徐奕蒙，李守藏，劉志杰，張智韜，胡耀華,2,3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) a.機(jī)械與電子工程學(xué)院；b.水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；3.陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100)

0 引言

對(duì)果園或田地進(jìn)行噴霧作業(yè)時(shí)，風(fēng)送式噴霧機(jī)發(fā)揮了很大的作用，但噴霧機(jī)械參數(shù)的差別和室外環(huán)境的不確定因素導(dǎo)致霧滴在均勻分布和沉積特性方面存在著較大差別[1-5]。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)于霧滴沉積分布和氣流場(chǎng)分布做了大量的研究。Endalew 等[6-7]利用FLUENT數(shù)值模擬對(duì)3種組合風(fēng)扇(單風(fēng)扇、雙風(fēng)扇和四風(fēng)扇)產(chǎn)生的氣流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，通過(guò)模擬結(jié)合試驗(yàn)的方法對(duì)比了3種組合風(fēng)扇氣流場(chǎng)對(duì)冠層風(fēng)速的作用。Nuyttens[8]等建立了CFD三維噴霧飄失模型，進(jìn)行噴霧和氣流場(chǎng)模擬和試驗(yàn)，綜合考慮了氣流場(chǎng)、冠層和噴頭安裝位置等多種影響因素，表明通過(guò)CFD技術(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算是幫助探究減少噴霧飄失的有效工具。Delele[9-14]等考慮了果樹(shù)冠層對(duì)風(fēng)送噴霧氣流場(chǎng)的影響，尋找霧滴飄移與氣流場(chǎng)的關(guān)系。在國(guó)內(nèi)，傅澤田等[15]利用CFD軟件探究了風(fēng)送式噴霧機(jī)氣流速度場(chǎng)速度分布特性及各因素的影響規(guī)律，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證了CFD模型的準(zhǔn)確性。王景旭[16]等基于CFD模擬找出了霧滴沉積的時(shí)間條件。呂曉蘭[17]等研究表明，風(fēng)速對(duì)霧滴沉積影響顯著。崔志華等[18-21]利用 Fluent 軟件對(duì)果樹(shù)噴霧用風(fēng)扇氣流速度場(chǎng)和霧滴沉積進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)，并建立了霧滴沉積量與沉積率的模型。尤麗華等[22]、洪添勝等[23]根據(jù)仿形噴霧原理，對(duì)仿形噴霧的關(guān)鍵部件和系統(tǒng)進(jìn)行了研究，取得了較好的實(shí)際效果。

國(guó)內(nèi)許多科研單位為研制高效、噴霧質(zhì)量好、省水、省藥的果園噴藥機(jī)械做了大量工作，并取得了一些科研成果[24-26]。由于現(xiàn)代果園多采用低矮密植型種植模式，導(dǎo)致傳統(tǒng)的施藥器械難以入園操作、農(nóng)藥噴施不均勻及藥液難以進(jìn)入冠層內(nèi)部等問(wèn)題，已不能適應(yīng)我國(guó)果園的發(fā)展形勢(shì)。

針對(duì)現(xiàn)代低矮密植果園的噴施不均、藥液難以進(jìn)入冠層內(nèi)部及機(jī)具較大等問(wèn)題，結(jié)合低矮密植果園的種植特點(diǎn)，提出了一種三風(fēng)扇不在同一平面的組合風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，可根據(jù)樹(shù)冠形狀調(diào)整風(fēng)扇高度和傾角來(lái)適應(yīng)不同生長(zhǎng)時(shí)期不同類型的果園。本文主要通過(guò)CFD模擬計(jì)算和試驗(yàn)探究該組合風(fēng)扇結(jié)構(gòu)氣流速度和安裝角度對(duì)氣流速度場(chǎng)的影響規(guī)律,以期為仿形噴霧技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 模擬區(qū)域幾何模型及流體計(jì)算模型建立

1.1 模型區(qū)域及網(wǎng)格化

依據(jù)密植果園種植特點(diǎn)可知[27-28]，密植蘋(píng)果園行距一般4m，株距一般1.5～1.6 m，樹(shù)干高約0.8～1m，樹(shù)高約2.6～3m，現(xiàn)僅對(duì)一側(cè)進(jìn)行模擬，因此建立的模擬計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)3 m、寬1.5 m、高3.5m的模擬區(qū)域(x、y、z分別代表長(zhǎng)、寬、高)。為使霧滴能在風(fēng)的動(dòng)能帶動(dòng)下進(jìn)入厚厚的冠層，增添了側(cè)位風(fēng)扇。側(cè)位風(fēng)扇直徑為0.31m，上下位風(fēng)扇直徑0.41m。圖1(a)為三維模型結(jié)構(gòu)圖，圖1(b)為各風(fēng)扇在XZ平面的投影視圖。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，模擬網(wǎng)絡(luò)劃分總數(shù)為2 546 713個(gè)。

