新型風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒設(shè)計(jì)與研究

宋俊偉，吳 姝，魏新華

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

對(duì)于棉花這類(lèi)矮化密植種植模式植物，普通噴桿式噴霧機(jī)無(wú)法穿透棉花冠層，施藥效果不佳[1-3]。為提高施藥效果，在現(xiàn)有普通噴桿式噴霧機(jī)的基礎(chǔ)上，先后出現(xiàn)了吊桿式噴霧機(jī)和風(fēng)送式噴霧機(jī)。吊桿式噴霧機(jī)雖然在藥液沉積分布和施藥效果上有所改善，但霧滴難以在冠層內(nèi)擴(kuò)散，冠層內(nèi)的藥液沉積分布極不均勻；風(fēng)送式噴霧技術(shù)主要是利用氣流將農(nóng)藥?kù)F滴噴入作物冠層，該方法可大幅度增加冠層內(nèi)部的藥液沉積量[4-7]。

風(fēng)送式噴桿噴霧機(jī)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)均勻性影響很大，進(jìn)而影響霧滴的穿透能力和均勻性。Endalew等[8]利用仿真技術(shù)建立了風(fēng)送式噴霧機(jī)的仿真模型，對(duì)噴霧氣流速度的高低分布進(jìn)行了研究。Tsay J R等[9]利用CFD仿真技術(shù)對(duì)果園風(fēng)助式噴霧機(jī)的霧滴穿透及噴霧性能進(jìn)行了研究。祁力鈞等[10]在原有噴霧機(jī)的出風(fēng)口設(shè)計(jì)安裝一個(gè)錐形導(dǎo)風(fēng)筒和一個(gè)同軸柱形導(dǎo)風(fēng)筒，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)不同的導(dǎo)風(fēng)筒進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其運(yùn)動(dòng)軌跡和出風(fēng)口處的氣流速度分布。張曉輝等[11]在原有風(fēng)筒上增加導(dǎo)流板裝置，減小出口尺寸和出口間距。試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的風(fēng)筒能實(shí)現(xiàn)高效和風(fēng)速變異小的風(fēng)囊。

本文在現(xiàn)有棉花施藥噴桿噴霧機(jī)[12]的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型風(fēng)筒，利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)新風(fēng)筒內(nèi)外流場(chǎng)仿真，對(duì)其內(nèi)部氣流場(chǎng)進(jìn)行分析研究，并將設(shè)計(jì)的風(fēng)筒安裝在噴霧機(jī)上進(jìn)行實(shí)際大田作業(yè)，檢驗(yàn)風(fēng)送式噴霧機(jī)的霧滴沉積分布情況。

1 風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒末端風(fēng)速大小及風(fēng)速均勻性是影響風(fēng)送式噴霧機(jī)施藥效果的關(guān)鍵因素。風(fēng)速大小影響霧滴的穿透性，風(fēng)速均勻性影響霧滴的均勻性。對(duì)于風(fēng)筒的設(shè)計(jì)，應(yīng)做到出風(fēng)口處的風(fēng)速分布保持均勻，在進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口的過(guò)程中，內(nèi)流場(chǎng)的區(qū)域的變異系數(shù)要盡量小，且能量損失小。為了滿足上述要求，本文設(shè)計(jì)了一種風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒。風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)筒外部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 External structure of air duct

圖1中，風(fēng)筒由圓筒外殼和導(dǎo)流板組成。圓筒側(cè)面設(shè)計(jì)為傾斜面，使得風(fēng)反彈較小，能量損失較小。

導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，橫向2片葉片，縱向5片葉片，將風(fēng)均勻分散，不至于過(guò)度集中，同時(shí)減少了能量損失，風(fēng)沿著導(dǎo)流板前進(jìn)變異系數(shù)小，均勻性好。

圖2 導(dǎo)流板與導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of deflector

2 風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒計(jì)算模型仿真模擬

2.1 模型建立與計(jì)算域確定

CFD仿真模型是整個(gè)流體域模型，在仿真之前必須建立整個(gè)流道。本文采用PROE軟件對(duì)風(fēng)筒幾何進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到風(fēng)筒流體域，如圖3所示。

