基于CFD的風送噴霧裝置風筒參數優化

關鍵詞：噴霧裝置；風筒；軸流風機；風速；縱向幅寬；響應面法

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0586

中圖分類號：S224.3 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2023）12009310

我國是水果生產大國，根據國家統計局數據， 2021年，我國果園面積達到1 296.2萬hm²，種植面積位于世界首位[1]。果園病蟲害防治施藥作業約占果樹管理總工作量的30%，施藥作業質量和效果直接影響果品質量及產量[23]。目前，我國果園植保機具主要為風送式噴霧機，然而農藥噴霧作業過程中，30%～50% 的農藥會流失飄移到空氣中[4-6]，霧滴在果樹冠層的分布狀況是衡量噴霧效果的重要指標[7]。研究霧滴在果樹冠層內的分布規律對優化噴霧參數、提高噴霧效果有重要意義[8]。優化風送噴霧機的內部結構，可以改善噴霧機的噴霧性能[9]。Van Zyl等[10]研究發現，霧滴在果樹上的沉積分布主要受風機風量的影響，風機風量的大小由風機尺寸、葉片角度、風機轉速等決定，在出口一定的情況下，風量決定風速和風壓。

風送噴霧技術可減少霧滴的飄移，降低農藥對環境的污染[11]。風送式噴霧機作業時，由風機吹出的高速氣流將霧滴送向果樹冠層靶標，空間風場中的氣流吹動果樹冠層，冠層枝葉發生搖動，使霧滴附著在果樹冠層的葉背和葉面。戴奮奮等[12]研究了風送噴霧機的風量計算方式，提出果園風送噴霧機的氣流到達冠層時，風速不能小于9 m·s^-1。荀露等[13]研究表明，多風筒風送噴霧系統施加的輔助風場能夠穿透冠層，提高冠層內部的霧滴沉積量；風場與冠層特征匹配良好，滿足病蟲害防治要求。龔曙光等[14]研究了風筒內部結構對風送式噴霧機效率的影響，噴霧機內流場后導葉前緣的存在會引起氣流旋渦，引起的能量損失會降低風機的使用效率。魏新華等[15]研究了棉花分行冠層組合風送式噴桿噴霧機的風場，測試結果表明，冠層內部氣流速度越大，氣流穿透能力越強。Jadav等[16]研究了風機轉速對噴霧效果的影響，噴霧機的運行速度對噴霧液滴的沉積有顯著的影響，隨著風機轉速的增加，霧滴沉積效率增加。Garcera 等[17]研究了柑橘園噴灑農藥時霧滴的冠層沉積和脫靶損失，發現有35%的霧滴沉積到冠層上，其余霧滴均飄移到空氣中。

基于以上分析，本研究運用計算機流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）技術，設計單因素試驗和響應面優化試驗研究風筒聚風性能，利用CFD軟件對聚風筒的流場分布進行仿真模擬，分析筒壁與軸線的夾角、風筒長度、風機轉速對風筒的聚風性能（風筒出口最大風速和氣流縱向幅寬）的影響，應用響應面優化確定適合多風機噴霧裝置搭載風筒的設計參數，獲得風筒最優參數組合，以提高藥液的穿透力，防止大量農藥飄移，為風送噴霧系統的改進設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 風筒結構

風筒的安裝可以改變氣流運動軌跡，有助于減小氣流水平方向流速的遞減和約束氣流垂直方向的速度，減小霧滴飄移[18]。本研究基于3WF-100型遠射程噴霧機的噴霧裝置對風筒性能進行分析，風筒為圓臺形結構，葉片和電機安裝在風筒內部的中心軸線上，風筒進口的直徑大于出口的直徑，設計方案如圖1所示。風筒進口端面直徑（D₂）為310 mm，筒壁與軸線的夾角（θ）為3°，風筒長度（W₂）為700 mm；風機采用SF3-2型通用軸流風機，風機直徑（D₁）為360 mm，風機寬度（W₁）為240 mm，風機轉速為2 500 r·min^-1。

1.2 風筒仿真分析與對標試驗

為分析不同方案下風筒的聚風性能，運用CFD軟件SolidWorks flow simulation對風筒氣流分布進行仿真分析。

1.2.1 三維模型建立 根據矮砧密植蘋果園機械作業的園藝要求：果樹行距為4.0 m，株距1.5 m，樹高約4.0 m，單棵果樹橫向最大幅寬約2 m；設置計算域為長（L）4.0 m、寬（W）2.0 m、高（H）4.0 m的長方體，保持與噴霧機果園實際工作相同的工作空間[1920]。風機與風筒的外流場無需設置邊界條件，建立風機與風筒所組成的風速系統的三維模型，如圖2所示。

