基于CFD的果園噴霧風筒裝置流體分析與試驗

摘要：針對傳統果園風送式噴霧機存在風能利用率低、風場較為分散等問題，開發一種與獨立風機直接裝配的小型噴霧風筒裝置。運用CFD軟件對該風筒裝置內外流場進行模擬仿真，分析內流場風場云圖及距外流場出風口不同距離平面中心區域的風速。結果表明：風筒內流場風速線分布均勻，能很好地產生旋流風，風能損失小；在外流場中，各平面風速分散性較小，出口風速達到17.15 m/s，滿足果園噴霧機的風筒出口速度要求。并通過試驗平臺驗證在距離出風口0.6 m處，實際風速為10.48 m/s，與仿真分析結果相比，相對誤差為2.58%，且豎直高度上噴幅可達0.650 m，覆蓋寬度可達0.669 m，證明所設計的風筒裝置在該噴霧距離下能對果樹冠層有較好的覆蓋性，為進一步設計機架及風筒裝置布置方案提供理論支撐。

關鍵詞：果樹冠層；風筒噴霧；CFD模擬；內外流場；噴霧試驗

中圖分類號：S224.3

文獻標識碼：A

Fluid analysis and experiment of orchard spray with wind-tube device based on CFD

Abstract：

Aiming at the problems of low utilization rate of wind energy and relatively scattered wind field in the traditional orchard air-driven sprayer， a small spray air cylinder device directly assembled with an independent fan is designed. And the internal and external flow field of the air duct device is simulated by the CFD software， the cloud image of the wind field in the inner flow field and the wind speed in the central area of the plane at different distances from the air outlet of the outer flow field are analyzed. The results show that wind velocity lines in the flow field inside the fan duct are evenly distributed， which can generate swirling wind well， and the wind energy loss is small. In the simulation model of the external flow field， the wind speed dispersion of each plane is small， the outlet wind speed reaches 17.15 m/s， which meets the outlet speed requirement of the air guide tube of the orchard sprayer." The test platform verifies that the actual wind speed is 10.48 m/s at a distance of 0.6 m from the air outlet， compared with the simulation analysis results， the relative error is 2.58%， and the vertical spray width can reach 0.650 m， and the horizontal coverage width can reach 0.669 m， which proves that the device can cover the fruit tree canopy better under this spraying distance and provides theoretical support for the further design of the frame and the arrangement of axial flow air duct device.

Keywords：

fruit tree canopy; duct spray; CFD simulation; internal and external flow field; spray test

0 引言

在農業生產過程中，植保作業是最基本的生產環節，而現有的普通風送式噴霧機作業時霧滴附著性差，沉積于單位葉片面積上藥液極不均勻［1］，且易造成風流曳力過大或過小，引起大量霧滴越過作物或無法穿透作物冠層，無法精準對靶作物，藥物利用率低。

針對噴霧機風送裝置的結構，國內外學者已做了大量研究，并在現有傳統風送裝置結構形狀及尺寸上做了改進和優化。2013年，宋淑然等［2］就對風送式噴霧機噴筒結構進行了數值模擬及試驗研究，通過數值及正交試驗的方法，優化了風筒結構，試驗證明了出風口直徑、柱形噴筒長度及錐形噴筒長度是影響噴筒壓力損失及出口風速的主要因素；2018年，宋俊偉等基于風送式噴桿噴霧機，開發了一款新式風送噴霧機導風筒，并采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法對風筒內、外流場進行模擬分析，在大田里實地試驗后表明相應冠層霧滴沉積分布均勻，風送效果顯著提高；2021年，邊永亮等［3］研究了風機配置聚風筒的風送噴霧系統的聚風性能，運用單因素試驗和響應面參數優化試驗，分析了風筒類型、聚風筒長度和風機轉速對聚風特性的影響。國外學者Dou等［4］以軸流風機為基礎，設計了可獨立控制風機轉速、進風面積和風箱導流板角度的果園氣流調節試驗臺，通過調節風機轉速、導流板傾角或進風面積來調節果樹冠層不同位置的風速和風量，Duga等［5］通過對三種具有不同類型空氣排放系統的空氣輔助果園噴霧器進行試驗評估，結果表明噴霧器上空氣排出單元的結構對空氣的流動模式有強烈影響，從而提出保護噴霧型隧道噴霧器可以幫助途中的霧滴進一步減小來自側向風的影響。

