宋俊偉，馮 業(yè)，吳 姝，魏新華

(1.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.海信科龍空調(diào)公司開發(fā)中心，廣東 佛山 528000)

0 引言

新疆建設(shè)兵團(tuán)機(jī)械化規(guī)模棉花種植面積約70萬(wàn)hm2，主要采用矮化密值種植模式，普通噴桿式噴霧機(jī)無(wú)法穿透棉花冠層，施藥效果不佳[1-4]。為提高施藥效果，在現(xiàn)有普通噴桿式噴霧機(jī)的基礎(chǔ)上，先后出現(xiàn)了吊桿式噴霧機(jī)和風(fēng)送式噴霧機(jī)。吊桿式噴霧機(jī)雖然在藥液沉積分布和施藥效果上有所改善，但霧滴難以在冠層內(nèi)擴(kuò)散，冠層內(nèi)的藥液沉積分布極不均勻；風(fēng)送式噴霧技術(shù)主要是利用氣流將農(nóng)藥?kù)F滴噴入作物冠層，可大幅度增加冠層內(nèi)部的藥液沉積量[5-9]。

Endalew等[10]利用仿真技術(shù)建立了風(fēng)送式噴霧機(jī)的仿真模型，對(duì)噴霧氣流速度的高低分布進(jìn)行了研究。Tsay J R等[11]利用CFD仿真技術(shù)對(duì)果園風(fēng)助式噴霧機(jī)的霧滴穿透及噴霧性能進(jìn)行了研究。祁力鈞等[12]在原有噴霧機(jī)的出風(fēng)口設(shè)計(jì)安裝1個(gè)錐形導(dǎo)風(fēng)筒和1個(gè)同軸柱形導(dǎo)風(fēng)筒，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)不同的導(dǎo)風(fēng)筒進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其運(yùn)動(dòng)軌跡和出風(fēng)口處的氣流速度分布。張曉輝等[13]在原有風(fēng)筒上增加導(dǎo)流板裝置，減小出口尺寸和出口間距，試驗(yàn)表明改進(jìn)后的風(fēng)筒能實(shí)現(xiàn)高效和風(fēng)速變異小的風(fēng)幕。洪添勝等[14]利用仿真方法，研究了風(fēng)筒內(nèi)導(dǎo)流片數(shù)目對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明導(dǎo)流片數(shù)目一般以4～5為宜。宋淑然等[15]利用數(shù)值及正交試驗(yàn)的方法，對(duì)風(fēng)送式噴霧機(jī)的噴筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，仿真計(jì)算模型并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可信度。本課題組利用風(fēng)送式噴霧技術(shù)，設(shè)計(jì)了棉花施藥噴桿噴霧機(jī)[16]。在此噴桿噴霧機(jī)上的風(fēng)送系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，導(dǎo)風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)是基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成，在大田試驗(yàn)過(guò)程中雖然對(duì)氣流擾動(dòng)有一定的效果，但出風(fēng)口處的風(fēng)速分布均勻性和作物霧滴沉積性還有待提高。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)：CFD仿真技術(shù)對(duì)噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)及其性能的研究是可行的，且研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)及內(nèi)部導(dǎo)流片形狀對(duì)風(fēng)筒內(nèi)流場(chǎng)分布和出風(fēng)口速度分布具有較大的影響，從而影響噴霧分布均勻性、霧滴沉積均勻度。

針對(duì)現(xiàn)有的棉花施藥風(fēng)送式噴霧機(jī)，本文設(shè)計(jì)了一種風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒，并利用CFD仿真技術(shù)研究風(fēng)筒氣流場(chǎng)分布，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證模型的可靠性，將設(shè)計(jì)的風(fēng)筒安裝在噴霧機(jī)上進(jìn)行實(shí)際大田作業(yè)，檢驗(yàn)了風(fēng)送式噴霧機(jī)的霧滴沉積分布情況。

