傘形風場式防飄噴霧裝置沉積特性研究

李建平 李紹波 于少猛 王鵬飛 楊 欣 劉洪杰

(1.河北農業大學機電工程學院, 保定 071001; 2.河北省智慧農業裝備技術創新中心, 保定 071001)

0 引言

隨著果園種植面積增加和農村勞動力減少,風送式噴霧機被廣泛應用[1-2],但目前風送式噴霧機大多是通過單一輔助氣流將霧滴運送至靶標,一定程度上提高了霧滴穿透性及沉積量。霧滴飄移量和沉積量是影響噴霧機作業效果的重要因素[3-4],減少霧滴在非靶標區域的無效沉積與靶標外飄移一直是植保領域研究熱點[5-6]。霧滴飄移是指在施藥過程中,從噴嘴噴射出的霧滴群受空間氣流的影響而改變運動方向、沉積位置的一種運動過程[7-8]。霧滴飄移的影響因素有很多,主要包括:空間的氣流分布,如流速大小、方向等[9],施藥平臺移動速度和采樣方式等[10-12];霧滴自身因素,如霧滴粒徑和霧滴物理屬性等[13-14];施藥參數,如噴霧壓力、距離、角度等[15-16]。降低霧滴飄移量的技術有很多,如靜電噴霧、氣流輔助噴霧和隧道式噴霧等。氣流輔助噴霧技術不僅能降低霧滴飄量,還能脅迫霧滴向靶標運動,也能使果樹冠層孔隙率變大,增加葉背及內膛霧滴沉積量[17-18]。

在風送式噴霧防飄裝置與霧滴沉積特性方面,國內外研究人員開展大量研究。FOQUé等[19]研究了輔助氣流和噴霧角度對霧滴沉積量的影響,發現加大輔助氣流速度能夠有效減少霧滴飄移。PASCUZZI等[20]建立了一個由二階微分方程組組成的數學模型,模擬不同粒徑的霧滴在輔助氣流方向上的運動,預測霧滴的飄移情況。BAHROUNI等[21]研究施藥參數和風速對霧滴沉積量和霧滴飄失率的影響,利用多個回歸模型預測霧滴沉積量和飄失率,發現對霧滴沉積量影響最大的因素是霧滴粒徑和輔助氣流大小。樊桂菊等[22]設計了多氣流協同式果園V形防飄噴霧裝置,探究V形風場對霧滴冠層沉積效果的影響,減少霧滴在果樹行間飄移。胡軍團隊[23-24]設計了錐形風場式防飄噴霧裝置,通過噴霧試驗明晰錐形風場對霧滴沉積效果的影響規律,利用錐形風場減少環境風速對霧滴運動的影響,降低霧滴飄移量,分析防飄裝置的防飄原理,改善防飄噴霧作業效果,并對其裝置進行優化設計。

綜上所述,果園風送式噴霧的防飄效果與其裝置結構形式和作業參數等有關,本文在單一氣流的基礎上設計傘形風場式防飄噴霧裝置,并開展霧滴防飄驗證試驗和果樹冠層沉積試驗,明晰傘形風場影響霧滴沉積的規律,以期為該防飄裝置在不同環境風速下最佳作業參數的選擇提供依據。

1 結構與原理

1.1 結構設計

設計的傘形風場式防飄移裝置結構如圖1所示。該裝置可產生錐形風場和柱形風場,其主要由雙層錐形氣流罩和調節機構兩部分組成,實物圖如圖2所示。調節機構主要由8個調節滑板組合形成,多個調節滑板呈環狀布置,滑動安裝在安裝間隙內且中部對應環形板的內孔形成大小可調的通氣口,其可以調整裝置內側出風口的直徑(以下簡稱出口直徑),可以改變錐形風場與柱形風場的分布。雙層錐形氣流罩由兩層錐形面和氣流分流結構構成,最主要參數為錐形風道長度、錐形風道寬度和開口夾角,目前常用扇形噴頭霧錐角最大為110°,所以將開口夾角設計為110°。

圖1 傘形風場式防飄移裝置結構圖Fig.1 Structure diagrams of umbrella wind field type anti-drift device1.雙層錐形氣流罩 2.調節機構 3.扇形噴頭 4.進風口 5.調節機構上底板 6.旋轉葉片上限位柱 7.旋轉葉片上限位槽 8.旋轉葉片 9.旋轉葉片下限位柱 10.旋轉葉片下限位槽 11.調節機構下底板

