環形雙圓弧防飄罩蓋設計與防飄性能參數優化

摘要：為減少農藥施用量，提高農藥利用率，優化設計一種環形雙圓弧式防飄罩蓋。采用有限元ANSYS FLUENT軟件對環形雙圓弧式罩蓋噴霧流場進行仿真模擬試驗，得到其連續相流場的速度矢量分布和離散相運動軌跡。以霧滴沉積率作為試驗指標，通過單因素和多因素仿真試驗獲得罩蓋的最優結構參數組合為罩蓋入口高度 48.74 mm、出口長度15.11 mm、噴頭距出口平面高度32.53 mm；在最優組合下其霧滴沉積率為68.8%。噴霧臺試驗對比五種風速下（1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s）罩蓋噴霧和常規無罩蓋噴霧的霧滴沉積率。結果表明，罩蓋噴霧的霧滴沉積率分別為80.58%、75.57%、65.16%、59.47%、54.29%，分別高于常規噴霧的 72.42%、61.24%、45.1%、38.34%、32.08%，罩蓋噴霧較常規無罩蓋噴霧有較好的防飄效果。

關鍵詞：噴霧；環形雙圓弧式；防飄罩蓋；FLUENT仿真；農藥

中圖分類號：S491" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 10?0086?08

Circular double arc drift?proof cover design and optimization of drift?proof performance parameters

Zhang Baochuan1， Zhao Jianguo1， Ma Zhikai1， You Guangyu2， Wang Chunwei3， Cui Wenjun4

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Agricultural University， Baoding， 071000， China;

2. Baoding Agricultural Machinery Workstation， Baoding， 071000， China; 3. Yi County Agricultural and Rural Bureau， Baoding， 071004， China; 4. Hebei Kaian Agricultural Manufacturing Machinery Co.， Ltd.， Baoding， 071000， China）

Abstract： In order to reduce pesticide application and improve pesticide utilization， a circular double arc drift shield was" optimized. The finite element software ANSYS FLUENT was used to simulate the flow field of the annular double arc cover spray， and the velocity vector distribution and discrete phase trajectory of the continuous phase flow field were obtained. Droplet deposition rate was used as a test index， through single factor and multi factor simulation tests， the optimal combination of structural parameters of the cover was obtained as follows： the inlet height of the cover was 48.74 mm， the outlet length was 15.11 mm， and the height from the nozzle to the outlet plane was 32.53 mm; under the optimal combination， the droplet deposition rate was 68.8%. The droplet deposition rates of hooded and conventional hoodless sprays at five wind speeds （1 m/s， 2 m/s， 3 m/s， 4 m/s and 5 m/s） were also compared in a spray table test. The results showed that the droplet deposition rates of cover spray were 80.58%， 75.57%， 65.16%， 59.47% and 54.29% respectively， which were higher than those of conventional spray， which were 72.42%， 61.24%， 45.1%， 38.34% and 32.08% respectively. Covered sprays were more effective than conventional uncovered sprays in preventing drift. The cover spray had better anti drift effect than conventional non cover spray.

Keywords： spray; circular double arc; drift?proof cover; FLUENT simulation; pesticide

0 引言

在農藥噴施過程中，部分霧滴會受風力影響而脫離靶標，飄失到空氣中，從而造成農藥的浪費及作業成本增加，且易造成環境污染，威脅人類健康[1?3]。據統計，我國農藥有效利用率僅為20%～40%，美國、日本、歐盟等農藥有效利用率達到 50%～60%[4， 5]。為減少農藥飄失，提高農藥利用率，國內外相關學者對其進行了大量的研究，其中罩蓋式噴霧是一種能有效減少農藥霧滴飄失提高農藥利用率的方式，罩蓋式噴霧分為氣力式罩蓋噴霧與機械式罩蓋噴霧兩種噴霧形式，氣力式罩蓋噴霧指通過風力生成裝置產生輔助氣流，通過輔助氣流改變霧滴原有的運動軌跡，迫使霧滴向靶作物運動，以此來提高霧滴沉積量。機械式罩蓋噴霧指通過在噴頭周圍添加罩蓋裝置來改變噴頭周圍的流場分布，從而減少霧滴的漂移，增大霧滴沉積量。罩蓋式噴霧顯著提高了霧滴沉積量和霧滴穿透能力，并在噴霧均勻性方面也有所改善。與氣力式罩蓋噴霧相比，機械式罩蓋噴霧有結構簡單、制作成本低等優點[6?8]。故本文選取機械式罩蓋噴霧作為研究對象。但由于機械式罩蓋式噴霧易受到周圍環境的影響，因此應用模擬仿真技術對噴霧系統的研究有重要作用[9]。