1 風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高風(fēng)送式噴桿噴霧機(jī)的施藥效果，在實(shí)際施藥過(guò)程中，風(fēng)筒出風(fēng)口處的風(fēng)速分布要盡量保持均勻，在進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口的過(guò)程中，內(nèi)流場(chǎng)的區(qū)域的變異系數(shù)要盡量小，且在各個(gè)局部交接點(diǎn)要保持較小的耗氣量。為了滿足上述要求，本文設(shè)計(jì)一種風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒，具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下：

風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)筒由柱形段和錐形段組成，進(jìn)風(fēng)口柱形段與出風(fēng)口柱形段之間的夾角為160°，錐形段部分分成對(duì)稱的兩側(cè)出風(fēng)口部分。

圖1 風(fēng)筒外部結(jié)構(gòu)圖

在風(fēng)筒內(nèi)部，進(jìn)風(fēng)口柱形段部分與出風(fēng)口柱形段部分各內(nèi)置橫向?qū)Я靼?，兩個(gè)橫向?qū)Я靼逯g的夾角也為160°；錐形段出風(fēng)口部分均勻分布3片導(dǎo)流片，導(dǎo)流片之間的夾角為60°。導(dǎo)流板與導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)如圖2所示，整體風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒內(nèi)外部結(jié)合結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 導(dǎo)流板與導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)圖

圖3 風(fēng)筒整體結(jié)構(gòu)圖

2 風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒計(jì)算模型仿真模擬

2.1 模型建立與計(jì)算域確定

在風(fēng)筒流場(chǎng)分析之前，首先要建立風(fēng)筒的仿真模型，本文通過(guò)軟件ICEM，對(duì)圖3所示的風(fēng)筒幾何模型進(jìn)行流道抽取，建立風(fēng)筒的仿真模型。流道抽取結(jié)果如圖4所示。

圖4 風(fēng)筒仿真模型

為了同時(shí)對(duì)風(fēng)筒內(nèi)部與外部流場(chǎng)進(jìn)行分析，在現(xiàn)有風(fēng)筒仿真模型的基礎(chǔ)上，貼合兩側(cè)出風(fēng)口增加對(duì)稱的外流場(chǎng)部分，風(fēng)筒內(nèi)外流場(chǎng)仿真模型如圖5所示。

圖5 風(fēng)筒內(nèi)外流場(chǎng)仿真模型

確定好計(jì)算域后，由于風(fēng)筒及外流場(chǎng)均為對(duì)稱體，在滿足計(jì)算精度的前提下，為了減少計(jì)算負(fù)載，將仿真模型根據(jù)橫向?qū)ΨQ面簡(jiǎn)化為物理模型的1/2。在仿真時(shí)，另一半設(shè)立為對(duì)稱面，最終確定的仿真三維模型如6所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

本文采用ICEM對(duì)風(fēng)筒及外流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于風(fēng)筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，外流場(chǎng)部分相對(duì)規(guī)則，故將分成的兩個(gè)部分分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分。風(fēng)筒部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，外流場(chǎng)部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，兩部分均為體網(wǎng)格；在風(fēng)筒的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口處采用網(wǎng)格加密，并且在內(nèi)外流場(chǎng)交界處創(chuàng)建交界面。最終網(wǎng)格化后的模型如圖7所示。三維結(jié)構(gòu)共劃分網(wǎng)格數(shù)為2 738 659，節(jié)點(diǎn)數(shù)為509 806。

圖6 1/2 仿真模型

圖7 仿真模型網(wǎng)格化

2.3 數(shù)值計(jì)算與仿真結(jié)果分析

2.3.1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)置

邊界條件是指在求解域的邊界上所求解的變量或者其一階導(dǎo)數(shù)隨地點(diǎn)及時(shí)間變化的規(guī)律。合理的邊界條件是CFD穩(wěn)定有正確定解的前提，也是計(jì)算收斂并得以進(jìn)行的前提[5]。風(fēng)筒氣流場(chǎng)仿真計(jì)算模型為Realizablek-ε湍流模型，進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口速度為20 m/s，湍流密度為5%，水力直徑為104 mm；出口為壓力出口邊界條件，出口壓力為大氣壓，回流湍流強(qiáng)度為5%，回流水力直徑為162mm；壁面條件為默認(rèn)的WALL壁面函數(shù)，內(nèi)部交換面設(shè)為Interior；選空氣作為材料，材料密度設(shè)為1.225 kg/m3,動(dòng)力粘度設(shè)為1.7894×10-5Pa·s。本文采用分離式求解器，壓力速度耦合方式選用Simple算法，采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行求解。當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完畢后，設(shè)置迭代步數(shù)5 000進(jìn)行計(jì)算，在迭代計(jì)算1 666步后，各項(xiàng)殘差值均低于10-4，計(jì)算收斂。

