宋俊偉，馮 業(yè)，吳 姝，魏新華

(1.江蘇大學 現(xiàn)代農業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.海信科龍空調公司開發(fā)中心，廣東 佛山 528000)

0 引言

在普通噴桿噴霧機的施藥方式下，大部分霧滴被作物上部冠層所截留，這種施藥方式無法穿透作物冠層，施藥效果不佳[1-4]。為提高矮化密植棉花冠層內部的機械化施藥效果，本課題組前期將分行冠內施藥與風送式施藥技術相結合，設計棉花分行冠內冠上組合風送式噴桿噴霧機[5]，并在滿足風送系統(tǒng)末速度要求的風速下進行風場測試和大田試驗驗證。棉花分行冠內冠上組合風送式噴桿噴霧機是基于實驗設計，而風筒入口風速作為噴霧機關鍵參數(shù)，對噴霧效果影響很大，故對風筒工作參數(shù)優(yōu)化有待于作進一步研究[6-11]。

Endalew等[12]利用CFD仿真技術建立了風送式噴霧機的仿真模型，對噴霧氣流速度的高低分布進行了研究。Tsay J R等[13]利用CFD仿真技術對果園風助式噴霧機的霧滴穿透及噴霧性能進行了研究。崔志華等[14]在原有噴霧機的出風口設計安裝一個錐形導風筒和一個同軸柱形導風筒，對兩種結構不同的導風筒進行數(shù)值模擬，分析其運動軌跡和出風口處的氣流速度分布。劉雪美等[15]在原有風筒上增加導流板裝置，減小出口尺寸和出口間距，試驗結果表明改進后的風筒能實現(xiàn)高效和風速變異小的風幕。宋淑然等[16]利用仿真方法，研究了風筒內導流片數(shù)目對內部流場的影響，試驗結果表明導流片數(shù)目一般以4～5為宜。國內外學者的研究發(fā)現(xiàn)，CFD仿真技術對噴霧機結構及工作參數(shù)的優(yōu)化研究是可行的，目前關于風送式噴桿噴霧機風筒結構優(yōu)化的研究很多，但對于工作參數(shù)優(yōu)化的研究較少。

本文針對課題組現(xiàn)有的棉花分行冠內冠上組合風送式噴霧機，考慮風筒與風筒之間氣流的相互影響作用，只需研究3個風筒中間1個的外部氣流場分布，即可反應出風筒之間相互影響關系。利用CFD仿真技術對不同工作參數(shù)下3個風筒組合的外流場進行仿真優(yōu)化分析以及實驗驗證，并在大田試驗中對霧滴沉積性進行研究。

1 不同參數(shù)條件下風筒計算模型仿真模擬

1.1 CFD計算理論

通常流體流動的守恒定律包括質量守恒、動量守恒、能量守恒，對于一般不考慮能量傳遞的氣流運動可以用如下質量守恒方程和動量守恒方程來描述：

質量守恒方程為

(1)

動量守恒方程為

(2)

其中，t為時間；ff為體積力矢量；ρt為流體密度；v為流體速度矢量；τf為剪切力張量，表示為

τf=(-p+μ·v)I+2μe

(3)

其中，p為流體壓力；μ為動力粘度；e為速度應力張量，e=1/2(v+vT) 。

1.2 風筒結構

棉花分行冠內冠上組合風送式噴桿噴霧機樣機如圖1所示。風筒結構如圖2所示。風筒由柱形段和錐形段組成，進風口柱形段與出風口柱形段之間的夾角為160°，錐形段部分分成對稱的兩側出風口部分。在風筒內部，進風口柱形段部分與出風口柱形段部分內置兩個夾角為160°橫向導流板，錐形段出風口部分均勻分布3片導流片，導流片之間的角度為60°[5]。

圖1 棉花分行冠內冠上組合風送式噴桿噴霧機樣機

圖2 風筒結構

1.3 3個風筒仿真模型

矮化密植棉花行距為0.76m，所以兩兩風筒之間的距離為0.76m。在風筒外部流場分析之前，首先要建立風筒的仿真模型，本文通過軟件ANSYS，建立3個風筒的仿真模型，在3個風筒外部增加相應的外流場，最終仿真模型如圖3所示。

