風送式噴霧機風筒結構設計與試驗研究

宋俊偉，馮 業，吳 姝，魏新華

(1.江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013；2.海信科龍空調公司開發中心，廣東 佛山 528000)

0 引言

新疆建設兵團機械化規模棉花種植面積約70萬hm2，主要采用矮化密值種植模式，普通噴桿式噴霧機無法穿透棉花冠層，施藥效果不佳[1-4]。為提高施藥效果，在現有普通噴桿式噴霧機的基礎上，先后出現了吊桿式噴霧機和風送式噴霧機。吊桿式噴霧機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擴散，冠層內的藥液沉積分布極不均勻；風送式噴霧技術主要是利用氣流將農藥霧滴噴入作物冠層，可大幅度增加冠層內部的藥液沉積量[5-9]。

Endalew等[10]利用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[11]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。祁力鈞等[12]在原有噴霧機的出風口設計安裝1個錐形導風筒和1個同軸柱形導風筒，對兩種結構不同的導風筒進行數值模擬，分析其運動軌跡和出風口處的氣流速度分布。張曉輝等[13]在原有風筒上增加導流板裝置，減小出口尺寸和出口間距，試驗表明改進后的風筒能實現高效和風速變異小的風幕。洪添勝等[14]利用仿真方法，研究了風筒內導流片數目對內部流場的影響，試驗結果表明導流片數目一般以4～5為宜。宋淑然等[15]利用數值及正交試驗的方法，對風送式噴霧機的噴筒結構進行了優化，仿真計算模型并通過試驗驗證了模型的可信度。本課題組利用風送式噴霧技術，設計了棉花施藥噴桿噴霧機[16]。在此噴桿噴霧機上的風送系統設計中，導風筒的結構是基于經驗設計完成，在大田試驗過程中雖然對氣流擾動有一定的效果，但出風口處的風速分布均勻性和作物霧滴沉積性還有待提高。

國內外學者的研究發現：CFD仿真技術對噴霧機結構及其性能的研究是可行的，且研究發現風送式噴霧機風筒結構及內部導流片形狀對風筒內流場分布和出風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。

針對現有的棉花施藥風送式噴霧機，本文設計了一種風送式噴霧機風筒，并利用CFD仿真技術研究風筒氣流場分布，通過試驗驗證模型的可靠性，將設計的風筒安裝在噴霧機上進行實際大田作業，檢驗了風送式噴霧機的霧滴沉積分布情況。

1 風送式噴霧機風筒結構設計

為了提高風送式噴桿噴霧機的施藥效果，在實際施藥過程中，風筒出風口處的風速分布要盡量保持均勻，在進風口到出風口的過程中，內流場的區域的變異系數要盡量小，且在各個局部交接點要保持較小的耗氣量。為了滿足上述要求，本文設計一種風送式噴霧機風筒，具體設計結構如下：

風送式噴霧機風筒外部結構如圖1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。

圖1 風筒外部結構圖

在風筒內部，進風口柱形段部分與出風口柱形段部分各內置橫向導流板，兩個橫向導流板之間的夾角也為160°；錐形段出風口部分均勻分布3片導流片，導流片之間的夾角為60°。導流板與導流片結構如圖2所示，整體風送式噴霧機風筒內外部結合結構如圖3所示。

圖2 導流板與導流片結構圖

圖3 風筒整體結構圖

2 風送式噴霧機風筒計算模型仿真模擬

2.1 模型建立與計算域確定

在風筒流場分析之前，首先要建立風筒的仿真模型，本文通過軟件ICEM，對圖3所示的風筒幾何模型進行流道抽取，建立風筒的仿真模型。流道抽取結果如圖4所示。

圖4 風筒仿真模型

為了同時對風筒內部與外部流場進行分析，在現有風筒仿真模型的基礎上，貼合兩側出風口增加對稱的外流場部分，風筒內外流場仿真模型如圖5所示。

圖5 風筒內外流場仿真模型

確定好計算域后，由于風筒及外流場均為對稱體，在滿足計算精度的前提下，為了減少計算負載，將仿真模型根據橫向對稱面簡化為物理模型的1/2。在仿真時，另一半設立為對稱面，最終確定的仿真三維模型如6所示。