1.2.2 氣流場仿真 采用全局網格劃分和局部網格劃分相結合的方式對風送系統進行網格劃分，共計生成流體計算網格356 117個，通過三級通道細化的局部網格可基本滿足風送系統外流場的仿真分析。

為研究風機旋轉產生的風經過風筒后形成的風場，選取外部流場分析，采用旋轉模型中的局部區域（均值）[21]。聚風筒空氣流場使用MRF模型設置為旋轉域，機體外界流場為靜止，旋轉區域的流動參數使用穩態方法計算，在旋轉區域的邊界求均值，設置葉片旋轉速度為2 500 r·min^-1。采用三維時均雷諾N-S方程和RNG k-ε湍流模型，近壁處流動采用標準壁面函數處理，解算收斂條件為：滿足旋轉流的紊流度、湍流強度的要求[2223]。環境溫度設置為298.5 K，壓力為標準大氣壓101.125 kPa。默認環境風速為0.1 m·s^-1，目標監測選取靜壓、總壓、動壓、流體密度和速度。

1.2.3 風筒氣流場對標試驗 為驗證仿真試驗的準確性，設計了風筒風場對照試驗對風筒風機中心軸線的風速進行標定。試驗儀器：YCBP3-2永磁變頻崗位式變頻風機，轉速為600～3 000 r·min^-1，可供風量4 000～11 000 m³·h^-1，全壓范圍100～350 Pa；UT363S數字式風速儀，風送測量范圍為0.4～30 m·s^-1，分辨率0.01 m·s^-1，精確度±5%；溫度測試儀型號精創RC-4；UNIT非接觸式轉速計，在風機中心軸線上每隔100 mm取1個風速測量點；風筒長度為700 mm，筒壁與軸線的夾角為3°，風機轉速為2 500 r·min^-1。

1.2.4 仿真試驗指標的采集 風筒出口處截面如圖3所示，H3為風速測量點的間距，在風筒出口處豎直中線上每隔50 mm 取1 個風速測量點，共6個，取最大風速點。

在仿真結果中設置流動跡線，獲得圖4中的氣流運動分布，圖中D₃為氣流的縱向幅寬，即在水平方向上從風筒出口到氣流開始分散的縱向距離。以風筒出口處最大風速（以下簡稱風速）和氣流場分布縱向幅寬（以下簡稱縱向幅寬）是否滿足要求評價風筒設計方案的優劣。

1.3 聚風性能仿真試驗設計

為研究風筒長度、筒壁與軸線的夾角及風機轉速因素對風筒聚風特性的影響，設計了3組單因素試驗。

1.3.1 筒壁與軸線的夾角 風筒的出口處設置了環形噴霧裝置，導致風筒出口端面直徑（W₂）最小為100 mm，筒壁與軸線的夾角（θ）最大為8°，在風機轉速為2 500 r·min^-1，風筒長度（L₂）為700 mm的條件下，進行8組筒壁與軸線的夾角的仿真試驗。

θ = arctan D₂ - D₃nbsp;/2W₂ （1）

1.3.2 風筒長度 風筒長度L₂與風筒進口端面直徑D₂、風筒出口端面直徑D₃、筒壁與軸線的夾角θ的關系如式（2）所示。風筒的出口處設置了環形噴霧裝置，導致風筒出口端面直徑D₃ 最小為100 mm，風筒長度W₂ 最大為900 mm。在風機轉速為2 500 r·min^-1、筒壁與軸線的夾角θ 為3°的條件下，仿真試驗進行9組風筒長度的試驗。

W₂ = D₂ - D₃"/2tanθ （2）

1.3.3 風機轉速 在風筒長度W2 為700 mm、筒壁與軸線的夾角θ 為3°的條件下，進行5組風機轉速的仿真試驗。

1.3.4 三因素三水平試驗設計 利用Design-Expert 12.0 的Box-behnken design 模型進行三因素三水平試驗設計與分析，聚風性能試驗因素水平如表1所示。

1.3.5 參數優化和驗證試驗 為獲得風筒設計的最佳參數組合，利用Design-Expert12.0 軟件的優化分析功能，將評價聚風性能的指標V、D3作為目標函數，對聚風筒設計參數進行優化。