圖2 傘形風場式防飄移裝置實物圖Fig.2 Physical picture of umbrella wind field type anti-drift device

液體在霧化時,會形成空心液膜,根據張京等[25]研究發現霧滴在液膜附近區域容易飄失,過短的錐形風道和環境氣流會對空心液膜造成不良的影響,而過長的錐形風道會影響風機的效率,且會增加能量損失。錐形風道長度計算式為

(1)

式中l——錐形風道長度,mm

w——液膜寬度,mm

β——噴頭霧錐角,(°)

由于空心液膜長度為100 mm,結合式(1)將錐形風道長度最短設為175 mm。在保證風機風量的前提下,縮短風道寬度以提高錐形風場氣流速度,本研究設計錐形風道寬度為10 mm。供風裝置為CZ-LD370型中壓離心式風機,風管與進風口直徑均設計為100 mm[26]。

1.2 防飄機理分析

扇形噴頭在噴霧作業過程中,自然風風向變化不規則,導致部分農藥霧滴被自然風攜帶向非靶標區域,造成農藥用量增加,增大環境污染。在霧滴形成的過程中,隨著霧滴與噴頭距離增大,扇面逐漸散開,霧滴運動速度和夾帶氣流速度衰減。在液膜末端,此區域霧滴受自然風的影響最大,霧滴飄失最嚴重[27]。本文設計的傘形風場工作原理如圖3所示:錐形風場可與自然風形成合力,削弱自然風對霧滴運動的影響,引導扇面邊界上逃逸的霧滴運動到靶標區域;柱形風場能夠提升霧滴穿透性,在減少霧滴在非靶標區域沉積的基礎上保持其原有的穿透性。

圖3 傘形風場防飄原理圖Fig.3 Schematic of anti-drift principle of umbrella wind field

側向氣流、柱形氣流和錐形氣流在霧滴從噴嘴噴出的瞬間形成霧滴可移動的空氣介質,由于液滴的質量和尺寸很小,液滴周圍的流動可以忽略,因此,不考慮霧滴間內力。為進一步明晰組合風場的防飄機理,利用笛卡爾坐標系建立單個霧滴在組合風場作用下的受力分析圖,如圖4所示,分析單個霧滴受力情況與運動趨勢。VT為防飄裝置錐形風場的風速;VC為防飄裝置柱形風場的風速;VS為側風的風速;FO為霧滴運動時空氣對霧滴的用力;G為霧滴所受的重力。為了簡化模型,VC的方向垂直于豎直面,U為霧滴在受到環境氣流前的速度,FO的方向與U速度方向相反。

圖4 霧滴在組合風場下受力分析圖Fig.4 Force analysis diagram of droplet in combined wind field

基于質點運動學基本定律,分析霧滴在空間的速度,在笛卡爾坐標系進行投影,其中VTx、VTy、VTz分別為VT在X、Y、Z方向的分速度,得到霧滴在空氣中X、Y、Z方向的速度為

(2)

基于質點動力學基本定律,分析霧滴在空間內所受力的情況,得出霧滴在空氣中的運動方程為

(3)

式中a——空氣中霧滴的運動加速度,m/s2

m——霧滴質量,kg

g——重力加速度,m/s2

V——霧滴速度,m/s

霧滴在空氣介質中運動會產生阻力FO,FO與霧滴的運動速度具有二次關系,即

(4)

式中Vso——霧滴上升速率的平均值,m/s

結合式(3)、(4)得

(5)

結合式(2)～(5)得到簡化后的單個霧滴運動微分方程組為

(6)

由式(6)可得,傘形風場式防飄移裝置形成的錐形風場可以削弱環境氣流對霧滴運動所產生的影響,能夠進一步約束霧滴在豎直方向上的運動,提高霧滴的防飄性和穿透性。

1.3 防飄仿真驗證

依據傘形風場式防飄移裝置結構設計與參數,在SolidWorks中繪制三維模型,將裝置到果樹冠層全區域簡化成長方體(3 000 mm×3 000 mm×5 000 mm),建立CFD(計算機流體力學)數值模型,通過ANSYS Mesh劃分網格如圖5所示,網格數量為865 525個。利用質子動力學模型[28]得到普通氣流(僅有柱形氣流)和傘形風場式氣流(柱形氣流、錐形氣流)的霧滴群運動軌跡如圖6所示。

