霧滴飄移預(yù)測試驗(yàn)研究

倪佳勝,茹 煜,王水金,孫笑雪

(南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院,南京 210037)

0 引言

農(nóng)藥使用過程中,控制霧滴的飄移對(duì)于林業(yè)病蟲害防治來說相當(dāng)關(guān)鍵[1-2],即使用農(nóng)藥防治作物災(zāi)害的關(guān)鍵是盡可能減少農(nóng)藥使用中的霧滴飄移量[3- 4]。在噴灑農(nóng)藥的過程中,有很大一部分農(nóng)藥都散失到周圍的環(huán)境當(dāng)中,造成使用的效率差[5-7]及農(nóng)藥殘留等問題。所以,科學(xué)合理地控制霧滴的飄移、減少農(nóng)藥的浪費(fèi),有益于生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展。

霧滴飄移常見的測試方法包括田間測試、模型模擬計(jì)算分析、風(fēng)洞測試分析及飄移測試平臺(tái)。目前,風(fēng)洞一般作為霧滴飄移的主要試驗(yàn)場所,試驗(yàn)結(jié)果較為可信[8]。至今,國內(nèi)外學(xué)者紛紛進(jìn)行了大量的基于風(fēng)洞的霧滴飄移試驗(yàn)。Fritz等[9-10]利用風(fēng)洞測試不同條件下的霧滴粒徑和流場,建立WTDISP模型。Martin等[11-12]在風(fēng)洞內(nèi)做試驗(yàn),得到不同側(cè)風(fēng)氣流下靜電噴頭的霧滴飄移規(guī)律。曾愛軍等[13]在風(fēng)洞內(nèi)做試驗(yàn),通過飄移潛在指數(shù)DIX的概念分析了在不同溫濕度等參數(shù)時(shí)霧滴的飄移規(guī)律。張惠春[14-15]等研究發(fā)現(xiàn):噴頭高度、氣流速度、噴霧壓力的提高都能減小霧滴體積中徑,如果采用模型模擬計(jì)算分析,利用模型對(duì)不同的溫度、濕度、風(fēng)速等自然條件的結(jié)果做出預(yù)期,可以加強(qiáng)模型的科學(xué)合理性[16]。劉雪美等[17]利用CFD模型研究了不同自然風(fēng)、輔助氣流、自身重力及三者之間的互作效應(yīng)對(duì)霧滴飄移的影響。Nuyttens等[18]通過CFD創(chuàng)建出噴霧飄移的仿真模型,得到了農(nóng)藥特性、天氣情況、霧滴粒徑等相關(guān)條件,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可靠性。Teske等[19]建立了AGDISP和AGDRIFT模型,可以用來預(yù)測噴頭型號(hào)、農(nóng)藥性質(zhì)、氣候及飛機(jī)型號(hào)等引起的飄移。

本文采用CFD模擬分析法與風(fēng)洞試驗(yàn)法相結(jié)合的方式,開展了霧滴飄移規(guī)律的研究。在風(fēng)洞試驗(yàn)中,對(duì)噴霧的采樣大多采用棉線、尼龍繩、圓筒等收集方式[20],而筆者提出采用水敏紙采集方法,結(jié)合CFD技術(shù)[21-23],建立霧滴飄移距離和飄移量的數(shù)學(xué)模型[24],比較各因素條件下對(duì)霧滴飄移的影響,從而可更清晰地反映霧滴飄移的實(shí)際情況。

1 模型構(gòu)建及數(shù)值模擬

1.1 幾何模型建立

建立以試驗(yàn)所用風(fēng)洞同等大小的模型為模擬區(qū)域,模型長8m、寬2.2m、高2.2m,其模擬布局如圖1所示。圖1中,Z軸為水平正方向,值為-2.2～5.8m;Y軸為模型高度,取值-2.2～0m;模型寬度沿X坐軸,取值-1.1～1.1m,因此原點(diǎn)坐標(biāo)為O(0,0,0)。在模擬區(qū)域中,采集點(diǎn)所在位置水平方向距離噴頭1.8、2.3、2.8、3.3、3.8m,在距離噴頭1.8m的豎直方向上采集點(diǎn)分別高0.1、0.2、0.3、0.4、0.5m。

