風送噴霧氣流衰減與擴展規律分析與試驗

周良富，周立新，薛新宇，常 春，張學進

(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

0 引言

噴霧氣流的空間分布是影響霧滴輸運的主要因素之一，氣流速度梯度是改變風送霧滴動力學特性的關鍵因子，因此開展噴霧氣流的速度空間分布及其在自由空間的衰減與擴散規律研究，對深刻理解霧滴輸運與沉積具有指導作用。

在風送式果園噴霧技術研究中，國內外學者一直關注著噴霧氣流場的研究。主要包括：①果園風送噴霧機流道結構對對空間氣流場分布影響研究。采用數值分析與試驗相結合的方法[1]，研究噴霧機導流板角度[2]、風機頻率[3-4]、導流片葉數[5]及風機分布[6]等結構參數對空間氣流場分布的影響。研究結果表明：風機導流片有利于將旋轉氣流轉化為軸向氣流，但會造成壓力損失，普遍認為導流葉片數以4～5 為宜；噴霧機外流場的氣流速度在垂直和水平兩個方向呈梯度減小趨勢；噴霧機出口氣流速度對氣流速度場的空間分布狀態無顯著影響,只是在數值上有差異。②噴霧氣流對果樹冠層的穿透、翻轉作業研究。Endalew 等建立了一個新的果園風送噴霧 CFD 模型[7]，研究了噴霧機風速與方向對噴霧氣流在冠層內部分布的影響，證實氣流逆向線性衰減。同時，以該模型為基礎研究了3種(單個風機、2個風機和4個風機)不同噴霧機結構[8]的噴霧氣流分布，結果顯示：該模型95%模型值的相對誤差小于20%。Gu等[9]測試了噴霧氣流在不同冠層結構內的速度分布規律，Hong等[10]在此數據基礎上仿真分析了冠層內部氣流速度和壓力分布規律，模型的相對誤差小于30%。綜上文獻分析，采用試驗與數值分析手段研究特定噴霧機結構下噴霧氣流在自由空間及冠層內分布規律已經成為可能，但從自由射流理論角度出發，缺乏建立噴霧氣流在自由空間內的衰減與擴展規律模型的研究。基于此，本文重點關注噴霧氣流衰減與擴展規律理論模型建立及驗證，為風送噴霧機設計及噴霧技術參數選擇提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 噴霧風機及其氣流道

目前，果園風送噴霧中的氣流道形式主要有環向出風式、塔式、柔性管多頭式和獨立圓盤式等[11]，而環向出風式氣流道是當前普遍應用的結構，主要由旋轉葉輪、整流葉輪、分流板和流道板組成，如圖1所示。工作時，旋轉葉輪在驅動力作用下旋轉，使氣流從軸向進風，流經整流葉輪后氣流分布趨向均勻，在分流板和流道板作用下軸向氣流轉變為環向氣流，經流道整流后的氣流環向分布趨于均勻，而后噴射向自由空間，并在自由空間衰減與擴散。

1.2 測試項目及方法

1.2.1 氣流環向分布

出口風速的測量數據是風場數值分析邊界條件和初始條件的設置依據。噴霧機出口風速受風機轉向及流道影響，在不同出口位置氣流速度存在一定差異。試驗將噴霧機出口均分8個測試點，分別編號從1到8。采用Kestrel 4500型風速儀定點測定轉速為1 400、1 600、1 800、2 000r/min的各測試點的出口風速，讀取5s測試時間內的最大值，重復3次取平均值作為測試結果。

圖1 風送噴霧機導流結構

1.2.2 湍流特性

湍流強度是描述風速隨時間和空間變化的程度，反映脈動風速的相對強度，是描述氣流場特性的重要特征量之一。本研究采用Kestrel 4500型風速儀測試風機轉速1 400r/min、噴霧機出口和距離出口1.5m時1min內的氣流瞬態速度變化，即

(1)

1.2.3 氣流軸向衰減與擴散

1)理論分析。設噴霧機氣流噴出射入靜止的自由空間內，根據射流理論中射流主體段縱向時均速度分布的相似性(見圖2)，令

(2)

其中，u為某一斷面任一點縱向時均速度(m/s)；uc為斷面中心軸線上縱向最大時均速度(m/s)；y為縱向坐標(m)；b為射流半擴展厚度(m)。

圖2 自由射流理論

2)數值分析。數值分析選用Realizableκ-ε模型，其控制方程模型常數取值參考文獻[2]。采用Ansys15.0商業軟件中的Meshing模塊和Fluent模塊對計算域進行網格劃分和流場仿真。為避免邊界對流場的影響，將模擬計算域擴大到射流長度為10m、擴散末端為3m的錐扇形區域。計算域及網格劃分如圖3～圖5所示。其中，網格以六面體網格為主，網格節點217 700個，網格數量為204 012個。采用絕對壓力進行計算，忽略地面對其風場的影響，運用二階隱式耦合求法，入口采用速度入口，3個出口均采用壓力出口邊界。采用壓力-速度耦合求解算法，壓力方程采用二階迎風，其他方程采用QUICK法離散，設置計算殘差為1e-6，采用 Hybird Initialization 進行初始化。

