茹 煜 陳旭陽 劉 彬 王水金 林 明

(1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院， 南京 210037; 2.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會， 北京 100083)

0 引言

風(fēng)送系統(tǒng)是果園噴霧機(jī)的重要組成部分，能夠提供強(qiáng)大的氣流帶動葉片間的擾動，將霧化的藥液輸送到果樹冠層，從而增加霧滴穿透性和覆蓋率，減少霧滴飄移現(xiàn)象，達(dá)到很好的沉積效果，提高農(nóng)藥的使用率和作業(yè)效率[1-4]。針對我國當(dāng)前果園大規(guī)模定向種植模式，果園風(fēng)送噴霧機(jī)被廣泛應(yīng)用，但其風(fēng)送系統(tǒng)相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的研究仍然較少。因此，亟需對果園噴霧機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于優(yōu)化設(shè)計(jì)果園噴霧機(jī)的風(fēng)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)外果園噴霧機(jī)的風(fēng)送系統(tǒng)主要是由風(fēng)機(jī)和導(dǎo)風(fēng)裝置組成，其氣流場用傳統(tǒng)試驗(yàn)方法研究較為困難，國內(nèi)外多數(shù)基于計(jì)算流體動力學(xué)[5-6](Computational fluid dynamics，CFD)進(jìn)行研究，通過仿真模擬對風(fēng)送式噴霧機(jī)內(nèi)外部氣流特性進(jìn)行研究[7-11]。文獻(xiàn)[12-14]模擬了單風(fēng)機(jī)、雙風(fēng)機(jī)、四風(fēng)機(jī)3種組合風(fēng)機(jī)的氣流場，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，對比分析了3種氣流場對冠層風(fēng)速的影響。DELELE等[15-16]利用CFD技術(shù)建立了不同類型的果園風(fēng)送噴霧機(jī)(懸臂式、橫流式)風(fēng)場模型，用來評價噴霧機(jī)作業(yè)性能。文獻(xiàn)[17-18]利用Fluent軟件對雙出風(fēng)口多風(fēng)道離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，改進(jìn)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，并試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化后雙風(fēng)道結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。丁天航[19]根據(jù)單風(fēng)機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)兩側(cè)流道氣流不對稱的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了雙風(fēng)機(jī)雙流道的果園噴霧機(jī)，通過數(shù)值模擬軟件對單、雙風(fēng)機(jī)雙流道內(nèi)部氣流場進(jìn)行模擬，分析了氣流場產(chǎn)生的影響因素，結(jié)合試驗(yàn)測量探究雙風(fēng)機(jī)雙流道氣流場的分布情況，進(jìn)一步優(yōu)化了風(fēng)送系統(tǒng)。周杰等[20]針對軸流式果園噴霧機(jī)，對風(fēng)送系統(tǒng)內(nèi)部氣流場進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明在擋風(fēng)板上安裝導(dǎo)流錐后，出風(fēng)口風(fēng)速提高了36.8%，改善了出口氣流分布不均的情況。王杰等[21]對苗木噴霧機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)的3種多出口裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬，得出不同多出口裝置的風(fēng)速和風(fēng)壓變化規(guī)律，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證得出多出口裝置的最優(yōu)設(shè)計(jì)為多排六出口。

目前，多風(fēng)管果園噴霧機(jī)大多應(yīng)用離心式風(fēng)機(jī)，而鮮有對軸流式風(fēng)機(jī)加以研究應(yīng)用，軸流式風(fēng)機(jī)質(zhì)量小、風(fēng)量的調(diào)節(jié)范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單且安裝方便，對于各類噴霧機(jī)底盤適應(yīng)性更強(qiáng)，為噴霧機(jī)適用不同果樹的植保作業(yè)提供了更多選擇。本文優(yōu)化設(shè)計(jì)一種多風(fēng)管果園噴霧機(jī)的軸流式多出口風(fēng)送系統(tǒng)，根據(jù)噴霧所要求的風(fēng)量與風(fēng)壓，完成對軸流風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒和錐形多出口裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法來研究風(fēng)筒和錐形多出口裝置結(jié)構(gòu)特征對出口風(fēng)速的影響，進(jìn)而確定風(fēng)送系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，以滿足果樹不同生長形態(tài)的病蟲害防治需求。