圖1 三風(fēng)扇組合風(fēng)扇結(jié)構(gòu)模型示意圖

1.2 流體計(jì)算模型選擇

根據(jù)氣流速度場(chǎng)特征，流體模擬采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，數(shù)學(xué)模型是風(fēng)扇氣流場(chǎng)基本控制方程和相應(yīng)解條件的反映。模擬計(jì)算開(kāi)啟標(biāo)準(zhǔn)墻功能和物質(zhì)輸運(yùn)模型，其它參數(shù)設(shè)定請(qǐng)參考FLUENT相關(guān)資料[29-31]。

1.3 試驗(yàn)條件假設(shè)

依據(jù)文獻(xiàn)[32-33]，對(duì)氣流場(chǎng)模擬計(jì)算條件做如下假設(shè):壁面無(wú)滑移假設(shè)及氣流源垂直于風(fēng)扇出口假設(shè)。

1.4 模擬參數(shù)設(shè)置

計(jì)算區(qū)域內(nèi)部流體為大氣，模擬過(guò)程溫度無(wú)變化，溫度設(shè)定為30 ℃，氣體粘度設(shè)定為1.87× 10- 5Pa·s。氣流場(chǎng)模擬采用FLUENT軟件作為仿真軟件，在軟件中設(shè)置以下參數(shù)：湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，圓盤(pán)式風(fēng)扇出風(fēng)口設(shè)為組合風(fēng)扇結(jié)構(gòu)模型速度入口,上位風(fēng)扇入口、下位風(fēng)扇入口、側(cè)位風(fēng)扇入口的湍流強(qiáng)度和水力直徑根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算；計(jì)算區(qū)域地面設(shè)置為壁面，并將壁面設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)墻功能，其他均設(shè)置為壓力出口，壓力出口的湍流強(qiáng)度和水力直徑根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算。選擇壓力-速度耦合求解算法，離散格式設(shè)為二階精度，參考?jí)毫υO(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，用Hybrid Initiaization初始化。

(1)

(2)

其中，I為湍流強(qiáng)度；Re為雷諾數(shù)；D為水力直徑(m)；A為邊界面積(m)；P為邊界周長(zhǎng)(m)。

1.5 模擬結(jié)果與分析

1.5.1 風(fēng)送速度對(duì)氣流場(chǎng)的影響

在CFD模擬中，分別對(duì)入口速度為6、9、12m/s和不同傾角下的氣流速度場(chǎng)進(jìn)行模擬，并探究其影響規(guī)律。圓盤(pán)式風(fēng)扇傾角以5°為一個(gè)角度間隔，現(xiàn)對(duì)上下位圓盤(pán)式風(fēng)扇傾角范圍(即上位圓盤(pán)式風(fēng)扇軸線自Y軸正向向Z軸負(fù)向的傾角，下位圓盤(pán)式風(fēng)扇軸線自Y軸正向向Z軸正向的傾角)為30°～60°，側(cè)位圓盤(pán)式風(fēng)扇傾角(即側(cè)位風(fēng)扇軸線自Y軸正向向X軸正向偏移的夾角)為40°～70°的圓盤(pán)風(fēng)扇進(jìn)行模擬。由于風(fēng)扇位置的對(duì)稱性，每次模擬時(shí)上下位風(fēng)扇傾角相同，共模擬49種組合。

圖2 (a)為入口氣流速度為9m/s、上下位圓盤(pán)式風(fēng)扇傾角為35°、側(cè)位圓盤(pán)式風(fēng)扇傾角為50°時(shí)的氣流速度矢量圖；圖2 (b)為距風(fēng)扇安裝位置y=0.5、1、1.5m的截面上的速度云圖。由模擬結(jié)果可以看出：入口氣流速度分別為6、9、12m/s時(shí)，隨著氣流速度的增加，風(fēng)送距離也逐漸增加，但氣流場(chǎng)分布特性基本一致。由圖2可以看出：每個(gè)風(fēng)扇的氣流場(chǎng)近似于圓錐臺(tái)形狀，每個(gè)風(fēng)扇沿著各自的軸中心線發(fā)散。隨著距離不斷增大，氣流場(chǎng)的范圍逐漸增大，氣流速度逐漸減小，氣流場(chǎng)以外的地方幾乎不受氣流場(chǎng)的影響。3個(gè)風(fēng)扇的傾角不同，則風(fēng)扇交匯的地點(diǎn)不同，風(fēng)扇的相互作用擴(kuò)大了氣流場(chǎng)的作用范圍。

