樊桂菊 牛成強 張震明 王東偉 毛文華 姜紅花

(1.山東農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室， 泰安 271018；3.山東農(nóng)業(yè)大學信息科學與工程學院， 泰安 271018； 4.青島農(nóng)業(yè)大學機電工程學院， 青島 266109；5.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院集團有限公司， 北京 100083)

0 引言

隨著果園種植面積增大和農(nóng)村勞動力轉移，風送式噴霧機被廣泛應用[1-3]，但大多噴霧機通過單一輔助氣流將霧滴送向靶標，一定程度上提高了靶標內(nèi)霧滴沉積量。然而相關研究表明，果樹冠層尤其葉片背面霧滴覆蓋率仍較低，農(nóng)藥飄移浪費嚴重[4-7]，減少霧滴靶標外飄移及非靶標區(qū)域無效沉積成為研究重點[8-10]。風幕技術通過增加霧滴能量，可以提高作物不同層次位置的霧滴沉積[11-13]。因此，研究多氣流協(xié)同式果園噴霧裝置及其霧滴沉積特性具有重要意義。

在風送式噴霧防飄裝置與霧滴沉積特性方面，國內(nèi)外學者開展了大量研究。張京等[14-15]研制了擋板導流式罩蓋噴霧系統(tǒng)，胡軍等[16]設計了一種錐形風場式防飄移裝置，周良富等[17-18]提出了雙氣流輔助與靜電噴霧結合方法，皆有效減少了霧滴漂移。BAETENS等[19]通過改變噴桿高度、風速、風向偏差和霧滴噴射速度，探究了風幕式噴桿噴霧機的霧滴飄移規(guī)律；文獻[20-23]分析了噴霧輔助氣流參數(shù)對霧滴沉積飄移特性的作用規(guī)律；DIETER等[24]研究了輔助氣流速度和噴霧角對霧滴沉積分布均勻性的影響規(guī)律。

綜上所述，果園風送式噴霧防飄效果與其裝置結構形式和作業(yè)參數(shù)等有關，本文在常規(guī)氣流輔助噴霧基礎上設計多氣流協(xié)同式V形防飄噴霧裝置，并開展霧滴飄移和果樹冠層沉積性能試驗，探究多氣流協(xié)同下霧滴冠層沉積分布規(guī)律，以期為其結構設計和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 結構與工作原理

1.1 整體結構

多氣流協(xié)同式果園V形防飄噴霧裝置結構如圖1所示，該裝置主要由離心風機、分配器、主風筒、副風筒、機架和輸送風管等組成，F(xiàn)-03-80型扇形噴頭安裝在主風筒上，兩副風筒水平方向上呈V形布置，沿高度方向開設密集細小的圓形出風口。主要技術參數(shù)如表1所示。

圖1 多氣流協(xié)同式果園V形防飄噴霧裝置結構圖Fig.1 Structure of V-shaped anti-drift spray device for orchard with multi-airflow coordination1.離心風機 2.分配器 3機架 4.輸送風管 5.副風筒 6.主風筒 7.藥箱 8.履帶式底盤

表1 噴霧裝置主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical indicators of spray device

1.2 防飄原理

該裝置防飄原理如圖2所示，X、Y、Z分別表示機組行駛方向、噴霧方向和株高方向；φ表示V形開度；Qh表示果樹行間自然風。當機組逆風行駛時，主風筒產(chǎn)生噴霧氣流Q1，將霧滴送向果樹冠層；前副風筒生成撓動氣流Q2，分為沿前進方向的氣流Q2x和沿噴霧方向的氣流Q2y，翻轉枝葉使背面朝上并削弱自然風對霧滴的影響；后副風筒沿株高方向形成風幕，即防飄氣流Q3，減少霧滴非靶標區(qū)域飄移、提高果樹冠層霧滴沉積量。當機組順風行進時，兩副風筒氣流作用互換。

圖2 多氣流協(xié)同式噴霧防飄原理圖Fig.2 Anti-drift schematic of multi-airflow collaborative spray

2 關鍵部件設計與仿真

2.1 風筒

(1)風筒高度

如圖3所示，以4年生紡錘型蘋果樹株高為設計參考[25]，風筒高度H計算式為

圖3 裝置結構參數(shù)示意圖Fig.3 Schematic of device structure parameters

H=H1-(H2+2Ltanθ)

(1)