1 風(fēng)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

當(dāng)前大規(guī)模定向種植模式的梨園[22-23]，植株的行間間距為3～4 m，株距為2～3 m，樹高2～3 m，為了提高噴霧機(jī)出口風(fēng)速及其均勻性，設(shè)計(jì)了一種可安裝在履帶式果園噴霧機(jī)上的風(fēng)送系統(tǒng)，主要由軸流風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒和錐形多出口裝置構(gòu)成，如圖1所示。風(fēng)送氣流由軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，經(jīng)風(fēng)筒和錐形多出口裝置將單股氣流分成多個流向出口，由于出口面積較小，可以有效減少風(fēng)送系統(tǒng)風(fēng)量和風(fēng)壓損失，為氣流的定向輸送和調(diào)整提供條件，提高氣流利用率。

圖1 履帶式果園噴霧機(jī)的風(fēng)送系統(tǒng)Fig.1 Air conveying system of crawler orchard sprayer1.履帶式果園噴霧機(jī) 2.軸流風(fēng)機(jī) 3.風(fēng)筒 4.錐形多出口裝置

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 軸流風(fēng)機(jī)參數(shù)確定

2.1.1風(fēng)量和風(fēng)壓

在風(fēng)送系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)外，最為重要的環(huán)節(jié)就是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)或選型，風(fēng)機(jī)性能直接影響到噴霧機(jī)的有效噴霧距離和霧化效果。風(fēng)送噴霧機(jī)既要求出口氣流具備一定動能以到達(dá)冠層內(nèi)部，也要求進(jìn)風(fēng)口具備一定壓力，因此風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)或選型最重要的兩個參考標(biāo)準(zhǔn)就是風(fēng)量和風(fēng)壓[24]，較大的風(fēng)量可以提升噴霧機(jī)二次霧化的效果，并且能使果樹葉片翻轉(zhuǎn)，幫助藥液進(jìn)入果樹冠層內(nèi)部，增強(qiáng)噴霧穿透性[25]。果園風(fēng)送噴霧機(jī)風(fēng)量的確定通常采用置換原則和末速度原則[26]，如圖2所示。

圖2 噴霧機(jī)風(fēng)量置換圖Fig.2 Sprayer air volume replacement diagram

根據(jù)置換原則，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量需完全置換出風(fēng)口至果樹的整個空間，風(fēng)量計(jì)算式為[26]

(1)

式中Q——風(fēng)量，m3/s

H1——噴霧機(jī)噴幅寬度，m

H2——樹高，m

L——出風(fēng)口與樹干之間的距離，m

vs——噴霧機(jī)行走速度，m/s

K——?dú)饬鲹p失系數(shù)，與果樹品種、枝葉茂盛程度及氣象條件有關(guān)，取1.3～1.6

在此基礎(chǔ)上，考慮末速度原則，根據(jù)通過截面的風(fēng)量相等，得到風(fēng)管出口氣流速度[26]為

(2)

式中v1——風(fēng)管出口氣流速度，m/s

v2——?dú)饬鞯竭_(dá)樹葉氣流速度，m/s

所設(shè)計(jì)搭載風(fēng)送系統(tǒng)的履帶式果園噴霧機(jī)主要用于規(guī)范化梨園，氣流到達(dá)樹葉最佳風(fēng)速v2為7～8 m/s，其他參數(shù)：H1為0.9～1.6 m，H2為2.6～3.0 m，L為1 m，vs為0.3～0.7 m/s，代入式(1)、(2)可得出Q為0.682 5～2.576 m3/s，v1為7.11～20.51 m/s。為確保風(fēng)量滿足較大植株，擬定Q為2 m3/s，即7 200 m3/h。

