基于CFD的多風(fēng)道風(fēng)送噴霧流場(chǎng)數(shù)值分析與試驗(yàn)研究

歐鳴雄，高天宇，吳敏敏，董 祥，賈衛(wèi)東，楊學(xué)軍，冉小琴

(1.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植保工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江212013；3.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

0 引言

由于我國對(duì)鮮果需求量大，目前國內(nèi)果園多采用密植化種植模式[1]。密植化種植可保證水果產(chǎn)量，但是果樹冠層之間相互交叉，果園行距小，導(dǎo)致農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝融合程度不高，存在人工成本高、作業(yè)污染嚴(yán)重、農(nóng)藥利用率低和對(duì)施業(yè)人員身體有害等問題[2-3]。我國引進(jìn)國外先進(jìn)風(fēng)送噴霧技術(shù)，利用風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流將液滴霧化并將霧滴運(yùn)輸至靶標(biāo)。霧滴帶有初始能量，在風(fēng)機(jī)氣流擾動(dòng)靶標(biāo)冠層的同時(shí)進(jìn)入冠層內(nèi)部，該技術(shù)可以增強(qiáng)霧滴的穿透性，在保證施藥效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低量噴霧，利用風(fēng)送噴霧技術(shù)的農(nóng)藥利用率可以提升至40%[4-5]。部分學(xué)者利用計(jì)算流體力學(xué)方法，綜合考慮自然風(fēng)和輔助風(fēng)對(duì)氣流場(chǎng)和霧滴場(chǎng)分布規(guī)律和特性的影響，開展了果園風(fēng)送噴霧機(jī)兩相流場(chǎng)分布情況的研究[6-7]。相關(guān)學(xué)者采用DPM模型模擬液滴顆粒的運(yùn)動(dòng)來獲得液滴漂移和沉積規(guī)律，并建立不同風(fēng)速、壓力和噴霧高度對(duì)液滴漂移的影響模型[8-10]。也有學(xué)者通過計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)方法建立噴霧機(jī)數(shù)值模型，并采用拉格朗日粒子法跟蹤霧滴軌跡，研究噴霧壓力對(duì)霧滴漂移的影響，驗(yàn)證了計(jì)算流體力學(xué)模型的可行性[11-12]。還有學(xué)者用數(shù)值分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，針對(duì)果園風(fēng)送噴霧機(jī)的氣流場(chǎng)和霧滴沉積分布規(guī)律進(jìn)行研究，研究結(jié)果顯示，CFD和試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法可以較為準(zhǔn)確地獲得噴霧機(jī)流場(chǎng)分布規(guī)律，從而為相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供有效參考[13-15]。

本文利用CFD方法研究一種多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的氣流場(chǎng)和氣液兩相流場(chǎng)分布規(guī)律，并對(duì)其氣流場(chǎng)和霧滴沉積分布進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果證實(shí)，數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的分布規(guī)律基本一致，其相對(duì)誤差較小，證明了數(shù)值模型的合理性和準(zhǔn)確性，為后續(xù)多風(fēng)道果園風(fēng)送噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了有效參考。

1 多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)及數(shù)值模型

1.1 多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)組成

多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)主要由離心風(fēng)機(jī)、多口分配器、柔性風(fēng)管、噴射出風(fēng)口、變頻器、藥箱、水泵、輸水管和噴嘴構(gòu)成。離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高壓氣流，高壓氣流通過多口分配器均勻流到各個(gè)柔性風(fēng)管內(nèi)，再經(jīng)由噴射出風(fēng)口擴(kuò)散至外部作物冠層。噴嘴安裝在噴射出風(fēng)口一側(cè)的壁面位置，霧滴噴射方向與氣流方向呈一定角度，便于噴射出風(fēng)口的外部氣流與霧滴群充分混合，對(duì)霧滴起到運(yùn)輸和二次霧化作用，增強(qiáng)噴霧沉積和穿透的效果。

多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用8個(gè)噴射出風(fēng)口，單側(cè)4個(gè)噴射出風(fēng)口，兩側(cè)呈對(duì)稱分布，本文主要研究單側(cè)4個(gè)噴射出風(fēng)口的流場(chǎng)分布，該多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成如圖1所示。