圖2 氣流場(chǎng)速度矢量圖

1.5.2 傾角對(duì)氣流場(chǎng)的影響

現(xiàn)對(duì)入口速度為9 m/s時(shí)風(fēng)扇在各傾角下的氣流速度場(chǎng)進(jìn)行分析。固定側(cè)位風(fēng)扇的傾角為50°，分析上下位風(fēng)扇傾角對(duì)氣流場(chǎng)的影響，如圖3所示。在y=0.5 m截面上，隨著上下位傾角的增大，3個(gè)風(fēng)扇交匯得越早，氣流場(chǎng)的相互影響也越來(lái)越明顯，使得X軸正向(橫向)氣流也越來(lái)越大，氣流場(chǎng)的影響范圍也逐漸擴(kuò)大；在y=1m的截面上，隨著風(fēng)扇交匯的區(qū)域的增加，氣流場(chǎng)的作用區(qū)域也越來(lái)越小，X軸正向(橫向)氣流越來(lái)越大；在y=1.5m的截面上，氣流場(chǎng)的作用區(qū)域先減小后增大，其原因是：3個(gè)風(fēng)扇氣流速度場(chǎng)的逐漸交匯，氣流場(chǎng)的作用區(qū)域也逐漸減小，隨著風(fēng)扇氣流場(chǎng)交匯區(qū)域的增加，風(fēng)扇間氣流場(chǎng)的相互影響加強(qiáng)，使得而氣流向外擴(kuò)散，增加了氣流場(chǎng)作用區(qū)域。

圖3 上下位風(fēng)扇傾角(x°)對(duì)不同對(duì)氣流場(chǎng)在不同界面(y/m)的影響

固定上下位風(fēng)扇傾角為35°，分析側(cè)位風(fēng)扇傾角變化對(duì)氣流場(chǎng)的影響。圖4描述了直線(Y=0.5，Z=1.9)上沿X正向速度變化曲線。由速度曲線圖可以看出：隨著側(cè)位風(fēng)扇傾角的增加，速度最大值逐漸向X軸正向移，且氣流速度場(chǎng)作用區(qū)域越來(lái)越大，流速的最大值有減小的趨勢(shì)；當(dāng)側(cè)位風(fēng)扇傾角小于50°時(shí)，三風(fēng)扇相互交匯影響，使得在該線段速度呈增—減—增—減的變化趨勢(shì)；當(dāng)傾角超過(guò)50°時(shí)，3個(gè)風(fēng)扇無(wú)法交匯，沒(méi)有了風(fēng)扇的交互影響，因此該線段上的速度呈先急劇增加然后緩慢減小變化。

圖4 側(cè)位風(fēng)扇傾角(x°)時(shí)在直線(Y=0.5，Z=1.9)上沿X正向速度變化曲線

圖5為上下位風(fēng)扇傾角為35°，側(cè)位風(fēng)扇傾角為50°，以及距離風(fēng)扇安裝位置0.5、1、1.5 m截面處的氣流速度等值線圖。在截面0.5 m處風(fēng)扇氣流速度場(chǎng)作用域高度約為距離地面1～2.8m，在截面1m處風(fēng)扇氣流速度場(chǎng)作用域高度約為距離地面1.1～2.8m，截面1.5m處風(fēng)扇氣流速度場(chǎng)作用域高度約為距離地面1～2.8m。由于低矮密植果園的樹(shù)干高一般0.8～1m，樹(shù)高約2.6～3m，樹(shù)冠中部突出且較厚，所以上下位風(fēng)扇傾角介于35°～55°之間較為合適，在35°～55°之間可依據(jù)植株的高度和樹(shù)冠尺寸來(lái)調(diào)整風(fēng)扇的傾角以使氣流速度場(chǎng)可以將霧滴吹送到樹(shù)冠的頂部和底部。在整個(gè)氣流場(chǎng)中，氣流場(chǎng)基本關(guān)于Z=1.9m對(duì)稱，對(duì)稱軸以上區(qū)域越向下，氣流速度越大；對(duì)稱軸下部，越向上氣流速度越大，氣流速度分布趨勢(shì)基本呈中部較大，越向兩側(cè)氣流速度越小，在流場(chǎng)中部沿X軸正向氣流速度較大。果樹(shù)冠層中部較厚，越向兩側(cè)冠層越薄，較大的氣流速度能將霧滴吹送到較厚的冠層內(nèi)部，所以該氣流場(chǎng)分布特性可有效改善霧滴分布的均勻性，提高霧滴覆蓋率。

