多風道噴霧機鴨嘴形噴霧裝置設計與試驗

摘要：為提高噴霧機施藥霧滴穿透性、出風口風速穩定性，設計一種噴頭與風送裝置相組合的鴨嘴形噴霧裝置，鴨嘴形出風口的氣流將噴頭產生的霧滴進行二次霧化，氣流攜帶霧滴到達果樹冠層，擴大噴霧幅寬，使噴頭噴射出的液流與風機吹出的風場形成固定的組合體形式。設計四因素三水平正交試驗，采用Fluent離散相的方法對鴨嘴形出風口進行CFD仿真試驗，使用UDF編譯代碼使出風口風速隨著時間進行變化。對仿真試驗數據進行分析，通過響應面優化法分析得出：最佳的噴霧參數組合為噴頭數量為2個，噴頭安裝傾角為31.9°，噴頭安裝位置在出風口內側，出風口開口角度為67.5°。在此噴霧參數組合下對鴨嘴形出風口進行驗證試驗，出風口風速均勻，離散率不超過5%，果樹內膛霧滴沉積密度大于70粒/cm²，著藥性良好；霧滴沉積覆蓋率大于33%，霧滴穿透性良好。

關鍵詞：多風道噴霧機；鴨嘴形噴霧裝置；計算流體力學；離散相；響應面優化

中圖分類號：S491

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553（2024）12-0109-07收稿日期：2023年6月27日

修回日期：2023年9月12日

*基金項目：財政部和農業農村部：國家現代農業產業技術體系建設專項項目（CARS—27）；河北省現代農業產業技術體系建設專項資金項目（HBCT2024150202）

第一作者：郭江鵬，男，1999年生，河北邢臺人，碩士研究生；研究方向為果園機械裝備。E-mail：499339707@qq.com

通訊作者：王鵬飛，男，1986年生，河北平山人，碩士，講師；研究方向為果園生產管理機械化及智能裝備。E-mail：wpf5769@126.com

Design and test of duck mouth spray device of multi duct spray machine

Guo Jiangpeng， Xu Shuo， Wang Pengfei， Yang Xin， Li Jianping

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Agricultural University， Baoding， 071000， China）

Abstract： In order to improve the penetration of spray droplets and the stability of air speed at the air outlet， a duck shaped spray device combined with a nozzle and an air delivery device was designed. The air flow at the duckbill shaped outlet atomizes the droplets generated by the nozzle for the second time. The air flow carries the droplets to the fruit tree canopy， expanding the width of the spray， so that the liquid flow from the nozzle and the wind field blown by the fan form a fixed combination form. A four factor and three level orthogonal experiment was designed， CFD simulation experiments was carried out on duckbill shaped air vents by using Fluent discrete phase method， and UDF was used to compile code to make the air velocity of the air vents change over time. Based on the analysis of simulation test data， the optimal combination of spray parameters was obtained by response surface optimization method as follows： the number of nozzles was 2， the installation angle of nozzles was 31.9°， the installation position of nozzles was inside the air outlet， and the opening angle of the air outlet was 67.5°.Under the combination of these spray parameters， the verification test was carried out on the duckbill shaped air outlet. The air velocity at the air outlet was uniform， the dispersion rate was not more than 5%， and the droplet deposition density in the fruit tree bore was more than 70 particles/cm²， with good medication application. The coverage rate of droplet deposition was greater than 33%， and the droplet penetration was good.

Keywords： multi duct spray; duckbilled spray device; computational fluid dynamics; discrete phase; response surface optimization

0 引言

病蟲害是限制農業發展的重要因素，病蟲害防治不當會造成嚴重的經濟損失^{［1， 2］}。目前，我國農藥噴灑方式大多使用手動、踏板式噴霧器和高壓噴槍，采用大霧量、雨淋式，這種方法相對落后且農藥利用率低^［3］。在面積較大的果園生產管理中，常常采用風送式噴霧機，風送式噴霧機產生的高速氣流有助農藥穿透果樹冠層噴灑在果樹各個部位^［1］。