2.3.2 仿真結(jié)果分析

選取風(fēng)筒的兩個(gè)側(cè)面分別觀測(cè)風(fēng)筒內(nèi)部的氣流速度和風(fēng)筒外流場(chǎng)氣流的速度云圖，分別如圖8、圖9所示，整個(gè)風(fēng)筒的氣流走勢(shì)跡線圖如圖10所示。不同顏色表示不同的氣流速度。根據(jù)圖8所示的風(fēng)筒內(nèi)流場(chǎng)速度分布，僅在導(dǎo)流板與導(dǎo)流片的交接處出現(xiàn)較小的氣流漩渦，此旋流對(duì)耗氣量影響較小，風(fēng)筒4個(gè)出風(fēng)口處的速度分布均勻，整個(gè)風(fēng)筒內(nèi)流場(chǎng)區(qū)域風(fēng)速變異系數(shù)較小。根據(jù)圖9所示的風(fēng)筒外流場(chǎng)的速度分布，從風(fēng)筒出風(fēng)口處到外流場(chǎng)部分，風(fēng)速大約在2～14m/s，有利于風(fēng)送噴霧時(shí)使作物葉片產(chǎn)生翻動(dòng)效果，使霧滴穿過(guò)冠層，到達(dá)冠層內(nèi)部，有效提高霧滴的沉積率。

圖8 內(nèi)流場(chǎng)速度分布云圖

圖9 外流場(chǎng)速度分布云圖

圖10 氣流跡線圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 驗(yàn)證裝置

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果，定量地對(duì)風(fēng)筒外流場(chǎng)的相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行了速度測(cè)試。通過(guò)自制試驗(yàn)臺(tái)對(duì)風(fēng)筒氣流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖11所示。本試驗(yàn)裝置可上下安裝兩排風(fēng)筒，基于本文對(duì)1個(gè)風(fēng)筒的氣流場(chǎng)進(jìn)行研究，即本試驗(yàn)僅在1個(gè)風(fēng)筒通風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行風(fēng)筒氣流場(chǎng)的測(cè)試。

圖11 試驗(yàn)裝置

3.2 風(fēng)場(chǎng)測(cè)試方法

為了檢驗(yàn)風(fēng)筒的氣流強(qiáng)度及均勻性，對(duì)風(fēng)筒的氣流場(chǎng)速度分布進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)分布如圖12所示。測(cè)試區(qū)域取風(fēng)筒出風(fēng)口平行區(qū)域，橫向?qū)挾葹?.6m，測(cè)試區(qū)域縱向長(zhǎng)度為0.4m；從出風(fēng)口處開始，橫向與縱向均間隔0.05m，即取8排測(cè)試點(diǎn)，每排測(cè)試13個(gè)點(diǎn)，共104個(gè)測(cè)試點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)機(jī)連接變頻器，通過(guò)改變頻率，使風(fēng)筒進(jìn)口風(fēng)度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的氣流速度，約為20m/s。本試驗(yàn)采用VT100型熱線風(fēng)速儀(法國(guó)KIMO儀器公司)進(jìn)行風(fēng)速測(cè)試，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量6次取均值。

圖12 風(fēng)速測(cè)試點(diǎn)分布圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖13(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)所示分別為不同的縱向距離下每個(gè)橫向測(cè)試點(diǎn)的試驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比折線圖。從8個(gè)對(duì)比的折線圖中可以看出：實(shí)測(cè)值與仿真值的趨勢(shì)基本保持一致，因此風(fēng)筒所建立的仿真模型有效。根據(jù)圖13(a)、(b)、(c)、(d)的折線圖發(fā)現(xiàn)：離地距離為0.85m～0.7m的4個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)速基本保持一致。這表明，4個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)速較為均勻。