計算流體力學（CFD）的數值模擬分析[10]，是國內外學者研究罩蓋風場流動及分布的主要方法[11]。Reichard等[12]首次將CFD數值仿真技術用于分析風洞條件下的霧滴漂移情況。Tsay 等[13]用 CFD 模擬6種罩蓋分別在6 m/s風速下噴霧的霧滴運動軌跡以及流場分布。Ozkan等[14]通過風洞試驗對比了9種機械式罩蓋在不同壓力和氣流流速下的防飄移效果。張京等[15]對雙圓弧罩蓋進行了改進，在外圓弧出風口處加了一個導流板，并通過風洞試驗對比了常規噴霧以及改進前后的霧滴沉積量。Sidahmed等[16]在雙圓弧罩蓋的基礎上先后研究了對稱雙圓弧罩蓋以及對稱三圓弧罩蓋。陶雷等[17]設計了一種開口雙圓弧罩蓋，通過FLUENT仿真分析以及風洞試驗探究了罩蓋周圍低速渦流區對霧滴沉積的效用。魏錫攀[18]設計并優化了一種加有輔助氣流的防飄罩蓋，應用FLUENT軟件對所設計的罩蓋進行了結構參數優化，并進行了田間多工況試驗確定罩蓋噴霧最佳工況。

為減少農藥飄失，提高農藥利用率，本文設計一種環形雙圓弧式罩蓋，擬實現噴霧作業時藥液防飄效果有所提升。利用CFD技術模擬罩蓋的防飄效果，得到罩蓋的最佳結構參數組合，并與常規噴霧的霧滴沉積率進行試驗對比，為罩蓋設計提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 罩蓋結構設計

環形雙圓弧式罩蓋主要由內外兩個環形圓弧構成，其中心截面圖如圖1所示，環形雙圓弧罩蓋是由雙圓弧繞同中心軸旋轉360°所成。

1.2 仿真模擬

為了保證模型的精確性，應該使仿真試驗條件與實際情況盡量相同，但考慮到計算機處理數據能力和計算量，對模型做出合理的簡化與假設[19， 20]。

1） 三維模型假設。由于罩蓋的形狀對流場及霧滴運動的影響明顯，因此把罩蓋流場模型作為三維模型處理。

2） 數學模型假設。模擬計算中選用了標準k-ε湍流模型、能量方程、物質輸運模型、Lagrangian離散模型、霧滴的碰撞，破碎模型、泰勒比（TAB）破碎模型、霧滴隨機游動模型等數學模型。

3） 無滑動條件。罩蓋及其他壁面的風速為零。

4） 流場源水平進入假設。假設流場入口風速為水平方向，無垂直分量。實際應用中雖有側向風的影響，但是機具前進方向的風是始終存在的，為了引入氣流對罩蓋防飄的作用效果，這里只考慮流場入口僅為水平方向的風。

5） 流場源穩定假設。假設流場入口風速大小穩定不變。

6） 霧滴分布規律假設。假設霧滴分布函數滿足Rosin-Ramler分布規律。

7） 霧滴三種終結方式假設。假設霧滴最終只有三種終結方式假設：沉積、飄失和蒸發，無其他不可預知終結方式。

8） 接觸沉積假設。假設只要是接觸到地面的霧滴就為沉積霧滴，霧滴不發生反彈。

借鑒現有的研究基礎，計算區域流場的具體尺寸為2 400 mm×800 mm×800 mm，噴頭距地面高度500 mm，罩蓋距離自然風入口處為1 000 mm，流場區域截面圖和流場區域3D圖如圖2、圖3所示。