圖5 計算域網格劃分Fig.5 Computational domain meshing1.側風入口 2.防飄裝置 3.果樹 4.氣流出口1 5.氣流出口2

圖6 霧滴群軌跡Fig.6 Droplet cluster trajectory

由圖6可知,傘形風場式氣流較普通氣流的霧滴沉積區域更為集中,霧滴飄失率降低32.5%,表明該裝置具有較強的防飄移效果。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗儀器

試驗采用氣流輔助噴霧沉積量檢測系統。該系統包括噴霧性能綜合試驗臺、T35型可調速軸流通風機(模擬噴嘴到果樹冠層間的環境風速,風速范圍0～4 m/s、風量4 263 m3/h、轉速1 450 r/min);UT363S型數字式風速計,風送測量范圍為0.4～30 m/s,分辨率0.01 m/s,準確度±5%;CZ-LD370型中壓離心式風機(提供防飄裝置風速范圍0～40 m/s);水敏紙,重慶六六山下植保科技有限公司生產;Epson perfection 1670型激光掃描儀;Image master霧滴分析軟件;豐諾110-02型扇形噴頭;60型柱塞泵等。

2.2 試驗設計

2.2.1防飄噴霧裝置氣流場仿真與對標試驗

在防飄移驗證試驗開始前,采用仿真試驗與物理試驗相結合的方式探究調節機構對防飄噴霧裝置傘形風場的影響,確定調節機構出口直徑的調節范圍,并驗證仿真試驗是否符合實際情況。

仿真試驗時,出口直徑調整范圍20～100 mm,間隔10 mm。利用Flow Simulation模擬防飄噴霧裝置外流場,建立防飄裝置底部的橫向速度切面圖(圖7),在其圓周上均勻取6個測速點,取平均值作為錐形氣流風速。中心軸線風速作為柱形氣流風速。

圖7 速度切面圖Fig.7 Velocity section diagram

試驗過程:開啟離心風機,防飄噴霧裝置入口風速調節至30 m/s。采用風速儀測量7個取樣點的風速,每組試驗重復3次取平均值。為保證風場測試不受外界自然風干擾,試驗在河北農業大學農業機械實驗室進行(圖8)。

2.2.2防飄移驗證試驗

為更直觀地展示防飄噴霧裝置的防飄性能,以純凈水為介質,利用噴霧性能綜合試驗臺對防飄裝置進行防飄移驗證試驗(圖9),在T35型可調速軸流通風機上加裝蜂窩整流裝置模擬果園行間自然風(與噴霧方向垂直,下文以側風描述)。根據風速儀顯示的數值合理調節風機轉速,使其在裝置進口處以風速30 m/s穩定供風。試驗條件為:側風風速2 m/s、調節機構直徑50 mm、噴霧壓力0.3 MPa、噴霧距離500 mm、格強3/8-03型扇形噴頭、噴霧時間30 s,每組試驗重復3次取平均值。

圖9 防飄移驗證試驗示意圖Fig.9 Schematic of anti-drift principle verification test1.控制閥 2.流量計 3.壓力表 4.傘形風場式防飄移裝置 5.集霧槽 6.量筒 7.離心風機 8.蜂窩整流裝置 9.軸流風機 10.水箱

2.2.3霧滴沉積均勻性試驗

為探究傘形風場對噴頭噴霧作業的影響,開展霧滴沉積特性綜合試驗前,利用垂直霧滴分布測試儀對安裝傘形風場式防飄移裝置前、后的霧滴垂直沉積均勻性進行試驗(圖10)。試驗條件為:防飄裝置進風口風速30 m/s、噴霧壓力0.3 MPa、噴霧距離500 mm、格強3/8-03型扇形噴頭、噴霧時間 30 s,每組試驗重復3次取平均值。

圖10 霧滴沉積均勻性試驗Fig.10 Droplet deposition uniformity test1.垂直霧滴分布測試儀 2.水箱 3.傘形風場式防飄移裝置 4.控制閥 5.流量計 6.壓力表 7.離心風機