果園風(fēng)送噴霧機(jī)既要求出口氣流具備一定動能以到達(dá)冠層內(nèi)部，也要求進(jìn)風(fēng)口具備一定壓力。風(fēng)機(jī)壓力一部分用來提供風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口動壓，另一部分用來克服摩擦壓力損失和局部壓力損失[27]，計(jì)算式為

(3)

式中p——風(fēng)壓，Pa

ρ——空氣密度，kg/m3

λ——摩擦因數(shù)R——風(fēng)管半徑，m

ξ——局部阻力系數(shù)l——風(fēng)管長度，m

參數(shù)取值為：ρ=1.2 kg/m3，v1=20 m/s，λ=0.1，R=0.07 m，ξ=0.3，l=1.5 m，代入式(3)可得p=569 Pa。

2.1.2葉輪參數(shù)

根據(jù)果園噴霧機(jī)發(fā)動機(jī)提供給葉輪軸的轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n設(shè)為2 000 r/min來確定葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)?？紤]到噴霧機(jī)上風(fēng)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不宜太過復(fù)雜，因此風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單獨(dú)葉輪級。計(jì)算公式[28]為

(4)

(5)

式中ns——比轉(zhuǎn)數(shù)

D——葉輪外徑，m

Ku——統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取1.9

因此，確定風(fēng)機(jī)葉輪外徑為0.54 m，葉片數(shù)為6。

2.2 風(fēng)筒設(shè)計(jì)與優(yōu)化

風(fēng)筒連接軸流風(fēng)機(jī)和錐形多出口裝置，是風(fēng)送系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它可以減少軸流風(fēng)機(jī)氣流的旋轉(zhuǎn)趨勢和不穩(wěn)定性，如圖3所示。

圖3 風(fēng)筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of structure of air duct1.導(dǎo)葉筒 2.導(dǎo)葉 3.法蘭(固定錐形多出口裝置) 4.風(fēng)筒壁面 5.法蘭(固定風(fēng)筒)

為了研究風(fēng)筒內(nèi)部導(dǎo)葉特征對出口風(fēng)速的影響，對風(fēng)筒內(nèi)部導(dǎo)葉數(shù)量、安裝角和長度進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析。流場仿真設(shè)葉輪轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，葉輪葉片數(shù)為6，每次模擬只改變一個特征參數(shù)。方案1：導(dǎo)葉安裝角為20°，長度為20 cm，導(dǎo)葉數(shù)量為5、6、7、8、9；方案2：導(dǎo)葉數(shù)量為6，長度為20 cm，安裝角為0°、5°、10°、15°、20°；方案3：導(dǎo)葉安裝角為10°，導(dǎo)葉數(shù)量為6，長度為5、10、15、20、25 cm。風(fēng)筒出口截面的模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 風(fēng)筒出口速度云圖Fig.4 Air duct exit velocity cloud maps

由圖4可知，方案1中隨著導(dǎo)葉數(shù)量的增加，流道的最大風(fēng)速變化不大，基本穩(wěn)定在33 m/s左右，平均風(fēng)速呈下降趨勢，從25.15 m/s降至22.72 m/s；當(dāng)導(dǎo)葉數(shù)量為偶數(shù)時每個流道氣流的風(fēng)速分布相似，氣流分布較為均勻，具有較高的對稱性，波動幅度不明顯，且出風(fēng)口氣流紅色高風(fēng)速區(qū)域主要集中在導(dǎo)葉的左側(cè)壁面。方案2中導(dǎo)葉安裝角越小，風(fēng)速最大值越大，且各流道之間的風(fēng)速差異最小，但從風(fēng)速平均值來看，導(dǎo)葉安裝角為10°時各流道平均風(fēng)速最大，達(dá)24.5 m/s。方案3中可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉長度小于等于10 cm時，速度云圖中心區(qū)域的低風(fēng)速區(qū)域呈不規(guī)則型，且該區(qū)域面積明顯大于其他幾種情況；當(dāng)導(dǎo)葉長度大于10 cm時，氣流開始穩(wěn)定，速度云圖的差異較小，但各個流道中存在小部分速度小于9 m/s的區(qū)域，當(dāng)長度達(dá)到20 cm以后，該區(qū)域開始消失；隨著導(dǎo)葉長度的增加，最大風(fēng)速呈小幅度下降，但平均風(fēng)速穩(wěn)定在23 m/s左右，各個流道氣流的速度區(qū)域穩(wěn)定。