提高霧滴的有效沉積可以提高農藥利用率，使得作物能更好地受到藥液的作用，提高作物的產量和質量，減少環境污染。探究不同參數對霧滴沉積量的影響以及提高霧滴有效沉積對果園植保作業意義重大。近年來，國內開展了大量的農藥噴霧技術的研究^{［4， 5］}。何雄奎等^［6］探討了樹冠內風速的變化對霧滴在果樹上沉積量的影響，得到了霧滴在冠層內的穿透性和沉積量與風速呈正相關。呂曉蘭等^［7］發現噴霧壓力對霧滴沉積無明顯影響，減小行駛速度可增加枝葉正反面霧滴的沉積，增大風機出口風速可有效增加霧滴在枝葉反面的沉積。Foqué等^［8］發現空氣支撐的使用提高了作物在葉片底部的滲透和沉積，減少了噴霧在葉片頂部層的沉積，從而使噴霧在作物冠層上的分布更加均勻。李杰等^［9］對其自制風送式噴霧機霧滴沉積特性進行研究，采用CFD計算方法分別對不同噴霧距離、送風角度等參數進行流場分析，以霧滴沉積量為分析目標得到最優的噴霧參數組合。賈曉曼等^［10］探究了不同噴頭數量下農藥利用率與霧滴沉積量的變化，研究分析不同噴頭數量的施藥效果，結果表明，在16個噴頭下農藥利用率高，霧滴沉積性強，32個噴頭下霧滴的穿透性強。Li等^［11］研究了葉片氣動響應速度與葉片表明霧滴沉積特性的關系，得到霧滴沉積特性收到葉片響應速度的影響，其隨著葉片響應速度的增大呈先增大后減小的趨勢，且在葉片氣動速度小于0.14 m/s的情況下霧滴沉積比例最高。

國內外果園噴霧作業研究重點主要是噴施的藥量不足不能及時的消除病蟲害，不能很好地完成病蟲害的治理；噴施的藥量過大，不能按需調控，風力過小不能使果樹冠層內達到全面噴施，風量過大又會造成較大的農藥漂移量，嚴重污染果樹種植地的生態環境^［4］。本研究基于傳統的風送裝置設計一種使噴出的液流與風場形成固定的組合形式的鴨嘴形噴霧裝置。通過研究噴霧機風場和噴霧霧場的規律，確定開口角度的取值范圍，與噴頭數量、噴頭安裝傾角、噴頭的安裝位置和出風口開口角度進行多因素試驗進行CFD仿真模擬試驗，確定鴨嘴形噴霧裝置的最佳參數，并設計試驗驗證在最優噴霧參數組合下的鴨嘴形噴霧裝置噴霧效果。

1 整機結構與工作原理

離心風機是果園風送式噴霧機最常用的噴霧機之一，其產生的風場具有風壓高、風速大、氣流穿透力強等特點^［12］。目前，我國的風送式噴霧機采用的主要送風方式為直流送風，直流送風存在攜帶霧滴不充分的問題，不能很好地將藥液噴施到果樹的冠層內，導致果樹葉片的施藥效果差。離心風機產生氣流的特點是氣流由葉輪軸進入風機，風機獲得能量后產生的高速氣流沿著葉輪軸的圓周切線方向流出，可以增強氣流的霧滴攜帶能力^［13］。因此，國內外都把離心風機作為多風道仿形噴霧技術的首選送風裝置。

鴨嘴形噴霧裝置是一種由噴頭和鴨嘴形出風口組合而成的噴霧裝置，可以擴大噴霧幅寬，使噴頭噴射出的液流與風機吹出的風場形成固定的組合體形式。噴管布置在噴霧裝置一側，賦予霧滴流動的動能，使離心風機產生的高速氣流與噴頭噴出的霧滴充分接觸，可以使藥液進行二次霧化并充分地噴灑到果樹冠層。多風道噴霧機整機結構與鴨嘴形噴霧裝置示意如圖1所示。其中，α表示出風口開口角度。

2 鴨嘴形噴霧裝置設計

2.1 鴨嘴形出風口開口角度的確定

多風道噴霧機鴨嘴形噴霧裝置利用風機產生的高速氣流對霧滴進行二次霧化，使得霧滴能夠與靶標充分接觸，合理的出風口開口角可以減少藥液的浪費和霧滴的漂移。噴霧示意如圖2所示。

王富貴等^［14］通過研究汽車空調噴霧的射流擴散角，得出圓形出風口的射流擴散角的角度為26°，方形出風口平行于葉片的射流擴散角的角度為26°，具有傾斜角的出風口的噴射角度等于其傾斜角和射流擴散角之和。以河北省保定市曲陽縣河北綠陽現代農業園區（北緯38°，東經114°）蘋果園參數為例，蘋果園內行距為3.5 m，樹高3.5 m，最佳噴霧距離為1.25 m。在進行噴霧作業時，機架底部抬高距地面70 cm，測量可得下層出風口距離地面0.94 m，如圖3所示。