圖3 風(fēng)筒仿真模型Fig.3 Simulation model of air duct

考慮風(fēng)筒與風(fēng)筒之間氣流的相互影響作用，只需研究?jī)蓚€(gè)風(fēng)筒內(nèi)外部氣流場(chǎng)分布，即可反應(yīng)出風(fēng)筒之間相互影響關(guān)系。另外，為研究風(fēng)筒外部流場(chǎng)，在現(xiàn)有風(fēng)筒仿真模型的基礎(chǔ)上，增加外部流場(chǎng)，如4所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

現(xiàn)階段ICEM作為功能強(qiáng)大網(wǎng)格劃分軟件，在流體CFD仿真前處理中被廣泛應(yīng)用。對(duì)風(fēng)筒內(nèi)流場(chǎng)及外流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于風(fēng)筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，外流場(chǎng)部分相對(duì)規(guī)則，因此將分成兩個(gè)部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中，風(fēng)筒部分采用精細(xì)的網(wǎng)格，外流場(chǎng)部分采用粗放網(wǎng)格，最終網(wǎng)格化后的模型如圖5所示。三維結(jié)構(gòu)共劃分網(wǎng)格數(shù)為3 520 321，節(jié)點(diǎn)數(shù)為826 305。

圖4 風(fēng)筒內(nèi)外流場(chǎng)仿真模型Fig.4 Simulation model of internal and external of air duct

圖5 仿真模型網(wǎng)格化Fig.5 Drawing grid with simulation model

2.3 數(shù)值計(jì)算與仿真結(jié)果分析

2.3.1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)置

風(fēng)筒氣流場(chǎng)仿真計(jì)算模型為Realizablek-ε湍流模型，進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口速度為20m/s；出口為壓力出口邊界條件，出口壓力為大氣壓；壁面條件為默認(rèn)的WALL壁面函數(shù)；選空氣作為材料，材料密度設(shè)為1.225kg/m3,動(dòng)力粘度設(shè)為1.789 4×10-5Pa·S。本文采用壓力基求解器，二階迎風(fēng)格式進(jìn)行求解。當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完畢后，設(shè)置迭代步數(shù)2 000進(jìn)行計(jì)算，在迭代計(jì)算1 232步后，各項(xiàng)殘差值均低于10e-4，計(jì)算收斂。

2.3.2 仿真結(jié)果分析

將Fluent仿真結(jié)果導(dǎo)入到CFD-POST后處理，風(fēng)筒內(nèi)外流場(chǎng)氣流的速度云圖如圖6所示，氣流流線圖如圖7所示。

圖6 內(nèi)外流場(chǎng)速度分布云圖Fig.6 Flow velocity distribution inside and outside flow chart

圖7 風(fēng)筒流線圖Fig.7 Hairdryer streamline

對(duì)風(fēng)送式系統(tǒng)而言，風(fēng)筒外流場(chǎng)風(fēng)速分布為研究重點(diǎn)。為研究本設(shè)計(jì)風(fēng)筒距出風(fēng)口不同距離平面風(fēng)速分布，在后處理軟件中，選取距離出風(fēng)口L為300、400、500、600、700mm平面分析風(fēng)速分布。其中，距離出風(fēng)口L=400mm平面的速度云圖如圖8所示。

圖8 距離出風(fēng)口L=400mm平面速度分布圖Fig.8 Hairdryer streamline

由圖8可知：平面兩側(cè)風(fēng)速大，中間部位風(fēng)速小，這是由于兩個(gè)風(fēng)筒在安裝位置上存在一定距離，平面中間風(fēng)速較小部位剛好對(duì)應(yīng)棉花行間，其風(fēng)速小并不影響噴霧機(jī)整體的施藥效果，相反能減小不必要的能量損失。圖8還表明：距離出風(fēng)口L=400mm平面處，最大風(fēng)速達(dá)到了3.5m/s，完全滿足風(fēng)送式棉花施藥機(jī)末速度要求；風(fēng)速分布均勻，變異系數(shù)小。將距離出風(fēng)口L為300、400、500、600、700mm平面風(fēng)速仿真數(shù)據(jù)提出來(lái)，沿Y軸作出曲線，如圖9所示。

