基于CFD的多源注入式混藥器設計與優化仿真分析

石毅新，蔣　蘋，向思亮，翟世克

基于CFD的多源注入式混藥器設計與優化仿真分析

石毅新，蔣蘋，向思亮，翟世克

(湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙 410128)

目前農作物病蟲害防治的方法以農藥化學防治為主，具有作業效率高、見效快、使用方便、成本低等優點。為實現農藥的合理利用，避免農藥浪費，降低作業風險以及環境污染，在傳統混藥器的基礎上設計了一種可以同時將多種農藥與水混合的多源注入式混藥器。相較于傳統的預混式混藥器，多源注入式混藥器可將多種農藥與水在混合室內進行混合后完成噴灑，能一次性實現多種農藥的在線混合、噴灑，具有自動化，智能化，精準化，操作安全等特點，對于實現我國農業的可持續化發展具有重要的意義。

CFD；多源注入；混藥器；優化仿真

農藥與水的在線混合在農業植保工程領域具有廣闊的應用前景。農藥與水的混合方式可分為射流式與注入式。射流式混藥器結構簡單，可靠性相對較高，但受其結構限制，在控制混藥比與混藥量方面還存在一定不足。注入式混藥器相對于射流式具有智能化、可控化等特點，可利用智能化技術操控注入閥門的開閉，以此來調配混合農藥的濃度。汪福杰等[1]針對注入式混藥器開展了相關研究，但所設計的注入式混藥器僅用于單種農藥的混合。周書嫻等[2]通過采用雙級射流式混藥器，在一定程度上解決了射流式混藥器混藥比小的問題。何培杰、陳翠英等設計了兩級射流式泵混合裝置，實現了在線自動混合，可有效降低操作人員作業中的危險性，避免污染環境，提高了植保機械的作業效率。代祥等[4,5]、宋海潮等[6.7]設計了一種旋動式射流混藥器并對其進行了優化仿真，該旋動式射流混藥器可以在線混合脂溶性農藥。加拿大GILLS將DIS與機器視覺結合研發了一種用于防治雜草的變量噴霧器，利用閉式循環對載流和壓力進行控制，但由于注入農藥的口距離噴頭過遠，此系統對于變量的突變并不敏感；VONDRICKA[8]對于DNIS的延時影響因素進行了研究，發現隔膜泵比齒輪泵更加適合用于作為泵的動力元件。

射流式混合器雖然存在混合比小、不可控和能量損耗大、無法實現多種農藥同時在線混合等問題，但是具有結構簡單、成本低、作用效果好等優點，適合被廣泛應用在植保機械中。

1　多源注入式混藥器的結構與工作原理

1.1　結構模型及物理原理

多源注入是指在混藥器中擁有兩個以上的農藥入口，可以將不同的農藥注入到同一個混合管中，實現不同的農藥配比。其混合管相較其他不同混藥器更長，以便于設置多個農藥入口。

為了讓混合管中的農藥與水混合得更加均勻，可以通過改變農藥入口的注入角度，使混合管中的農藥均勻分布，本型多源注入式混藥器設置了3個農藥入口，共用一根混合管，將混合管段劃分為不同的區，對不同的區進行分別分析。

注入式混藥器的主要結構包括進水口，進藥口1，進藥口2，進藥口3，出流管，混合管，如圖1所示。其主要工作原理是利用水泵將水箱中的水泵入混藥器的進水管，同時利用藥泵將農藥母液泵入3個進藥口，并且可以根據需要調整進藥口數，以達到最好的混藥效果，保證混藥的質量。

圖1　多源注入混藥器結構

1.2　混合原理控制方程

對于多源混藥器出口面和進口面，其動量方程為：

伯努力方程為：

根據雷諾系數公式和平均流速公式，如下：

混合比：

式(4)中：QS、Q1、Q2為分別為藥液流量、水流量、出口流量，單位(m3/s)。

2　CFD建模

2.1　模型建立與命名

本文根據混藥器改變量的不同，將農藥流入角度與方向作出標記，有助于區分不同混藥器，便于統計仿真數據。若模型為三口農藥注入，三個農藥注入口均與水流方向相反，則標記成model-45°-1逆-2逆-3逆，簡寫為mod-45°-1n-2n- 3n，如圖2所示。