綜上可知，國內外學者大多只是對傳統風送式噴霧機的風筒結構尺寸進行了模擬仿真、優化及實地試驗，在一定程度上有效節約了施藥量，但不能完全滿足現代化農業植保機械智能化、自動化的需求［6］。因此，為提高果園噴霧機作業效率和質量，便于控制風筒裝置進行對靶噴霧，本文針對風送式噴霧風筒裝置進行結構設計，開發一種模塊化的、與獨立風機直接相連且開停與方向可控的小型化風筒裝置。由于CFD可以很好地模擬流體流動情況，能直觀地查看風筒裝置的流體壓強分布、流線均勻性及速度分布特征，便于判斷風筒裝置的合理性和實用性，因此利用CFD技術對新型風筒裝置進行內流場及外流場模擬分析，以便根據仿真結果對風筒裝置結構或者尺寸的不合理之處進行改進，并將最終改進好的風筒安裝在試驗平臺上進行噴霧性能測試，以確定該裝置的最佳工作參數。

1 新型噴霧風筒裝置設計

1.1 傳統風送式噴霧機風送裝置

兩種傳統風送式噴霧機如圖1所示，傳統風送式噴霧機風送模塊大多只能實現單一功能且結構較為復雜［7］，一般需要若干個伸縮型輸風管道連接在風機出口，如圖1（a）所示，輸風管道較長，途中易出現紊流現象，風能損失較大，每個噴頭對應的風筒的風量會隨著噴頭距離噴霧機的遠近而有所差異，且送風管道通常由伸縮管組成，當樹枝長勢雜亂時，容易劃破送風管道；另外一種風送式噴霧機，如圖1（b）所示，噴頭圍繞著軸流風機出風口環形布置，并安裝可調節的空氣分流百葉控制噴霧器氣流［8］，但此種方式，無法精確控制風向，不能滿足將藥液精準地送到靶標的要求。

1.2 新型噴霧機整體結構

結合參考文獻以及對傳統風送式噴霧機的結構分析，同時結合農機現代化、智能化及小型化的時代需求，對噴霧機風送模塊進行改進［910］，設計裝置如圖2所示。

為了確保風筒裝置的聚風特性，將整個風筒輸風管道劃分為直圓筒、漸縮筒及導流板三部分，這樣設計有助于引導風形成均勻的氣流場，從而降低軸流風在輸送過程中的速度衰減，最終脅迫霧滴更有效地沉積在葉片上。為每個三孔環形噴頭配置獨立風機和導風筒，將三孔環形噴頭固定于漸縮筒的末端出口處，直圓筒與軸流風機之間通過螺栓連接，將三者組裝成為一個整體的風筒裝置，然后通過環形固定件與舵機輸出端的聯軸器進行孔軸過渡配合連接。在SolidWorks2020軟件中對各零部件進行三維建模并裝配，3D建模及實物如圖3所示。

1.3 新型風送噴霧機工作原理

當雙目視覺及激光雷達等傳感器檢測到果樹樹冠時，將采集到的圖像信息傳輸到中心處理器，將樹冠圖像分割成上下兩層并檢測樹冠密度大小，通過舵機控制風筒裝置對準相應冠層中心，再控制軸流風機轉速為對應樹冠調節送風量和施藥量［11］，從而實現精準自動對靶，并針對性地集中施藥，同時減少藥量在輸送途中的損失，保證施藥效果。

