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摘要:基于棉花噴施落葉劑的需求，針對現(xiàn)有的棉花風(fēng)送式施藥機(jī)，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒，并利用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)仿真技術(shù)對風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒內(nèi)外流場的三維區(qū)域進(jìn)行了仿真，研究風(fēng)筒氣流場分布。仿真結(jié)果表明:風(fēng)筒4個出風(fēng)口處的速度分布均勻，整個風(fēng)筒內(nèi)流場區(qū)域風(fēng)速變異系數(shù)較小。同時，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該仿真模型的可靠性，并將設(shè)計(jì)的風(fēng)筒安裝在噴霧機(jī)上進(jìn)行實(shí)際大田作業(yè)，檢驗(yàn)風(fēng)送式噴霧機(jī)的霧滴沉積分布情況。試驗(yàn)結(jié)果表明:棉花整個冠層的葉片正面霧滴沉積率達(dá)到了79．58%，葉片反面霧滴沉積率達(dá)到了33．38%，冠層上部、中部、下部葉片正反面霧滴平均沉積率相差均＜10%，整個冠層霧滴沉積分布均勻性較好。

關(guān)鍵詞:風(fēng)送式噴霧機(jī);風(fēng)筒;計(jì)算流體動力學(xué);流場分析

0引言

新疆建設(shè)兵團(tuán)機(jī)械化規(guī)模棉花種植面積約70萬hm2，主要采用矮化密值種植模式，普通噴桿式噴霧機(jī)無法穿透棉花冠層，施藥效果不佳［1－4］。為提高施藥效果，在現(xiàn)有普通噴桿式噴霧機(jī)的基礎(chǔ)上，先后出現(xiàn)了吊桿式噴霧機(jī)和風(fēng)送式噴霧機(jī)。吊桿式噴霧機(jī)雖然在藥液沉積分布和施藥效果上有所改善，但霧滴難以在冠層內(nèi)擴(kuò)散，冠層內(nèi)的藥液沉積分布極不均勻;風(fēng)送式噴霧技術(shù)主要是利用氣流將農(nóng)藥霧滴噴入作物冠層，可大幅度增加冠層內(nèi)部的藥液沉積量［5－9］。Endalew等［10］利用仿真技術(shù)建立了風(fēng)送式噴霧機(jī)的仿真模型，對噴霧氣流速度的高低分布進(jìn)行了研究。TsayJR等［11］利用CFD仿真技術(shù)對果園風(fēng)助式噴霧機(jī)的霧滴穿透及噴霧性能進(jìn)行了研究。祁力鈞等［12］在原有噴霧機(jī)的出風(fēng)口設(shè)計(jì)安裝1個錐形導(dǎo)風(fēng)筒和1個同軸柱形導(dǎo)風(fēng)筒，對兩種結(jié)構(gòu)不同的導(dǎo)風(fēng)筒進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其運(yùn)動軌跡和出風(fēng)口處的氣流速度分布。張曉輝等［13］在原有風(fēng)筒上增加導(dǎo)流板裝置，減小出口尺寸和出口間距，試驗(yàn)表明改進(jìn)后的風(fēng)筒能實(shí)現(xiàn)高效和風(fēng)速變異小的風(fēng)幕。洪添勝等［14］利用仿真方法，研究了風(fēng)筒內(nèi)導(dǎo)流片數(shù)目對內(nèi)部流場的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明導(dǎo)流片數(shù)目一般以4～5為宜。宋淑然等［15］利用數(shù)值及正交試驗(yàn)的方法，對風(fēng)送式噴霧機(jī)的噴筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，仿真計(jì)算模型并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可信度。本課題組利用風(fēng)送式噴霧技術(shù)，設(shè)計(jì)了棉花施藥噴桿噴霧機(jī)［16］。在此噴桿噴霧機(jī)上的風(fēng)送系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，導(dǎo)風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)是基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成，在大田試驗(yàn)過程中雖然對氣流擾動有一定的效果，但出風(fēng)口處的風(fēng)速分布均勻性和作物霧滴沉積性還有待提高。國內(nèi)外學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn):CFD仿真技術(shù)對噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)及其性能的研究是可行的，且研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)及內(nèi)部導(dǎo)流片形狀對風(fēng)筒內(nèi)流場分布和出風(fēng)口速度分布具有較大的影響，從而影響噴霧分布均勻性、霧滴沉積均勻度。針對現(xiàn)有的棉花施藥風(fēng)送式噴霧機(jī)，本文設(shè)計(jì)了一種風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒，并利用CFD仿真技術(shù)研究風(fēng)筒氣流場分布，通過試驗(yàn)驗(yàn)證模型的可靠性，將設(shè)計(jì)的風(fēng)筒安裝在噴霧機(jī)上進(jìn)行實(shí)際大田作業(yè)，檢驗(yàn)了風(fēng)送式噴霧機(jī)的霧滴沉積分布情況。