2.2.4霧滴沉積特性綜合試驗

于2023年6月4日在國家蘋果產業體系保定綜合試驗站(順平縣蒲上鎮西于家莊村)矮砧密植蘋果園內進行田間試驗,試驗對象為3年生富士蘋果,果園株距1.0～1.2 m、行距4.0 m,樹高2.5～3.0 m,紡錘形樹冠,矮砧密植,南北走向,果園采用水肥一體化灌溉;環境溫度15℃,環境相對濕度45%,環境風速1～2級。

(1)果樹冠層霧滴沉積測試

將果樹冠層自上而下、由內而外進行分區,如圖11所示,即3個水平面(a、b、c)間距300 mm,5個垂面(1、2、3、4、5)和3個環形(C1、C2、C3)間距300 mm。每兩個截面的焦點為采樣點,各采樣點布置水敏紙一張(規格35 mm×35 mm)。將水敏紙的收集冊按頁掃描處理,經Image master霧滴分析軟件[29-30]處理之后,得到每組試驗的每個位置上的霧滴沉積量,依據上述指標來評價后續的試驗效果[31]。

圖11 采樣點布置示意圖Fig.11 Sampling point arrangement

由于噴霧機施藥區域內果樹冠外層部分葉片的水敏霧滴紙上霧滴較大或較多,導致匯聚成一片,導致霧滴覆蓋率大于30%,超過了Image master霧滴分析軟件能夠計算的霧滴沉積量閾值。對于這種情況的水敏紙,根據霧滴噴施在水敏霧滴測試卡上接觸角的變化規律[32],基于水敏霧滴測試卡上所有變色面積都為半飽和吸收的假設,理論最小沉積量Vd計算式為

(7)

式中C——霧滴分析軟件提取到的覆蓋率,%

H——單張標準水敏霧滴測試卡厚度,mm

(2)果樹冠層空氣中飄移測試

在果樹冠層右側0.1 m處立一直桿(圖11,高2 m),由上往下間隔0.3 m布置水敏紙(35 mm×35 mm)收集霧滴。

為了分析側風風速、出口直徑以及噴霧壓力等因素對霧滴沉積分布情況的影響,根據上述試驗方法,首先進行出口直徑單因素試驗,在噴霧壓力 0.3 MPa、 出口直徑30～70 mm、間隔10 mm的情況下分析霧滴沉積量、霧滴飄移量的變化(圖12)。其次進行噴霧壓力的單因素試驗,將出口直徑設定為50 mm,調節噴霧壓力為0.3～0.8 MPa,每組試驗較前一組增加0.1 MPa,共計6組試驗用于分析噴霧壓力對霧滴沉積量和霧滴飄移量的影響。并通過Scan軟件對水敏紙進行區域提取、比重設置、閾值調整以及碎片化等處理,將處理結果導入Origin進行整理分析。

圖12 試驗現場Fig.12 Testing site

通過分析出口直徑和噴霧壓力單因素試驗結果,確定多因素試驗的取值范圍。為分析不同出口直徑、噴霧壓力以及測風風速共同作用下的霧滴沉積效果,建立響應曲面模型,分析了這3個因素對霧滴沉積量影響的主次程度。對所得的模型進行優化并進行試驗驗證,得到最優的施藥參數。

3 試驗結果與影響因素分析

3.1 裝置氣流場仿真與對標試驗結果

由圖13可知,兩種氣流物理與仿真試驗的出口風速隨出口直徑變化的趨勢基本一致;物理試驗的出口風速均小于仿真試驗,原因是3D打印的模型與仿真模型結構尺寸有一定誤差,裝置內部連接部分導致較小的氣流損失,但誤差均小于10%,仿真模型可基本模擬傘形風場式防飄噴霧裝置風場的運行規律。

圖13 不同出口直徑下氣流風速柱形圖Fig.13 Histogram of air velocity at different outlet diameters

錐形氣流出口風速隨著出口直徑的減小而增大,原因是出口直徑減小會導致更多的氣流運動至錐形風道,進而提升錐形氣流風速;在出口直徑為100 mm時,出口風速達到最小。柱形氣流出口風速隨著出口直徑增大而增大,當出口直徑大于50 mm時,出口風速增長趨勢減緩;出口直徑為30～70 mm時,錐形氣流與柱形氣流風速較大,因此確定機構調整范圍為30～70 mm。

