果園噴霧機五指式噴筒流場數值模擬與分析

2020-10-17 01:01:56魏新華

農機化研究 2020年5期

陶濤 ,魏新華

(1.揚州工業職業技術學院, 江蘇揚州 225127;2.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)

0 引言

作為水果生產大國,我國在果樹病蟲害防治上面臨嚴峻的問題,以農藥過量使用和水果農藥殘留過多為主[1-2]。目前,國內對農業、林業、園藝和果園的病蟲害防治主要采用手動踏板式/背負式噴霧機高壓噴槍﹑背負式噴霧噴粉機及擔架式噴霧機等設備,這些設備自動化程度較低,在果園病蟲害方面只能完成對低矮果樹和果苗的防治及除草工作,綜合防治效率偏低[3-4]。在我國,果園的種植模式較為單一,主要為低矮密種植型,行距4～5m,樹高3～3.5m,冠厚1.5～3m,行間距大小與冠厚相近,相鄰的兩行果樹近似交叉,果園形成密閉狀,使得常規農用果園噴霧機防治作業較為困難。此外,果樹的樹冠較高,枝繁葉茂,噴霧機作業時的霧滴容易被果樹冠層遮擋,難以穿透,不能達到均勻沉積。由于果樹外層密集葉片的遮擋,霧滴易于聚成液滴灑落,從而使得果樹冠層內部病蟲害防治效果不能達到預期[5-7]。

風送式噴霧機通過氣流將霧滴送達靶標,從而使得噴霧的穿透性能提高,霧滴不易飄移,附著率增大,主要針對果樹及高稈作物的噴施作業[8]。噴筒作為風送式噴霧機的重要部件,其機構將影響流場的分布噴幅[9]。立管風送輔助噴霧技術可使霧滴飄失情況大大減少[10],與圓形出風口相比,設計成槽型則更有效[11]。祁力鈞等[12]在出風口處安裝了錐形導風筒和同軸柱形導風筒,通過導風筒進行運動軌跡和氣流速度的仿真分析。本文針對果園風送式噴霧機設計了新型五指式噴筒,利用CFD數值模擬技術對風機轉速1 450、1 080、960r/min時噴筒流場進行仿真,得到各個情況下噴筒內部流場和出口風速分布。

1 風送式噴霧機噴筒結構設計

目前,市場上所用的果園風送式噴霧機,噴筒主體與擴幅噴筒被設計在一起。在噴筒主體的收縮段和出風口之間安裝擴幅噴筒,收縮段噴筒先直接外擴再收縮[13]。在該結構的擴幅段出風口附近,其管道斷面發生變大變小型的重復突變,而此時管道內的氣流在慣性作用下,是不會因管道變化而立刻產生突變的,容易造成風機能量損失嚴重。

為增加果園噴霧機的噴幅、減少風機能量損失,同時保證各出風口風速的均勻,本文設計了一種新型噴霧機噴筒,如圖1所示。五指式噴筒二維圖如圖2所示。其中,柱形段直徑為460mm,與風機剛性連接,故口徑大小相等。因為風機風速存在漩渦,柱形段長度取400mm,起到穩定氣流的作用;5個出風口均勻分布在半徑為1 080mm的圓弧上,各出風口之間夾角為13°,半徑為150mm;擴幅段由柱形段圓截面漸變成矩形截面,矩形截面均勻分成5部分,類似于人體手指5指。五指式噴筒,起到了擴幅作用,同時保證了各出風口均勻。

圖1 五指式噴筒

圖2 五指式噴筒二維圖

2 五指式噴筒計算模型仿真模擬

2.1 模型建立與計算域確定

通過前期設計,本文利用Workbench完成五指式風筒的仿真模型,如圖3所示。

圖3 五指式噴筒仿真模型

2.2 網格劃分

利用流體前處理軟件對五指式噴筒網格劃分,采用四面體網格劃分,噴筒中界面突變部位進行加密網格處理。對423625 和 302079 兩套網格計算進行網格無關性檢驗,發現兩者風機轉速相同情況下仿真進口流量的相對差值在2%以內,因此選擇423625網格對流場進行數值模擬,網格單元數為423 625、節點數79 562,如圖4所示。

圖4 仿真模型網格化

2.3 計算方法

為減少計算成本,考慮噴霧機的實際工作環境,進行相應的假設:忽略粘度和溫度的變化產生的影響,湍流模型使用k-e模型;采用標準壁面函數和分離隱式求解器,采用SIMPLEC算法,設置收斂殘差為10e-4。

2.4 邊界條件

噴筒進口風速來源于風機,因此邊界條件設置為“intake-fan”,并給定相應的Pressure jump(DZ軸流-6#風機轉速1 450、1 080、960r/min時對應的全壓280、150、123Pa);出口設定為大氣壓。

3 五指式噴筒仿真模擬結果分析

3.1 噴筒進出口速度分析

噴筒不同工況下(風機轉速1 450、1 080、960r/min)進出口速度云圖如圖5所示。

由圖5可看出:3個轉速下,噴筒每個出風口風速分布均勻;每個轉速下5個出風口風速大小相同,變異系數小;風機轉速越大,出風口風速越大,與之成正比。

監測噴筒進出口流量,得到如圖6所示風機各個轉速下流量值。

(a) 960r/min

(b) 1 080r/min

由圖6(a)可得:噴筒進口流量1.479 9kg/s,5個出口流量和值與進口流量差值為3.755 1e-6kg/s;5個出風口流量非常接近,各出風口流量最大差值0.002 13kg/s。

由圖6(b)可得:噴筒進口流量1.668 2kg/s,5個出口流量和值與進口流量差值為5.811 5e-6kg/s;5個出風口流量非常接近,各出風口流量最大差值0.004 85kg/s。

由圖6(c)可得:噴筒進口流量2.254 7kg/s,5個出口流量和值與進口流量差值為-1.776 2e-5kg/s;5個出風口流量非常接近,各出風口流量最大差值0.007 24kg/s。

(a) 960r/min

(b) 1 080r/min

由圖6可看出:3個轉速下,噴筒進口風量隨風機轉速的增大隨之增加;各個轉速下噴筒進出口流量差值很小,從而確定仿真結果可靠,收斂;五指式噴筒各個出風口風量相等,符合設計要求。

3.2 噴筒內部速度場分析

噴筒不同工況下(風機轉速1 450、1 080、960r/min),Z=0截面處噴筒內部速度的分布如圖7所示。速度矢量圖如圖8所示。

由圖7和圖8可得:橢圓形線界定的范圍表示該區域內存在湍流,由于柱形段穩流作用,有利于風軸向運動,降低旋流。因此,得出在擴福階段以軸向運動為主,局部區域存在湍流。五指式噴筒的擴幅段先按圓柱形式收縮,接著以軸截面為矩形的梯臺擴幅,噴筒的擴幅段會同時發生水平收縮與垂直擴張,氣流在該類型擴幅段不會出現單一的收縮和擴張,氣流管道的斷面不會發生突變。因此,本設計風筒出現紊流的區域較小。