1.2 CFD數(shù)值模擬

由于雷諾數(shù)Re=ρvd/μ,當(dāng)v=1、3、5m/s時(shí),Re均大于2 000,因此本文采用CFD中的三維湍流模型來模擬風(fēng)洞中的氣流場,并采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。由于霧滴在風(fēng)洞內(nèi)氣流場中的運(yùn)動(dòng)是氣液兩相流運(yùn)動(dòng),霧滴的飄移受到氣流速度、方向的影響,且從噴頭噴出的霧滴體積占自然氣流體積的比例低于10%,符合CFD軟件中對(duì)于選擇離散相模型的條件。所以,本模擬選用離散相模型,將噴霧作為離散相處理,將自然氣流作為連續(xù)相處理。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在北京市農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心的IEA-1型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室完成。該系統(tǒng)由低速風(fēng)洞裝置、噴霧系統(tǒng)和采集裝置組成。其中,低速風(fēng)洞裝置包括風(fēng)機(jī)和低速風(fēng)洞,風(fēng)速范圍3～46m/s;噴霧系統(tǒng)包括噴頭、流量計(jì)、穩(wěn)壓器、泵和水箱等;采集系統(tǒng)由收集架和水敏紙組成。

試驗(yàn)采用日本株式會(huì)社KONOMAX多點(diǎn)風(fēng)速儀,量程為0～50m/s,選擇壓差流量計(jì)控制噴頭中的噴霧流量,采用規(guī)格為76×26mm的水敏紙收集霧滴。

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選用了TeeJet公司的XR11002-VS噴頭、DG95015EVS噴頭,以及Lechler公司的IDK120-03噴頭、LU120-01S噴頭,用激光粒度儀測粒徑標(biāo)定出4種霧滴粒徑并對(duì)其霧滴粒徑進(jìn)行標(biāo)定,獲得風(fēng)洞內(nèi)飄移測試所需粒徑(100、200、300、400μm)的噴霧壓力條件。

在低速風(fēng)洞內(nèi)按照?qǐng)D1示意圖排布好收集架。每根收集架長1m,在其上均勻放置5張水敏紙;同時(shí),開啟噴頭和風(fēng)速控制臺(tái),每次開啟時(shí)間為3s。試驗(yàn)過程中,室內(nèi)溫度和空氣濕度保持恒定,試驗(yàn)介質(zhì)為清水,每組試驗(yàn)重復(fù)3次,取其平均值作為最終數(shù)據(jù)。試驗(yàn)布置實(shí)物圖如圖2所示。

為了研究氣流速度對(duì)霧滴飄移規(guī)律的影響,試驗(yàn)選用霧滴粒徑為100μm,噴頭高度為0.6m,風(fēng)洞的氣流速度為1、2、3、4m/s,最終結(jié)果取3次測量平均值,并要求3次測量標(biāo)準(zhǔn)差小于5%,記錄測量結(jié)果。在研究噴頭高度對(duì)霧滴飄移規(guī)律的影響時(shí),試驗(yàn)選用霧滴粒徑為100μm,風(fēng)速為1m/s,噴頭的高度設(shè)置為0.6、0.8、1.0、1.2m;同理,在研究霧滴粒徑對(duì)霧滴飄移規(guī)律的影響時(shí),試驗(yàn)選用風(fēng)速為2m/s,噴頭高度為0.9m,霧滴粒徑為100、200、300、400μm。

2.3 計(jì)算方法

試驗(yàn)區(qū)域霧滴飄移量占比計(jì)算方法為

(1)

其中,Adi為1根收集架上霧滴的飄移量;n為1根收集架上放置的水敏紙數(shù)量,試驗(yàn)中n=5;di為每根收集架上第i個(gè)水敏紙上霧滴的沉積量,數(shù)據(jù)由iDas Pro霧滴飄移分析系統(tǒng)得到;s為每根收集架上相鄰兩張水敏紙之間的距離,試驗(yàn)中水敏紙間距離為18cm;w為水敏紙的長度,試驗(yàn)中水敏紙的長度為7.6cm。