圖2　流體仿真模型

2.2　邊界條件設定

載流系統采用普蘭迪(PLD)系列水泵直流電隔膜泵，該水泵最大可以達到1 MPa可以完成絕大多數的田地及果園的噴霧作業，混藥的混合液出口到噴槍形成噴霧所需要的壓力根據混藥器不同的使用場景有所區別：在田地作業時，混藥器的出口壓力一般為0.5 MPa；在果園作業時，混藥器的壓力一般為1 MPa，可以達到良好的噴霧效果。本文所選用的水泵最大壓力達到1 MPa，計算水泵到混藥器的壓力損失大致為0.15 MPa，故選定混藥器壓力入口為0.85 MPa，將混合液出口的壓力設置為0.8 MPa，這樣可以滿足絕大多數場地的噴霧需求。藥液注入裝置為Kamoer 公司生產的蠕動泵，可以精確計算農藥的用量，以此來確定農藥與水的配比，最高輸出壓力為0.5 Mpa，同時可以利用公式來計算出農藥入口的流速。藥泵的最低流量為5 mL/min，最高流量為440 mL/min。為了方便計算，取流量的中值222.5 mL/min，利用上述公式求出農藥母液的3個入口流速分別為1.19427 m/s，0.524 887 89 m/s，0.295 249 443 m/s，即入口流速。

2.3　仿真組次的設計

仿真模型的入藥管角度分為30°和45°兩組；入藥管工作情況分為單口注入、雙口組合注入、三口注入。為了方便模型的設計，本文只在三口均注入時設計順逆的入藥口，可以根據變量設計出多組模型，如表1所示。

表1　模型注入三口的編號

當有兩個入藥管工作時，即雙口組合注入，有1-2，1-3，2-3三種情況。當只有一個入藥管工作時，即單口注入，共三組分別為1，2，3。以上為45°角的所有仿真模型，加上30°的所有仿真模型，一共16組。

3　數值模擬

3.1　FLUENT的設置以及解法步驟

(1)利用solidwork建立模型并進行網格劃分，將網格大小設置為0.5 mm，用check功能檢查網格，確定是否有負的網格面積。

(2)將時態設置為Steady，總體(general)參數設置參照壓力求解器Pressure-Based，在模型(models)設置為上述的方程模型。

(3)在FLUENT的材質庫中選擇water-liquid(液態水)作為工作液體，并將操作環境設置為標準大氣壓。

(4)設置邊界條件(Boundary Conditons)，當農藥入口為3個時，將入口標記為壓力入口1號、速度入口2號、速度入口3號、速度入口4號。將高壓水入口壓力設置為0.85 MPa，標記為inlet-1；將農藥入口1的速度設置為0.295 249 443 m/s，標記為inlet-2；將農藥入口2的速度設置為0.524 887 89 m/s，標記為inlet-3；將農藥入口3的速度設置1.194 27 m/s，標記為inlet-4；將混合液的出口壓力設置為0.8 MPa，標記為outlet。

(5)運用SIMPLEC算法進行壓力速度耦合求解運算。

(6)為了方便收斂，應將連續性殘差收斂值設置為0.005，可使混藥器在更少的次數內收斂。

(7)初始化的設定，將流體初始化標記為Hybird Initialization。

(8)在Run Calculation中進行2000次迭代模擬計算。

(9)對結果進行檢查。

3.2　仿真結果分析

本仿真模型設計了角度、入藥口的順逆、入藥管的通斷三個變量，由此可設置不同的仿真，根據不同的變量選擇5個模型作為仿真結果的示例表示出來，觀察其速度，壓力，湍流動能3種結果。圖3為mod45-1s-2s-3s即三口注入，角度為45°，且入藥管全部為順的流體模型的仿真結果。圖4為1號和3號入藥管注入農藥順逆改變，即模型mod45-1s- 2n-3n的模型仿真結果。

圖3　模型mod45-1s-2s-3s的仿真結果

圖4　模型mod45-1s-2n-3n的仿真結果

由圖3(a)可知在混合管階段，壓力相較于入水口和出流口較小，農藥通過入藥管進入混合管時受到的阻力較小，故能量損失更小，可使作業更加綠色環保。由圖3(b)可知在混合管階段，水流會加速。由伯努利方程可以知道，在高度不變的情況下，流速變大使得壓力變小，以此原理來設計較小口徑的混合管，可以讓混合管內壓力變小，減小農藥進入混合管中的阻力。圖3(c)顯示為混藥時的湍流動能分布，湍流動能表示流體中的湍流強度，湍流越強湍流動能越大，農藥和水的混合效果也會越好，故湍流動能可以作為農藥和水混合優劣程度的評價指標之一。