采用自適應非結構化三角形網格劃分，單位網格邊長0.05 m，網格劃分如圖4所示。選擇3D解算器讀入劃分好網格的流場，并檢查網格，選擇默認分離隱式解，定義物理模型，設置流體性質并取流場區域左面為進口邊界，設定為速度入口（Velocity?Inlet），其入口進風速度設置為5 m/s，方向水平向右；右面為出口邊界，并設定為壓力出口（Pressure?Outlet），出口與空氣相通，設置其壓力為0 MPa。上下面、前后面以及右面設置為“Escape”邊界，當霧滴運動到“Escape”邊界時，終止仿真計算，認為霧滴發生漂移。

2 結果與討論

2.1 評價指標

以霧滴沉積率DP作為衡量指標，以罩蓋入口高度H（mm）、出口長度L（mm）以及噴頭距出口平面高度h（mm）為影響因素，通過單因素仿真試驗以及中心組合試驗設計原理設置各因素水平，并將試驗結果導入Design-Expert軟件中進行三因素三水平中心組合試驗。

霧滴沉積率DP：在計算時間內，沉積在流場區域內的霧滴質量（即霧滴沉積量）與在此時間段內噴頭噴出的霧滴總質量的比值。在噴頭下風向1 m處設置界面，超出該界面的霧滴認為飄失霧滴，在該界面以內的認為霧滴沉積。霧滴沉積量越大，防飄效果越好。

2.2 模擬流場和霧滴運動軌跡

2.2.1 噴霧流場仿真結果與分析

圖5為罩蓋噴霧流場仿真結果截面圖，流場中不同的顏色對應著相應的流速。將流場區域劃分為a、b、c、d、e五個部分分析罩蓋噴霧下的流場對噴霧效果的影響，a區域在罩蓋正上方形成向右的高速氣流，由于防飄罩蓋頂部封閉，所以對噴霧效果無影響；b區域為罩蓋左側環形通道，由于環形通道面積由上到下逐漸減小，其氣流速度會逐漸增大，在此區域會形成沿著環形通道軌跡整體向下的高速氣流，該氣流會脅迫霧滴向下運動，有利于霧滴沉積；c區域位于罩蓋內部中心區域，由于罩蓋的遮蔽作用，會在此位置出現低速區，避免霧滴受到自然風造成飄失；d區域位于罩蓋右側環形通道，此區域有一個向下的氣流，該氣流會同b區域一樣脅迫霧滴向下運動，但由于自然風向以及環形通道的影響，此區域的氣流速度相對于b區域的氣流速度較小，對霧滴產生的有利沉積影響也相對較??；e區域在罩蓋下方會形成高速氣流，方向右下，會存在使霧滴向右飄失和迫使霧滴向下沉積兩種效果，與此同時b區域的流場也會對e區域的流場產生影響。取風場水平向右為X軸正方向，豎直向上為Z軸正方向建立XOYZ笛卡爾坐標系，對在b區域和e區域交互作用下的單個霧滴進行受力分析來對風場交互作用進行說明，圖6為霧滴受力分析圖。霧滴受到e區域的風場力為[Ne]，[Nex']與[Nez']分別為[Ne]在X軸和Z軸上的分力，通過環形通道b加速過的風場給霧滴的作用力為[Nb]，霧滴所受b區域風場力[Nb]可正交分解為沿X軸負方向的[Nbx']和沿Z軸負方向的[Nbz']，分力[Nbx']會削弱X軸正方向上的力[Nex']和[Ns]從而削弱e區域流場向右方向的流速，減少霧滴飄失，分力[Nbz']與分力[Nez']會加強豎直向下的分力以此來增強e區域流場向下的流速，有利于脅迫霧滴向下快速沉積，減少霧滴飄失。