對導(dǎo)葉數(shù)量、安裝角、長度與出口風(fēng)速進(jìn)行線性回歸分析，回歸系數(shù)見表1。

由表1可知，風(fēng)筒導(dǎo)葉參數(shù)對出口風(fēng)速影響的顯著性由大到小為：長度、安裝角、數(shù)量。因此，采用20-6-0型、20-6-10型和20-8-10型3種較優(yōu)的風(fēng)筒設(shè)計(jì)方案進(jìn)行后續(xù)研究，其中20表示長度、6和8表示導(dǎo)葉數(shù)量、0和10表示安裝角。

表1 導(dǎo)葉數(shù)量、安裝角、長度與出口風(fēng)速的回歸系數(shù)Tab.1 Regression coefficient of guide vane number, installation angle, length and outlet wind speed

2.3 錐形多出口裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

錐形多出口裝置連接風(fēng)筒和軟性風(fēng)管，能夠?qū)饬髌交貜娘L(fēng)機(jī)出口輸送至6根風(fēng)管，減少氣流的損失，提高了輸送效率。針對錐形多出口裝置的設(shè)計(jì)，通過改變錐形罩錐度(0.75、1.25、1.75、2.25、2.75)和出口布局(A型、B型、C型)來研究特征參數(shù)對風(fēng)送效果的影響，錐形多出口裝置示意圖如圖5所示。

圖5 錐形多出口裝置示意圖Fig.5 Multi-outlet cone covers with different layouts

2.3.1出口布局

將錐形多出口裝置連接在風(fēng)筒和風(fēng)機(jī)上，將A型、B型、C型3種出口布局(錐度不變)分別與20-6-0型、20-6-10型、20-8-10型3種風(fēng)筒進(jìn)行組合模擬，葉輪轉(zhuǎn)速設(shè)為2 000 r/min，氣流軌跡與出口速度云圖如圖6、7所示。

圖6 3種布局錐形多出口裝置氣流軌跡圖Fig.6 Air flow trajectories of conical multi-outlet device with three layouts

圖7 3種布局錐形多出口裝置出口速度云圖Fig.7 Contour maps of exit velocity of three layouts with multi-outlet devices

由圖6可知，當(dāng)3種布局錐形多出口裝置分別與同一種風(fēng)筒組合時，C型裝置中間3個出口氣流流暢度最低，內(nèi)部流線出現(xiàn)了旋渦和旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，增加了氣流傳遞過程中能量的損失，B型和A型裝置旋渦現(xiàn)象基本消失。從圖7可以看出，A型多出口裝置各個出口的中心區(qū)域風(fēng)速均為最高，每個出口的氣流分布差異較小，且與20-6-10型風(fēng)筒組合效果最佳，平均風(fēng)速達(dá)28.73 m/s，各出口中心風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差僅有0.31 m/s，而B型裝置6號出口和C型裝置2、3、5號出口風(fēng)速明顯低于其他出口，原因是裝置中心位置出口下方有導(dǎo)葉筒存在，阻礙了氣流傳遞。當(dāng)3種風(fēng)筒分別與同一錐形多出口裝置組合時，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉數(shù)量6風(fēng)筒裝置各個出口風(fēng)速的均勻性明顯優(yōu)于導(dǎo)葉數(shù)量8風(fēng)筒，但20-6-0型風(fēng)筒各出口的風(fēng)速和氣流均勻性不如20-6-10型。由此可知，20-6-10型風(fēng)筒和A型出口布局錐形多出口裝置組合的氣流效果最優(yōu)。

