性，降低作業成本[3]。

茹煜[4]等在風洞條件下進行霧滴飄移試驗，表明不同型號噴頭和側風氣流速度，對霧滴飄移都有顯著影響，并提出了霧滴在側風作用下的飄移預測模型。宋吉林[5]等的試驗研究表明：氣流對霧滴漂移有顯著影響，小于50 μm的霧滴容易發生漂移，大于200 μm的霧滴很快就能到達目標物。劉雪美等[6]采用三維流場的多相流計算流體力學模型對霧滴漂移展開研究，表明增大輔助氣流速度可減少霧滴飄移率，且當噴嘴流量較小時，霧滴飄失率變小的趨勢更為明顯。張鐵[7]等結合超高地隙噴桿噴霧機實際結構，對漂移率與各影響因素之間的關系進行了仿真和試驗驗證研究，表明所建模擬模型能夠比較正確地反映風幕系統各作業參數對霧滴漂移的影響。以上霧滴漂移研究主要是集中于側風對霧滴漂移影響的研究，對于風幕式噴桿噴霧漂移距離的預測，目前沒有相應有效的計算方法。

本文通過對影響霧滴漂移的主要因素進行動力學分析，獲得各因素對霧滴漂移的計算方法。基于離散相模型的粒子跟蹤技術，分析風幕出風口氣流速度、噴霧壓力和噴霧高度對霧滴粒徑的影響，并進行試驗驗證。通過風機生成的恒速風模擬自然風的側風條件，利用風幕式噴桿噴霧氣液兩相流系統試驗平臺和自制的圓杯式霧滴承接器，對風幕式噴桿噴霧霧滴漂移距離進行驗證性試驗。

1　側風條件下風幕式噴桿噴霧霧滴漂移距離計算方法

為了便于研究，需要對模型進行一些簡化，假設單個霧滴是慣性粒子；側風風速屬于低速氣流，忽略側風對霧滴粒徑的影響。因此，霧滴在氣液兩相流運動過程中僅考慮空氣曳力和重力的作用。

設霧滴直徑為d、霧滴質量為m、霧滴密度為ρl、霧滴速度為vl、空氣密度為ρg、氣流速度為vg、氣體動力粘性系數為μ，根據牛頓第二定律，霧滴在穩態氣流中的受力平衡微分方程為[8]

(1)

其中，FD(vg-vl)為空氣曳力，則

(2)

(3)

(4)

其中，Re為雷諾系數，CD為阻力系數,d=105～170 μm，μ=1.81×10-5Pa·s，ρg=1.205kg/m3, 可獲得霧滴在氣流中運動的雷諾數區間為69.9

CD=24Re-1+3.73Re-0.5-

(5)

在笛卡爾坐標系下運用局部近似解法和霧滴速度模型[9],求解霧滴的運動速度。其中，Y方向與風幕出風口氣流方向相反，Z方向為側風風向，vh為風幕出風口氣流速度，vs為側風風速，其解析式可寫成

vlx=vlx0e-λSx

(6)

vly=vh-(vh0-vly0)e-λSy-gλ(1-e-λSy)

(7)

vlz=vz-(vs0-vlz0)e-λSz

(8)

(9)

其中，vlx、vly、vlz分別為霧滴在X、Y、Z方向的瞬時運動速度,vlx0、vly0、vlz0分別為霧滴在X、Y、Z方向的瞬時初速度，vs0、vh0分別為氣流在噴頭安裝位置處的速度(m/s)，Sx、Sy、Sz分別為霧滴在X、Y、Z方向的運動位移(m)，λ為動量弛豫系數。

聯立式(1)～式(9)，可以求出霧滴在笛卡爾坐標系中某點的運動速度。其中，霧滴初始速度與液膜速度一致，液膜初始速度主要由噴射壓力決定。霧滴初始速度通過流經液力噴頭流體的伯努利方程和連續性方程可求得[5]。由上述表達式可以看出：隨著沉降距離的增大，霧滴在X、Y、Z方向的瞬時運動速度都在變小；當速度vlz幾乎等于零或霧滴沉降到地面時，霧滴的漂移運動基本終止，此時可計算出霧滴的漂移距離。

2　風幕式噴桿噴霧CFD模型

2.1　幾何模型

為使仿真模擬與實際條件盡可能一致，降低出口邊界條件對流場仿真結果的影響，將三維風幕模型的內流場和風幕出風口外離地面高度1.2m內的自由流動區加入計算區域。根據風幕式噴桿噴霧氣液兩相流系統試驗平臺的實際尺寸及其噴灑范圍，選取如圖1所示的模擬計算區域。

圖1　CFD模擬的計算區域

本文選取一個噴嘴作為分析對象，以節省計算時間。為減少計算負荷，提高計算精度，將計算區域分成兩部分，上部分采用四面體非結構網格，下部分采用六面體結構網格計算。網格如圖2所示。網格數量總共為1 370 075。