(2)

其中,Ad為試驗(yàn)區(qū)域的飄移總量;n為放置水敏紙的收集架數(shù)量,取n=10,水平方向和垂直方向分別進(jìn)行求和;Adij為第j根收集架上霧滴的飄移量;s為收集架間的距離,試驗(yàn)豎直距離為10cm,水平間距離為50cm;w為水敏紙的寬度,試驗(yàn)中水敏紙的寬度為2.6cm。

(3)

其中,Ta為總的噴水量;Sd為水敏紙收集到的霧滴飄移量占噴頭總噴出的百分比。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

在氣流速度為1、2、3、4m/s,噴頭高度為0.6、0.8、1.0、1.2m,霧滴粒徑為100、200、300、400μm 的條件下,通過正交實(shí)驗(yàn)得到霧滴軌跡散點(diǎn)云圖如圖3所示。圖3中,縱坐標(biāo)是霧滴在不同水平位置的霧滴軌跡高度。

由圖3(a)～(d)可知:隨著氣流速度的增大,風(fēng)洞中的霧滴的漂移距離也逐漸增加。當(dāng)氣流速度為1m / s時(shí),大部分霧滴沉積在噴頭下面,飄移不明顯;當(dāng)氣流速度為2、3m/s時(shí),霧滴受到氣流影響有飄移現(xiàn)象;當(dāng)氣流速度為4m/s時(shí),霧滴受到的氣流速度過大,霧滴飄移嚴(yán)重。由圖3(e)～(d)可知:隨著噴頭高度的增加,霧滴飄移距離越遠(yuǎn)。由圖3(i)～(l)可知:隨著霧滴粒徑的逐漸增大,霧滴逐漸主要集中堆積在噴頭周圍,風(fēng)洞中霧滴的飄移距離逐漸減小。當(dāng)霧滴粒徑為300μm時(shí),霧滴近似垂直向下噴射,幾乎沒有飄移,說明霧滴粒徑在超過300μm時(shí)對(duì)于霧滴的飄移距離影響不大。

圖3 氣流速度、噴頭高度、霧滴粒徑對(duì)霧滴飄移的影響

3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.2.1 氣流速度對(duì)霧滴飄移的影響

不同氣流速度下霧滴飄移量占噴施總量的百分比如圖4所示。由圖4(a)可知:隨著距離地面高度的增加,霧滴的飄移量逐漸減少;隨著氣流速度的變大,霧滴飄移量也逐漸增多。由圖4(b)可知:當(dāng)氣流速度為1m/s時(shí),大部分霧滴由于水平力小的原因分布于噴頭下方位置,霧滴的飄移過于集中,不利于噴霧作業(yè);當(dāng)氣流速度為2、3m/s時(shí),霧滴的飄移比較均勻,噴霧效果最佳;當(dāng)氣流速度為4m/s時(shí),霧滴幾乎消失于測量范圍之內(nèi),說明霧滴隨機(jī)飄移距離過大,導(dǎo)致無法有效控制霧滴分布,不利于噴霧作業(yè)。

3.2.2 噴頭高度對(duì)霧滴飄移的影響

不同噴頭高度下霧滴飄移量占噴施總量的百分比如圖5所示。由圖5(a)可知:隨著噴頭高度的增加,霧滴飄移量逐漸減小。由圖5(b)可知:當(dāng)噴頭高度為0.6m時(shí),在噴頭正下方的霧滴飄移量占噴施總量的百分比最大,不利于噴霧作業(yè);當(dāng)噴頭高度為0.8m和1.0m時(shí),霧滴的飄移量占噴霧總量百分比呈正態(tài)分布,且霧滴的飄移相對(duì)均勻;當(dāng)噴嘴高度為1.2m時(shí),霧滴飄移嚴(yán)重,不利于進(jìn)行噴霧作業(yè)。