1.4 新型風筒裝置風機選型

軸流風機產生的空氣流為旋轉射流，并能生成徑向和軸向的壓力梯度，可增強氣流脅迫霧滴的能力［12］，因此選用軸流風機。風送式噴霧機風筒的性能主要由出口處風速大小及均勻性兩個因素影響，且果樹冠層內外農藥沉積物的分布很大程度上取決于氣流供應速率。因此選用的風機性能需滿足風量“置換原則”和風速“末速度原則”［13］。

1.4.1 單風機風量確定

確保單個風機所產生的總風量能夠覆蓋對應果樹冠層空間，如圖4所示。

根據置換原則，此風機產生的風量需置換出霧滴運動的空間［14］，計算公式如式（1）所示。

式中：

Q——單風機總風量，m3/h；

Vs——噴霧機速度，m/s；

L——噴霧間距，m；

H3——冠層離地高度，m；

N——獨立風機個數，取N=2；

H1——樹高，m；

K——氣流沿途損失系數。

K的取值范圍與氣象條件、作物品種、枝葉茂密程度等因素有關［15］，一般取1.2～1.4。因本文參考設計對象為果樹高度1.5～2.0 m、樹冠直徑1.0 m左右的柑橘樹，取K=1.2。考慮一般情況下的作業工況，各參數的取值為：Vs=0.7 m/s，L=0.6m，H1=1.8 m，H3=0.4 m，代入式（1），計算可得單個獨立風機風量Q≥635.04 m3/h。

1.4.2 末速度確定

不僅要求氣流輔助霧滴到達靶標，還需有效地擾動枝葉，使得霧滴更好地沉積在葉片背面。因此要求氣流輸運到達冠層時具有一定的速度。

風筒裝置出風口的速度［14］

式中：

v2——氣流到達樹體的末速度，m/s；

h2——單風機覆蓋寬幅，m，噴霧間距為0.6 m時，取h2=0.65 m。

由文獻［13］可知，蘋果樹、梨樹的氣流末速度取值范圍為7～10 m/s，因此本文取柑橘樹所需氣流末速度v2=9.0 m/s。代入式（2），可得v1=16.15 m/s。

綜上分析，軸流風機選型參數如表1所示，型號為PFC1412HE-00。

2 新型噴霧風筒裝置模型仿真分析

2.1 生成模型與確定計算域

為驗證該新型風筒裝置的性能，采用CFD軟件對新型風筒裝置進行模擬仿真。為提高仿真效率同時保證仿真質量，對模型進行合理簡化，刪除螺栓孔及倒圓角，簡化模型及外流場如圖5所示，為了使外流場符合實際作業區域，確定外流場尺寸（長×寬×高）為1 500 mm×550 mm×550 mm。

在SpaceClaim界面對幾何模型進行建模處理，設置相關交界面及進行布爾操作，然后導入mesh界面進行網格劃分處理，為保障風筒內部流場模擬分析的精確度，對風筒裝置內外流場分別劃分網格，內流場較為復雜，因此風筒裝置的扇葉、罩蓋及輸風管道采用細化的非結構化網格，而風筒外流場較為規則，采用較為粗糙的非結構化網格，最終網格劃分后的內外流場如圖6所示。

整個風筒裝置內外流場共劃分網格數3 375 358，節點數為1 374 999。

2.2 風筒內外流場分析

2.2.1 模型設置與求解

風筒裝置內外流場仿真模型為Realizable k-epsilon湍流模型，該模型輸運方程式如式（3）、式（4）所示。

式中：

ρ——空氣密度，kg/m3；

κ——湍動能，m2/s2；

ε——耗散率；

uj——時均速度的張量符號，m/s；

μ——流體的動力粘度，N·s/m2；

μt——湍動粘度，N·s/m2；

Pκ——平均速度梯度引起的湍動能κ的產生項；

Pb——浮力引起的湍動能κ的產生項，此處取Pb=0；

YM——可壓湍流中脈動擴張的貢獻；

ν——流體速度，m/s；

Sκ、Sε——用戶定義的源項。

壁面條件設為標準壁面函數SWF，為了模擬風機葉片快速旋轉時的實際工況，計算域采用多重參考模型MRF（Multiple Reference Framemodel）法求解，該方法能有效模擬旋轉的物體和靜止的壁面之間的耦合。該模型在旋轉坐標系下的絕對速度數學通用矢量表達式為