圖13 實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比圖

4 大田試驗(yàn)效果

4.1 試驗(yàn)方法

為檢驗(yàn)安裝該風(fēng)筒后噴霧機(jī)的霧量沉積分布情況，選擇田間進(jìn)行噴霧機(jī)實(shí)際作業(yè)，如圖14所示。

圖14 實(shí)際作業(yè)圖

田間試驗(yàn)在新疆建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師進(jìn)行，在每行的棉株上選擇不同的測(cè)試點(diǎn)，分別在棉株冠層上部正面、冠層上部反面、冠層中部正面、冠層中部反面、冠層下部正面和冠層下部反面位置布置相應(yīng)的水敏紙，用曲別針固定測(cè)試點(diǎn)上的水敏紙。

將設(shè)計(jì)的導(dǎo)風(fēng)筒安裝在噴桿噴霧機(jī)上，使噴霧機(jī)以5km/h的作業(yè)速度進(jìn)行施藥；完成施藥后，等待水敏紙晾干，從棉花葉片上取下并放入密封袋，回到實(shí)驗(yàn)室對(duì)每張水敏紙進(jìn)行掃描并進(jìn)行相關(guān)的圖像處理，計(jì)算霧滴的有效沉積率。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用MatLab軟件對(duì)掃描完成的水敏紙圖像進(jìn)行處理，將灰度圖像轉(zhuǎn)化成二值化圖像，根據(jù)二值化圖像的像素點(diǎn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算每個(gè)測(cè)試點(diǎn)葉片的霧滴沉積率，水敏紙圖像的處理過(guò)程如圖15所示。冠層上部正面、冠層上部反面、冠層中部正面、冠層中部反面、冠層下部正面和冠層下部反面平均霧滴沉積率結(jié)果如表1所示。

圖15 圖像處理

冠層上部正面反面冠層中部正面反面冠層下部正面反面整個(gè)冠層正面反面89.2840.5179.6133.6769.8625.9679.5833.38

由表1可知：棉花整個(gè)冠層的葉片正面霧滴沉積率達(dá)到79.58%，葉片反面霧滴沉積率達(dá)到33.38%，冠層上部、中部、下部葉片正反面霧滴平均沉積率相差均<10%，整個(gè)冠層霧滴沉積分布均勻性較好。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種風(fēng)送式噴霧機(jī)的風(fēng)筒結(jié)構(gòu)，通過(guò)建模及參數(shù)設(shè)置對(duì)風(fēng)筒的內(nèi)流場(chǎng)和外流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，分析風(fēng)筒出風(fēng)口處及外部流場(chǎng)的風(fēng)場(chǎng)情況。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)比實(shí)測(cè)值與仿真值，驗(yàn)證了風(fēng)筒仿真模型的有效性。

2)將該風(fēng)筒實(shí)際運(yùn)用到大田試驗(yàn)中，并通過(guò)圖像處理的方法對(duì)棉花上的霧量沉積分布特性進(jìn)行研究。霧量沉積分布試驗(yàn)結(jié)果表明：棉花整個(gè)冠層的葉片正面霧滴沉積率達(dá)到了79.58%，葉片反面霧滴沉積率達(dá)到了33.38%，冠層上部、中部、下部葉片正反面霧滴平均沉積率相差均<10%，整個(gè)冠層霧滴沉積分布均勻性較。

3)該風(fēng)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在一定程度上有效減小了漩渦，提高了冠層內(nèi)部的霧滴沉積率，但依然存在局部損失；出風(fēng)口處的風(fēng)速分布較均勻，但外流場(chǎng)部分的風(fēng)速的分布并沒有達(dá)到出風(fēng)口處的均勻性。后期將對(duì)風(fēng)筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步減小局部損失。風(fēng)筒的柱形段及錐形段的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)流場(chǎng)的影響有待于進(jìn)一步的研究。

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