噴射出風(fēng)口結(jié)構(gòu)如圖2所示，噴射出風(fēng)口分為柱形段、擴(kuò)張段和壓縮段共3部分[16]。其中噴射出風(fēng)口的擴(kuò)散角?=25°，出風(fēng)口長(zhǎng)度a=170 mm，寬度b=30 mm，4個(gè)噴射出風(fēng)口的中心線垂直距離為0.35 m。柱形段為進(jìn)氣段，和風(fēng)機(jī)上的多口分配器通過柔性風(fēng)管相連接，高壓氣流在噴射出風(fēng)口內(nèi)部柱形段的內(nèi)部流動(dòng)斷面保持不變，其主要擴(kuò)張段和壓縮段實(shí)現(xiàn)氣流的高速噴射，該噴射出風(fēng)口的出口氣流均勻。

1.2 數(shù)值模型和設(shè)置參數(shù)

1.2.1 數(shù)值模型計(jì)算域

多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的數(shù)值模型計(jì)算域如圖3所示，根據(jù)噴霧系統(tǒng)的流動(dòng)規(guī)律，其主要由噴射出風(fēng)口、大氣域1和大氣域2組成。為了研究噴霧流場(chǎng)在外部空間中的流動(dòng)規(guī)律，同時(shí)減少數(shù)值分析的資源，將噴霧流場(chǎng)的外部空間劃分為2部分，分別為大氣域1和大氣域2，其均采用矩形結(jié)構(gòu)空間。大氣域1位于靠近噴射出風(fēng)口的出口附近，其網(wǎng)格尺度較小，用于捕捉噴射出風(fēng)口的高速氣體流動(dòng)。大氣域2則位于大氣域1的下游，其網(wǎng)格尺度略大，在保證捕捉氣體和霧滴流動(dòng)的同時(shí)，減少模型對(duì)于計(jì)算資源的消耗。

圖3 流場(chǎng)計(jì)算域模型Fig.3 Computational model of airflow field

1.2.2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的工作狀態(tài)，其數(shù)值模型入口邊界條件采用速度入口作為邊界條件，噴射出風(fēng)口出口處壓力相對(duì)外界大氣壓為0，大氣域2的出口邊界條件采用壓力出口邊界條件，噴射出風(fēng)口的內(nèi)壁面均默認(rèn)無滑移壁面邊界條件。在噴射出風(fēng)口、大氣域1和大氣域2之間采用interface邊界條件，保證3個(gè)計(jì)算域之間的數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)值計(jì)算。

1.2.3 數(shù)值模型假設(shè)

多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的流場(chǎng)采用Fluent軟件進(jìn)行模擬分析，數(shù)值模型設(shè)定空氣相為連續(xù)相模型，霧滴群則采用離散相模型進(jìn)行分析。其中連續(xù)相計(jì)算模型采用Realizable k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算，并假設(shè)流動(dòng)中無熱量交換，忽略分子黏度的影響，在氣液兩相流場(chǎng)計(jì)算過程中，根據(jù)霧滴群離散相的運(yùn)動(dòng)特征，采用Lagrangian離散相模型模擬霧滴運(yùn)動(dòng)。噴霧系統(tǒng)采用了扇形噴嘴，數(shù)值模型則采用平板扇型霧化模型對(duì)扇形噴嘴的霧滴群流動(dòng)和分布進(jìn)行仿真，該模型的霧滴粒徑分布符合Rosin-Rammler分布規(guī)律[10]。

2 數(shù)值分析結(jié)果及分析

2.1 多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)外部氣流場(chǎng)分布

根據(jù)上述數(shù)值模型和計(jì)算方法，獲得多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的外部氣流場(chǎng)分布結(jié)果如圖4所示。噴射出風(fēng)口的外部氣流場(chǎng)的氣流總體呈對(duì)稱分布，在距離噴射出風(fēng)口0～0.6 m的測(cè)量范圍內(nèi)，每股氣流尚未完全交匯，其等速線呈現(xiàn)明顯的馬鞍狀分布特性，當(dāng)距離噴射出風(fēng)口的距離>0.9 m時(shí)，噴射出風(fēng)口的氣流開始逐漸融合，沿著噴射出風(fēng)口垂直方向的氣流速度分布趨于均勻穩(wěn)定，并最終形成較為均勻的風(fēng)送氣流。

圖4 噴射出風(fēng)口速度分布云圖Fig.4 Jet vent velocity distribution contour

2.2 氣液兩相流場(chǎng)分布規(guī)律

多風(fēng)道風(fēng)送噴霧流場(chǎng)的氣液兩相流場(chǎng)霧滴軌跡和速度分布如圖5所示，霧滴最大速度出現(xiàn)在噴射出風(fēng)口對(duì)應(yīng)的軸線附近，霧滴速度在運(yùn)動(dòng)過程中受到阻力影響，其速度值持續(xù)衰減，并隨著高速氣流和霧滴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，霧滴群的分布隨著噴霧距離而發(fā)生變化，總體而言，隨著噴霧距離的增大，霧滴群的分布更為均勻。

