多風管風送噴霧機出風口及分流器設計與試驗

中圖分類號：S224.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0135-08

DOI：10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2025.08.019

Abstracts：Multiairductairdeliveredsprayers have been widelyutilized inorchardplantprotectionduetotheirabilityto enhancespraying eficiency.However，theperformanceof such sprayers ishighlydependenton theintemal airflow dynamics，whichdirectlyafectspraydistributionquality.Inordertooptimizetheinternalairflow fieldof themulti-duct air sprayerused invineyards，this studyfocusedonthe designof theairoutletsand diverters.The wind velocityattheair outlets，aswellastheflowregulationefectsof diverters，withandwithoutdeflectors，wereanalyzedusingFluent numerical simulation software.The simulation assessed theatenuation of wind speed along the centerlineof theair outlet，thewind sped distributionatvarious distances fromtheoutlet，andtheuniformityofairflowatthediverter inboth configurations （with andwithout deflectors）.The suitableoperational spraying distancewas also determined basedon airflowcharacteristics，andthesimulation findingswerevalidated through experimental testing.Resultsfromthe simulation indicatedthat wind speedalong theoutletcenterlineinitialldeclined sharplyand thentaperedgradually.The sprayer was found to be optimal for operation at adistance of 1m . In the configuration without a deflector，the diverter exhibited significant variability inwind speed，with a coefficient of variation of 39.08% ，indicatingahighlyunevenairflow distribution.Conversely，thepresenceofadeflectorresulted inamuch moreuniformflow，withacoeficientof variation reduced to 3.06% .Experimental validation showed that the measured wind speed trends closely matched the simulation predictions，with only minordeviations.Thesediscrepancies remainedwithin acceptable eror margins，confirming the accuracy and reliability of the simulation model.

Keywords：vineyards；multi-duct air sprayer；air outlet；diverter;Fluent simulation

0 引言

植保作業是葡萄種植過程中重要的環節之一，其作業質量會對葡萄的產量和品質造成直接影響，由于我國傳統籬架式葡萄種植模式的葡萄植株行距較小，留給機械作業空間僅 1.3m 左右，嚴重影響植保機械作業。大部分葡萄產區仍然以人力植保作業為主，勞動強度大、作業質量差、農藥浪費污染嚴重[12]。目前國內外先進的果園植保技術有多種，如靜電噴霧技術、自動對靶噴霧技術等，當前推廣較好的是風送式噴霧機[3-5]

風送式噴霧機可提供強大的氣流，對霧滴進行二次霧化并帶動葉片間擾動，從而增加霧滴覆蓋率，提高農藥利用率[6]，故噴霧機內部氣流場的運動直接影響霧滴的沉積情況[7]。降低風送式噴霧機霧滴漂移的關鍵是對噴霧機的氣流進行有效調控[8.9]。通過設計優化出風口及導流裝置可以提高氣流場與自標作物冠層噴霧要求的匹配效果，提升噴霧質量[10]。宋玲[11]通過設計風送式噴霧機的導風裝置，通過試驗證明加導風裝置后噴霧機出風口的風速和噴幅有所提高，風場的均勻性明顯提高。胡煜等[12通過研究不同結構的導流片對風筒出口風速和壓力的影響，從而優化風送式噴霧機的綜合性能。

由于籬架式葡萄園的植保噴霧作業對噴霧機的冠層適應性要求較高，而針對籬架式的多風管風送式噴霧機的研究較少。為優化多風管風送式噴霧機的內部氣流場，本文以籬架式葡萄為作業對象，以提高籬架式葡萄園內多風管噴霧機的施藥效果為目的，對多風管噴霧機的出風口及分流器進行設計，利用Fluent數值仿真計算對出風口中心線上風速衰減狀況、出風口各距離上風速分布和有無導流板的分流器分流效果進行分析，驗證設計合理性，并利用試驗方法對仿真結果加以驗證，為提升葡萄園多風管噴霧機的施藥效果提供一定參考。