由式（1）可得，α=30.11°，則出風口開口角為60.22°，因此，出風口開口角理論值為34.22°。當出風口開口角≥34.22°時，可以達到對下層果樹全覆蓋的效果。

同理，上層出風口距地面2.3 m，樹高3.5 m，出風口開口角為72.54°，則出風口開口角理論值為46.54°，即當出風口開口角≥46.54°時，可滿足上層果樹的全覆蓋。為達到全面噴施的效果還需要考慮上中層果樹的全覆蓋，當出風口滿足下層果樹和上層果樹的全覆蓋時，也能將中層果樹全覆蓋。

查閱相關資料可知^［15］，噴霧機氣流在到達果樹內膛時，末速度應滿足9～10 m/s，根據式（2）求得，出風口出口處風速V應滿足12.75～30.58 m/s。當出風口開口角度＞98.58°時，出風口出口處風速小于要求的最小風速值，因此，出風口開口角最大值為98.58°。

Q=HFVK （2）

式中：Q——單位時間內風機產生的風量，取Q=3.61 m³/s；

H——上出風口距地面垂直高度，H=2.5～3.0 m；

F——噴霧機行駛速度，取F=1.25 m/s；

K——由噴霧機吹出的氣流到果樹冠層的過程中衰減和損失而確定的系數，K的取值范圍與作物品種、果樹冠層厚度等因素有關，一般來說，K=1.3～1.8。

2.2 鴨嘴形出風口仿真試驗

將多風道噴霧機在Autodesk Inventor Professional軟件中進行等比例建模，進行CFD仿真試驗，在Ansys 2021 R1 Fluent軟件中進行網格劃分、物理湍流模型的選擇，風機轉速設置為2 160 r/min，對其進行仿真分析，得出噴霧機一側由上到下三個風口的平均風速依次為15.68 m/s、26.29 m/s、28.26 m/s。

從45.64°～98.58°之間取3個水平，分別為46.54°、72.56°、98.58°。在Autodesk Inventor Professional軟件中進行建模，采用CFD軟件Ansys 2021 R1 Fluent網格劃分，物理模型選用湍流模型。設置入風口為速度入口，入口風速自上而下設置為15.68 m/s、26.29 m/s、28.26 m/s；出風口出口為壓力出口，為0 Pa，根據仿真計算得到三種開口角度下上、中、下三個出風口的平均風速，如表1所示。

3 多因素試驗

3.1 多因素仿真試驗設計

鴨嘴形出風口的開口角度影響整個裝置的噴幅，決定噴霧裝置的幅寬是否能將果樹冠層全覆蓋；噴頭的安裝位置與傾角影響噴霧裝置噴霧過程中空氣與霧滴之間相互耦合的作用，會直接影響最終噴霧效果；噴頭的安裝數量過多會導致藥液浪費，反之則達不到噴霧要求；因此，影響鴨嘴形噴霧裝置噴霧效果的主要因素為出風口的開口角度、噴頭的安裝位置、噴頭安裝數量與噴頭的安裝傾角。為確定鴨嘴形噴霧裝置的最佳設計參數組合，設計四因素三水平正交試驗進行仿真，如表2所示，其中，-1、0、1分別表示噴頭安裝在出風口內側、內部和外側，示意如圖4所示。

3.2 仿真模型的建立

為確定最佳參數組合，選取霧滴沉積率作為評價指標。根據Design-Export 12中各試驗組的數據在Autodesk Inventor Professional軟件對鴨嘴形出風口進行建模，模擬噴霧過程。將建好的流體域模型導入Ansys 2021 R1 Fluent中，在Ansys Fluent中對模型進行網格劃分、物理模型定義以及后處理分析各個試驗中的噴霧效果，得出最優的噴頭安裝數量、噴頭安裝傾角、噴頭安裝位置及出風口開口角度。

3.3 仿真試驗

利用CFD軟件Ansys Fluent進行網格劃分，網格單元尺寸為40 mm，并對出風口處進行局部尺寸調整處理，求解器類型選擇密度基，進行瞬態計算，考慮y方向的重力加速度為-9.8 m²/s，物理模型選用k-ε Realizable標準壁面湍流模型。在噴霧結束時，風機停轉，但霧滴本身仍然具有速度，出風口處不再給予霧滴風速，霧滴主要受其自身風速與環境風速的影響。因此，仿真時噴霧時間設置為2 s，計算時間設置為4 s，對DEFINE_PROFILE函數進行了自定義，在Fluent中插入UDF編譯代碼使上、中、下三個出風口的風速隨著時間變化，即在0～2 s時，風速為一定值；在2～4 s時，風速為0。