1風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高風(fēng)送式噴桿噴霧機(jī)的施藥效果，在實(shí)際施藥過程中，風(fēng)筒出風(fēng)口處的風(fēng)速分布要盡量保持均勻，在進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口的過程中，內(nèi)流場的區(qū)域的變異系數(shù)要盡量小，且在各個局部交接點(diǎn)要保持較小的耗氣量。為了滿足上述要求，本文設(shè)計(jì)一種風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒，具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下:風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)筒由柱形段和錐形段組成，進(jìn)風(fēng)口柱形段與出風(fēng)口柱形段之間的夾角為160°，錐形段部分分成對稱的兩側(cè)出風(fēng)口部分。

2風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒計(jì)算模型仿真模擬

2．1模型建立與計(jì)算域確定

在風(fēng)筒流場分析之前，首先要建立風(fēng)筒的仿真模型。

2．2網(wǎng)格劃分

本文采用ICEM對風(fēng)筒及外流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于風(fēng)筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，外流場部分相對規(guī)則，故將分成的兩個部分分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分。風(fēng)筒部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，外流場部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，兩部分均為體網(wǎng)格;在風(fēng)筒的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口處采用網(wǎng)格加密，并且在內(nèi)外流場交界處創(chuàng)建交界面。

2．3數(shù)值計(jì)算與仿真結(jié)果分析

2．3．1數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)置

邊界條件是指在求解域的邊界上所求解的變量或者其一階導(dǎo)數(shù)隨地點(diǎn)及時間變化的規(guī)律。合理的邊界條件是CFD穩(wěn)定有正確定解的前提，也是計(jì)算收斂并得以進(jìn)行的前提［5］。風(fēng)筒氣流場仿真計(jì)算模型為Realizablek－ε湍流模型，進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口速度為20m/s，湍流密度為5%，水力直徑為104mm;出口為壓力出口邊界條件，出口壓力為大氣壓，回流湍流強(qiáng)度為5%，回流水力直徑為162mm;壁面條件為默認(rèn)的WALL壁面函數(shù)，內(nèi)部交換面設(shè)為Interior;選空氣作為材料，材料密度設(shè)為1．225kg/m3，動力粘度設(shè)為1．7894×10－5Pa•s。本文采用分離式求解器，壓力速度耦合方式選用Simple算法，采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行求解。當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完畢后，設(shè)置迭代步數(shù)5000進(jìn)行計(jì)算，在迭代計(jì)算1666步后，各項(xiàng)殘差值均低于10－4，計(jì)算收斂。

2．3．2仿真結(jié)果分析

選取風(fēng)筒的兩個側(cè)面分別觀測風(fēng)筒內(nèi)部的氣流速度和風(fēng)筒外流場氣流的速度云圖，分別如圖8、圖9所示，整個風(fēng)筒的氣流走勢跡線圖如圖10所示。不同顏色表示不同的氣流速度。根據(jù)圖8所示的風(fēng)筒內(nèi)流場速度分布，僅在導(dǎo)流板與導(dǎo)流片的交接處出現(xiàn)較小的氣流漩渦，此旋流對耗氣量影響較小，風(fēng)筒4個出風(fēng)口處的速度分布均勻，整個風(fēng)筒內(nèi)流場區(qū)域風(fēng)速變異系數(shù)較小。