2.3.2錐度

在探究錐形罩錐度對出口風(fēng)速影響的模擬中，葉輪轉(zhuǎn)速固定為2 000 r/min，風(fēng)筒選用20-6-10型，出口布局為A型，錐度分別為0.75、1.25、1.75、2.25、2.75，圖8為錐形多出口裝置出口截面速度云圖。隨著錐形罩錐度的增大，氣流逐漸從出口內(nèi)壁的一側(cè)往中心區(qū)域集中，且速度云圖上的高風(fēng)速區(qū)域增大，錐度為2.25時，高風(fēng)速區(qū)域面積最大。錐形罩的設(shè)計(jì)可以明顯提高各個出口的最大風(fēng)速，對平均風(fēng)速的提升效果并不明顯，當(dāng)錐度在0.75～1.75之間時，各個出口的平均風(fēng)速在27 m/s左右，錐度為2.25時平均風(fēng)速為28.73 m/s，達(dá)到最大，并且出口之間的風(fēng)速差異最小。由此可知，錐度對錐形多出口裝置出口風(fēng)速的提升效果并不明顯，不同錐度下，各個出口平均風(fēng)速的差異較小，其中錐度為2.25時，出口氣流效果最佳。

圖8 出口速度云圖Fig.8 Exit velocity cloud maps

綜上所述，采用20-6-10型風(fēng)筒，錐形多出口裝置按照錐度為2.25、出口布局為A型進(jìn)行設(shè)計(jì)，該選型為風(fēng)送系統(tǒng)的最優(yōu)組合。

3 風(fēng)送系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化與性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

為驗(yàn)證風(fēng)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的可靠性，設(shè)計(jì)了20-6-0型、20-6-10型、20-8-10型3種風(fēng)筒和錐度為2.25的A型、B型、C型3種錐形多出口裝置，將9種風(fēng)筒-錐形多出口裝置組合安裝在履帶式果園噴霧機(jī)上(圖9)，根據(jù)文獻(xiàn)[29]方法，采用kanomax 6243型多點(diǎn)風(fēng)速儀和SMART AR866型手持式風(fēng)速儀測量氣流速度，DT-2234C型轉(zhuǎn)速計(jì)測量風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，開展風(fēng)送系統(tǒng)的性能試驗(yàn)和噴霧機(jī)外部流場試驗(yàn)。

圖9 履帶式果園噴霧機(jī)Fig.9 Crawler orchard sprayer

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1風(fēng)送系統(tǒng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性以及檢驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，測量錐形多出口裝置的出口風(fēng)速。試驗(yàn)設(shè)置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，將3種錐形多出口裝置分別安裝在3種風(fēng)筒上，將風(fēng)速儀探頭置于錐形出口裝置出口圓心位置對風(fēng)速進(jìn)行采集，測量10 s內(nèi)各個測量點(diǎn)風(fēng)速平均值，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場試驗(yàn)如圖10所示。

圖10 錐形多出口裝置氣流分布試驗(yàn)Fig.10 Airflow distribution test of conical multi-outlet device

3.2.2噴霧機(jī)外部流場試驗(yàn)

在風(fēng)送噴霧作業(yè)中，風(fēng)送系統(tǒng)流出的氣流通過光滑的軟管指向靶標(biāo)，為了進(jìn)一步研究噴霧機(jī)外部流場的分布及衰減規(guī)律，基于仿真及優(yōu)化試驗(yàn)確定的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成履帶式果園噴霧機(jī)及風(fēng)送系統(tǒng)的加工試制，并將風(fēng)管及風(fēng)閥安裝在風(fēng)送系統(tǒng)上進(jìn)行噴霧機(jī)外部流場試驗(yàn)。