設置不同的出風口開口角度的上、中、下出風口處風速使其隨著時間變化，環境側風風速設置為1 m/s，監測面類型為wall-film，打開離散相，設置噴射源類型為pressure-swirl-atomizer，材料為water-liquid，根據不同的建模設置噴頭坐標位置，求解方法選擇Implicit，求解類型為Fix，在求解過程中收集顆粒歷史數據用于后續數據分析。

3.5 結果分析

模擬仿真試驗結束后，將Ansys Fluent軟件中得到的模擬噴霧效果圖導出，將仿真計算的結果進行匯總并分析。模擬噴霧結果如圖5所示，可以明顯看出霧滴的沉積效果。仿真試驗數據結果如表3所示。

采用響應面參數優化法進行鴨嘴形出風口最優參數的選取，霧滴沉積率響應值記作Y，因素噴頭數量記作A，噴頭安裝傾角記作B，噴頭安裝位置記作C，出風口開口角度記作D，進行回歸分析，得出回歸方程式（3）。

Y=47.28-4.99A-13.2B-5.71C-6.07D+8.99AB-4.57AC-5.33AD-4.57BC-3.13BD-14.8A²-2.73B²+4.62C² （3）

利用Design-Export 12對上述仿真結果進行分析，得到模型方差分析表如表4所示。由表4中Y顯著性及方差分析可知，模型P值lt;0.01，失擬項P值0.082 4，說明模型極顯著，失擬項不顯著，擬合統計R²=0.995 8，表明模型擬合程度高，可用來分析預測響應值。該模型一次項A、B、C、D極顯著；AB、BC、AD、BC極顯著，BD顯著；二次項A²、C²極顯著，B²顯著。

圖6（a）為噴頭安裝位置在內部，出風口開口角度D為72.56°時，噴頭安裝數量與噴頭安裝傾角交互響應面。當噴頭安裝數量A一定時，霧滴沉積率隨著噴頭安裝傾角的增大呈下降趨勢，當噴頭安裝傾角B一定時，霧滴沉積率隨著噴頭安裝數量的增加呈下降趨勢。圖6（b）為噴頭安裝傾角B為60°，出風口開口角度為72.56°時，噴頭安裝數量與噴頭安裝位置交互響應面。當噴頭安裝數量A一定時，霧滴沉積率隨著噴頭安裝位置由里到外的變化而呈先減小后增大的趨勢，當噴頭安裝位置C一定時，霧滴沉積率隨著噴頭安裝數量的增加呈先增大后減小的趨勢。圖6（c）為噴頭安裝傾角B為60°，噴頭安裝位置為0，即在內部時噴頭安裝數量與出風口開口角度交互響應面。當噴頭安裝數量A一定時，霧滴沉積率隨著出風口開口角度的增大呈緩慢增大的趨勢，當出風口開口角度D一定時，霧滴沉積率隨著噴頭安裝數量的增加呈先增大而后緩慢減小的趨勢。圖6（d）為噴頭安裝數量A為3個，出風口開口角度D為72.56°時，噴頭安裝傾角與噴頭安裝位置交互響應面。

當噴頭安裝傾角一定時，霧滴沉積率隨著噴頭安裝位置由里到外的變化呈先減小后增大的趨勢，當噴頭安裝位置一定時，霧滴沉積率隨著噴頭安裝傾角的增大呈減小的趨勢。圖6（e）為噴頭安裝數量為3個，出風口開口角度為72.56°時，噴頭安裝傾角與出風口開口角度交互響應面。當噴頭安裝傾角C一定時，霧滴沉積率隨著出風口開口角度的增大呈緩慢減小的趨勢，當出風口開口角度D一定時，霧滴沉積率隨著噴頭安裝傾角的增大呈減小的趨勢。

綜上所述，為得到鴨嘴形出風口最佳設計參數及噴霧參數組合，使用Design-Export 12軟件Optimization模塊，以Y為優化目標，優化鴨嘴形出風口噴霧參數，得到最優組合為A=2、B=31.9°、C=-1、D=67.5°，即噴頭安裝數量為2個，噴頭安裝傾角為31.90°，噴頭安裝在出風口內側，出風口開口角度為67.5°，霧滴沉積率為66.86%。建立最優參數組合模型進行CFD仿真分析，在最優參數組合下做三次平行仿真試驗，得出霧滴沉積率分別為64.89%、66.58%、67.32%、，平均值為66.26%，結果與預測值接近，相對誤差為0.90%，表明該模型能夠準確地預測仿真結果。

