風送噴霧氣流衰減與擴展規(guī)律分析與試驗

周良富，周立新，薛新宇，常 春，張學進

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014)

0 引言

噴霧氣流的空間分布是影響霧滴輸運的主要因素之一，氣流速度梯度是改變風送霧滴動力學特性的關(guān)鍵因子，因此開展噴霧氣流的速度空間分布及其在自由空間的衰減與擴散規(guī)律研究，對深刻理解霧滴輸運與沉積具有指導(dǎo)作用。

在風送式果園噴霧技術(shù)研究中，國內(nèi)外學者一直關(guān)注著噴霧氣流場的研究。主要包括：①果園風送噴霧機流道結(jié)構(gòu)對對空間氣流場分布影響研究。采用數(shù)值分析與試驗相結(jié)合的方法[1]，研究噴霧機導(dǎo)流板角度[2]、風機頻率[3-4]、導(dǎo)流片葉數(shù)[5]及風機分布[6]等結(jié)構(gòu)參數(shù)對空間氣流場分布的影響。研究結(jié)果表明：風機導(dǎo)流片有利于將旋轉(zhuǎn)氣流轉(zhuǎn)化為軸向氣流，但會造成壓力損失，普遍認為導(dǎo)流葉片數(shù)以4～5 為宜；噴霧機外流場的氣流速度在垂直和水平兩個方向呈梯度減小趨勢；噴霧機出口氣流速度對氣流速度場的空間分布狀態(tài)無顯著影響,只是在數(shù)值上有差異。②噴霧氣流對果樹冠層的穿透、翻轉(zhuǎn)作業(yè)研究。Endalew 等建立了一個新的果園風送噴霧 CFD 模型[7]，研究了噴霧機風速與方向?qū)婌F氣流在冠層內(nèi)部分布的影響，證實氣流逆向線性衰減。同時，以該模型為基礎(chǔ)研究了3種(單個風機、2個風機和4個風機)不同噴霧機結(jié)構(gòu)[8]的噴霧氣流分布，結(jié)果顯示：該模型95%模型值的相對誤差小于20%。Gu等[9]測試了噴霧氣流在不同冠層結(jié)構(gòu)內(nèi)的速度分布規(guī)律，Hong等[10]在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上仿真分析了冠層內(nèi)部氣流速度和壓力分布規(guī)律，模型的相對誤差小于30%。綜上文獻分析，采用試驗與數(shù)值分析手段研究特定噴霧機結(jié)構(gòu)下噴霧氣流在自由空間及冠層內(nèi)分布規(guī)律已經(jīng)成為可能，但從自由射流理論角度出發(fā)，缺乏建立噴霧氣流在自由空間內(nèi)的衰減與擴展規(guī)律模型的研究。基于此，本文重點關(guān)注噴霧氣流衰減與擴展規(guī)律理論模型建立及驗證，為風送噴霧機設(shè)計及噴霧技術(shù)參數(shù)選擇提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 噴霧風機及其氣流道

目前，果園風送噴霧中的氣流道形式主要有環(huán)向出風式、塔式、柔性管多頭式和獨立圓盤式等[11]，而環(huán)向出風式氣流道是當前普遍應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，主要由旋轉(zhuǎn)葉輪、整流葉輪、分流板和流道板組成，如圖1所示。工作時，旋轉(zhuǎn)葉輪在驅(qū)動力作用下旋轉(zhuǎn)，使氣流從軸向進風，流經(jīng)整流葉輪后氣流分布趨向均勻，在分流板和流道板作用下軸向氣流轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)向氣流，經(jīng)流道整流后的氣流環(huán)向分布趨于均勻，而后噴射向自由空間，并在自由空間衰減與擴散。

1.2 測試項目及方法

1.2.1 氣流環(huán)向分布

出口風速的測量數(shù)據(jù)是風場數(shù)值分析邊界條件和初始條件的設(shè)置依據(jù)。噴霧機出口風速受風機轉(zhuǎn)向及流道影響，在不同出口位置氣流速度存在一定差異。試驗將噴霧機出口均分8個測試點，分別編號從1到8。采用Kestrel 4500型風速儀定點測定轉(zhuǎn)速為1 400、1 600、1 800、2 000r/min的各測試點的出口風速，讀取5s測試時間內(nèi)的最大值，重復(fù)3次取平均值作為測試結(jié)果。

圖1 風送噴霧機導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

1.2.2 湍流特性

湍流強度是描述風速隨時間和空間變化的程度，反映脈動風速的相對強度，是描述氣流場特性的重要特征量之一。本研究采用Kestrel 4500型風速儀測試風機轉(zhuǎn)速1 400r/min、噴霧機出口和距離出口1.5m時1min內(nèi)的氣流瞬態(tài)速度變化，即

(1)

1.2.3 氣流軸向衰減與擴散

1)理論分析。設(shè)噴霧機氣流噴出射入靜止的自由空間內(nèi)，根據(jù)射流理論中射流主體段縱向時均速度分布的相似性(見圖2)，令

(2)

其中，u為某一斷面任一點縱向時均速度(m/s)；uc為斷面中心軸線上縱向最大時均速度(m/s)；y為縱向坐標(m)；b為射流半擴展厚度(m)。

圖2 自由射流理論

2)數(shù)值分析。數(shù)值分析選用Realizableκ-ε模型，其控制方程模型常數(shù)取值參考文獻[2]。采用Ansys15.0商業(yè)軟件中的Meshing模塊和Fluent模塊對計算域進行網(wǎng)格劃分和流場仿真。為避免邊界對流場的影響，將模擬計算域擴大到射流長度為10m、擴散末端為3m的錐扇形區(qū)域。計算域及網(wǎng)格劃分如圖3～圖5所示。其中，網(wǎng)格以六面體網(wǎng)格為主，網(wǎng)格節(jié)點217 700個，網(wǎng)格數(shù)量為204 012個。采用絕對壓力進行計算，忽略地面對其風場的影響，運用二階隱式耦合求法，入口采用速度入口，3個出口均采用壓力出口邊界。采用壓力-速度耦合求解算法，壓力方程采用二階迎風，其他方程采用QUICK法離散，設(shè)置計算殘差為1e-6，采用 Hybird Initialization 進行初始化。