(1)單風(fēng)管氣流射流邊界試驗(yàn)

使用手持熱敏式風(fēng)速儀測量不同風(fēng)送距離下，每個界面的邊界風(fēng)速，將風(fēng)速儀放在與風(fēng)管出口軸線等高的試驗(yàn)架上、上下左右移動風(fēng)速儀，當(dāng)測量值為1.5 m/s時，認(rèn)定此處為截面上風(fēng)速的邊界[30]，并記錄距離。每個截面測量上、下、左、右共4個點(diǎn)，一共設(shè)置7個測量截面，每個測量截面與出口的距離分別為0、0.5、1、1.5、2、2.5、3 m。設(shè)置8種風(fēng)管出口直徑，分別為7、8、9、10、11、12、13、14 cm。分別在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000、2 500、2 800 r/min 3種轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn)，射流邊界值測量示意圖如圖11所示。

圖11 單風(fēng)管射流邊界試驗(yàn)示意圖Fig.11 Schematic of jet boundary test of single air duct

(2)多風(fēng)管風(fēng)場試驗(yàn)

設(shè)置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為2 000、2 500、2 800 r/min，風(fēng)管出口直徑為14 cm，在距離風(fēng)管出口中心0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、4 m設(shè)置測量點(diǎn)，待風(fēng)送系統(tǒng)穩(wěn)定后，測量兩側(cè)風(fēng)管的氣流速度，利用多點(diǎn)風(fēng)速儀測量3個風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下各風(fēng)管出口中心測量點(diǎn)的風(fēng)速，每個測量點(diǎn)重復(fù)3次取平均值。風(fēng)管排列序號和現(xiàn)場試驗(yàn)圖如圖12所示。

圖12 多風(fēng)管風(fēng)場試驗(yàn)Fig.12 Multi-duct wind field test

3.3 風(fēng)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對出口風(fēng)速的影響

根據(jù)試驗(yàn)測量9種風(fēng)筒-錐形多出口裝置組合各個出口測量點(diǎn)的風(fēng)速，各個出口風(fēng)速如圖13所示。

圖13 9種組合各個出口風(fēng)速Fig.13 Nine combinations of each outlet wind speed

各個出口風(fēng)速試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，當(dāng)3種錐形多出口裝置分別與同一種風(fēng)筒配合時，A型裝置各出口風(fēng)速的差異較小，平均值更大，B型裝置的6號和C型裝置的2、3、5號出口風(fēng)速明顯低于其他出口，可見A型出口裝置設(shè)計(jì)優(yōu)于B、C型。當(dāng)3種風(fēng)筒分別與同一錐形多出口裝置組合時，導(dǎo)葉數(shù)量6風(fēng)筒組合的各個出口風(fēng)速差異明顯小于導(dǎo)葉數(shù)量8的風(fēng)筒，其中20-6-0型風(fēng)筒各出口風(fēng)速和氣流均勻性明顯不如20-6-10型，與模擬結(jié)果所得氣流速度分布規(guī)律一致。

以各風(fēng)送系統(tǒng)平均風(fēng)速模擬值與試驗(yàn)值相對誤差、各出口風(fēng)速試驗(yàn)值的變異系數(shù)為評價指標(biāo)對仿真與試驗(yàn)進(jìn)行評估。表2為9種風(fēng)送系統(tǒng)各出口風(fēng)速試驗(yàn)值的變異系數(shù)以及平均風(fēng)速試驗(yàn)與模擬結(jié)果對比，平均風(fēng)速相對誤差均不大于9.03%，可見仿真模型可靠性較高，能夠較好地反映風(fēng)送系統(tǒng)在實(shí)際作業(yè)中的氣流場分布特性。其中20-6-10型風(fēng)筒和A型出口布局錐形多出口裝置組合的風(fēng)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各出口平均風(fēng)速試驗(yàn)和仿真值相對誤差為4.66%，各出口風(fēng)速試驗(yàn)值變異系數(shù)為3.63%，出口風(fēng)速效果最優(yōu)，表明該風(fēng)送系統(tǒng)可提供穩(wěn)定均勻的氣流，性能可滿足果園噴霧機(jī)出口風(fēng)速的作業(yè)要求。