1多風管風送噴霧機出風口及分流器設計

1.1多風管風送式噴霧機整機結構及工作原理

多風管風送式噴霧機主要由柴油發動機、藥箱、隔膜泵、離心風機、分流器、出風口和扇型噴嘴等部件構成，其整機的總體結構示意圖如圖1所示。其工作原理：工作時，隔膜泵將藥箱中的藥液抽取輸送至出風口上的扇型噴頭后，藥液經扇型噴頭初次霧化噴出；柴油發動機提供動力驅動離心風機轉動，從而產生高速氣流，高速氣流被分流器分流后，通過風管輸送至出風口，由出風口噴出。藥液經扇型噴頭初次霧化后形成霧滴，霧滴在出風口被離心風機產生的高速氣流二次霧化，并高速向目標作物漂移，最終附著于目標作物，完成噴霧作業。

圖1多風管風送噴霧機總體結構

Fig.1 Overall structure of multi-duct air sprayer 1.隔膜泵2.藥箱3.柴油發動機4.分流器5.風管 6.出風口7.扇型噴嘴8.離心風機9.固定支架

1.2 出風口設計

出風口的輪廓和尺寸會影響出風口的出風均勻性，非圓形出風口相對于圓形出風口能夠有效改善其出風效果[13]。吳敏敏[14]曾針對2種鴨嘴式出風口的形狀進行研究，并基于計算流體力學進行數值仿真分析，通過對比2種出風口的噴射壓力和速度分布變化后發現，2種噴射出風口的軸心速度衰減趨勢相似，軸心速度衰減趨勢與測量距離成反比，在 0.6m 前速度衰減較快， 0.6m 后速度衰減較平穩，半圓弧形出風口相較于矩形出風口軸心速度衰減較緩。因此，考慮到應盡量滿足風速均勻輸送的條件，選擇采用鴨嘴式半圓弧形噴射出風口，如圖2所示。

鴨嘴式半圓弧形噴射出風口的結構分為3個部分，分別是導流段、擴散段和收縮段，其結構如圖3所示。導流段作為進氣段，通過柔性軟管引導風機產生的氣流進入出風口；擴散段是將導流段流入的氣流按擴散角 φ 呈垂直方向擴散，水平方向壓縮；收縮段是將氣流進行最后加速，在水平方向進一步壓縮，垂直方向停止擴散，改善氣流紊亂。

圖3出風口結構Fig. 3 Structure of air outlet

在鴨嘴式出風口中，氣流速度在一定范圍內會隨擴散角 φ 的增大而變化，出風口擴散角 φ 一般為20^°～30^° ；利用出風口進行噴霧時，應保證風場能夠完全將噴頭噴灑的霧滴包裹在內，結合實際需要和經驗，選出風口長度 a 為 150～200mm ；考慮到風送氣流的損失及損耗與風管直徑成反比，雷諾也在研究中進一步發現，氣體黏度與風管直徑相關，根據研究經驗并綜合考慮，選擇風管內徑為 120mm ，因此，出風口導流段直徑 d₀ 為 120mm ，風口的總長度 l₀ 為200 mm[15，16]。

根據Alfredkoestel式（1）所示，可以得到在射程x 處的軸心速度 和出口速度 v₀ 的關系[17]。

式中： K ——湍流系數，與出風口的形狀有關，根據經驗取參數 K=4.3 x 中 -射程，即距離出風口位置， m ：A₀. 一出風口面積， m² 。

結合實際，考慮到風機作為風送設備，噴射出風口存在功耗問題，功耗計算方法如式（2）所示[18]。

式中： P_Δf T 一通過噴射出風口的氣體全壓變化量，MPa ：ρ 空氣密度， 1.29kg/m³ P -風機功耗；Q₁ ——有效氣體體積流量，L；v 出風口處平均速度， m/s 。

結合末速度原則，在距離出風口 1.2m 處的末速度為 7m/s 時，能更好地滿足作業要求[19]。根據式（2）可以求出風機功耗與不同出風口寬度的關系，設出口寬度為 10～60mm ，每 10mm 取一個節點計算，根據功耗計算結果，繪制功耗和出風口寬度的關系曲線，如圖4所示。