圖7為常規噴霧流場仿真結果截面圖?？梢钥闯觯捎趪婎^的影響會發生局部較小的變化，這里不考慮其產生的影響，即流場流速基本不變為5 m/s，流場方向水平向右。這會導致霧滴向右飄失。對比上述罩蓋噴霧流場分析，常規噴霧從霧滴噴出到沉積將都會受到自然風的影響，且速度均為5 m/s，影響較大，相比罩蓋噴霧，常規噴霧的霧滴飄失較為嚴重。由此看出，罩蓋噴霧具有較好的防飄效果。

2.2.2 霧滴運動軌跡仿真結果與分析

圖8、圖9分別為罩蓋噴霧下和常規噴霧下的霧滴運動軌跡?？梢钥闯?，霧滴直徑相對較小的更容易受到自然風的影響，更容易飄失。對比圖8、圖9可知，由于環形雙圓弧罩蓋的導流作用，使霧滴的運動軌跡發生改變，在罩蓋的所形成的風幕作用下，脅迫霧滴整體向下運動，加速了霧滴向靶標沉降；而常規噴霧受自然風影響，直徑較小霧滴的飄失嚴重，只有直徑較大霧滴的會沉積在靶標區域；由此表明，罩蓋噴霧相對常規噴霧具有較好的防飄效果。

2.3 防飄罩蓋最優結構參數確定

2.3.1 單因素試驗

在FLUENT仿真軟件中以霧滴沉積率DP作為衡量指標，選擇罩蓋入口高度、出口長度以及噴頭距出口平面高度三個因素對罩蓋進行噴霧單因素試驗。參考相關研究[13?15]并結合預試驗，將罩蓋入口高度的取值范圍定義為20～70 mm，步長10 mm；出口長度的取值范圍定義為5～30 mm，步長5 mm；噴頭距出口平面高度的取值范圍定義為10～60 mm，步長10 mm。

1） 入口高度對霧滴沉積率的影響試驗。試驗選取出口長度為17.5 mm，噴頭距出口平面高度為35 mm，對入口高度取值20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm和70 mm分別進行試驗，試驗結果如圖10所示。由圖10可知，霧滴沉積率隨著入口高度的增大而增大，且隨著入口高度的增加，霧滴沉積率增長速率先逐漸增大，后逐漸減小，若入口高度再逐漸增大，霧滴沉積率曲線將趨于平緩。這是由于當出口長度一定，入口高度增加到一定高度時，由于氣阻現象，霧滴沉積率將不再增大。故取入口高度范圍為30～50 mm。

2） 出口長度對霧滴沉積率的影響試驗。試驗選取入口高度45 mm，噴頭距出口平面高度為35 mm，對出口長度取值5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm和30 mm分別進行試驗，試驗結果如圖11所示。由圖11可知，霧滴沉積率隨著出口長度的增大先增大后減小，且在出口長度為15 mm左右時，霧滴沉積率達到最大值。故取出口長度范圍為10～20 mm。

3） 噴頭距出口平面高度對霧滴沉積率的影響試驗。試驗選取入口高度45 mm，出口長度取值17.5 mm，噴頭距出口平面高度取值10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm和60 mm分別進行試驗，試驗結果如圖12所示。由圖12可知，霧滴沉積率隨著噴頭距出口平面高度的增大先增大后減小，且在噴頭距出口平面高度為30 mm左右時，霧滴沉積率達到最大值。當噴頭距出口平面高度越來越大時，將可能導致霧滴在罩蓋上大量沉積，造成農藥的浪費。故取噴頭距出口平面高度范圍為20～40 mm。

2.3.2 試驗因素水平

采用Box-Behnken響應法設計試驗，選擇了影響霧滴沉積率的3種試驗因素，根據單因素試驗結果以及根據環形雙圓弧罩蓋的安裝尺寸對試驗因素的參數取值進行選擇，試驗因素取值編碼如表1所示。

2.3.3 試驗結果

以霧滴沉積率（Y）指標，入口高度（A）、出口長度（B）、噴頭距出口平面高度（C）為試驗因素進行仿真試驗。將試驗結果整理并導入到Design-Expert軟件中進行方差分析以及回歸分析。具體試驗方案與結果如表2所示。