式中H1——株高，為3.5 m

H2——果樹第一分枝高度，為0.7 m

L——噴頭到冠層距離，為0.3 m

θ——噴霧半角，為40°

將各取值代入式(1)，可得H=2.3 m。同時為適應不同果樹行距和株高，機架開有寬度和高度調(diào)節(jié)孔。

(2)副風筒V形開度

V形開度指兩副風筒之間的安裝夾角，是影響霧滴防飄性能的重要參數(shù)，其大小與各氣流速度密切相關。由圖2可知V形開度φ滿足

(2)

式中vQ2x——擾動氣流沿機組前進方向速度分量，m/s

vQ2y——擾動氣流沿噴霧方向速度分量，m/s

根據(jù)裝置功能，擾動氣流沿噴霧方向氣流分量Q2y與噴霧氣流Q1均撓動枝葉打開冠層，兩者速度相同，依據(jù)末速度原則[26]得vQ1為

(3)

式中v0——氣流到達樹冠表層速度，m/s

K——沿程損失系數(shù)，取1.2～1.6

因出風口距冠層較近，K取1.2；針對蘋果樹v0為9 m/s[26]，代入式(3)得vQ1=17 m/s，即vQ2y=17 m/s；此外根據(jù)果園施藥標準[27]，噴灑作業(yè)時自然風速應小于等于3.5 m/s(3級風)，所以vQ2y≥3.5 m/s，考慮自然風速峰值不定，vQ2x取4 m/s；代入式(2)得φ=27°。

2.2 風機風量和風壓

依據(jù)風量置換原則[27]，隨機組前進噴霧氣流能夠置換作業(yè)區(qū)域的全部空氣，即噴霧所需風量為

Q≥(H+H1-H2)DKv

(4)

式中Q——離心風機風量，m3/h

D——噴頭到果樹樹干距離，為0.7 m

v——機組行駛速度，為0.5～1.0 m/s

取v=1 m/s，代入式(4)得Q≥2.1 m3/s。

風機風壓計算式[28]為

p=pd+pm+pj

(5)

其中

式中p——風機總壓，Papd——動壓損失，Pa

pm——摩擦壓力損失，Pa

pj——局部壓力損失，Pa

ρ——空氣密度，取1.22 kg/m3

vg——風管氣流速度，取30 m/s

η——摩擦因數(shù)l——風管長度，m

d——輸送風管直徑，取0.06 m

ξ——局部阻力系數(shù)

依據(jù)《通風設計手冊》取η=0.1，l=6 m，ξ=0.3，代入式(5)得p=1 630 Pa。

2.3 分配器

依據(jù)風量分配需求設計半圓柱形分配器(圖4)，其進風口與離心風機出風口匹配，直徑為0.24 m，出風口直徑皆為0.06 m。通過Fluent進行氣流分配均勻性仿真，如圖5所示。

圖4 半圓柱形氣流分配器Fig.4 Semi-cylindrical air distributor

圖5 氣流分配均勻性仿真結果Fig.5 Air distribution uniformity

由圖5可知，分配器氣流量分配較為平均，且出風口風速均勻，速度在29.9～32.3 m/s之間，滿足氣流分配需求。

2.4 防飄仿真驗證

依據(jù)其結構設計與參數(shù)，在SolidWorks中繪制三維模型，將噴霧裝置到果樹冠層區(qū)域簡化為長方體(500 mm×1 000 mm×3 000 mm)，建立 CFD 數(shù)值模型，通過ANSYS Mesh劃分網(wǎng)格如圖6所示，利用DPM方法[29]得單一氣流(僅有噴霧氣流)和多氣流(噴霧氣流、擾動氣流和防飄氣流)協(xié)同的霧滴群運動軌跡如圖7所示，其中兩側面為霧滴逃逸面。

圖6 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.6 Computational area meshing

圖7 霧滴群軌跡Fig.7 Trajectory diagrams of fog drop group in two states

由圖7及仿真結果可知，多氣流協(xié)同較單一氣流的霧滴沉積區(qū)域更為集中，霧滴逃逸率降低了40.3%，表明該裝置具有較明顯的防飄效果。

3 試驗

3.1 試驗儀器

主要試驗儀器有：FS-75型工業(yè)風扇(風量18 900 m3/h、轉速1 400 r/min)、HT9829型熱敏式風速儀(東莞市鑫泰儀器儀表有限公司)、ARTS904520型垂直霧滴分布測試儀(意大利AAMS公司)、DCP-1618W型掃描儀、723N型可見分光光度計、自制集霧板(間距為20 mm的66個集霧槽粘合)、金屬篩網(wǎng)、檸檬黃試劑、量筒、秒表等。