圖2　模型的網格劃分

2.2　連續相離散相模型及噴嘴霧化參數設置

本文忽略霧滴對氣流的影響，將氣流作為連續相處理，霧滴作為離散相處理，連續相使用雷諾平均方程，離散相采用Lagrangian離散相模型。由于形成的風幕來源于風機，因此連續相的入口邊界條件設置為“intake-fan”，風機變頻器頻率設定為0、20、40Hz，對應靜壓分別為0、45.7、274.8Pa，出口條件設置為壓力出口(pressure outlet)。在本研究中，設置地面為：“trap”邊界條件，其他邊界設置為 “escape”邊界條件，霧滴運動到其他區域均視為發生漂移，霧滴運動到各壁面均不發生反彈。

由于仿真的風幕式噴桿噴霧氣液兩相流系統試驗平臺采用德國Lechler研制的標準扇形霧化噴嘴，因此離散相的噴嘴模型采用平板扇形霧化噴嘴。噴霧壓力設定為0.3、0.4、0.5MPa，對應質量流量為0.032 8、0.037 6、0.042 4kg/s。破碎模型選擇TAB模型, 液滴主要受拖曳力和重力的作用。模擬計算中連續相和離散相的主要參數如表1所示。

表1　連續相和離散相的主要參數

3　試驗方法與設計

3.1　試驗裝置

風幕式噴桿噴霧氣液兩相流系統試驗平臺示意圖，如圖3所示。

該試驗裝置主要由3部分組成：風幕運行控制系統、噴桿運動控制系統及噴霧運行控制系統。風幕運行控制系統包括風幕氣囊、變頻器和軸流風機，通過變頻器控制軸流風機的轉速來調節風幕氣流速度，軸流風機和風幕氣囊均固定于機架上且緊密相連。噴桿運動控制系統由滾珠絲桿、噴桿及U型卡環組成，噴桿利用U型管卡固定在風幕氣囊下的支撐架上，通過調節滾珠絲桿實現噴桿的上下和前后運動。噴霧運行控制系統包括隔膜泵、噴桿、噴頭、開關閥、藥箱、壓力表和流量計，通過隔膜泵實現噴霧壓力的調節。該系統的主要技術參數如表2所示。

1.開關閥　2.隔膜泵　3.流量計　4.壓力表　5.藥箱　6.變頻器7.噴桿　8.軸流風機　9.噴頭　10.風幕氣囊　11.風速儀

主要裝置項目技術參數Altivar 21H 異步電機變頻器變頻范圍/Hz0～50SF-3.5型軸流風機風量/m3·h-16500轉速/r·min-12900DP-130型隔膜泵(15W)額定壓力/MPa1流量/L·min-11.7藥箱容積/L60BS210S電子天平質量/mg0.1LWGY-N型渦輪流量計測量范圍/m3·h-10～0.25Y-100型壓力表測量范圍/MPa0～0.6LECHLER ST110-01標準扇形噴頭噴霧角/(°)110°KA31型熱線風速儀測量范圍/m·s-10～50

3.2　試驗設計

3.2.1霧滴粒徑譜測量

如圖4所示：采用Winner318B型測量儀，在對應仿真計算工況下對風幕式噴桿噴霧流場中霧滴粒徑進行測試，每種工況測試3次取平均值，并與仿真值進行對比。測試介質為清水，試驗時無自然風，環境溫度為(25±1)℃，相對濕度為64%。

3.2.2霧滴漂移距離試驗

如圖5所示：自制的圓杯式霧滴承接器水平布置，圓杯數量為10×10,圓杯直徑28mm,每2個圓杯間距為110mm；噴頭位置在水平面的投影位于霧滴承接器中心線上，霧滴承接器距離噴頭的水平距離根據不同工況來做出相應地調整，每次噴180s；用風機模擬自然風，用BS210S電子天平依次稱取每個圓杯內水的質量，并記錄數據，每組試驗重復3次取平均值，計算單位面積上的噴霧量。參照GB/T24681―2009《植物保護機械 霧滴漂移的田間測量方法》，凡噴霧量等于0.04mL/(min·cm2)的最遠邊界到噴嘴的水平距離即為水平射程。

圖4　風幕式噴桿噴霧霧滴粒徑測試試驗裝置

圖5　霧滴漂移距離試驗現場

4　結果與分析

4.1　霧滴粒徑分析

4.1.1霧滴粒徑仿真結果分析

圖6為靜壓45.7Pa，噴霧壓力0.3MPa工況下，2 s時刻的霧滴粒徑分布圖，粒徑范圍為52～246 μm。選取距離噴頭高度為300、500、700mm的3個水平面，分別計算3個水平面上散點的體積中徑，其體積中徑分別為135.3、150.5、159.4μm。

4.1.2風幕出風口氣流速度對霧滴粒徑的影響

采用KA31型熱線風速儀測量風幕出風口氣流速度，風機變頻器頻率為0、20、40Hz時，對應風幕出風口氣流速度分別為0、6.3、12.3m/s。圖7是噴霧壓力0.5MPa時霧滴粒徑變化趨勢圖。由圖7可知：霧滴粒徑隨著風幕出風口氣流速度的增加而減小；當氣流速度在0～6.3m/s時，霧滴粒徑隨著氣流速度的增大，其下降趨勢緩慢；當氣流速度在6.3～12.3m/s時，霧滴粒徑隨著氣流速度的增大，其下降趨勢顯著。由此說明，在一定速度范圍內，風幕出風口氣流速度是影響霧滴粒徑的重要因素。