圖5 霧滴軌跡和速度分布Fig.5 Droplet trajectories and velocity

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 氣流場(chǎng)速度測(cè)量點(diǎn)布置

為了驗(yàn)證多風(fēng)道風(fēng)送噴霧流場(chǎng)氣流場(chǎng)的數(shù)值分析結(jié)果，開展了氣流場(chǎng)的試驗(yàn)研究。氣流場(chǎng)的測(cè)量點(diǎn)分布如圖6所示，為了解噴射出風(fēng)口的出口處氣流速度分布，沿4個(gè)噴射出風(fēng)口(圖中簡(jiǎn)稱為Cfk1、Cfk2、Cfk3和Cfk4)出口處均勻選擇7個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行氣流速度測(cè)量。此外，在距離噴射出風(fēng)口0.6、0.9和1.2 m的外部流場(chǎng)進(jìn)行氣流速度測(cè)量，以4個(gè)噴射出風(fēng)口的中線為中間基準(zhǔn)，每間隔5 cm取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，上下各選擇15個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行氣流速度測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)編號(hào)從上至下分別為1至30。試驗(yàn)采用Testo405i熱線風(fēng)速計(jì)進(jìn)行測(cè)量，其速度分辨率為0.01 m/s，測(cè)量速度范圍為0～30 m/s，可滿足試驗(yàn)測(cè)試要求。

圖6 氣流場(chǎng)速度測(cè)量點(diǎn)位置Fig.6 Position of velocity measurement points in airflow field

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與驗(yàn)證

3.2.1 風(fēng)送噴霧系統(tǒng)氣流速度分布

(1)噴射出風(fēng)口出口氣流分布。

噴射出風(fēng)口出口處測(cè)量點(diǎn)氣流速度試驗(yàn)值和仿真值如表1所示，噴射出風(fēng)口出口處的速度沿其軸線對(duì)稱分布，從測(cè)量點(diǎn)1至7，氣流速度分布較為均勻，氣流速度的試驗(yàn)值和仿真值分布基本一致，各測(cè)量點(diǎn)的氣流速度試驗(yàn)值均略小于仿真值。除了個(gè)別測(cè)量點(diǎn)以外，噴射出風(fēng)口出口處氣流速度仿真值和試驗(yàn)值的絕對(duì)誤差<2.5 m/s，相對(duì)誤差<13.7%。

表1 噴射出風(fēng)口出口處速度試驗(yàn)值與仿真值Tab.1 Experiment and simulation results of air velocity of vent outlet 單位：m/s

(2)噴射出風(fēng)口外部流場(chǎng)氣流速度分布。

外部流場(chǎng)各測(cè)量點(diǎn)的氣流速度試驗(yàn)值和仿真值如圖7所示，各測(cè)量點(diǎn)的氣流速度試驗(yàn)值與仿真值分布規(guī)律基本一致，總體呈上下對(duì)稱分布。在距離噴射出風(fēng)口0.6 m處，大多數(shù)測(cè)量點(diǎn)試驗(yàn)值與仿真值之間的差值在0～2 m/s，大多數(shù)測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)誤差<25%，其中上、下邊緣區(qū)域的測(cè)量點(diǎn)氣流速度值較為接近。在距離噴射出風(fēng)口0.9 m處，各測(cè)量點(diǎn)氣流速度的試驗(yàn)值和仿真值較為吻合，大多數(shù)測(cè)量點(diǎn)氣流速度的相對(duì)誤差<9%，相對(duì)誤差最大為31%。在距離噴射出風(fēng)口1.2 m處，大多數(shù)測(cè)量點(diǎn)的氣流速度試驗(yàn)值和仿真值相對(duì)誤差<10%。

圖7 外部流場(chǎng)氣流速度試驗(yàn)值和仿真值Fig.7 Experiment and simulation values of air velocity of outside air field

3.2.2 霧滴沉積分布試驗(yàn)驗(yàn)證

在室內(nèi)無風(fēng)環(huán)境下，通過垂直霧量?jī)x進(jìn)行多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的霧滴沉積分布試驗(yàn)。試驗(yàn)布置如圖8所示，以4個(gè)噴射出風(fēng)口的中線高度為基準(zhǔn)，測(cè)量中線上下各0.8 m高度范圍內(nèi)的霧滴沉積分布，沉積分布的霧滴收集區(qū)間寬度為20 cm，上下共8個(gè)霧滴收集區(qū)間，每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)霧滴收集裝置，用于收集該區(qū)間內(nèi)的霧滴沉積量。