圖3 3個風筒仿真模型

1.4 網(wǎng)格劃分

本文采用ICEM對3個風筒及外流場進行網(wǎng)格劃分。由于風筒內部結構比較復雜、外流場部分相對規(guī)則、尺寸跨度大，為了節(jié)省計算成本和計算速度，故采用非結構化網(wǎng)格將風筒各個部分設置不同的局部尺寸，在風筒的進風口與出風口處采用網(wǎng)格加密，且在內外流場交界處進行局部網(wǎng)格處理。最終網(wǎng)格化后的模型如圖4所示，三維結構共劃分網(wǎng)格數(shù)為2 332 447，節(jié)點數(shù)為433 997。

圖4 仿真模型網(wǎng)格化

1.5 數(shù)值計算

風筒氣流場仿真計算模型為Realizable k-e湍流模型，入口采用速度入口邊界條件，湍流強度為5%，水力直徑為104mm；出口為壓力出口邊界條件，出口壓力為大氣壓，回流湍流強度為5%，回流水力直徑為667mm；壁面條件為默認的WALL壁面函數(shù)，內部交換面設為INTERIOR；選空氣作為材料，材料密度設為1.225kg/m3,動力粘度設為1.789 4×10-5Pa·S。采用分離式求解器，壓力速度耦合方式選用SIMPLE算法，采用二階迎風格式進行求解。當各項參數(shù)設置完畢后，設置迭代步數(shù)10 000進行計算，在迭代計算2 006步后，各項殘差值均低于10-4，認為計算收斂。

根據(jù)課題組前期研究,風筒出風口的風速v≥15.4m/s[5]，故本文通過不同工作參數(shù)對3個風筒的氣流場進行仿真，風筒入口速度分別為22、21、20、19、18、17、16m/s。圖5為距離出風口0.5m各個速度下風筒氣流場仿真速度云圖。

(a) v=16m/s

(b) v=17m/s

(c) v=18m/s

(d) v=19m/s

(e) v=20m/s

(f) v=21m/s

(g) v=22m/s

2 各個不同仿真結果分析

分析距離出風口0.5m平面的速度分布云圖，從圖5中發(fā)現(xiàn)：隨著入口風速的增加,距離出風口0.5m平面處速度隨之增加;入口速度為16～19m/s時，速度云圖顯示V字型出風口風速集中部位風速達到了4m/s以上，而對應于棉花行冠層區(qū)域(橫坐標14 ～62cm 范圍)的氣流場比較均勻但風速在2m/s附近；在入口風速v=20m/s，速度云圖表明對應于棉花冠層中下部區(qū)域氣流場風速達到2～5.5m/s且風速分布比較均勻；入口速度為v=21m/s和v=22m/s時，棉花冠層區(qū)域氣流場風速達到3.5～6.5m/s，風速過大增加了風機能耗。

為提高氣流擾動效果，確保氣流和霧滴能夠穿透冠層內部，風送系統(tǒng)設計還需滿足末速度原則，即氣流達到作物冠層時，必須仍具有一定的速度，即末速度。根據(jù)作物冠層特性，末速度一般取為2～4m/s，當冠層中下部風速過大則會吹開作物冠層，霧滴散落在土壤上，這種情況下并未對冠層霧滴沉積率有所改善，反而農藥殘留在土壤上，對土壤的生態(tài)環(huán)境造成一定的影響，且增加了風機風量和能耗。因此，確定風機入口風速v=20m/s時為最佳的風筒入口風速，選取距離出風口0.5m平面上，距離地面0.5m的中下部區(qū)域風速均勻性進一步研究，速度分布如圖6所示。由圖6可知：對應于棉花行間間隙處(0cm和76cm附近)的氣流場風速較小，由于棉花的類樹形結構，其上部冠層寬度較小、0.2m離地高度附近風速很小，不但不會影響病蟲害防治效果，反而有利于減少風機風量和能耗。而對應于棉花行冠層區(qū)域的氣流場風速較大而且比較均勻，中下部冠層對應區(qū)域的風速在2.5～5m/s之間，在兩風筒之間出現(xiàn)低谷恰好對應于棉花作物最中間莖稈部分，風速較小并不影響霧滴附著和沉積。

圖6 速度折線圖

3 試驗驗證與分析

3.1 驗證裝置

為了更進一步驗證仿真結果，并定量地對風筒外流場的相關點進行速度測試，通過自制試驗臺對風筒氣流場進行試驗驗證，本試驗的試驗裝置和試驗中風筒的安裝距離，如圖7所示。本試驗裝置可上下安裝兩排風筒，基于本文的研究側重點，只應用了本試驗裝置中的一排3個風筒對兩兩風筒之間的交匯區(qū)域進行氣流場試驗測試。