3.2 試驗設計

3.2.1防飄試驗

在FS-75型工業(yè)風扇上加裝蜂窩整流裝置模擬果園行間自然風(與噴霧方向垂直，下文以橫風描述)，以純凈水為噴霧介質(zhì)，開展裝置防飄試驗，如圖8所示。試驗條件為：橫風風速3 m/s、噴霧氣流速度15 m/s、V形風場風速(擾動氣流速度)分別為0、20 m/s、噴霧壓力為0.5 MPa、噴霧距離30 cm、噴霧時間10 s，每組試驗進行3次取平均值。

圖8 防飄試驗裝置示意圖Fig.8 Anti-drift verification experiment1.試管 2.多氣流協(xié)同式V形防飄噴霧裝置 3.蜂窩整流裝置 4.FS-75型工業(yè)風扇 5.集霧槽

3.2.2霧滴垂直沉積均勻性試驗

利用垂直霧滴分布測試儀對裝置進行單一氣流和多氣流協(xié)同下霧滴垂直沉積均勻性試驗，試驗條件為：無風、噴霧氣流速度15 m/s、V形風場風速分別為0、20 m/s、噴霧壓力0.5 MPa，每組試驗進行3次取平均值。

3.2.3霧滴沉積特性綜合試驗

于2021年5月23日在山東農(nóng)業(yè)大學園藝實驗基地標準化種植果園內(nèi)進行田間試驗，試驗對象為紡錘形蘋果樹，樹高3.5 m(修剪后)，冠徑1.7 m，行距4 m，株距2 m。

(1)果樹冠層霧滴沉積測試

將果樹冠層自上而下、由內(nèi)而外進行分區(qū)，如圖9所示，即5個水平面(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)、4個垂面(1、2、3、4)和3個曲面(G1、G2、G3)，各截面間距分別為0.7、0.6、0.35 m。每兩截面交點為采樣點，各放置水敏紙一張(規(guī)格110 mm×35 mm)。

圖9 采樣點布置示意圖Fig.9 Schematic of sampling point layout

(2)霧滴果園空中飄移測試

距果樹樹干0.3 m處立一直桿(圖9，高5 m)，由下到上間隔0.5 m放置長方形金屬篩網(wǎng)(2.5 cm×7.5 cm，400目)收集飄移霧滴。以2.5 g/L檸檬黃溶液為示蹤劑，洗脫處理后通過723N型可見分光光度計(設定波長426 nm)測定其吸光度，相應冠層高度的單位面積霧滴飄移量計算式為[8]

(6)

其中

式中Vc——金屬篩網(wǎng)飄移量，μL

VX——洗脫液體積，mL

AX——洗脫液吸光度

AB——標定液吸光度

N——檸檬黃母液稀釋倍數(shù)

S——金屬篩網(wǎng)面積，cm2

w——單位面積飄移量，μL/cm2

根據(jù)上述試驗方法，分別進行V形風場風速和噴霧壓力單因素試驗(圖10)。試驗條件為：機組行駛速度1 m/s，橫風風速3 m/s，噴霧壓力0.5 MPa，V形風場風速0～25 m/s、間隔2.5 m/s；V形風場風速為20 m/s，噴霧壓力0.4～0.6 MPa、間隔0.02 MPa。每組試驗進行3次取平均值。

圖10 霧滴沉積特性田間試驗Fig.10 Field test of droplet deposition characteristics

依據(jù)單因素試驗結果，開展橫風風速、V形風場風速及噴霧壓力多因素試驗，分析各因素對冠層霧滴沉積分布的交互影響規(guī)律。

4 結果與分析

4.1 防飄分析

依據(jù)3.2.1節(jié)分別進行單一氣流與多氣流協(xié)同的噴霧作業(yè)，收集各試管內(nèi)液體體積，將數(shù)據(jù)導入Origin得霧滴沉積分布如圖11所示。

圖11 單一氣流和多氣流的霧滴沉積水平分布Fig.11 Horizontal distribution of droplet deposition in two states

由圖11可知，多氣流協(xié)同時霧滴沉積較單一氣流更為集中，主要分布于序號為33～51試管中，以霧滴飄移率與霧滴質(zhì)量中心距[30]衡量其防飄性能，計算式分別為

(7)

(8)