4 驗證試驗

4.1 出風口風速試驗

為研究出風口風速變化情況，以2 160 r/min下離心風機額定風量作為參考，待離心風機轉速穩定后，使用風速測量儀測量鴨嘴形出風口風速，每個出風口測量時間為10 s，每隔2 s記錄一次風速值，記錄這10 s中出風口風速的最大值與最小值，并計算出平均值，以離散率為評價指標，離散率可以評價出風口風速隨時間變化的均勻性^［16］，離散率越低出風口風速穩定性越高，反之越低。

式中：X——出風口的離散率；

V_max——出風口風速最大值；

V_min——出風口風速最小值；

V_m——出風口風速平均值。

4.2 噴霧驗證試驗

為研究最優鴨嘴形出風口噴霧參數的噴霧作業效果，選用鴨嘴形出風口結構、風機、清水、盒尺、水敏紙、雙面膠、一次性手套、鑷子、A4紙、密封袋、溫濕度測量儀、AS856S風速測量儀等進行試驗。

試驗方法：將試驗果樹與鴨嘴形出風口距離設置為1.25 m，如圖7所示，布置水敏紙（20 mm×20 mm），在試驗果樹的葉片使用雙面膠固定水敏紙，下層每一個方向分外中內進行布置，中層分外內進行布置。固定過程中，佩戴一次性手套，保證手套不沾水，防止試驗外水滴碰到水敏紙影響試驗結果。將水敏紙固定好位置后，將風機與鴨嘴形出風口安裝就緒，開始施藥，按照風送噴霧機國家標準方法^［17］進行。

施藥完成后，將水敏紙分類收集，按照上中下內中外的分類回收，使用Image master霧滴分析軟件^{［18， 19］}處理。將得到試驗的每個位置上的霧滴沉積量、霧滴沉積覆蓋率與霧滴沉積密度等，霧滴沉積量、霧滴沉積覆蓋率與霧滴沉積密度衡量霧滴沉積情況^［20］，將軟件中采集的數據進行分組統計，并對數據進行分析。

4.3 結果分析

4.3.1 風速穩定性分析

在監測的10 s內，出風口風速變化如圖8所示。由此可計算出風口風速離散率為4.71%，小于5%，說明該出風口風速隨時間變化程度較小，穩定程度高。

4.3.2 霧滴沉積特性分析

為分析優化后鴨嘴形出風口霧滴沉積特性的情況，經Image-master霧滴分析軟件處理得出果樹內中外層霧滴沉積密度分布情況如圖9所示。外層霧滴沉積密度均值為113.70粒/cm²，內層霧滴沉積密度均值為76.18粒/cm²，霧滴沉積密度均高于作業標準70粒/cm²；內膛霧滴沉積覆蓋率如圖10所示，均值為35.60%，高于作業標準33%，表明鴨嘴形出風口在最優設計方案下，霧滴沉積效果良好且噴霧機能夠使霧滴穿透冠層到達果樹內膛，穿透性良好。

5 結論

1）對影響鴨嘴形出風口噴霧效果因素進行分析并通過多因素仿真試驗對鴨嘴形出風口噴霧效果進行CFD仿真，確定最佳設計參數為噴頭安裝數量為2個，噴頭安裝傾角為31.90°，噴頭安裝在出風口內側，出風口開口角度為67.5°，在最佳設計參數下，霧滴沉積率為66.86%。

2）為驗證鴨嘴形出風口風速穩定性，對多風道噴霧機鴨嘴形出風口風速進行試驗測量。結果表明，出風口風速變化離散率為4.71%，小于5%，出風口風速離散率低，鴨嘴形出風口風速均勻性穩定性高。

3）對仿真結果分析得到的最佳設計參數進行噴霧驗證試驗。結果表明，鴨嘴形出風口在最佳設計參數下進行噴霧，外層霧滴沉積密度均值為113.70粒/cm²，內層霧滴沉積密度均值為76.18粒/cm²，內膛霧滴沉積覆蓋率均值為35.60%，滿足風送式果園噴霧機作業質量標準，能夠使霧滴穿透果樹冠層，穿透性良好。

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