3.4 噴霧機(jī)外部流場試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.4.1單風(fēng)管氣流射流邊界試驗(yàn)

風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流可以將藥液輸送到更遠(yuǎn)的地方，而單根風(fēng)管出口風(fēng)速的調(diào)節(jié)可以更好地應(yīng)對精準(zhǔn)施藥的要求。根據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行噴霧機(jī)外流場單風(fēng)管風(fēng)場試驗(yàn)，各試驗(yàn)組豎直、水平方向射流邊界隨風(fēng)送距離及出口直徑的變化曲線如圖14、15所示。

表2 試驗(yàn)與模擬結(jié)果對比Tab.2 Comparison of test and simulated average wind speed results

圖14 豎直方向上射流邊界Fig.14 Jet boundary in vertical direction

圖15 水平方向上射流邊界Fig.15 Jet boundary in horizontal direction

由圖14可知，上下邊界沒有呈現(xiàn)對稱的現(xiàn)象，可能是由測量時產(chǎn)生的誤差、風(fēng)管安裝沒有完全水平以及外界的氣流和空氣自身質(zhì)量等原因?qū)е碌摹?種轉(zhuǎn)速下風(fēng)管上側(cè)射流邊界隨風(fēng)送距離增加呈現(xiàn)先增大后平緩的趨勢，下側(cè)則呈現(xiàn)線性擴(kuò)大的趨勢；在相同轉(zhuǎn)速下，在風(fēng)送距離0～1.5 m內(nèi)，射流邊界隨出口直徑的增加而明顯增大，在風(fēng)送距離1.5～3 m內(nèi)，曲線波動較大，下側(cè)射流邊界相較上側(cè)變化更為明顯；隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，射流邊界逐漸升高，出口直徑為7 cm時，轉(zhuǎn)速2 000 r/min的上側(cè)射流邊界最大為20.7 cm，而當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至2 800 r/min時，最大值達(dá)到28.1 cm，出口直徑為14 cm時，下側(cè)射流邊界由2 000 r/min時的43.6 cm增加至2 800 r/min時的58.6 cm。

從圖15中可以看出，與豎直方向相比，水平方向上風(fēng)管左右兩側(cè)射流邊界具有較高的對稱性，曲線較為平滑，沒有明顯的波動。當(dāng)出口直徑相等時兩側(cè)曲線基本保持一致，隨著轉(zhuǎn)速提升，射流邊界范圍明顯擴(kuò)大，在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時水平射流邊界最大值為61.9 cm，當(dāng)轉(zhuǎn)速提升至2 800 r/min，邊界的最大值為67 cm。隨著風(fēng)送距離的增加，射流邊界逐漸增大，在風(fēng)送距離為0～1.5 m時邊界迅速擴(kuò)大，當(dāng)風(fēng)送距離大于1.5 m時，射流邊界變化很小，曲線趨于水平，這與豎直方向上射流邊界的分布規(guī)律相似。

風(fēng)管出口射流邊界的研究為風(fēng)送系統(tǒng)風(fēng)管間距的設(shè)置提供了一定的參考依據(jù)，觀察低轉(zhuǎn)速時射流邊界曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)送距離大于1.5 m時，曲線開始保持水平狀態(tài)，部分射流邊界減小，可見風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的工況并不適用于噴霧作業(yè)。