式中α——霧滴飄移率，%

Dc——霧滴質(zhì)量中心距，mm

i——集霧槽序號

n——集霧槽總數(shù)，個

Vi——第i個集霧槽中收集液體體積，mL

V1Z——實際噴霧總體積，mL

di——第i個集霧槽中心到集霧板中線距離，mm

代入數(shù)據(jù)得多氣流協(xié)同的霧滴飄移率、質(zhì)量中心距分別為13.6%、172 mm，較單一氣流分別降低了29.2%和25.2%，表明多氣流協(xié)同能有效限定霧滴沉積范圍，霧滴飄移潛力降低，該裝置防飄效果較好。

4.2 霧滴垂直沉積均勻性分析

分別收集垂直霧滴分布測試儀兩種噴霧作業(yè)下不同高度的霧滴，結果如圖12所示。

圖12 單一氣流和多氣流協(xié)同的霧滴垂直沉積分布Fig.12 Vertical deposition of droplet deposition in two states

由圖12可知，多氣流協(xié)同時，距離地面高度大于2.3 m區(qū)域霧滴沉積量明顯增加。霧滴沉積量分布變異系數(shù)cv[30]計算式為

(9)

式中t——集液板量筒序號

m——沉積分布量筒總數(shù)，個

V2t——第t個量筒中收集的液體體積，mL

由此得多氣流協(xié)同時霧滴沉積分布變異系數(shù)為25.1%，較單一氣流降低了30.2%，表明霧滴垂直分布均勻性提高，有效減少，冠層高度方向漏噴、過噴問題。

4.3 單因素試驗

4.3.1V形風場風速

利用DCP-1618W型掃描儀將收集的噴霧水敏紙依據(jù)采樣點分類處理，通過重慶六六山下植保有限公司霧滴分析軟件得不同冠層高度處的霧滴沉積密度和沉積量，結果分別如圖13、14所示；根據(jù)空中飄移測試方法測得霧滴飄移量如圖15所示。

圖13 不同V形風場風速下霧滴沉積密度變化曲線Fig.13 Variation curves of droplet deposition density at different wind speeds of V-shaped wind field

圖14 不同V形風場風速下霧滴沉積量變化曲線Fig.14 Variation curves of droplet deposition at different wind speeds of V-shaped wind field

圖15 不同V形風場風速下飄移量變化曲線Fig.15 Variation curves of drift at different wind speed of V-shaped wind field

由圖13～15可知，霧滴沉積密度和沉積量隨V形風場風速增大先緩慢增加后急劇減小，霧滴空中飄移量則呈先平緩下降后緩慢增加的趨勢。橫風風速為3 m/s時，多氣流協(xié)同時霧滴沉積密度、沉積量較單一氣流分別提高了28.7%、17.4%，飄移量則降低了21.8%；V形風場風速為20 m/s時，果樹冠層高度2.0 m處沉積量最大，為4.93 μL/cm2，3.5～5 m區(qū)段的飄移量最小，為0.11 μL/cm2；V形風場風速為15～25 m/s時，對霧滴沉積效果影響較大，因此以該區(qū)間為多因素試驗時的V形風場風速取值。

4.3.2噴霧壓力

設定V形風場風速為20 m/s，改變噴霧壓力，不同冠層高度的霧滴沉積量如圖16所示。

圖16 不同噴霧壓力下霧滴沉積量變化曲線Fig.16 Variation curves of droplet deposition under different spray pressures

由圖16可知，V形風場風速不變，霧滴沉積量隨噴霧壓力增大而增加，當噴霧壓力為0.5 MPa時，果樹冠層高度為2.0 m處的霧滴沉積量最大值為4.45 μL/cm2；噴霧壓力繼續(xù)增大，霧滴沉積量則減小。主要原因為：噴頭霧化能力隨噴霧壓力增大而增強，使霧滴初速度變大，利于霧滴向冠層沉積；但噴霧壓力過大，霧滴粒徑減小導致霧滴飄移潛力增大。

4.4 多因素試驗

4.4.1試驗結果

以橫風風速、噴霧壓力及V形風場風速為霧滴沉積分布影響因素，根據(jù)Box-Behnken試驗方案設計三因素三水平響應面分析試驗，各水平編碼如表2所示。試驗方案與霧滴冠層沉積量如表3所示，其中X1、X2、X3為因素編碼值。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Test factor and coding

表3 霧滴沉積試驗方案與結果Tab.3 Test scheme and results of droplet deposition

4.4.2數(shù)學模型與顯著性分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸處理分析，得到霧滴沉積量回歸方程為

(10)

依據(jù)該模型，通過F檢驗計算得到P值，進而分析各因素對霧滴沉積量的影響顯著性，如表4所示。

表4 方差分析Tab.4 Equation analysis result

(11)