2.3.4 試驗結果分析與優化

根據表3的試驗數據，運用Design-Expert 軟件進行處理，得出罩蓋入口高度、出口長度以及噴頭距出口平面高度對霧滴沉積率影響的方差分析和響應面圖，并對表的數據進行二次多元回歸擬合，建立平均扭矩的二次回歸方程。

[Y=65.20+4.21A+1.34B+1.37C-1.16AB+0.045AC-1.31BC-0.47A2-3.33B2-1.19C2] （1）

由霧滴沉積率回歸模型方差分析結果表3可知，Y回歸模型組間差異顯著性檢驗Plt;0.000 1，失擬項P=0.069 8，決定系數R2=0.973 9，回歸模型顯著，失擬項不顯著，決定系數接近1，表明Y回歸模型擬合度較好。Y回歸模型的變異系數（CV）為1.52%，表明該試驗數據可靠。當精確度（Adep precision）[gt;4]，模型具有較好的預測性，Y回歸模型的精確度為19.694，表明Y回歸模型可較好地預測霧滴沉積率。一次項A、B、C對環形雙圓弧防飄罩蓋的霧滴沉積率影響極顯著（Plt;0.01），交互項AB、BC對霧滴沉積率影響顯著、二次項[B2]對霧滴沉積率影響極顯著，[C2]對霧滴沉積率影響顯著，其他因素影響不顯著。各因素對環形雙圓弧防飄罩蓋的霧滴沉積率顯著性影響順序為[Agt;B2gt;Bgt;BCgt;C2gt;AB]。

由圖13（a）可知，當噴頭距出口平面高度一定時，隨著入口高度的增大，霧滴沉積率也增大；隨著出口長度的增大，霧滴沉積率先增大后減??；且由等高線圖可知，入口高度對霧滴沉積率的影響大于出口長度對霧滴沉積率的影響。由圖13（b）可知，入口高度一定時，隨著出口長度和噴頭距出口平面高度的增大，霧滴沉積率均先增大后減小；且由等高線圖可知，噴頭距出口平面高度對霧滴沉積率的影響大于出口長度對霧滴沉積率的影響。

為得最優參數組合，以提高霧滴沉積率為指標對環形雙圓弧罩蓋的結構尺寸參數進行優化設計，結合試驗因素邊界條件，建立參數模型，并運用Design-Expert軟件對上述數學模型進行分析求解，從優化結果中選取一組合理結構尺寸參數組合，即當罩蓋入口高度H為48.74 mm、出口長度L為15.11 mm以及噴頭距出口平面高度h為32.53 mm時，霧滴沉積效果最優，其霧滴沉積率為68.8%。對優化結果進行虛擬仿真驗證，得到其霧滴沉積率為67.2%，與優化結果基本一致。

2.3.5 風速對霧滴沉積量的影響

為進一步探究不同風速下罩蓋噴霧的防飄效果，分別模擬了罩蓋噴霧以及常規噴霧在1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s這五種風速下的霧滴沉積情況；其邊界設置與仿真試驗條件相同，試驗指標為霧滴沉積率[DP]與霧滴沉積率差異[DPD]。霧滴沉積率差異[DPD]為罩蓋噴霧沉積率與常規噴霧沉積率之差與常規噴霧沉積率的比值。霧滴沉積率差異[DPD]用來比較常規噴霧與罩蓋噴霧的防飄效果，且[DPD]越大，對比噴霧（罩蓋噴霧）的防飄效果越好。

表4為模擬試驗得到的罩蓋噴霧以及常規噴霧在1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s風速下的霧滴沉積率以及霧滴沉積率差異，其中D表示霧滴沉積量。在五種風速下，罩蓋噴霧的霧滴沉積率分別為81.42%、78.12%、68.82%、62.36%、57.62%，分別高于常規噴霧的74.26%、64.58%、47.18%、40.85%、34.79%，較常規噴霧，罩蓋噴霧的霧滴沉積率分別提高了9.64%、20.97%、45.87%、52.66%、65.62%。從圖14可看出，在各風速下霧滴沉積率隨著風速的增大而減??；且風速增大對常規噴霧的影響明顯大于對罩蓋噴霧的影響，即風速較高時常規噴霧與罩蓋噴霧的霧滴沉積率之差遠大于風速較低時，故風速越高，罩蓋噴霧的防飄效果越明顯。