風機轉向按照右手螺旋定則設置，將風機轉速設置為7 500 r/min，這個數值代表風機額定功率工作時的轉速。

氣流場計算域模型的進、出口分別采用壓力入口和壓力出口邊界條件，壓力值均為標準大氣壓；采用coupled求解方法，其余采用默認設置。進行穩態計算后再瞬態計算，設定計算求解迭代步數為1 500，在迭代計算1 330步后，各項殘差值低于10-4，計算收斂。

2.2.2 結果分析

由圖7可知，軸流風機快速旋轉產生的軸流風經風筒裝置時的壓強變化，從風筒裝置的直圓筒內部壁面到中心，壓強逐漸減小且沿水平軸線對稱分布。

由圖8可知，內部風場線分布均勻，在漸縮筒中心區域最為密集，導致在漸縮筒出口處出現紊流現象，但由于外環分布的三孔噴頭中心區域本身存在空間，結合圖9可知，出口中心區域處幾乎不存在風速，其余區域風速分布均勻，表明紊流對出口處風速及霧滴軌跡沒有影響，同時證明該風筒裝置能有效降低風的分散，內流場能滿足設計要求。且由仿真分析結果可知，風筒裝置的出口風速最大達到17.15 m/s，滿足出口速度要求。

為進一步研究風筒裝置外部流場的風速分布，選取距風筒裝置出風口不同距離的平面分析風速分布，在后處理軟件Tecplot中，選擇距離出風口0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m的平面進行風速分析，各平面速度分布云圖如圖10所示。

由圖10可知，各平面呈現出中心區域風速大，平面兩側風速較小，這是風在經過漸縮筒后，風能在出風口集中釋放產生的效果；距離出風口0.4 m和0.5 m平面的最大風速達到14.24 m/s、13.09 m/s，該兩處距離下的風速減弱得較為平緩。而距離出風口0.6 m和0.7 m平面的最大風速分別為10.75 m/s、8.75 m/s，原因為在該距離下，風力發散開始變得突出，風速明顯衰減。

3 性能試驗

為檢驗本文所建模型仿真的合理性及新型風筒裝置實際應用效果，設計風速測量試驗，探究風筒出風口上、中、下端氣流的風速分布規律，并將中端位置風速與仿真值進行對比，然后對氣流與霧滴協同運動所產生的沉積域分布情況進行分析，確定合適的噴霧間距。

3.1 試驗方法

3.1.1 風場分布驗證試驗

首先搭建相關試驗平臺，主要由柱塞泵、藥液管道、藥箱、機架、調速器、新型風筒裝置、電源設備及幕布等組成，在機架上固定安裝風筒裝置，使用調速器將風機轉速設置為7 500 r/min，與仿真參數一致。利用分體式風速計AS-H測量風筒裝置出口上、中、下端相應點的風速，在同一位置分別進行3次測量，結果取平均值，試驗平臺如圖11所示。

3.1.2 氣流霧滴協同沉積試驗

由上述試驗可知，在中軸線位置出風距離0.1～0.3 m處風速不穩定，因此從0.4 m處進行噴霧試驗。在噴霧壓力為0.8 MPa及軸流風機送風情況下，測試風速為0、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s時，距風筒裝置出風口不同距離（0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m）時中心區域處的噴幅情況。