3.2 防飄移驗證試驗

為探究安裝傘形風場式防飄移裝置前后環境氣流對霧滴飄移量的影響,根據2.2.1節分別進行兩組試驗,收集各試管內液體的體積,將數據導入Origin,霧滴沉積分布如圖14所示。

圖14 普通氣流和傘形風場式氣流的霧滴水平沉積分布Fig.14 Horizontal droplet deposition distribution of ordinary air flow and umbrella-shaped air flow

如圖14所示,由于側風的影響,安裝防飄裝置前霧滴沉積量的主要分布區域發生了少量偏移和擴大,但其區域內的沉積量遠大于其他區域,體現了霧滴飄移分布中的沉積量集中性。沉積分布后方區域出現明顯的“尾巴”,質量分布不再呈現對稱分布,即為飄移分布的沉積特性,具有重尾性[33]。安裝防飄裝置后的霧滴沉積區域較為集中,主要分布于試管10～40之間,以霧滴飄移率和霧滴質量中心距來衡量裝置的防飄性能,計算公式為

(8)

(9)

式中Sd——霧滴飄移率,%

D——霧滴質量中心距,mm

n——集霧槽總數,個

Vi——第i個集霧槽中液體體積,mL

Vt——實際噴霧總體積,mL

di——第i個集霧槽中心到集霧板中線距離,mm

代入數據得安裝傘形風場式防飄裝置后的霧滴飄移率、質量中心距分別為11.3%、308 mm,較安裝前分別降低27.5%和16.2%,表明傘形風場式氣流能有效限定霧滴沉積范圍,降低霧滴飄移率。

3.3 霧滴垂直沉積均勻性分析

分別收集垂直霧滴分布測試儀在兩種噴霧作業下不同高度的霧滴沉積量,結果如圖15所示。

圖15 普通氣流和傘形風場式氣流的霧滴垂直沉積分布Fig.15 Vertical deposition distribution of droplet in ordinary air flow and umbrella-shaped air flow

由圖15可知,安裝傘形風場式防飄裝置后的霧滴沉積量變異系數為43.4%,較普通氣流降低7%,表明防飄噴霧裝置能使霧滴垂直分布均勻性提高,裝置能夠減弱重力對霧滴運動的影響,并有效減少霧滴在垂直方向上漏噴、過噴問題。

3.4 霧滴沉積特性單因素試驗

3.4.1出口直徑

當側風風速為2 m/s、噴霧壓力為0.4 MPa、出口直徑為30～70 mm時,不同出口直徑下果樹冠層葉片霧滴沉積分布如圖16所示。圖16左側是霧滴在側風影響下霧滴在飄移測量面的沉積分布圖,可直觀地顯示霧滴的飄移分布;右側是霧滴在側風影響下霧滴在冠層a、b、c的沉積分布圖,可直觀地顯示霧滴在冠層內部及冠層上、中、下的沉積分布。從圖中可以看出,隨著出口直徑的增大,霧滴的飄移量呈先增大后減小的趨勢,在出口直徑為50 mm時,霧滴飄移量達到最大。在出口直徑為30 mm時,霧滴飄移量最小。隨著出口直徑的增大,霧滴飄移分布逐漸向內側擴散。出口直徑大于50 mm時,霧滴飄移量增長趨勢改變,霧滴飄移分布集中于飄移測量面的下半部分。由圖16右側可知,霧滴在上層和中層的沉積量較大,隨著出口直徑的增大,霧滴沉積較為集中的區域距冠層中軸的距離呈先增大后減小的趨勢;霧滴沉積分布均勻性呈先增加后減小的趨勢,且在出口直徑為60 mm時霧滴沉積均勻性最好。由圖17可知,隨著出口直徑的增大,霧滴在上層、中層、下層的沉積量逐漸向平均沉積量靠近,證明增加出口直徑有助于提高霧滴的沉積均勻性。綜上所述,出口直徑增大有助于提高霧滴的穿透性,同時霧滴飄移量會隨之增大,原因是出口直徑增大,柱形風場強度增大,導致霧滴穿透性增強;然而錐形風場強度降低,防飄效果減弱,導致霧滴飄移量增大。最終選擇50、60、70 mm為多因素試驗時的出口直徑水平取值。