圖9 距離出風(fēng)口不同距離L平面流速分布圖Fig.9 Distance from the outlet of different distance L plane velocity distribution map

由圖9可知：距離出風(fēng)口700mm和600mm平面風(fēng)速v=08m/s左右，這是由于距離太遠(yuǎn)、風(fēng)發(fā)散速度減小；距離出風(fēng)口500、400、 300mm平面均出現(xiàn)兩個(gè)波峰，這是由于距離出風(fēng)口越近，兩個(gè)風(fēng)筒之間交匯區(qū)域不明顯，靠近風(fēng)筒的部位相比其他位置風(fēng)速要大。距離出風(fēng)口500mm平面的風(fēng)速最大速度1.2m/s，距離出風(fēng)口400mm和300mm平面最大速度風(fēng)速分別為v=3.5m/s和v=8.5m/s，完全滿足末速度要求。

3 大田試驗(yàn)效果

3.1 試驗(yàn)方法

為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)風(fēng)筒的實(shí)際效果，在現(xiàn)有噴霧機(jī)上安裝新風(fēng)筒測(cè)試的霧量沉積分布情況，進(jìn)行噴霧機(jī)實(shí)際作業(yè)，效果圖如圖10所示。

圖10 實(shí)際作業(yè)圖Fig.10 The figure of the actual operation

田間試驗(yàn)在新疆建設(shè)兵團(tuán)進(jìn)行，在每行的棉株上選擇不同的測(cè)試點(diǎn)，分別在棉株冠層上部正面、冠層上部反面、冠層中部正面、冠層中部反面、冠層下部正面和冠層下部反面位置布置相應(yīng)的水敏紙，并用曲別針固定在測(cè)試點(diǎn)上。

將設(shè)計(jì)風(fēng)筒安裝在噴桿噴霧機(jī)上，使噴霧機(jī)以5km/h的作業(yè)速度進(jìn)行施藥；完成施藥后，等待水敏紙晾干，從棉花葉片上取下并放入密封袋；回到實(shí)驗(yàn)室對(duì)每張水敏紙進(jìn)行掃描并進(jìn)行相關(guān)的圖像處理，計(jì)算霧滴的有效沉積率。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用MatLab軟件對(duì)掃描完成的水敏紙圖像進(jìn)行處理，將灰度圖像轉(zhuǎn)化成二值化圖像，根據(jù)二值化圖像的像素點(diǎn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算每個(gè)測(cè)試點(diǎn)葉片的霧滴沉積率。水敏紙圖像的處理過(guò)程如圖11所示。

圖11 圖像處理Fig.11 Image processing

霧量沉積分布試驗(yàn)結(jié)果表明：棉花冠層內(nèi)部葉片正面霧滴平均覆蓋率達(dá)到88.30% ，葉片反面達(dá)到42.83% ，上、中、下部冠層葉片正面霧滴平均覆蓋率最大相差 7.25% ，葉片反面最大相差9.75% ，整個(gè)冠層霧量沉積分布均勻性較好，冠內(nèi)組合風(fēng)送施藥效果明顯提高。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種新型風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒，利用CFD仿真技術(shù)對(duì)風(fēng)筒內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在距出風(fēng)口400m位置風(fēng)速達(dá)到3.5m/s，完全滿足棉花施藥機(jī)末速度要求，且風(fēng)速分布均勻、變異系數(shù)小。

2)將該風(fēng)筒實(shí)際運(yùn)用到大田試驗(yàn)中，對(duì)棉花上的霧量沉積分布特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：棉花冠層內(nèi)部葉片正面霧滴平均覆蓋率達(dá)到88.30% ，葉片反面達(dá)到 42.83% ，上、中、下部冠層葉片正面霧滴平均覆蓋率最大相差 7.25% ，葉片反面最大相差9.75% ，整個(gè)冠層霧量沉積分布均勻性較好，冠內(nèi)組合風(fēng)送施藥效果明顯提高。