1.噴頭　2.液膜形成區　3.地面

圖7　風幕出風口氣流速度對霧滴粒徑的影響

4.1.3噴霧壓力對霧滴粒徑的影響

圖8是噴霧高度700mm時霧滴粒徑變化趨勢圖。由圖8可知：在相同風幕出風口氣流速度條件下，霧滴粒徑隨著噴霧壓力的增大而減小；噴霧壓力在0.3～0.4MPa之間時，霧滴粒徑變化值較小；在0.4～0.5MPa時，霧滴粒徑變化值較大。

4.1.4噴霧高度對霧滴粒徑的影響

圖9是風幕出風口氣流速度為12.3m/s時霧滴粒徑變化趨勢圖。由圖9可知：在相同噴霧壓力條件下，霧滴粒徑隨著噴霧高度的增加而增大；當噴霧高度在300～500mm之間時，霧滴粒徑增長趨勢比較明顯；當噴霧高度在500～700mm之間時，霧滴粒徑增長趨勢比較緩慢。

圖8　噴霧壓力對霧滴粒徑的影響

圖9　噴霧高度對霧滴粒徑的影響

通過對比霧滴平均體積中徑的仿真值與試驗值，最大誤差為4.8%，可認為仿真值與試驗值基本吻合，證明了CFD模型的正確性，也說明霧滴漂移計算模型僅考慮空氣曳力和重力的作用是可行的。

從霧滴粒徑結果中選擇噴霧高度700mm的霧滴粒徑，作為霧滴漂移距離計算方法的相關參數和霧滴飄移試驗的作業參數。選擇側風風速為0、2、4m/s(無風、2級風和4級風)的3種側風條件，比較霧滴漂移距離的計算結果與試驗結果。

4.2　霧滴漂移距離結果分析

4.2.1側風風速對霧滴漂移距離的影響

圖10是噴霧壓力為0.5 MPa時霧滴漂移距離變化趨勢圖。由圖10可知：霧滴漂移距離隨著側風風速的增大而增大；當側風為0時，霧滴漂移距離為65～170 mm,這是霧滴在運動過程中受到空氣阻力作用的結果，說明霧化過程中的霧滴擴散會導致漂移現象，側風不是影響漂移的唯一因素；當側風風速增大至2 m/s時，無風幕情況下霧滴漂移距離增至3 710～4 140mm，平均增大了33.4倍，說明側風是影響霧滴漂移的重要因素。

圖10　側風風速對霧滴漂移距離的影響

4.2.2風幕出風口氣流速度對霧滴漂移距離的影響

圖11是側風風速為4 m/s時霧滴漂移距離變化趨勢圖。

圖11　風幕出風口氣流速度對霧滴漂移距離的影響

由圖11可知：在側風風速相同的條件下，霧滴漂移距離隨著風幕出風口氣流速度的增大而減小；當風幕出風口氣流速度為0時，霧滴漂移距離為90～8 970mm,這是由于霧滴易受到側風的影響造成飄失；當風幕出風口氣流速度增大至6.3m/s時，霧滴漂移距離減小至75～1 110mm；當風幕出風口氣流速度增大至12.3m/s時，霧滴漂移距離下降了21倍，說明風幕能有效地抑制霧滴漂移現象，這是由于風幕形成的高速氣流脅迫霧滴向下沉降，能有效地縮短霧滴沉降的時間。

4.2.3噴霧壓力對霧滴漂移距離的影響

圖12是風幕出風口氣流速度為12.3m/s時霧滴漂移距離的變化趨勢圖。由圖12可知：在側風風速相同的條件下，隨著噴霧壓力的增加，霧滴漂移距離逐步增大，這是由于霧滴粒徑隨著噴霧壓力的增大而減小，小霧滴沉降時間較長，更易受到側風的影響。

圖12　噴霧壓力對霧滴漂移距離的影響

對計算數據和試驗結果進行擬合分析，如圖13所示。由圖13可知：二者可以擬合成一條斜率接近于1、經過原點的一條直線，擬合相關系數R=0.96，說明運用霧滴受力模型來分析霧滴的漂移是可行的。

圖13　霧滴漂移距離計算結果與試驗結果的擬合

5　結論

1)基于Miller P H霧滴速度模型，在笛卡爾坐標系中對單個霧滴顆粒進行受力分析，獲得風幕式噴桿噴霧霧滴漂移距離的計算方法。

2)無風幕和側風時，霧化過程中的霧滴擴散會導致漂移現象。當無風幕和側風時，霧滴漂移距離為65～170mm；當側風風速增大至4m/s時，無風幕情況下霧滴漂移距離平均增大了52.4倍；當風幕出風口氣流速度增大至12.3m/s時，霧滴漂移距離降低至340～390mm。由此說明：風幕能有效地抑制霧滴漂移現象，在4級風以下(含4級風)，風幕式噴桿噴霧機也能正常作業。