圖17 不同出口直徑下霧滴沉積量和飄移量Fig.17 Droplet deposition and drift for different outlet diameters

3.4.2噴霧壓力

當側風風速為2 m/s、出口半徑為50 mm、噴霧壓力為0.3～0.8 MPa時,霧滴沉積量和飄移量變化趨勢如圖18所示。由圖18可知,隨著噴霧壓力的增大,霧滴的飄移量逐漸增大,在噴霧壓力為 0.8 MPa 時霧滴飄移量達到最大;霧滴沉積量呈先增加后減小的趨勢,在噴霧壓力為0.5 MPa時霧滴沉積量達到最大。由圖19左側可知,霧滴飄移集中區域主要在霧滴飄移測量面的左側與底部,隨著噴霧壓力的增大,霧滴飄移沉積區域向內側擴散。由圖19右側可知,霧滴在上層和中層的沉積量較大;隨著噴霧壓力的增大,霧滴沉積較為集中的區域與冠層中軸的距離逐漸增大;霧滴沉積均勻性在噴霧壓力為 0.6 MPa達到最好;綜上所述,增加噴霧壓力有助于提高霧滴的穿透性,但同時也會增加霧滴的飄移量,原因是噴頭霧化能力隨噴霧壓力增大而增強,使霧滴初速度變大,利于霧滴向冠層內膛運動;但噴霧壓力過大,霧滴粒徑減小導致霧滴飄移潛力增大。最終選擇0.4、0.5、0.6 MPa為多因素試驗時的噴霧壓力水平取值。

圖18 不同噴霧壓力下霧滴沉積量和飄移量Fig.18 Droplet deposition and drift at different spray pressures

圖19 不同噴霧壓力下果樹冠層葉片霧滴沉積分布示意圖Fig.19 Distribution diagrams of droplet deposition in canopy leaves of fruit trees under different spray pressures

3.5 霧滴沉積特性多因素試驗

3.5.1試驗方案與結果

以出口直徑、噴霧壓力及側風風速為霧滴的沉積分布影響因素,根據Box-Behnken試驗方案設計三因素三水平響應面試驗,各因素編碼如表1所示。試驗方案以及霧滴冠層沉積量試驗結果如表2所示,其中X1、X2、X3為因素編碼值。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Test factors and codings

表2 霧滴沉積試驗方案與結果Tab.2 Test scheme and results of droplet deposition

3.5.2數學模型與方差分析

利用Design-Expert 13.0軟件對試驗數據進行回歸處理分析,得到側風風速、出口直徑和噴霧壓力對霧滴沉積量回歸方程為

(10)

依據該模型,通過F檢驗得到P值以確定各個因素對響應值的影響顯著性,結果如表3所示。

(11)

相同噴霧條件下,霧滴沉積量預測值與試驗值二者相關系數為0.97,相關性較高,表明該預測模型可分析各因素對霧滴沉積的影響規律。

3.5.3交互作用

根據霧滴沉積量預測模型繪制三因素交互作用的霧滴沉積量響應面,如圖20所示。隨側風風速增大,霧滴沿側風方向飄移增加,霧滴冠層沉積量減小;同一側風風速時,沉積量隨噴霧壓力增大而減少,側風風速為2 m/s、噴霧壓力為0.5 MPa、出口直徑為70 mm時,霧滴沉積量最大,為5.24 μL/cm2,由于噴霧壓力繼續增加使得霧滴粒徑減小,導致霧滴自身飄移潛力增大而沉積量減小。同一噴霧壓力時,沉積量隨出口直徑呈先減小后增大的趨勢。原因是減小出口直徑能夠提高錐形氣流風速,提高霧滴防飄性;增加出口直徑能夠提高柱形氣流風速,提高霧滴穿透性。側風風速為2 m/s、噴霧壓力為0.6 MPa、出口直徑為60 mm時,霧滴沉積量最大,為3.67 μL/cm2,由于出口直徑減小使得霧滴穿透性減弱,導致霧滴沉積量減小。

圖20 各因素交互作用的霧滴沉積量響應面Fig.20 Droplet deposition response surfaces of interaction of various factors