圖5 在截面y處的速度等值線圖

圖6(a)為上下位圓盤(pán)式風(fēng)扇傾角35°，側(cè)位圓盤(pán)式風(fēng)扇傾角50°，距離風(fēng)扇安裝位置0.5、1、1.5、2 m截面處的氣流速度矢量圖。圖6 (b)、(c)分別是上下位風(fēng)扇風(fēng)扇垂直中心面和上下位風(fēng)扇水平中心面氣流速度場(chǎng)矢量圖。3個(gè)風(fēng)扇相互影響，上位風(fēng)扇的氣流形成了順時(shí)針的回流區(qū)，下位風(fēng)扇的氣流形成了順時(shí)針的回流區(qū)；在3個(gè)風(fēng)扇交叉之前，側(cè)位風(fēng)扇形成的氣流速度方向沿X軸正向和Y軸正向，在3個(gè)風(fēng)扇交叉后，3個(gè)風(fēng)扇形成沿X軸正向的氣流；在側(cè)位風(fēng)扇和下位風(fēng)扇的影響下軸中心線逆時(shí)針彎曲，且上部區(qū)域增大，下位風(fēng)扇在側(cè)位風(fēng)扇和上位風(fēng)扇的影響下軸中心線順時(shí)針彎曲，且下部區(qū)域增大；上位風(fēng)扇形成斜向下的氣流，下位風(fēng)扇形成斜向上的氣流，斜向下的氣流、斜向上的氣流和橫向氣流更容易翻動(dòng)果樹(shù)枝葉，促使藥液進(jìn)入樹(shù)冠內(nèi)部，促進(jìn)了霧滴的沉積。

圖6 速度矢量圖

圓盤(pán)式風(fēng)扇傾角要適中。上下位圓盤(pán)式風(fēng)扇傾角過(guò)大時(shí)，風(fēng)送氣流難以到達(dá)植株上下兩側(cè)，使得氣流場(chǎng)不能覆蓋整個(gè)植株而造成少噴、漏噴；上下位風(fēng)扇傾角過(guò)小時(shí)，會(huì)使得氣流到達(dá)植株時(shí)在上下位風(fēng)扇和側(cè)位風(fēng)扇中間留有空隙而造成漏噴。側(cè)位風(fēng)扇傾角越大，X軸向的氣流速度越大，Y軸向氣流速度越小，因此在密植果園不同時(shí)期，可以通過(guò)調(diào)整側(cè)位風(fēng)扇的傾角來(lái)適應(yīng)植株不同生長(zhǎng)時(shí)期的需要。

2 氣流場(chǎng)分布試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)風(fēng)扇為上海載澤電機(jī)廠生產(chǎn)的SF4-4R型軸流風(fēng)機(jī)，試驗(yàn)條件的設(shè)定與模擬條件的設(shè)定保持一致。分別測(cè)量不同風(fēng)送速度和傾角條件下不同位置的氣流速度，將試驗(yàn)的測(cè)量值與模擬值進(jìn)行對(duì)比，利用模擬值、實(shí)驗(yàn)值和相對(duì)誤差來(lái)衡量模擬結(jié)果。利用臺(tái)灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的TES-1340熱線式風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速，TES-1340的速度測(cè)量范圍為0.01～30.00 m/s，測(cè)量精度為0.01 m/s。在測(cè)量不同采樣點(diǎn)的速度時(shí)，同一位置的采樣樣本點(diǎn)測(cè)3次，取3次的平均值作為該采樣點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)值，模型共取17個(gè)樣本采樣點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)比測(cè)量的氣流速度及模擬的氣流速度可以得出，模擬結(jié)果與實(shí)際氣流場(chǎng)的分布基本吻合。將各個(gè)采樣點(diǎn)在各個(gè)條件下的模擬值與實(shí)驗(yàn)值測(cè)量值與模擬值進(jìn)行計(jì)算，則

(3)

其中，Vs為模擬值；Vm為測(cè)定值。

同時(shí)，進(jìn)行相對(duì)誤差計(jì)算，以此評(píng)價(jià)此數(shù)值模擬結(jié)果的可信度。表1～表3分別列出了入口速度為6、9、12m/s，風(fēng)扇傾角為(35°,35°,50°)、(40°,40°,50°)、(40°,40°,50°)時(shí)5個(gè)均勻采樣點(diǎn)的的實(shí)測(cè)值、模擬值和相對(duì)誤差。其中，(35°,35°,50°)表示上位風(fēng)扇傾角為35°，下位風(fēng)扇傾角為35°，側(cè)位風(fēng)扇傾角為50°。