將幕布分別置于距風筒裝置出風口0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m處進行試驗。在相同風速下，分別測試霧滴沉積域豎直高度和寬度，在同一設定條件下分別進行3次噴霧試驗，為確保霧滴在幕布上形成穩定的沉積區域，每次噴霧時長為10 s，但由于沉積域形狀不規則，所以僅記錄幕布上沉積域的最大有效豎直高度和寬度，計算出各組數據的平均值。

3.2 試驗結果分析

3.2.1 風速測量結果與分析

上下端的風速測量結果如圖12所示。中端的測量結果如表2所示，并將此位置的測量值與仿真值進行對比。

由圖12可知，風筒出口兩端風速值較為接近，且呈梯度下降，能較好地約束霧滴向外圍飄散。結合表2可知，在達到額定功率下的風速時，噴霧間距為0.1～0.3 m的中端位置風速紊亂，誤差值較大，應避免此區間作為噴霧間距。噴霧間距大于0.3 m時，風速隨著噴霧間距增大而減小，各豎直平面中心風速均小于仿真值，兩者相對誤差較小且相對誤差值隨著距出風口距離的增大而增大。噴霧間距為0.4 m和0.5 m時，風速均超過10.0 m/s且遠大于末速度要求的9.0 m/s；噴霧間距為0.6 m和0.7 m時，風速接近9.0 m/s，但當噴霧間距為0.7 m時，風速衰減程度較大。

3.2.2 霧滴沉積域結果與分析

噴霧試驗結果統計如表3所示。由表3可知，在同一噴霧間距下，隨著軸流風機風速增加，霧滴沉積域寬度和高度值呈現出先升高后下降的現象；在同一風速下，隨著噴霧間距的增加，霧滴沉積域寬度、高度值都在增加。在各個平面上，整體變化規律基本保持一致，但距出風口距離由0.4 m變為0.5 m時，沉積域高度及寬度增加值尤其明顯，在20.0 m/s風速情況下，高度值最大增加0.201 m，寬度值最大增加0.175 m，而距出風口距離由0.6 m變為0.7 m時，沉積域高度和寬度值變化最為平緩，同樣在20 m/s的風速情況下，高度值最大僅增加0.002 m，寬度值最大變化值僅為0.003 m。進一步說明集中的軸流風有效減弱了霧滴的分散，使得沉積域更加集中；且強勁的軸流風能集中攜帶霧滴到更遠的距離，這利于突破密度較大的冠層，將霧滴穿透到冠層內部。因此可以得出，風速設為15～20 m/s時，隨距離增大，風速衰減較慢，攜帶霧滴輸運至靶標的效果越好。

4 結論

本文開發一種新型果園風筒裝置，通過CFD模擬仿真方法，分析了風筒裝置內外流場仿真結果，并在風筒裝置試驗平臺上進行霧滴沉積域及風速測量試驗。

1）" 設計了一種應用在果園植保作業中的模塊化噴霧風筒裝置，該裝置采用獨立風機，并將風機、輸風筒及噴頭直接相連，結構簡單可靠，便于拆卸和安裝，并能有效減少風能損失。

2）" 運用CFD技術對風筒內外流場進行分析，結果表明風筒內流場風場線分布均勻、變異系數小；外流場結果證明出風口不同距離平面上的風速較為集中且風速衰減較小，風機工作時風速宜設為15～20 m/s；風速仿真值與實測值的相對誤差均在15%以下。

3）" 通過試驗平臺證明了在距離出風口0.6 m處適合作為實際工作時的噴霧間距，此處實際風速達到10.48 m/s，沉積域高度值為0.650 m，寬度值為0.669 m，對于樹高為1.0～2.0 m、樹冠直徑為0.8～1.5 m的果樹（如柑橘、刺梨等）具有較好的覆蓋性，因此該風筒裝置具有較大的開發潛力，為下一步優化此風筒在機架上的空間布置提供了依據，并為控制該風筒裝置進行精準噴霧提供了前期試驗基礎。

參 考 文 獻

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