綜上所述,3種因素對霧滴沉積量的影響由大到小為側風風速、噴霧壓力、出口直徑,適當增加出口直徑和噴霧壓力有助于提高霧滴沉積量。

3.6 基于Isight的參數優化與試驗驗證

3.6.1參數優化

多島遺傳算法(Multi-island genetic algorithm,IGA)是一種基于遺傳算法的分布式優化技術。它將傳統的遺傳算法拓展到多個“島”(Island)的框架,通過“移民”(Migration)的概念來模擬種群的遷移和交流,使得每個島的種群可以不斷地接受新的基因信息,從而獲得更好的搜索性能。IGA的優點在于可以有效地提高傳統遺傳算法的搜索效率,更好地支持分布式優化, 更有效地避免局部最優解,并且可以更好地支持多目標優化。

進行防飄裝置結構參數優化時,可在Isight基礎平臺下將響應面試驗獲得的回歸方程集成到Calculator計算模塊,優化模型如圖21所示。通過圖20曲面的分析,并結合防飄裝置實際作業要求確定優化數學模型,定義約束條件為

圖21 Isight優化流程Fig.21 Isight optimization process

(12)

首先,將回歸方程輸入到Isight優化模型;其次,根據Optimization模塊設置的約束條件以及多島遺傳優化算法,多島遺傳算法各控制參數如表4所示;最后,在Calculator模塊中計算霧滴沉積量Y1,并將其輸出值作為優化的目標函數值,如此循環往復,直至優化算法收斂或者優化次數達到最大值,在Isight軟件中利用多島遺傳算法進行100 000次的迭代計算,得到最優目標值。利用多島遺傳算法優化霧滴沉積量,得到尋優路徑圖如圖22所示。

表4 多島遺傳算法控制參數Tab.4 Multi-island genetic algorithm control parameters

圖22 多島遺傳算法尋優路徑Fig.22 Multi-island genetic algorithm to find optimal path

對目標函數進行求解,從最優集中得到,當X1=-1、X2=-1、X3=1,即側風風速為2 m/s、噴霧壓力為0.4 MPa、出口直徑為70 mm時,霧滴沉積量最大,為6.34 μL/cm2。當側風風速大于2 m/s時,應該減小出口直徑與噴霧壓力,以提高冠層霧滴沉積。

3.6.2最優參數驗證

為驗證優化后的防飄裝置實地施藥作業效果,于2023年6月9日在國家蘋果產業體系保定綜合試驗站(順平縣蒲上鎮西于家莊村)矮砧密植蘋果園內進行田間試驗,試驗條件和環境與2.2.3節相同。在園內選取同一行的5棵枝繁葉茂的典型果樹,按照風送噴霧機國家標準方法[34]進行。水敏紙布置圖如圖11所示,裝置以作業速度1.0 m/s前進。霧滴沉積量取平均值為5.96 μL/cm2,與響應面優化結果差異率僅為5.9%,試驗驗證所得結果與模型預測結果基本吻合。

4 結論

(1)設計了一種傘形風場式防飄噴霧裝置,通過CFD仿真驗證傘形風場防飄效果,采用仿真與物理試驗相結合的方式探究調節機構對風場的影響,開展防飄可行性和霧滴均勻性試驗,結果表明霧滴飄移率、質量中心距、霧滴沉積分布變異系數較普通氣流分別降低27.5%、16.2%、7%。解決了傳統風送式噴霧機采用普通輔助氣流存在的非靶標區域霧滴飄移的問題。

(2)進行單因素和多因素果園噴霧性能試驗,以側風風速、出口直徑、噴霧壓力為因素建立了二次回歸模型,并繪制了響應曲面。結果表明3種因素對霧滴的沉積特性均有較為顯著的影響,影響由大到小依次為側風風速、噴霧壓力、出口直徑。

(3)當側風風速為2 m/s、噴霧壓力為0.4 MPa、出口直徑為70 mm時,霧滴沉積量最大,為6.34 μL/cm2;側風風速大于2 m/s時,應該適當減小出口直徑和噴霧壓力有助于提高霧滴沉積量。以最優作業參數進行田間試驗,霧滴沉積量為5.96 μL/cm2,與響應面優化結果差異率僅為5.9%,試驗驗證所得結果與模型預測結果基本吻合。