表1 風(fēng)速為6m/s時(shí)試驗(yàn)值—模擬值平均相對(duì)誤差

表2 風(fēng)速為9m/s實(shí)測(cè)值—模擬值和相對(duì)誤差

表3 風(fēng)速為12m/s試驗(yàn)值—模擬值和相對(duì)誤差

結(jié)果表明：在不同試驗(yàn)條件下，利用FLUENT數(shù)值模擬該組合風(fēng)扇結(jié)構(gòu)氣流速度場(chǎng)得到的模擬值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，除個(gè)別采樣點(diǎn)的相對(duì)誤差較大外，其余采樣點(diǎn)的相對(duì)誤差基本分布在合理的范圍。由表1～表3的模擬值和實(shí)驗(yàn)值可以看出：氣流速度的大小分布特點(diǎn)基本呈由中間向兩側(cè)逐漸遞減的趨勢(shì)，與FLUENT數(shù)值模擬仿真結(jié)果相吻合；不同采樣點(diǎn)的相對(duì)誤差有所不同，對(duì)于兩端的樣本采樣點(diǎn)，由于風(fēng)扇氣流在采樣點(diǎn)兩端的氣流速度較小，因此采樣點(diǎn)受環(huán)境的影響較大，外界很小的因素都可能對(duì)其產(chǎn)生很大的影響，因此相對(duì)誤差也較大；對(duì)于中間的樣本采樣點(diǎn)，流場(chǎng)風(fēng)速較大，風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流是其主要的驅(qū)動(dòng)來(lái)源，因此樣本采樣點(diǎn)受外界干擾較小。舍去兩端誤差較大的采樣點(diǎn)，求各傾角下中間采樣點(diǎn)的平均誤差。計(jì)算可知：相對(duì)誤差基本分布在11.00%～30.00%之間，標(biāo)準(zhǔn)差介于0.50～7.50之間，波動(dòng)相對(duì)較小。因此，該組合風(fēng)扇結(jié)構(gòu)能夠用于蘋(píng)果園的噴霧，從而改善霧滴分布的均勻性。

3 結(jié)論

1)利用FLUENT模擬了不同風(fēng)送速度和角度下的工作狀態(tài)，并設(shè)計(jì)了與模擬條件相同的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果符合性較好；舍去兩端誤差較大的采樣點(diǎn)，各傾角下中間采樣點(diǎn)的誤差基本分布在11.00%～30.00 %之間，標(biāo)準(zhǔn)差介于0.50～7.50之間，且模擬值與實(shí)驗(yàn)值的符合性較好，氣流速度的大小基本呈由中間向兩側(cè)逐漸遞減的趨勢(shì)，從而驗(yàn)證了該組合風(fēng)扇結(jié)構(gòu)能夠適用于現(xiàn)代密植蘋(píng)果園。

2)適合現(xiàn)代密植果園的該組合結(jié)構(gòu)上下位風(fēng)扇傾角介于35°～50°之間較為合適，側(cè)位風(fēng)扇傾角越大，X軸向的氣流速度越大，Y軸向氣流速度越小。隨著風(fēng)扇的出風(fēng)口速度的增大，風(fēng)送距離也隨之增大，但不同風(fēng)送速度下氣流場(chǎng)規(guī)律幾無(wú)差別。

3)隨著上下位風(fēng)扇傾角的增加，3個(gè)風(fēng)扇交匯得也越早，3個(gè)風(fēng)扇氣流場(chǎng)的相互影響也越來(lái)越明顯，組合風(fēng)扇氣流場(chǎng)的影響范圍也逐漸擴(kuò)大。在距離風(fēng)扇安裝位置0.5～1.5m的垂面上，氣流速度場(chǎng)的分布基本呈現(xiàn)的趨勢(shì)為：中部的氣流速度最大，向兩側(cè)逐漸遞減；而冠層的分布特性為中部最厚，然后向兩側(cè)逐漸變薄。因此，該結(jié)構(gòu)較適合于現(xiàn)代密植蘋(píng)果園。

4)上位風(fēng)扇斜向下吹送氣流，下位風(fēng)扇斜向上吹送氣流，3個(gè)風(fēng)扇氣流場(chǎng)在樹(shù)冠最厚的中部交匯，并在樹(shù)冠最厚處形成X軸正向(橫向)的氣流。隨著側(cè)位風(fēng)扇傾角的增加，X軸正向氣流速度也隨之增大，橫向氣流會(huì)帶動(dòng)農(nóng)藥進(jìn)入厚厚的樹(shù)冠內(nèi)部，有助于提高噴施的均勻性和覆蓋率。