較大的風速可以擾動樹葉葉片，導致葉片翻轉而提高葉背的沉積量和果樹內膛冠層的沉積量，但是太大會導致霧滴沉積不均勻和霧滴的飄移，減低噴霧作業的效率。果樹的高為4～5 m，參照已有的研究進展，適宜的幅寬范圍為1 400～1 600 mm[19]，所以目標函數為V[max]、 D2[1 400，1 600]，約束條件為A∈[3，5]、B∈[400，600]、C∈[1 500，2 500]。為驗證優化所得的數據，在筒壁與軸線的夾角3°、風筒長度540 mm、風機轉速2 000 r·min^-1 條件下，選取優化參數在河北農業大學工訓樓進行驗證試驗，試驗時間5 月31 日15：00，環境濕度為31%，環境最大風速約0.2 m·s^-1，風力等級對試驗影響可以忽略不計。

2 結果與分析

2.1 風筒氣流場對標試驗結果分析

對比測量的氣流速度及模擬的氣流速度（圖5）可以得出，模擬結果與實際風場的分布基本吻合。

風筒物理與仿真試驗的出口風速隨距離變化的趨勢基本一致，曲線基本重合，誤差相對較小，仿真模型可模擬軸流風機配置風筒風場的運行規律。

2.2 筒壁與軸線的夾角對風筒聚風性能的影響

筒壁與軸線的夾角θ 對風速和縱向幅寬變化見圖6。當筒壁與軸線的夾角θ 為1～5°時，風速隨筒壁與軸線的夾角增大而增大，筒壁與軸線的夾角為5°時，風速最大11.6 m·s^-1，風速的最大值范圍在3°～6°這個區間。當筒壁與軸線的夾角θ 為5°～8°時，趨勢相反。筒壁與軸線的夾角對縱向幅寬的影響顯著，縱向幅寬隨著筒壁與軸線的夾角增大而增大，當筒壁與軸線的夾角8°時，縱向幅寬最大（4 788 mm），變化趨勢呈正相關。由上述分析，選取3°、4°和5°為后續多因素試驗的筒壁與軸線的夾角。

2.3 風筒長度對風筒聚風性能的影響

2.3.1 仿真結果分析 不同風筒長度下風速和縱向幅寬的變化見圖7。風筒長度對風速的影響顯著，風速隨著風筒長度的增大而減少，趨勢呈負相關，風筒長度為100 mm時，風速最大12.2 m·s-1。風筒長度對縱向寬幅的影響顯著，縱向幅寬隨著風筒長度的增大而增大，趨勢呈正相關，在風筒長度為900 mm時，縱向幅寬最大3 255 mm。

2.3.2 適宜風筒長度的選取 風筒長度為100、200和300 mm時的速度云圖見圖8。可以看出，氣流沒有一直沿著水平方向運動，氣流離開風筒出口運動較短距離后向兩側分散。在風筒長度小于400 mm時風筒的聚風性能不佳，所以在多因素試驗中不采用低于400 mm的風筒長度。由上述分析，選取400、500和600 mm為后續三因素試驗的風筒長度。

2.4 風機轉速對風筒聚風性能的影響

風機轉速對風速的影響顯著（圖9），風速隨風機轉速的增加而增加，趨勢呈正相關。風機轉速對縱向幅寬的影響顯著，縱向幅寬隨著風機轉速的增大而增大，趨勢呈正相關。在風機轉速為2 500 r·min^-1 時，風速最大為9.2 m·s^-1，縱向幅寬最大為2 466 mm。

2.5 風筒參數組合響應面優化

2.5.1 試驗結果與方差分析 為確定風筒的最佳設計參數，進行風筒聚風特性試驗，研究筒壁與軸線的夾角、風筒長度、風機轉速交互作用對聚風特性的影響。17組試驗方案如表2所示，響應指標選取風速（V）和縱向幅寬（D₃）。

