多風筒風送噴霧系統的設計與試驗

荀 露 ,李 君,2,陸華忠,2,李志強,盧忠岳,袁謀青

(1.華南農業大學 工程學院,廣州 510642;2.南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室,廣州 510642)

0 引言

大容量、淋雨式的噴霧方法常見于我國大部分果園,在施藥過程中農藥流失、漂移嚴重,農藥有效利用率低,且會造成嚴重的環境污染[1]。風送噴霧技術能夠增加霧滴動能,提高對果樹冠層的穿透性,且由于氣流對枝葉的擾動作用,可有效改善葉片正反面的沉積,因而被廣泛運用到果園的植保作業中[2-11]。

為使不同類型風送噴霧機的風場特性與果樹冠層特征相匹配,有效提高霧滴在果樹冠層的覆蓋率,目前已進行了大量相關研究。李龍龍等[7]設計的多風機式果園風送噴霧機,利用冠層分割模型,得到單個霧化單元所需風量,通過控制無刷直流風機轉速實現風量的局部調節,增加霧滴穿透性和施藥精準度。呂曉蘭等[12]通過仿真和試驗研究了軸流式果園風送噴霧機導流板角度對氣流場三維分布的影響,結果表明:分別以果樹樹干高度和冠層高度為依據,調節上下導流板的角度,使風場的垂直分布與果樹冠形相適應,有利于氣流脅迫霧滴進入果樹冠層。宋淑然等[13]對寬幅風送噴霧機空間氣流場的分布規律進行了研究,結果表明:風筒軸心上的氣流速度隨風送距離的增加呈現冪函數衰減,為得到契合果樹冠層的風速和霧滴沉積,噴霧作業時靶標果樹與出風口間的距離應選擇合理。

由于多風筒風送噴霧系統的組成相對復雜,其氣流場分布及噴霧效果有待進一步研究。為此,本文對該系統的各部件進行了選型和設計,并對系統的風場分布特性和噴霧效果進行了測試,以期為多風筒噴霧機的優化提供借鑒和參考。

1 風送噴霧系統組成

果園多風筒噴霧機的風送系統主要由離心風機、多口分配器、柔性輸風管和風筒構成,如圖1所示。

1．風筒 2.柔性輸風管 3.多口分配器 4.離心風機圖1 風送系統組成圖Fig.1 Air delivery system。

離心風機產生的氣流,首先通過有多個圓形出風口的多口分配器,然后經柔性輸風管和風筒擴散到外部空間。噴頭內置在風筒內部,液力霧化的霧滴能夠與風送系統產生的氣流場充分混合,發揮風場的輔助作用。風筒固定在可調桿架上,手動調節風筒在空間的高度、寬度和角度來適應不同的靶標[14]。

2 風送噴霧系統關鍵部件設計

2.1 風機選型

風機選型主要在于風量和風壓的確定。根據置換原則[15]和壓力損失的計算,可分別確定滿足果園噴霧使用要求的風量和風壓。以南方果園[16]為標準,計算得風量Q=0.24～1.5m3/s,風壓P要大于774.7Pa。按照設計要求,選擇了九洲普惠11-62多翼式離心風機,風量為2.2～2.8m3/s,風壓為1 090～1 167Pa。

2.2 多口分配器設計

多口分配器設計成半圓柱面,增加可利用的出風口數量。為提高對果樹冠層的適應性,共設計了8個出風口,如圖2所示。當對不同幅寬要求的靶標進行噴霧作業時,可用端蓋堵住特定出風口進行調整。為實現各出風口風量的調節,在多口分配器圓形出風口內安裝有可調角度的風門,通過改變出風面積有效調節出風量。

圖2 多口分配器Fig.2 Configuration of the distributor。

離心風機矩形出風口的長L、寬W分別為350mm和320mm,以出風口長度L作為多口分配器的直徑。各出風口采用梅花形排布,提高各出風口風速的均勻性。綜合考慮空間尺寸限制和柔性風管的配合要求,出風口直徑取為80mm。為得到出風口風速分布情況,利用風速儀測試了各出風口在風機轉速660、810、960r/min下的風速值:平均值和變異系數分別為18.68m/s、2.13%,21.39m/s、1.18%,24.84m/s、4.24%。變異系數都在5%以下,證明此結構的多口分配器風速分布均勻性較好。

2.3 風筒設計

為改善風筒出口氣流的空間分布,設計了如圖3(a)所示的帶導流裝置的風筒。風筒由柱形噴筒、錐形噴筒、擴幅噴筒三段構成[17]。其中,柱形噴筒和錐形噴筒內安裝有4片導流片和1個橢球形導流器,可有效減少噴筒內的渦流,使氣流速度向軸線集中;擴幅噴筒用于提高噴霧機的噴幅。風筒通過3D打印一體成型,質量輕且精度高。