3 噴霧臺試驗

3.1 試驗條件

將優化后的防飄罩蓋結構參數進行圓整處理，即罩蓋入口高度為48.5 mm，出口長度為15 mm，噴頭距出口平面高度為32.5 mm。在河北農業大學噴霧試驗臺進行噴霧試驗，試驗裝置示意圖如圖15所示，與仿真試驗條件一致，噴頭在罩蓋正中心距罩蓋出口平面高度32.5 mm，在噴頭下方500 mm處是接收裝置，試驗選用ST110-04型標準扇形噴頭，工作壓力為0.4 MPa，相對濕度為40%，環境溫度為281～288 K，用自來水代替農藥進行噴霧試驗。

3.2 評價指標及試驗方案

試驗比較了常規噴霧與罩蓋噴霧兩種方式下的霧滴沉積量（D），以驗證罩蓋噴霧的防飄性能。試驗采用稱量法來對常規噴霧以及罩蓋噴霧的霧滴沉積量進行測量。試驗開始時，打開風扇調節風扇檔位以及與噴頭的距離，用數字式風速計測量其風速，當風速分別達到1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s時，打開噴霧開關進行噴霧，測量噴頭下風向1 m內霧滴接收裝置內的沉積量，超過該界面視為霧滴飄失，接收裝置順著軌道流入量筒，并進行讀數，計算其質量，所有試驗重復3次求平均值。

3.3 試驗結果與分析

表5為噴霧臺試驗得到的罩蓋噴霧以及常規噴霧在5種風速下的霧滴沉積率以及霧滴沉積率差異。在五種風速下，罩蓋噴霧的霧滴沉積率分別為80.58%、75.57%、65.16%、59.47%、54.29%，分別高于常規噴霧的72.42%、61.24%、45.1%、38.34%、32.08%，較常規噴霧，罩蓋噴霧的霧滴沉積率分別提高了11.27%、23.4%、44.48%、55.11%、69.23%。

4 噴霧臺試驗與仿真試驗結果比較

噴霧臺試驗與仿真試驗均為收集或計算噴頭下風向1 m處的霧滴沉積量。圖16為五種風速下噴霧臺試驗與仿真試驗結果的對比，表6為五種風速下噴霧臺試驗與仿真試驗的相對誤差。4 m/s風速下的常規噴霧與5 m/s風速下的罩蓋噴霧和常規噴霧的相對誤差較高，分別為6.54%、6.14%、8.46%，其余相對誤差均在8.46%以內。且噴霧臺試驗在各風速下的霧滴沉積變化趨勢與仿真試驗基本一致。

[δ=D1-D2D2×100%] （2）

式中： [δ]——相對誤差，%；

[D1]——仿真試驗霧滴沉積量，g；

[D2]——噴霧臺試驗霧滴沉積量，g。

5 結論

1） 所設計環形雙圓弧罩蓋能改變其周圍流場從而改變霧滴運動軌跡，減少霧滴飄失，提高農藥利用率。

2） 通過仿真試驗可知，環形雙圓弧式防飄罩蓋最優結構參數為罩蓋入口高度48.74 mm，出口長度15.11 mm，噴頭距出口平面高度32.53 mm，此時霧滴沉積率為68.8%。對優化結果進行虛擬仿真驗證，得到其霧滴沉積率為68.2%，與優化結果基本一致。

3） 模擬5種風速下罩蓋噴霧的霧滴沉積率較常規噴霧分別提高9.64%、20.97%、45.87%、52.66%、65.62%。噴霧臺試驗中罩蓋噴霧較常規無罩蓋噴霧在5種風速下均具有良好的防飄效果，且較常規無罩蓋噴霧，罩蓋噴霧的霧滴沉積率分別提高11.27%、23.4%、44.48%、55.11%、69.23%，與仿真結果相對誤差在8.46%以內。

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