3)試驗分析。在噴霧氣流射流軸向4.5m范圍內(nèi)，每0.5m設(shè)置測試線，在射流擴散方向每0.25m設(shè)置測試線，在1m和2m高度上設(shè)置2個測試平面，如圖3所示。

圖3 風速采樣點分布示意圖

在軸向主要采樣風速儀讀取不同距離下的氣流速度值，而在射流擴散方向主要結(jié)合卷尺和風速儀測量出氣流速度為0.5m/s時的擴展邊界值。

2 結(jié)果與分析

2.1 速度環(huán)向分布均勻性

不同轉(zhuǎn)速下8個出風口測試點的氣流速度試驗結(jié)果如表1所示。由表1可以看出：風機轉(zhuǎn)速為1 400、1 600、1 800、2 000r/min時，噴霧機出口的平均風速分別為13.56、18.88、20.46、22.69 m/s；出口風速隨轉(zhuǎn)速增加而增大，同時相應(yīng)的標準差也隨轉(zhuǎn)速增加而增大，但不同轉(zhuǎn)速下各個測試點風速變化的變異系數(shù)均小于14%。

表1 噴霧機出口處氣流速度 m/s

2.2 不同距離的湍流強度

噴霧機出口處和噴霧距離1.5m處的氣流速度瞬時值隨時間的變化如圖4所示。將試驗數(shù)據(jù)按照式(2)計算湍流強度。試驗結(jié)果顯示：噴霧機出口和距離出口1.5 m處的湍流強度分別為5.36%和11.5%。因此，在噴霧距離1.5m處的紊流強度高于噴霧機出口處，有利于氣流對果樹葉片的翻轉(zhuǎn)，便于霧滴在葉片背面沉積。

圖4 噴霧機氣流瞬態(tài)速度

2.3 氣流衰減與擴散模型

2.3.1 基于量綱分析的理論模型

試驗表明：噴霧機出口氣流雷諾數(shù)Re較大，所以在研究紊動射流時忽略Re的影響。軸向最大速度僅與噴霧機出口氣流動量、氣體密度ρ和軸向距離x有關(guān)[12]，即

uc=C1Mx1ρx2xx3

(3)

對式(3)進行量綱分析如下：[uc]=LT-1；[M]=LML-3L2T-2=MT-2；[ρ]=ML-3；[x]=L。代入方程得：LT-1=(MT-2)x1(ML-3)x2Lx3。

對比量綱得：x1=1/2，x2=-1/2，x3=-1/2。代入方程(3)，得噴霧氣流軸向衰減規(guī)律為

(4)

同理，可令b=C1Mx4ρx5xx6，得x4=x5=0，x6=1。因此，噴霧氣流擴展規(guī)律為

b=C1x

(5)

2.3.2 仿真結(jié)果分析

在初速度u為10、15、20m/s下的氣流速度分布數(shù)值分析結(jié)果中，提取距離噴霧出口0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、7、8、9、10m處的軸向速度并繪制曲線，如圖5所示。由圖5可知：噴霧氣流在自由空間中快速衰減，噴霧氣流初速度為10、15、20m/s時，衰減到距離出口2.5m時的氣流速度僅為2.5、4.5、6m/s。

圖5 氣流軸向速度衰減規(guī)律

數(shù)值分析了初速度u0為10、15、20m/s下的氣流速度擴散規(guī)律，試驗結(jié)果如圖6所示。其中，圖6中所示的邊界為氣流速度大于0.5 m/s區(qū)域。

圖6 不同初速度下氣流擴散規(guī)律

2.3.3 模型系數(shù)待定及驗證

將已知的b0=0.13、u0=20m/s代入公式(4)，然后根據(jù)距離出口1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、7、8、9、10m處軸向速度的測試值求出9個系數(shù)值后求平均值，作為模型系數(shù)C，得到該噴霧機的氣流軸向衰減規(guī)律模型式(6)。將不同距離的軸向氣流速度仿真值、模型值和試驗值繪制曲線如圖7所示。試驗結(jié)果顯示：試驗值均略小于仿真值，將試驗值與模型值作方差分析，顯示回歸方程顯著型檢驗值F=1.634，遠小于顯著值Fcrit=5.12。

(6)

按照圖3的測試點布置方法，找出風速為0.5m/s的邊界點后用卷尺測量處邊界點到射流軸線距離。圖8顯現(xiàn)的是距離出口4m內(nèi)的射流邊界值。以正半射流擴展厚度線性擬合，結(jié)合公式(5)得到噴霧氣流擴展規(guī)律為b=0.154 2x，模型決定系數(shù)為0.972 4。

圖7 氣流擴展邊線

圖8 氣流衰減規(guī)律

3 結(jié)論

1)噴霧機環(huán)向出口風速、風速標準差隨轉(zhuǎn)速增加而增大，但其風速變異系數(shù)均小于14%。

2)風機轉(zhuǎn)速為1 400r/min時，噴霧機出口和距離出口1.5 m處的湍流強度分別為5.36%和11.5%。

3)噴霧氣流衰減模型uc=0.578u0x-0.5，模型顯著性檢驗值F遠小于顯著臨界值。

4)霧氣流擴展模型為b=0.1542x，模型決定系數(shù)為0.972 4。