3.2 風場測試方法

為了驗證仿真結果的正確性，在風筒入口風速為20m/s時，對兩兩風筒之間的區(qū)域進行速度分布測試。測試區(qū)域橫向寬度取為風筒間距0.76m，距離出風口0.5m的垂直面。橫向上間隔0.05m設置1個測試點，共15個測試點，風筒出風口下段距離地面為0.3m、出風口高度0.2m，因為棉花中下部冠層對應區(qū)域為0.3～0.6m，故選取距離地面0.5m的一層測點。

(a) 試驗裝置

(b) 風筒安裝距離

風場測試試驗在室內進行盡量避免自然風的影響。試驗時，風機連接變頻器，通過改變頻率，使風筒進口風度達到相對穩(wěn)定的氣流速度，約為20 m/s。本試驗采用VT100型熱線風速儀(法國KIMO儀器公司)進行風速測試，每個測試點測量6次取均值。

3.3 試驗結果對比

氣流場風速的測量結果如圖8所示。由圖8可知：在距離出風口0.5m處的橫向垂直面上，對應于棉花行間間隙處的氣流場風速在2m/s附近，不至于風速過小對行間的較稀疏枝葉效果不佳；而對應于棉花行冠層區(qū)域的氣流場風速較大而且比較均勻，中下部冠層對應區(qū)域的風速在2.5～5.5m/s之間，滿足了風送系統(tǒng)的末速度要求，且不至于過大對風機風量要求太大。

如圖9所示：由于試驗環(huán)境因素等影響，在誤差圖上存在少數(shù)點誤差較大，大部分采樣點的實測值與仿真值的絕對誤差均在±0.5范圍內，在此試驗的驗證下，表明仿真結果的正確性。

圖8 風速測試效果

圖9 誤差圖

4 霧滴沉積特性試驗分析

4.1 試驗方法

為了進一步驗證該最優(yōu)組合下霧滴沉積的效果，在田間進行噴霧機實際作業(yè)，在兩兩風筒之間的區(qū)域選擇不同的測試點，測試點為中部冠層區(qū)域葉片。分別在作物中部冠層葉片的正面和反面布置相應的水敏紙，使噴霧機按照一定的作業(yè)速度進行施藥；完成施藥后，等待水敏紙晾干，從作物冠層上取下并放入密封袋，回到實驗室對每張水敏紙進行掃描并進行相關的圖像處理，計算霧滴的有效沉積率。

4.2 試驗結果

應用MatLab軟件對掃描完成的水敏紙圖像進行處理，將灰度圖像轉化成二值化圖像，根據(jù)二值化圖像的像素點統(tǒng)計計算每個測試點葉片的霧滴沉積率。水敏紙圖像的處理過程如圖10所示，冠層中部正面、冠層中部反面的平均霧滴沉積率結果如表1所示。

由表1可知：作物冠層中部的葉片正面霧滴沉積率達到了79.88%，葉片反面霧滴沉積率達到了60.67%，冠層霧滴沉積分布均勻性較好。

(1) 原圖 (2) 灰度圖 (3) 二值化圖

(1) 原圖 (2) 灰度圖 (3) 二值化圖

冠層位置葉片面冠層中部正面反面沉積率82.8760.67

5 結論

1)通過CFD技術在不同風速下對噴桿噴霧機風筒的外部氣流場進行仿真分析，優(yōu)化確定風筒進風口風速為20m/s時，棉花行冠層區(qū)域氣流場風速較大、橫向分布均勻、氣流穿透能力較強，完全滿足風送系統(tǒng)末速度要求；中、下部冠層區(qū)域的氣流速度衰減緩慢，有利于霧滴在棉花冠層內部的擴散。

2)通過室內試驗對風場進行試驗測試，并對比實測值與仿真值，驗證了風筒仿真模型的有效性。同時，通過大田試驗利用水敏紙對實際霧滴沉積率進行檢測，對水敏紙圖像進行后處理，確定作物冠層中部的葉片正面霧滴沉積率為82.87%，作物冠層中部的反面霧滴沉積率為50.67%，優(yōu)化前相比正面霧滴沉積率提高了17.57%，反面霧滴沉積率提高了10.84%。

3)通過本文對風送式噴桿式噴霧機風筒入口風速的優(yōu)化分析，對風送式噴桿式噴霧機風機風量的確定提供了參數(shù)指標，對風機的選型具有一定的指導意義。

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