1.3 分流器設計

分流器主要功能是將離心風機產生的氣流均勻分散到各個風管，保證出風口的風量均勻。為提高對葡萄冠層的高度適應性，噴霧系統兩側分別布置3個出風口，因此，分流器設計6個風口，風口為圓形截面。出風口連接風管，圓形截面直徑與出風口導流段直徑相同，均為 120mm 。分流器底部位于離心風機風口連接處，底部入風口為長 230mm 寬 150mm 的矩形，為確保氣流分布均勻，風口布置面采用弧形設計。分流器采用雙行對稱結構設計，為保證風口風量均勻，在分流器內部設置2塊導流板，將入風口均勻分成3個部分。分流器外部輪廓及導流板設置如圖5所示。

圖5分流器設計示意圖Fig. 5 Schematic diagram of shunt design

2 出風口及分流器仿真

出風口風場分布對籬架式葡萄園多風管風送噴霧機在噴霧作業中最適末速度影響較明顯，而分流器風場分布的均勻性直接影響風送噴霧系統的各出風口風量分布。利用Fluent數值仿真計算對出風口和分流器的風場進行研究，探究出風口中心線上風速衰減狀況、出風口各距離上風速分布和有無導流板的分流器分流效果，采用試驗的方法對Fluent數值仿真結果進行驗證。

根據1.2節出風口設計的參數范圍（寬度為 10～ 60mm ，長度為 150～200mm ，擴散角為 20^°～30^° ），選擇出風口寬度為 30mm ，出風口長度為 150mm ，出風口擴散角為 25^° 。通過SolidWorks軟件建立出風口及分流器的三維幾何模型，利用Fluent軟件分別對出風口及分流器進行仿真，探究出風口中心線上的風速衰減情況和不同噴霧距離的風速分布以及有無導流板的分流器風口風速。

2.1 仿真過程

通過SolidWorks軟件建立三維幾何模型，如圖6所示。

圖6三維幾何模型Fig.6 Three-dimensional geometric model

將已經建好的三維模型導人ANSYSWorkbench平臺下的Mesh軟件。由于出風口的三維模型是相對比較規則的模型，結合三維模型的幾何特征，且長寬比相對較小，所以噴射出風口內外流場均選擇非結構化網格，可以在保證模擬精度的前提下，提高仿真計算的效率[20]。首先，將出風口內外流場域劃分為3個部分，分別是空白場域1、內流場域2和外流場域3，如圖7所示，其中內流場域2為出風口內部場域，空白場域1和外流場域3的厚度為 500mm ，長度和寬度分別為 200mm×1 200mm 和 2 000mm×1 200mm 0

圖7流場域劃分

Fig.7Flow field division 1.空白場域2.內流場域3.外流場域

通過Mesh劃分網格功能，將出風口內外流場進行網格劃分，計算域劃分網格單元數量為3131579個，節點為549091個；選擇非結構化網格劃分分流器內流場，只對分流器內一個流場進行仿真設計。計算域劃分網格單元數量為1894109個，節點為338650個，如圖8和圖9所示。

圖8出風口網格劃分

圖9分流器內流場網格劃分

2.2 出風口仿真結果與分析

用Fluent軟件對出風口內外流場進行氣流場仿真，得到出風口氣流場速度云圖，如圖10所示。可以看出，在出風口內流場段，導流段內部氣流場穩定，其風速變化較小；在擴散段，風速從兩側邊緣起先上升，中部隨后上升，因為隨著擴散段長度增加，出風口截面積相對降低，風速增大；收縮段整段速度上升較快，各部分速度增加均勻。說明該出風口結構具有對氣流增速的功能。

在出風口外流場段，出風口風速最高，隨著距離增加，風速逐漸衰減，圖10中間黑色線為出風口中心線，中心線上衰減較快，出風口兩側衰減相對較慢。

出風口中心線上距出風口每隔 0.1m 進行數據記錄，使用Origin軟件繪制出風口中心線上速度衰減趨勢，如圖11所示。可以看出，在出風口的風口處風速最高，可達 31.339m/s ，隨著噴霧距離的增加，風速先迅速減小后逐漸減弱。當噴霧距離為 1.1m 時，風速衰減至 8m/s 左右。當噴霧距離小于 1.1m 時，適用于籬架式葡萄園噴霧作業。