相同噴霧條件下，霧滴沉積量預測值與試驗值的相關性如圖17所示。

圖17 預測值與試驗值相關性曲線Fig.17 Correlation curve of predicted value and test value

由圖17可知，二者相關系數(shù)為0.994 3，相關性較高，表明該預測模型可分析各因素對霧滴沉積分布的影響規(guī)律。

4.4.3三因素交互作用

根據(jù)霧滴沉積量預測模型繪制三因素交互作用的霧滴沉積量響應面，如圖18所示。

圖18 各因素交互作用的霧滴沉積量響應面Fig.18 Response surfaces of droplet deposition interacting with various factors

由圖18可知，隨橫風風速增大，霧滴沿橫風方向飄移增加，霧滴冠層沉積量減??；同一橫風風速時，沉積量隨噴霧壓力增大而增加，V形風場風速為20 m/s、噴霧壓力為0.5 MPa、橫風風速為2 m/s時，沉積量最大為4.71 μL/cm2，而后由于噴霧壓力繼續(xù)增加使得霧滴粒徑減小，導致霧滴自身飄移潛力增大而沉積量減??；同一噴霧壓力時，隨V形風場風速增大，霧滴沉積量增加，噴霧壓力為0.5 MPa、V形風場風速為22.5 m/s、橫風風速為2 m/s時，沉積量最大值為4.64 μL/cm2，但當V形風場風速繼續(xù)增大時沉積量則減少，主要原因為V形風場風速持續(xù)增大時，部分霧滴穿透冠層，還有部分霧滴破碎加快使得飄移增加。

綜上所述，3種因素對霧滴沉積量的影響由大到小為V形風場風速、橫風風速、噴霧壓力，且適當增加噴霧壓力和V形風場風速有利于提高霧滴沉積量。

4.4.4最優(yōu)參數(shù)及試驗驗證

為確定噴霧壓力、V形風場風速及橫風風速的最優(yōu)參數(shù)，以霧滴沉積量最大為目標，以前述試驗得到的3種因素作業(yè)范圍為約束條件，建立霧滴沉積量預測優(yōu)化模型為

maxY=f(X1,X2,X3)

(12)

其中

優(yōu)化求解得3種因素的交互影響曲面如圖19所示。當橫風風速為2 m/s、噴霧壓力為0.52 MPa、V形風場風速為21.8 m/s時，可得最大霧滴沉積量4.81 μL/cm2；當橫風風速大于2 m/s時，需適當增大V形風場風速與噴霧壓力，以提高冠層霧滴沉積。

圖19 模型優(yōu)化后各因素交互作用的霧滴沉積量響應面Fig.19 Response surfaces of droplet deposition of interaction of various factors after model optimization

依據(jù)最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合，進行5次果園田間試驗，霧滴沉積量取平均值為4.72 μL/cm2，與響應面優(yōu)化結果差異率僅為1.87%，表明優(yōu)化模型可靠。

5 結論

(1)針對現(xiàn)有風送式噴霧多采用單一輔助氣流存在非靶標區(qū)域飄移，設計了一種多氣流協(xié)同式V形防飄噴霧裝置，通過CFD仿真驗證V形風場防飄效果，并開展防飄可行性和霧滴均勻性試驗，結果表明霧滴飄移率、質(zhì)量中心距、霧滴沉積分布變異系數(shù)較單一氣流分別降低了29.2%、25.2%、30.2%。

(2)進行單因素和多因素果園噴霧性能試驗，結果表明，當橫風風速為3 m/s時，多氣流協(xié)同作用的霧滴沉積密度、沉積量較單一氣流分別提高了28.7%、17.4%；對霧滴沉積特性有顯著影響的因素由大到小依次為：V形風場風速、橫風風速、噴霧壓力。

(3)通過響應面建立了霧滴沉積量預測模型并優(yōu)化，當橫風風速為2 m/s、噴霧壓力為0.52 MPa、V形風場風速為21.8 m/s時，霧滴沉積量最優(yōu)值為4.81 μL/cm2；當橫風風速大于2 m/s時，應適當增大V形風場風速與噴霧壓力，以提高冠層霧滴沉積。以最優(yōu)作業(yè)參數(shù)進行田間試驗，霧滴沉積量為4.72 μL/cm2，與預測模型差異率僅為1.87%，為其結構設計和作業(yè)參數(shù)進一步優(yōu)化提供依據(jù)。