回歸方程方差分析見表3。剔除不顯著項，風速（V）、風場縱向幅寬（D₃）分別與筒壁與軸線的夾角（A）、風筒長度（B）、風機轉速（C）的二次多項式回歸方程如下。

V=9.32+0.83B+1.33C+0.93AC-1.32A²-1.12B²-1.77C² （4）

D₃=2160+268.75A+462.2B+281.25C+175AB-411A²-123.75B² （5）

風速回歸模型顯著性檢驗Plt;0.01，失擬項P=0.310 4，說明模型顯著，失擬項不顯著，擬合統計R²=0.921 1，試驗誤差較小，模型擬合程程度高。對風速的影響，B、C、AC、A²、B²、C²顯著，影響的順序為風機轉速gt;風筒長度gt;筒壁和軸線的夾角與風機轉速的交互作用。風筒長度與風機轉速的交互作用對風速的影響顯著。風場的縱向幅寬回歸模型顯著性檢驗Plt;0.000 1，失擬項P=0.606 8，說明模型極顯著，失擬項不顯著，R2=0.974 4，試驗誤差較小，模型擬合度高。對風場縱向幅寬的影響，B 極顯著，A、C、AB、A²、B²顯著，影響的順序為風筒長度gt;筒壁與軸線的夾角gt;風機轉速gt;筒壁與軸線的夾角與風筒長度的交互作用。筒壁與軸線的夾角與風筒長度的交互作用對縱向幅寬的影響顯著。

2.5.2 試驗因素交互作用對響應值影響的3D分析 試驗因素交互作用對風速的影響見圖10。可以看出，在風筒長度不變時，隨著筒壁與軸線的夾角的增大，風速呈先上升后下降趨勢。在筒壁與軸線的夾角不變時，隨著風筒長度的增大，風速呈先上升后下降趨勢。筒壁與軸線的夾角與風機轉速的交互作用對風速的影響顯著，在筒壁與軸線的夾角不變時，隨著風筒長度的增大，風速呈先上升后下降趨勢，風筒長度越大風筒聚風性能更優。在筒壁與軸線的夾角不變時，隨著風機轉速的增大，風速呈先上升后下降趨勢。增加筒壁與軸線的夾角可改善風筒的出口風速，但是總體變化緩慢，筒壁與軸線的夾角對風速影響較小，與表3 的方差分析結果一致。

因素交互作用對風場的縱向幅寬影響見圖11。在風筒長度不變時，縱向幅寬隨著風機轉速的增大呈上升趨勢；隨著筒壁與軸線的夾角增大，縱向幅寬呈先增大后減小的趨勢在筒壁與軸線的夾角不變時，縱向幅寬隨著風機轉速的增大呈上升趨勢；隨著風筒長度的增大，縱向幅寬呈增大趨勢在風機轉速不變時，隨著風筒長度的增大，縱向幅寬呈上升趨勢。縱向幅寬隨著筒壁與軸線的夾角增大而增大，筒壁與軸線的夾角對于縱向幅寬的影響大于風筒長度的影響，筒壁與軸線的夾角與風筒長度的交互作用對縱向幅寬的影響顯著，與表3的方差分析一致。

2.5.3 參數優化和驗證結果分析 選出滿意度最高的組合：風筒長度為538.17 mm，筒壁與軸線的夾角為3.457°，風機轉速為1 988 r·min^-1。此參數組合下，風速為9.25 m·s^-1，風場縱向幅寬為1 575 mm。在優化參數條件下進行驗證試驗，結果如表4所示。試驗取平均值，風速為9.12 m·s^-1，風場縱向幅寬為1 627 mm，預測值與實際試驗值誤差小于5%，說明預測模型可靠。

3 討論

目前，模擬方法已被廣泛應用于研究風送式噴霧機的氣流場分布。優化風筒出口風速和風場縱向幅寬有利于提高霧滴的穿透性和農藥的利用率，對風送系統性能改善具有重要意義。

本研究運用計算機流體力學技術與對標試驗研究風筒的氣流場分布，選取風速和縱向幅寬為試驗指標，利用單因素試驗與多因素試驗分析了遠射程噴霧機風送噴霧裝置的筒壁與軸線的夾角、風筒長度、風機轉速對風筒聚風性能的影響，建立了筒壁與軸線的夾角、風筒長度、風機轉速與風速和縱向幅寬的二次回歸方程，明確筒壁與軸線的夾角、風筒長度、風機轉速對風速和縱向幅寬有顯著影響。通過響應面分析，筒壁和軸線的夾角與風機轉速的交互作用對風速影響顯著，筒壁和軸線的夾角與風筒長度對縱向幅寬影響顯著。以風速和縱向幅寬為優化目標，確定風筒最參數組合：風筒長度為540 mm，筒壁和軸線的夾角為3°，風機轉速為2000 r·min^-1，在這個參數組合下，風速V 為8.98 m·s^-1，風場縱向幅寬D3為1 627 mm。驗證試驗結果平均值與理論值的相對誤差都在5%以內，表明優化結果可靠。研究結果可為遠射程噴霧機噴霧裝置結構優化提供參考。

（責任編輯：溫小杰）