3.4.2多風(fēng)管風(fēng)場試驗(yàn)結(jié)果與分析

風(fēng)送式噴霧機(jī)作業(yè)時，氣流風(fēng)速和射程是評價噴霧機(jī)外流場速度分布的重要指標(biāo)。通過開展噴霧機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)外流場性能試驗(yàn)，得到噴霧機(jī)兩側(cè)風(fēng)速隨風(fēng)送距離的變化情況，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000 r/min工況下左右兩側(cè)風(fēng)速Tab.3 Wind speed difference between left and right sides under condition of fan speed of 2000 r/min m/s

由表3可知，噴霧機(jī)兩側(cè)多風(fēng)管風(fēng)場對稱，外流場試驗(yàn)測量點(diǎn)可以選擇只布置在一側(cè)。20-6-10型風(fēng)筒和A型出口布局錐形多出口裝置風(fēng)送系統(tǒng)在不同風(fēng)送距離下風(fēng)管出口風(fēng)速如圖16所示，根據(jù)大量試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)風(fēng)速小于1.5 m/s時，氣流對冠層的穿透性不足[19]，氣流風(fēng)速從風(fēng)管出口至風(fēng)送距離4 m處呈不斷衰減趨勢，在風(fēng)送距離0～2 m范圍內(nèi)風(fēng)速較高，在5 m/s以上且衰減現(xiàn)象較為明顯，在風(fēng)送距離2～3 m時風(fēng)速在3 m/s左右，在風(fēng)送距離3～4 m內(nèi)風(fēng)速衰減到1.5 m/s左右，表明該噴霧機(jī)風(fēng)送氣流距離能達(dá)到4 m的射程要求。隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，氣流在同一風(fēng)送距離處速度也隨之增大，但對氣流衰減程度影響較小，且同一轉(zhuǎn)速下不同風(fēng)管風(fēng)速之間的差距隨風(fēng)送距離增加呈現(xiàn)縮小的趨勢，有利于均勻覆蓋整個作業(yè)區(qū)域，提高噴霧機(jī)工作效率。

圖16 風(fēng)管風(fēng)速曲線Fig.16 Wind speed curves of ducts

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種適用于傳統(tǒng)果園噴霧機(jī)的軸流式風(fēng)送系統(tǒng)，對關(guān)鍵部件進(jìn)行了選型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了風(fēng)筒導(dǎo)葉特征和錐形多出口裝置參數(shù)是影響風(fēng)送系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

(2)采用Fluent分析軟件對軸流風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒和錐形多出口裝置內(nèi)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，仿真結(jié)果表明，風(fēng)筒導(dǎo)葉參數(shù)對出口風(fēng)速影響由大到小為：長度、安裝角、數(shù)量，風(fēng)送系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)組合為：風(fēng)筒導(dǎo)葉安裝角為10°、數(shù)量為6、長度為20 cm，錐形多出口裝置錐度為2.25、出口布局為A型，最優(yōu)參數(shù)組合下風(fēng)送系統(tǒng)出口風(fēng)速模擬值與試驗(yàn)值的相對誤差為4.66%和變異系數(shù)為3.63%，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

(3)通過噴霧機(jī)外部流場試驗(yàn)可得，射流邊界范圍隨著出口直徑和轉(zhuǎn)速的增加而增大；氣流場風(fēng)速越高，噴霧機(jī)風(fēng)送距離越大，當(dāng)風(fēng)送距離為0～2 m時，風(fēng)速在5 m/s以上且衰減幅度明顯，當(dāng)風(fēng)送距離大于2 m時，氣流衰減較為平緩到1.5 m/s左右，能滿足噴霧機(jī)風(fēng)送氣流距離達(dá)到4 m的射程要求。

(4)優(yōu)化后軸流式果園噴霧機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，從氣流均勻性、風(fēng)速、邊界和射程等方面均滿足果園植保機(jī)械需求。