3)試驗分析。在噴霧氣流射流軸向4.5m范圍內，每0.5m設置測試線，在射流擴散方向每0.25m設置測試線，在1m和2m高度上設置2個測試平面，如圖3所示。

圖3 風速采樣點分布示意圖

在軸向主要采樣風速儀讀取不同距離下的氣流速度值，而在射流擴散方向主要結合卷尺和風速儀測量出氣流速度為0.5m/s時的擴展邊界值。

2 結果與分析

2.1 速度環向分布均勻性

不同轉速下8個出風口測試點的氣流速度試驗結果如表1所示。由表1可以看出：風機轉速為1 400、1 600、1 800、2 000r/min時，噴霧機出口的平均風速分別為13.56、18.88、20.46、22.69 m/s；出口風速隨轉速增加而增大，同時相應的標準差也隨轉速增加而增大，但不同轉速下各個測試點風速變化的變異系數均小于14%。

表1 噴霧機出口處氣流速度 m/s

2.2 不同距離的湍流強度

噴霧機出口處和噴霧距離1.5m處的氣流速度瞬時值隨時間的變化如圖4所示。將試驗數據按照式(2)計算湍流強度。試驗結果顯示：噴霧機出口和距離出口1.5 m處的湍流強度分別為5.36%和11.5%。因此，在噴霧距離1.5m處的紊流強度高于噴霧機出口處，有利于氣流對果樹葉片的翻轉，便于霧滴在葉片背面沉積。

圖4 噴霧機氣流瞬態速度

2.3 氣流衰減與擴散模型

2.3.1 基于量綱分析的理論模型

試驗表明：噴霧機出口氣流雷諾數Re較大，所以在研究紊動射流時忽略Re的影響。軸向最大速度僅與噴霧機出口氣流動量、氣體密度ρ和軸向距離x有關[12]，即

uc=C1Mx1ρx2xx3

(3)

對式(3)進行量綱分析如下：[uc]=LT-1；[M]=LML-3L2T-2=MT-2；[ρ]=ML-3；[x]=L。代入方程得：LT-1=(MT-2)x1(ML-3)x2Lx3。

對比量綱得：x1=1/2，x2=-1/2，x3=-1/2。代入方程(3)，得噴霧氣流軸向衰減規律為

(4)

同理，可令b=C1Mx4ρx5xx6，得x4=x5=0，x6=1。因此，噴霧氣流擴展規律為

b=C1x

(5)

2.3.2 仿真結果分析

在初速度u為10、15、20m/s下的氣流速度分布數值分析結果中，提取距離噴霧出口0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、7、8、9、10m處的軸向速度并繪制曲線，如圖5所示。由圖5可知：噴霧氣流在自由空間中快速衰減，噴霧氣流初速度為10、15、20m/s時，衰減到距離出口2.5m時的氣流速度僅為2.5、4.5、6m/s。

圖5 氣流軸向速度衰減規律

數值分析了初速度u0為10、15、20m/s下的氣流速度擴散規律，試驗結果如圖6所示。其中，圖6中所示的邊界為氣流速度大于0.5 m/s區域。

圖6 不同初速度下氣流擴散規律

2.3.3 模型系數待定及驗證

將已知的b0=0.13、u0=20m/s代入公式(4)，然后根據距離出口1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、7、8、9、10m處軸向速度的測試值求出9個系數值后求平均值，作為模型系數C，得到該噴霧機的氣流軸向衰減規律模型式(6)。將不同距離的軸向氣流速度仿真值、模型值和試驗值繪制曲線如圖7所示。試驗結果顯示：試驗值均略小于仿真值，將試驗值與模型值作方差分析，顯示回歸方程顯著型檢驗值F=1.634，遠小于顯著值Fcrit=5.12。

(6)

按照圖3的測試點布置方法，找出風速為0.5m/s的邊界點后用卷尺測量處邊界點到射流軸線距離。圖8顯現的是距離出口4m內的射流邊界值。以正半射流擴展厚度線性擬合，結合公式(5)得到噴霧氣流擴展規律為b=0.154 2x，模型決定系數為0.972 4。

圖7 氣流擴展邊線

圖8 氣流衰減規律

3 結論

1)噴霧機環向出口風速、風速標準差隨轉速增加而增大，但其風速變異系數均小于14%。

2)風機轉速為1 400r/min時，噴霧機出口和距離出口1.5 m處的湍流強度分別為5.36%和11.5%。

3)噴霧氣流衰減模型uc=0.578u0x-0.5，模型顯著性檢驗值F遠小于顯著臨界值。

4)霧氣流擴展模型為b=0.1542x，模型決定系數為0.972 4。