圖8 風(fēng)送噴霧系統(tǒng)霧滴沉積試驗(yàn)Fig.8 Droplet deposition experiment of sprayer system

為了對(duì)霧滴沉積分布試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，按照式(1)所示對(duì)試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行無量綱處理，將霧滴收集區(qū)間內(nèi)的霧滴沉積量轉(zhuǎn)換為霧滴沉積系數(shù)C，并對(duì)距離出風(fēng)口0.6、0.9和1.2 m處的霧滴沉積分布結(jié)果進(jìn)行分析。

(1)

式中C——霧滴沉積系數(shù)，%

W——單個(gè)霧滴收集區(qū)間的霧滴沉積量，mL

WT——霧滴沉積分布試驗(yàn)中所有霧滴收集區(qū)間的總霧滴沉積量，mL

距離噴射出風(fēng)口0.6 m處，霧滴沉積系數(shù)C的試驗(yàn)值和仿真值對(duì)比如圖9所示，在高度-0.8～0.8 m范圍內(nèi)，霧滴沉積系數(shù)試驗(yàn)值和仿真值變化基本一致，其呈現(xiàn)中間沉積量較大，兩側(cè)沉積量較小的趨勢(shì)。在-0.6～0.6 m范圍內(nèi)的霧滴沉積系數(shù)試驗(yàn)值和仿真值的相對(duì)誤差<14%，其中在高度為0.6 m和-0.4 m處，兩者相對(duì)誤差<4%。

圖9 霧滴沉積量系數(shù)試驗(yàn)值與仿真值(0.6 m)Fig.9 Experiment and simulation droplet deposition amount(0.6 m)

距離噴射出風(fēng)口0.9 m處，霧滴沉積系數(shù)C的試驗(yàn)值和仿真值對(duì)比如圖10所示，霧滴沉積系數(shù)試驗(yàn)值和仿真值的變化趨勢(shì)也基本一致，霧滴沉積量總體呈現(xiàn)中間多、兩側(cè)少的特點(diǎn)。在高度-0.4～0.6 m范圍內(nèi)，霧滴沉積系數(shù)相對(duì)誤差<12%，在高度為-0.6 m處，其相對(duì)誤差約19%。

圖10 霧滴沉積量系數(shù)試驗(yàn)值與仿真值(0.9 m)Fig.10 Experiment and simulation droplet deposition amount(0.9 m)

距離噴射出風(fēng)口1.2 m處，霧滴沉積系數(shù)C的試驗(yàn)值和仿真值對(duì)比如圖11所示，與距離0.6和0.9 m相比，中間區(qū)域的霧滴沉積量更為均勻，尤其在高度為-0.4～0.4 m時(shí)，霧滴沉積分布均勻。在高度-0.4～0.6 m范圍內(nèi)，霧滴沉積系數(shù)的試驗(yàn)值和仿真值相對(duì)誤差<7%。

圖11 霧滴沉積量系數(shù)試驗(yàn)值與仿真值(1.2 m)Fig.11 Experiment and simulation droplet deposition amount(1.2 m)

根據(jù)上述分析可知，在高度-0.6～0.6 m范圍內(nèi)，該噴霧系統(tǒng)的霧滴沉積系數(shù)試驗(yàn)值和仿真值相對(duì)誤差較小，并且分布趨勢(shì)基本一致。該數(shù)值模型能夠較為準(zhǔn)確地描述多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的氣流場(chǎng)和氣液兩相流場(chǎng)分布規(guī)律，上述試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該數(shù)值模型的合理性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

(1)以多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于CFD數(shù)值分析方法構(gòu)建了風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的數(shù)值模型，開展了風(fēng)送噴霧系統(tǒng)氣流場(chǎng)和氣液兩相流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析研究。

(2)噴射出風(fēng)口出口和外部流場(chǎng)的研究結(jié)果表明，氣流速度試驗(yàn)值和仿真值差值基本<2 m/s，其測(cè)量點(diǎn)的氣流速度相對(duì)誤差總體<10%，基于CFD的數(shù)值分析方法能較為準(zhǔn)確地描述多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的氣體流動(dòng)規(guī)律。

(3)多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的氣液兩相流研究結(jié)果顯示，在距離噴射出風(fēng)口0.6、0.9和1.2 m處，霧滴沉積系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果基本一致，尤其在-0.4～0.4 m高度范圍內(nèi)，其相對(duì)誤差<14%，該結(jié)果可為果園多風(fēng)道風(fēng)送噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供有效參考。