圖4 不同氣流速度下霧滴飄移量占噴施總量的百分比

圖5 不同噴頭高度下霧滴飄移量占噴施總量的百分比

3.2.3 霧滴粒徑對(duì)霧滴飄移的影響

不同霧滴粒徑下霧滴飄移量占噴施總量的百分比如圖6所示。

圖6 不同霧滴粒徑下霧滴飄移量占噴施總量的百分比

由圖6(a)可知:隨著霧滴粒徑的增大,霧滴飄移量也逐漸增大。由圖6(b)可知:當(dāng)霧滴粒徑為100μm時(shí),在沿順風(fēng)方向和噴頭之間的距離4m內(nèi)的霧滴飄移量占噴施總量的百分比之和不到10%,可推測出霧滴飄移距離很長,不適宜噴施作業(yè);當(dāng)霧滴粒徑為200、300μm時(shí),霧滴飄移總體比較均勻;當(dāng)霧滴粒徑為400μm時(shí),僅僅在霧滴飄移高峰區(qū)即距離噴頭1m處的霧滴飄移量占噴施總量的百分比就超過20%,說明霧滴粒徑在超過300μm時(shí)對(duì)于霧滴的飄移距離影響不大。

通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn):兩者在霧滴飄移研究所得的分析結(jié)果大致相似,即可以通過模型模擬來預(yù)測霧滴飄移的沉積效果。

3.3 霧滴飄移模型

3.3.1 霧滴飄移距離多元線性回歸模型

試驗(yàn)考察了氣流速度(A)、霧滴粒徑(B)、噴頭高度(C)對(duì)于飄移距離(P)的影響,利用SPSS的逐步回歸法進(jìn)行分析,建立多元線性回歸擬合的方程為

P=0.102A+7.260B-42.244C+20.238

對(duì)以上回歸模型的擬合度進(jìn)行檢驗(yàn),經(jīng)調(diào)整后R2=0.706,即飄移距離的變化占總變化的比例為70.6%,證明該擬合方程可以較好地表達(dá)變量之間的相關(guān)性。

3.3.2 霧滴飄移量多元線性回歸模型

試驗(yàn)考察了氣流速度(A)、霧滴粒徑(B)、噴頭高度(C)對(duì)于飄移量(Q)的影響,利用SPSS的逐步回歸法進(jìn)行分析,建立多元線性回歸擬合的方程為

Q=-2.471A-0.024B-9.616C+17.324

對(duì)以上回歸模型的擬合度進(jìn)行檢驗(yàn),經(jīng)調(diào)整后R2=0.839,即飄移量的變化占總變化的比例為83.9%,證明該擬合方程可以較好地表達(dá)變量之間的相關(guān)性.。

4 結(jié)論

1)采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)開展霧滴飄移規(guī)律的研究,結(jié)果表明:隨著氣流速度的加快,霧滴的飄移距離增加;隨著噴頭高度的增加,霧滴飄移距離也增大;隨著霧滴粒徑的增大,霧滴逐漸主要集中堆積在噴頭周圍,霧滴在風(fēng)洞內(nèi)的飄移距離逐漸減小。

2)風(fēng)洞試驗(yàn)表明:當(dāng)氣流速度為2、3m/s時(shí),霧滴的飄移比較均勻,噴霧效果最佳;當(dāng)噴頭高度為0.8m和1.0m時(shí),霧滴的飄移量呈正態(tài)分布,霧滴飄移總體比較均勻;當(dāng)霧滴粒徑為200、300μm時(shí),霧滴的沉積效果較好。

3)試驗(yàn)結(jié)果表明:氣流速度、噴頭高度、霧滴粒徑和霧滴飄移距離具有相關(guān)性。通過逐步回歸分析,建立包含氣流速度、噴頭高度、霧滴粒徑在內(nèi)的基于風(fēng)洞的霧滴飄移距離的多元線性回歸模型,以及霧滴飄移量的多元線性回歸模型。