圖3 風筒Fig.3 Air duct。

擴幅噴筒的底部和兩側面開有小孔,藥管一端穿過底部小孔與噴霧系統相連,另一端通過兩圓桿卡接在側面小孔內。噴嘴通過螺紋與藥管相連,內置在風筒內部,液力霧化的霧滴能夠與風場充分混合,發揮輔助風場的作用。

擴幅噴筒的結構參數如圖3(b)所示。為達到壓縮擴幅效果[18],對各參數進行了設計和計算。擴幅噴筒入口直徑D=75mm,為保證壓縮效果,同時留有噴嘴安裝空間,出風口寬度B設計為45mm。當入口直徑和出風口寬度確定之后,噴筒長度L決定了水平方向的壓縮率。為使擴幅噴筒與錐形噴筒間光滑過渡,同時保證壓縮效果,最終確定風筒長度為120mm。出風口高度H與射流在空間的擴散角有關,試驗測得風筒其它參數固定時,在風機額定轉速下,射流擴散角接近15°,氣流到達出風口時的噴幅為200mm,所以出風口高度H取200mm。

3 風場分布特性試驗研究

3.1 試驗儀器

希瑪AR866A熱線式風送計,風速測量范圍0.3～30m/s,分辨率0.01m/s,風速測量誤差±3%;自制的風場測量定位采樣架高3m,寬2m,網格大小11cm×11cm,鐵絲直徑2.5mm[13];光電式轉速計(10～99 999r/min),直尺等。

3.2 試驗方法

3.2.1 單風筒風場分布特性試驗

利用采樣架測量時,每個截面測量3個數據:風筒軸心上的風速值,沿風筒長軸方向風速為2m/s的上下兩個位置點。以20cm為間隔移動采樣機進行測量,直到軸心風速小于2m/s。分別在風機轉速960r/min(額定轉速)和660r/min的工況下進行試驗。

3.2.2 多風筒風場分布特性試驗

利用采樣架測量時,以中間風筒軸線與采樣架平面交點為中心,以網格邊長0.11m為步進值,沿鉛錘方向向兩側延伸進行測量。在每個測量點上,取10s內的平均風速作為該點的采樣值,直到風速值小于0.3m/s。以25cm為間隔移動采樣機進行測量,試驗時各風筒出口風速調節為10m/s。中間風筒位置固定,調節上下風筒位置,在風筒垂直間距分別為25、33、41cm進行3組試驗。風場測試現場如圖4所示。

圖4 風場測試現場圖Fig.4 The field site of wind velocity distribution。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 單風筒風場分布特性

不同轉速下軸心上的風速曲線隨風送距離的變化規律如圖5所示。對曲線進行擬合表明,使用冪函數擬合時決定系數最大。高低轉速下,試驗擬合的冪函數分別為

圖5 軸心上的風速曲線Fig.5 Variation curve of longitudinal airflow。

V(960r/min)=4.5x-0.08,R2=0.95

(1)

V(660r/min)=5.53x-0.73,R2=0.96

(2)

由此可見,出風口軸心上的風速呈冪函數衰減,距出風口較近時,風速急劇衰減,隨著風送距離的增加,衰減程度不斷減小。

圖6為風機為960r/min和660r/min時風筒出分口的射流邊界曲線。在高轉速和低轉速下,其變化規律呈現出一致性:上下射流邊界曲線,在達到最大噴幅前成線性擴展,之后開始無規律的衰減收縮。高轉速下,在2m處達到最大噴幅85cm;低轉速下,在1.2m處達到最大噴幅52cm。風筒噴出的高速氣流在開始階段不斷卷吸周圍的空氣,射流邊界曲線線性擴大;達到射程后,能量嚴重衰減,邊界開始無規律地向內收縮。分別對線性部分進行擬合,其函數和決定系數分別為

圖6 出風口射流邊界曲線Fig.6 Curve of jet boundary at outlet。

y1=0.1342x+0.1184,R2=0.9624

(3)

y2=-0.1414x-0.0991,R2=0.8817

(4)

y3=0.1341x+0.103,R2=0.9293

(5)

y4=-0.1473x-0.091,R2=0.9581

(6)

高轉速下,兩條射流邊界曲線y1、y2交于點(-0.785,0.0125),與x軸的夾角分別為7.643°、8.049°;低轉速下,兩條射流邊界曲線y3、y4相交于點(-0.689,0.0106),與x軸的夾角分別為7.638°、8.379°。高轉速和低轉速下,射流邊界曲線的交點基本落在x軸上,上下夾角差異很小,風筒出風口的射流邊界曲線基本以風筒軸線為中心上下對稱地進行線性擴展。