2.2 網格劃分

本文采用ICEM對風筒及外流場進行網格劃分，由于風筒內部結構比較復雜，外流場部分相對規則，故將分成的兩個部分分別進行網格劃分。風筒部分采用非結構化網格，外流場部分采用結構化網格，兩部分均為體網格；在風筒的進風口與出風口處采用網格加密，并且在內外流場交界處創建交界面。最終網格化后的模型如圖7所示。三維結構共劃分網格數為2 738 659，節點數為509 806。

圖6 1/2 仿真模型

圖7 仿真模型網格化

2.3 數值計算與仿真結果分析

2.3.1 數值計算參數設置

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數隨地點及時間變化的規律。合理的邊界條件是CFD穩定有正確定解的前提，也是計算收斂并得以進行的前提[5]。風筒氣流場仿真計算模型為Realizablek-ε湍流模型，進口采用速度進口邊界條件，進口速度為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，回流湍流強度為5%，回流水力直徑為162mm；壁面條件為默認的WALL壁面函數，內部交換面設為Interior；選空氣作為材料，材料密度設為1.225 kg/m3,動力粘度設為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，采用二階迎風格式進行求解。當各項參數設置完畢后，設置迭代步數5 000進行計算，在迭代計算1 666步后，各項殘差值均低于10-4，計算收斂。

2.3.2 仿真結果分析

選取風筒的兩個側面分別觀測風筒內部的氣流速度和風筒外流場氣流的速度云圖，分別如圖8、圖9所示，整個風筒的氣流走勢跡線圖如圖10所示。不同顏色表示不同的氣流速度。根據圖8所示的風筒內流場速度分布，僅在導流板與導流片的交接處出現較小的氣流漩渦，此旋流對耗氣量影響較小，風筒4個出風口處的速度分布均勻，整個風筒內流場區域風速變異系數較小。根據圖9所示的風筒外流場的速度分布，從風筒出風口處到外流場部分，風速大約在2～14m/s，有利于風送噴霧時使作物葉片產生翻動效果，使霧滴穿過冠層，到達冠層內部，有效提高霧滴的沉積率。

圖8 內流場速度分布云圖

圖9 外流場速度分布云圖

圖10 氣流跡線圖

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，定量地對風筒外流場的相關點進行了速度測試。通過自制試驗臺對風筒氣流場進行試驗驗證，如圖11所示。本試驗裝置可上下安裝兩排風筒，基于本文對1個風筒的氣流場進行研究，即本試驗僅在1個風筒通風狀態下進行風筒氣流場的測試。

圖11 試驗裝置

3.2 風場測試方法

為了檢驗風筒的氣流強度及均勻性，對風筒的氣流場速度分布進行了測試，測試點分布如圖12所示。測試區域取風筒出風口平行區域，橫向寬度為0.6m，測試區域縱向長度為0.4m；從出風口處開始，橫向與縱向均間隔0.05m，即取8排測試點，每排測試13個點，共104個測試點。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定的氣流速度，約為20m/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。

圖12 風速測試點分布圖

3.3 試驗結果及分析

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橫向測試點的試驗值與仿真值的對比折線圖。從8個對比的折線圖中可以看出：實測值與仿真值的趨勢基本保持一致，因此風筒所建立的仿真模型有效。根據圖13(a)、(b)、(c)、(d)的折線圖發現：離地距離為0.85m～0.7m的4個出風口的風速基本保持一致。這表明，4個出風口的風速較為均勻。

圖13 實測值與仿真值對比圖

4 大田試驗效果

4.1 試驗方法

為檢驗安裝該風筒后噴霧機的霧量沉積分布情況，選擇田間進行噴霧機實際作業，如圖14所示。

圖14 實際作業圖

田間試驗在新疆建設兵團農八師進行，在每行的棉株上選擇不同的測試點，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的水敏紙，用曲別針固定測試點上的水敏紙。

將設計的導風筒安裝在噴桿噴霧機上，使噴霧機以5km/h的作業速度進行施藥；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，根據二值化圖像的像素點統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冠層正面反面89.2840.5179.6133.6769.8625.9679.5833.38