3試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3．1驗(yàn)證裝置

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果，定量地對風(fēng)筒外流場的相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行了速度測試。

3．2風(fēng)場測試方法

為了檢驗(yàn)風(fēng)筒的氣流強(qiáng)度及均勻性，對風(fēng)筒的氣流場速度分布進(jìn)行了測試，測試點(diǎn)分布如圖12所示。測試區(qū)域取風(fēng)筒出風(fēng)口平行區(qū)域，橫向?qū)挾葹?．6m，測試區(qū)域縱向長度為0．4m;從出風(fēng)口處開始，橫向與縱向均間隔0．05m，即取8排測試點(diǎn)，每排測試13個點(diǎn)，共104個測試點(diǎn)。試驗(yàn)時，風(fēng)機(jī)連接變頻器，通過改變頻率，使風(fēng)筒進(jìn)口風(fēng)度達(dá)到相對穩(wěn)定的氣流速度，約為20m/s。本試驗(yàn)采用VT100型熱線風(fēng)速儀(法國KIMO儀器公司)進(jìn)行風(fēng)速測試，每個測試點(diǎn)測量6次取均值。

3．3試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖13(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)所示分別為不同的縱向距離下每個橫向測試點(diǎn)的試驗(yàn)值與仿真值的對比折線圖。從8個對比的折線圖中可以看出:實(shí)測值與仿真值的趨勢基本保持一致，因此風(fēng)筒所建立的仿真模型有效。根據(jù)圖13(a)、(b)、(c)、(d)的折線圖發(fā)現(xiàn):離地距離為0．85m～0．7m的4個出風(fēng)口的風(fēng)速基本保持一致。這表明，4個出風(fēng)口的風(fēng)速較為均勻。

4大田試驗(yàn)效果

4．1試驗(yàn)方法

為檢驗(yàn)安裝該風(fēng)筒后噴霧機(jī)的霧量沉積分布情況，選擇田間進(jìn)行噴霧機(jī)實(shí)際作業(yè)。

4．2試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用MatLab軟件對掃描完成的水敏紙圖像進(jìn)行處理，將灰度圖像轉(zhuǎn)化成二值化圖像，根據(jù)二值化圖像的像素點(diǎn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算每個測試點(diǎn)葉片的霧滴沉積率。5結(jié)論1)設(shè)計(jì)了一種風(fēng)送式噴霧機(jī)的風(fēng)筒結(jié)構(gòu)，通過建模及參數(shù)設(shè)置對風(fēng)筒的內(nèi)流場和外流場進(jìn)行仿真分析，分析風(fēng)筒出風(fēng)口處及外部流場的風(fēng)場情況。通過室內(nèi)試驗(yàn)對風(fēng)場進(jìn)行試驗(yàn)測試，并對比實(shí)測值與仿真值，驗(yàn)證了風(fēng)筒仿真模型的有效性。2)將該風(fēng)筒實(shí)際運(yùn)用到大田試驗(yàn)中，并通過圖像處理的方法對棉花上的霧量沉積分布特性進(jìn)行研究。霧量沉積分布試驗(yàn)結(jié)果表明:棉花整個冠層的葉片正面霧滴沉積率達(dá)到了79．58%，葉片反面霧滴沉積率達(dá)到了33．38%，冠層上部、中部、下部葉片正反面霧滴平均沉積率相差均＜10%，整個冠層霧滴沉積分布均勻性較。3)該風(fēng)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在一定程度上有效減小了漩渦，提高了冠層內(nèi)部的霧滴沉積率，但依然存在局部損失;出風(fēng)口處的風(fēng)速分布較均勻，但外流場部分的風(fēng)速的分布并沒有達(dá)到出風(fēng)口處的均勻性。后期將對風(fēng)筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步減小局部損失。風(fēng)筒的柱形段及錐形段的結(jié)構(gòu)尺寸對流場的影響有待于進(jìn)一步的研究。

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作者：宋俊偉1；馮業(yè)2；吳姝1；魏新華1 單位：1．江蘇大學(xué)，2．海信科龍空調(diào)公司開發(fā)中心