圖5與圖6分別為注入角度為30°的模型，其中圖5為3口注入全部為順流注入，即模型mod30-1s-2s-3s的仿真結果。圖6為1口為30°、2口為150°、3口為150°的注入情況，即模型mod30-1s-2n-3n的仿真結果。

圖5　模型mod30-1s-2s-3s的仿真結果

圖6　模型mod30-1s-2n-3n的仿真結果

將所有仿真數據提取進行統計,統計結果見表2。從表2中可知Mod45-1s-2s-3s的仿真壓力相對適中，湍流動能最高，且混合管內的速度最高，最利于多源農藥的混合，可認定該模型為最優結構。

表2　仿真結果數據統計

在上表中速度結果的單位為m/s，壓力結果的單位為MPa，湍流動能的單位為103m2/s2。

4　討論

本多源注入式混合器的設計基于CFD軟件對不同結構形式進行對比仿真，通過觀察壓力、速度、湍流動能分布云圖與對比數據最終得出關鍵的設計參數。通過對比仿真分析可以得出，三口均工作的模型Mod45-1s-2s-3s，混合管壓力為0.776 Mpa，且湍流動能的結果有8.75，為16組模型中第二大，既能確保較大的湍流強度，又能保證混合管壓力不超標，可以認定為最優模型，為后續的混藥試驗與植保噴霧，特別是多源農藥混藥與噴霧提供一定技術參考。

[1] 汪福杰,蔣蘋,石毅新,等.植保機在線混藥系統的設計及混藥性能試驗[J].湖南農業大學學報:自然科學版,2020, 46(2):3-6.

[2] 周書嫻,石毅新,蔣蘋.基于CFD兩級注入式射流混合器設計與試驗研究[J].中國農業科技導報,2021,23(6): 86-96.

[3] 何培杰,陳翠英,吳春篤,李雪輝.兩級射流泵混藥裝置試驗研究[J].農業機械學報,2003,34(1):57-60,75.

[4] 代祥,徐幼林,陳駿陽,等.射流混藥器改進提高混藥均勻性及動態濃度一致性[J].農業工程學報,2019,35(8): 65-74.

[5] 代祥,徐幼林,宋海潮,等.混藥器混合均勻性分析方法與在線混合變工況試驗[J].農業機械學報,2018,49(10): 172-179.

[6] 宋海潮,徐幼林,鄭加強,等.旋動射流混藥器擴散角對脂溶性農藥混合效果的影響[J].江蘇農業科學,2018,46 (18):234-238.

[7] 宋海潮,徐幼林,鄭加強,等.脂溶性農藥旋動射流混藥器結構分析與混合均勻性試驗[J].農業工程學報,2016,32 (23):86-92.

[8] VONDRICKA J, SCHULZE LAMMERS P. Real-time controlled direct injection system for precision farming[J]. Precision Agriculture, 2009, 10(5): 421-430.

Design and optimization analysis of multi-source inmixer based on CFD

SHI Yixin, JIANG Ping, XIANG Siliang, ZHAI Shike

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128,China)

At present, the method of agricultural pest control is mainly chemical control, which is the method of using pesticides to control animal and plant diseases. Pesticides have the advantages of high efficiency, quick efficiency, convenient use, and high economic benefits. How to realize the rational use of pesticides and prevent pesticide waste, the danger of human medicine contact, and environmental pollution has sufficient research value. Multi-source injection mixer is a mixture of multiple pesticides that are mixed with water in the mixing room and then sprayed with it. Relative to the traditional premixed drug mixer, a multi-source injection mixer can achieve the online mixing of multiple pesticides at a time, with automation, intelligentialize, precision, and operational safety characteristics. In this paper, a multi-source injection mixer that can mix multiple pesticides with water simultaneously is designed, It is of great significance to the sustainable development of agriculture in China today.

CFD; multi-source injection; drug mixer; optimization simulation

S226.6

A

2096–8736(2022)05–0006–05

湖南省教育廳優秀青年項目(21B0207)，湖南省科技成果轉化及產業化計劃項目(2020GK4075)。

石毅新（1986—），男，湖南長沙人，博士研究生，講師，主要研究方向為農業機械結構設計與開發。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立