圖11出風口中心線上風速衰減圖

依據出風口中心線上速度衰減趨勢數據，選擇噴霧距離為 0.5m，0.75m，1m 和 1.25m 處研究其速度分布，如圖12所示，縱向位置為垂直于出風口方向，每間隔 0.03m 取一點，正數為出風口中心線上方，負數為出風口中心線下方。從圖12可以看出，在各噴霧距離上，沿出風口中心線向上或者向下，風場速度呈現先增大后減小的趨勢，噴霧距離從 0.5～1.25m ，變化趨勢逐漸變緩。隨著噴霧距離的不斷增加，有效風場逐漸變寬。參照戴奮奮[19提出的適用于果園的風速為8～10m/s ，適宜的噴霧距離應為 1m 。

2.3分流器仿真結果與分析

對未加導流板的分流器和加導流板的分流器進行仿真計算，分流器內風場分布如圖13所示。

從圖13（a）可以看出，當分流器未加導流板時，風速變化范圍較大，表明離心風機產生的風絕大部分從中間2個出口直接排出，左、右兩側風量較少，其主要原因是氣流缺乏引導。對分流器設置導流板引流后，從圖13（b）可以看出，風速變化較小，風量分布均勻，可以將離心風機產生的氣流均勻分散到各個風管，保證出風口風量均勻。

對無導流板和有導流板的分流器風口速度研究，如圖14所示。從圖14（a）可以明顯看出，各風口出口平均速度相對均勻，分布在 18m/s 附近。相對于風口速度相對均勻的有導流板分流器，無導流板分流器風口速度差異較大，如圖14（b）所示，最大為26.33m/s ，最小為 12.56m/s 。

圖16分流器風口采樣點設置 Fig.16 Splitter air outlet sampling point setup

分流器各風口風速的具體數據如表1所示。可以看出，無導流板的分流器風口速度差異較大，變異系數達 39.08% ，風量分布極其不均勻；有導流板的分流器風速比較均勻，變異系數為 3.06% ，變異系數低于5% ，說明加導流板的分流器風速分布均勻性較好，滿足設計要求[21]

表1分流器風口平均風速仿真數據表 Tab.1 Simulation data table of the average wind speed at the diverter air outlet

3出風口及分流器氣流場風速試驗

3.1 出風口的氣流場風速試驗設計

根據出風口風場仿真試驗結果，對出風口的外流場風速分布進行試驗驗證。依據仿真數據中心最大風速為 31.339m/s ，選擇葉輪式風速儀采集風速信息，型號為Testo416，量程為 0.6～40m/s ，分辨率為0.1m/s ;離心風機選用 Y5-47 型離心風機，風機轉速為 2800r/min 時，風量為 3800m³/h （約為 1m³/s ），全壓為 1580Pa ，功率為 3kW ；發動機選用斯巴克單缸、四沖程、風冷柴油發動機D178F，輸出動力為 ，額定轉速為 3600r/min 。

參照仿真試驗取點位置，在出風口中心線上，從出風口開始每隔 0.1m 作為測量點，選取16個點；在距離出風口 0.5m，0.75m，1m 和 1.25m 處，從中心線為原點依次向上間隔 0.06m 取4個點，編號為 1～ 4，依次向下間隔 0.06m 取4個點，編號為 -1～-4 每個噴霧距離取9個點，如圖15所示。使用風速儀對采樣點進行采樣，每點采樣3次，取平均值作為該采樣點風速。為避免外界風速影響，試驗在室內進行，室內溫度為 18^°C～21^°C ，空氣濕度為 62%～69% 。

3.2分流器風口的氣流場風速試驗設計

同樣采用Testo416葉輪式風速儀為測試工具，在分流器風口的中間及四周位置5個采樣點，采集的風速平均值作為該風口的風速，采樣點位置如圖16所示。為避免外界風速影響，試驗在室內進行，室內溫度為 18^°C～22^°C ，空氣濕度為 64%～70% 。