由表1可知：棉花整個冠層的葉片正面霧滴沉積率達到79.58%，葉片反面霧滴沉積率達到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%，整個冠層霧滴沉積分布均勻性較好。

5 結論

1)設計了一種風送式噴霧機的風筒結構，通過建模及參數設置對風筒的內流場和外流場進行仿真分析，分析風筒出風口處及外部流場的風場情況。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。

2)將該風筒實際運用到大田試驗中，并通過圖像處理的方法對棉花上的霧量沉積分布特性進行研究。霧量沉積分布試驗結果表明：棉花整個冠層的葉片正面霧滴沉積率達到了79.58%，葉片反面霧滴沉積率達到了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%，整個冠層霧滴沉積分布均勻性較。

3)該風筒結構設計在一定程度上有效減小了漩渦，提高了冠層內部的霧滴沉積率，但依然存在局部損失；出風口處的風速分布較均勻，但外流場部分的風速的分布并沒有達到出風口處的均勻性。后期將對風筒進行結構優化，進一步減小局部損失。風筒的柱形段及錐形段的結構尺寸對流場的影響有待于進一步的研究。

參考文獻：

[1] 劉剛，張曉輝，范國強，等.棉花施藥機械的應用現狀及發展趨勢[J].農機化研究，2014,36(4)：225-228.

[2] 陳志剛，吳春篤，楊學軍.噴桿噴霧霧量的分布均勻性[J].江蘇大學學報: 自然科學版，2008，29(6)：465-468.

[3] 何雄奎，曾愛軍，劉亞佳，等.水田風送低量噴桿噴霧機設計及其參數研究[J] 農業工程學報，2005,21 (9) :76 -79.

[4] 張鐵，楊學軍，董祥，等.超高地隙風幕式噴桿噴霧機施藥性能試驗[J].農業機械學報，2012,43 (10) :66-71.

[5] 戴奮奮.簡論我國施藥技術的發展趨勢[J].植物保護，2004,30(4)：5-8.

[6] 張鐵，楊學軍，嚴荷榮，等.超高地隙噴桿噴霧機風幕式防飄移技術研究[J].農業機械學報，2012 , 43 (12 ) : 77-86.

[7] 燕明德，毛罕平，賈衛東，等.風幕式噴桿噴霧氣液兩相流數值模擬[J].農業機械學報，2013,44(10) :68-74.

[8] 燕明德，賈衛東，毛罕平，等.風幕式噴桿噴霧霧滴粒徑與速度分布試驗[J].農業機械學報，2014,45(11):104-110.

[9] Zhu H ,Brazee R D , Derksen R C. A specially designed air-assisted sprayer to improve spray penetration and air jet velocity distribution inside dense nursery crops[J].Transactions of the ASABE ,2006 ,49 (5):1285-1294.

[10] Endalew A M, Debaer C, Rutten N, et al. A new integrated CFD modeling approach towards air-assisted orchard spraying. Part I. Model development and effect of wind speed and direction on sprayer airflow[J].Computers and Electronics in Agriculture,2010,71(2):128-136.

[11] Tsay J R, Liang L S, Lu L H. Evaluation of an air-assisted boom spraying system under a no-canopy condition using CFD simulation[J].Transaction of the ASAE,2004,47(6):1887-1897.

[12] 崔志華，傅澤田，祁力鈞，等.風送式噴霧機風筒結構對飄移性能的影響[J].農業工程學報，2008,24(2)：111-115.

[13] 劉雪美，張曉輝，侯存良.噴桿噴霧機風助風筒流場分析與結構優化[J].農業機械學報，2011,42(4)：70-75.

[14] 宋淑然，夏侯炳，盧玉華，等.風送式噴霧機導流器結構優化及試驗研究[J].農業工程學報，2012,28(6)：7-12.

[15] 宋淑然，夏侯炳，劉洪山,等.風送式噴霧機噴筒結構優化數值模擬與試驗[J].農業機械學報，2013,44(6)：73-78,5.

[16] 魏新華，邵菁.棉花分行冠內冠上組合風送式噴桿噴霧機設計與試驗[J].農業機械學報，2016,47(1)：101-107,90.