3.3.2 多風筒風場分布特性

不同風筒間距下,噴霧機的風場分布如圖7所示。當間距為33cm和41cm時,風場分布類似:當風送距離較小時,與風筒等高的位置出現風速的高峰區;隨著距離的增大,風速分布呈中間高、上下低的紡錘形。當風送距離較小時,各出風口的氣流是分散狀態,因而出現了3個高峰區;隨著距離的增大,3股氣流的邊界曲線呈線性擴展,在空間開始混合并相互作用,中間區域的風速值趨向一致,上下邊界的氣流不斷衰減,呈現紡錘形。

圖7 不同風筒間距下的氣流場分布Fig.7 Wind velocity distribution under different air duct spacing。

當風筒間距為25cm時,風場在各垂直截面的分布呈現一致性:中間區域是風速的高峰區,上下兩側風速值急劇減小;當風筒間距為25～50cm時,風速衰減明顯,之后風速開始緩慢衰減。由于風筒間距小,3股氣流在25cm處就開始接觸混合,形成了中間區域風速均勻、穩定的風幕。

針對冠形規則的果樹(如籬壁型),可適當減小風筒間距值,形成風幕一樣的風場適應果樹冠層;針對冠形變化較大的果樹,如紡錘型、三角型,可適當增大風筒間距,使風速的高峰區與冠厚大的區域相匹配。

不同間距下,風場的垂直截面分布具有良好的對稱性,說明所設計的風送系統保證了各風筒氣流分布的一致性和穩定性。

4 噴霧作業性能試驗

4.1 試驗材料與方法

為驗證多風筒風送噴霧系統的噴霧效果,選擇冠高1.5m、冠厚1.2m的柑橘樹進行試驗,如圖8所示。在冠層高度分別為50、80、110cm的左邊緣中部及右邊緣共布置9個采樣點,在葉片的正反面用回形針固定水敏紙。采樣點布置情況如8(b)所示。

圖8 試驗柑橘樹與采樣點布置Fig.8 Sample distribution and Citrus tree used in the experiment。

試驗時,作業速度1m/s,噴霧距離30cm,噴霧壓力0.5MPa。選用霧錐角為80°的扇形霧噴頭進行雙側噴霧試驗,每組試驗重復3次。根據此柑橘樹的冠形和冠高,風筒間距取33cm,各風筒的出風口風速調節為10m/s。

4.2 試驗結果與分析

試驗結束后,利用DepositScan分析水敏紙的霧滴覆蓋率。點1、2、3視為左列,點4、5、6視為中列,點7、8、9視為右列;點1、4、7視為上層,點2、5、8視為中層,點3、6、9視為下層。冠層內的沉積狀態如圖9所示。

圖9 冠層沉積試驗結果Fig.9 Droplet coverage on the canopy。

柑橘樹冠層左右兩外側霧滴覆蓋率基本相同,葉片正面霧滴覆蓋率分別為62.25%和58%,葉面背面霧滴覆蓋率分別為24.99%和19.46%。由于冠層的遮蔽作用,冠層內部的藥液附著有所減少,葉片正反面的覆蓋率分別為43.82%和14.23%,冠層內部葉片反面仍然有不少霧滴沉積,說明所施加的輔助氣流能夠穿透果樹冠層,對枝葉產生擾動作用,增加葉片背面的沉積。

冠層不同高度處的葉片,正反面的霧滴覆蓋率基本一致,正面為53.25%～57.21%,反面為17.72%～20.72%。由此表明:輔助氣流場與冠層特征匹配良好,提高了霧滴在冠層不同高度的覆蓋均勻性。

利用DepositeScan分析樣本沉積密度的最小值為66.6個/cm2,滿足病蟲害防治的要求20個/cm2。

5 結論

1)單個風筒軸心上的風速值隨風送距離呈冪函數衰減,射流邊界曲線先線性擴展,達到最大噴幅后開始無規律地衰減和收縮。

2)根據不同風筒間距下噴霧機的風場分布特性,在實際噴霧作業中,針對冠形規則的果樹(如籬壁型),可適當減小風筒間距,形成風幕一樣的風場適應冠層;針對冠形變化較大的果樹(如紡錘型、三角型),可適當增大風筒間距值,使風速的高峰區與冠厚大的區域相匹配。

3)柑橘樹的噴霧試驗表明:施加的輔助風場能夠穿透冠層,提高冠層內部的霧滴沉積;風場與冠層特征匹配良好,冠層不同高度處的霧滴覆蓋率分布均勻;霧滴沉積密度最小值為66.6個/cm2,滿足病蟲害防治要求。