4試驗結果與分析

4.1 出風口中心線上風速分析

將葉輪式風速儀采集到的出風口中心線上的重復試驗數據做均值處理后，保留小數點后兩位，與仿真數據進行比較，對仿真值和實測值進行誤差計算，如表2所示。

可以看出，出風口中心線上風速實測值均小于仿真值，這是因為仿真是理想狀態，實際作業時風機、分流器和風管等會產生一定的損耗，因此，會出現實測值小于仿真值的現象。但實測值與仿真值變化趨勢一致，絕大部分誤差在 10% 以內，少量誤差高于 10% ，誤差最大為 13.53% 其中存在人為操作葉輪式測速儀產生的偶然誤差。

表2中心線風速實測值與仿真值對比 Tab.2 Comparison of measured and simulated centerline wind speed values

4.2出風口不同噴霧距離上風速分析

將各采樣點測得的3次風速取平均值后作為實測值與仿真值進行比較，如表3所示。可以看出，在各個噴霧距離上風速分布的實測值與仿真值趨勢基本保持一致，證明數值仿真模型的合理性。實測值相比仿真值偏小，絕大部分誤差在 10% 以內，少量誤差高于10% （但在 10% 左右），極個別誤差高于 20% ，這與測量時人員操作產生的偶然誤差有關。當噴霧距離為

0.5m 時，取樣點4和取樣點一4誤差分別高達63.69%.37.69% ，說明當風速小于 1m/s 時，外界環境風速對實際測試時產生較大影響，因此，將風速小于1m/s 時的測試數據作為無效值。當噴霧距離為 1m 時，絕大多數風速在 8m/s 以上，參照戴奮奮19提出的適用于果園的噴霧風速 8～10m/s ，噴霧距離為 1m 時適用于噴霧作業。出風口寬度為 30mm ，出風口長度為 150mm ，出風口擴散角為 25^° ，工況設計合理。

表3不同距離上各取樣點風速實測值與仿真值對比表 Comparison of measured and simulated wind speeds at diferent distances from each sampling F

4.3分流器風口風速分析

將有導流板的分流器的各風口采樣點實測風速數據值進行均值處理，將其作為分流器風口的實際風速，與分流器各風口仿真值進行對比，并計算變異系數，如表4所示。

對比分流器的各個風口不同采樣點的風速數據，不難發現各個采樣點的風速差異較大，但各風口5個采樣點的風速平均值相差很小，均為 18m/s 左右，且與其對應的仿真值相差較小，實測風速平均值略小于仿真值。實測的風口風速平均值的變異系數為2.54% ，相比仿真值的變異系數 3.06% 更小。因此，在分流器中添加導流板的設計能夠更好地對風機風量進行分配，使其更加均勻地分散到各個風口。

表4分流器各風口采樣點數據表 Tab.4Data table of sampling points for each air outlet of the splitter

5 結論

設計一種葡萄園多風管風送噴霧機的出風口及分流器，并基于Fluent數值仿真計算對出風口和分流器進行模擬計算，通過試驗的方法對仿真結論進行驗證。

1）通過仿真的方法，對出風口的中心線上風速變化趨勢、不同距離下風場分布情況和有無導流板的分流器分流效果進行分析。仿真計算可知，出風口中心線上風速先急劇下降，后下降速度變緩；適合噴霧作業的距離為 1m ，出風口設計合理；有導流板的分流器能夠更好地對離心風機產生的氣流進行分流。

2）試驗驗證結果表明：仿真計算得到的出風口中心線上風速衰減趨勢和在不同距離上的風速分布與試驗測得趨勢一致，實測風速都小于仿真值，誤差值在合理范圍內；試驗測得有導流板分流器風口風速比仿真值略小，各風口風速實測值變異系數小于仿真值變異系數，說明有導流板的分流器能更好地滿足分流效果，分流器設計合理。

本文雖確定適合噴霧作業的噴霧距離為 ^1m ，但未通過田間噴霧試驗測試霧滴實際沉積情況。另外，在實際作業中葡萄園行距并非都是標準行距，可能在3～4m 變化，今后要重點研究開發噴霧距離自動調節系統，以提高多風管風送噴霧機與不同行距下葡萄冠層的適應性。

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