風扇組對氣流速度場影響的CFD仿真及驗證

徐奕蒙，李守藏，劉志杰，張智韜，胡耀華,2,3

(1.西北農(nóng)林科技大學 a.機械與電子工程學院；b.水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務重點實驗室，陜西 楊凌712100)

0 引言

對果園或田地進行噴霧作業(yè)時，風送式噴霧機發(fā)揮了很大的作用，但噴霧機械參數(shù)的差別和室外環(huán)境的不確定因素導致霧滴在均勻分布和沉積特性方面存在著較大差別[1-5]。國內(nèi)外專家學者對于霧滴沉積分布和氣流場分布做了大量的研究。Endalew 等[6-7]利用FLUENT數(shù)值模擬對3種組合風扇(單風扇、雙風扇和四風扇)產(chǎn)生的氣流場進行了模擬，通過模擬結(jié)合試驗的方法對比了3種組合風扇氣流場對冠層風速的作用。Nuyttens[8]等建立了CFD三維噴霧飄失模型，進行噴霧和氣流場模擬和試驗，綜合考慮了氣流場、冠層和噴頭安裝位置等多種影響因素，表明通過CFD技術進行模擬計算是幫助探究減少噴霧飄失的有效工具。Delele[9-14]等考慮了果樹冠層對風送噴霧氣流場的影響，尋找霧滴飄移與氣流場的關系。在國內(nèi)，傅澤田等[15]利用CFD軟件探究了風送式噴霧機氣流速度場速度分布特性及各因素的影響規(guī)律，并設計試驗驗證了CFD模型的準確性。王景旭[16]等基于CFD模擬找出了霧滴沉積的時間條件。呂曉蘭[17]等研究表明，風速對霧滴沉積影響顯著。崔志華等[18-21]利用 Fluent 軟件對果樹噴霧用風扇氣流速度場和霧滴沉積進行了數(shù)值模擬和試驗，并建立了霧滴沉積量與沉積率的模型。尤麗華等[22]、洪添勝等[23]根據(jù)仿形噴霧原理，對仿形噴霧的關鍵部件和系統(tǒng)進行了研究，取得了較好的實際效果。

國內(nèi)許多科研單位為研制高效、噴霧質(zhì)量好、省水、省藥的果園噴藥機械做了大量工作，并取得了一些科研成果[24-26]。由于現(xiàn)代果園多采用低矮密植型種植模式，導致傳統(tǒng)的施藥器械難以入園操作、農(nóng)藥噴施不均勻及藥液難以進入冠層內(nèi)部等問題，已不能適應我國果園的發(fā)展形勢。

針對現(xiàn)代低矮密植果園的噴施不均、藥液難以進入冠層內(nèi)部及機具較大等問題，結(jié)合低矮密植果園的種植特點，提出了一種三風扇不在同一平面的組合風扇結(jié)構(gòu)，可根據(jù)樹冠形狀調(diào)整風扇高度和傾角來適應不同生長時期不同類型的果園。本文主要通過CFD模擬計算和試驗探究該組合風扇結(jié)構(gòu)氣流速度和安裝角度對氣流速度場的影響規(guī)律,以期為仿形噴霧技術的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 模擬區(qū)域幾何模型及流體計算模型建立

1.1 模型區(qū)域及網(wǎng)格化

依據(jù)密植果園種植特點可知[27-28]，密植蘋果園行距一般4m，株距一般1.5～1.6 m，樹干高約0.8～1m，樹高約2.6～3m，現(xiàn)僅對一側(cè)進行模擬，因此建立的模擬計算區(qū)域為長3 m、寬1.5 m、高3.5m的模擬區(qū)域(x、y、z分別代表長、寬、高)。為使霧滴能在風的動能帶動下進入厚厚的冠層，增添了側(cè)位風扇。側(cè)位風扇直徑為0.31m，上下位風扇直徑0.41m。圖1(a)為三維模型結(jié)構(gòu)圖，圖1(b)為各風扇在XZ平面的投影視圖。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，模擬網(wǎng)絡劃分總數(shù)為2 546 713個。

圖1 三風扇組合風扇結(jié)構(gòu)模型示意圖

1.2 流體計算模型選擇

根據(jù)氣流速度場特征，流體模擬采用標準湍流模型，數(shù)學模型是風扇氣流場基本控制方程和相應解條件的反映。模擬計算開啟標準墻功能和物質(zhì)輸運模型，其它參數(shù)設定請參考FLUENT相關資料[29-31]。

1.3 試驗條件假設

依據(jù)文獻[32-33]，對氣流場模擬計算條件做如下假設:壁面無滑移假設及氣流源垂直于風扇出口假設。

1.4 模擬參數(shù)設置

計算區(qū)域內(nèi)部流體為大氣，模擬過程溫度無變化，溫度設定為30 ℃，氣體粘度設定為1.87× 10- 5Pa·s。氣流場模擬采用FLUENT軟件作為仿真軟件，在軟件中設置以下參數(shù)：湍流模型采用標準k-ε模型，圓盤式風扇出風口設為組合風扇結(jié)構(gòu)模型速度入口,上位風扇入口、下位風扇入口、側(cè)位風扇入口的湍流強度和水力直徑根據(jù)式(1)、式(2)計算；計算區(qū)域地面設置為壁面，并將壁面設置為標準墻功能，其他均設置為壓力出口，壓力出口的湍流強度和水力直徑根據(jù)式(1)、式(2)計算。選擇壓力-速度耦合求解算法，離散格式設為二階精度，參考壓力設定為標準大氣壓，用Hybrid Initiaization初始化。

(1)

(2)

其中，I為湍流強度；Re為雷諾數(shù)；D為水力直徑(m)；A為邊界面積(m)；P為邊界周長(m)。

1.5 模擬結(jié)果與分析

1.5.1 風送速度對氣流場的影響

在CFD模擬中，分別對入口速度為6、9、12m/s和不同傾角下的氣流速度場進行模擬，并探究其影響規(guī)律。圓盤式風扇傾角以5°為一個角度間隔，現(xiàn)對上下位圓盤式風扇傾角范圍(即上位圓盤式風扇軸線自Y軸正向向Z軸負向的傾角，下位圓盤式風扇軸線自Y軸正向向Z軸正向的傾角)為30°～60°，側(cè)位圓盤式風扇傾角(即側(cè)位風扇軸線自Y軸正向向X軸正向偏移的夾角)為40°～70°的圓盤風扇進行模擬。由于風扇位置的對稱性，每次模擬時上下位風扇傾角相同，共模擬49種組合。

圖2 (a)為入口氣流速度為9m/s、上下位圓盤式風扇傾角為35°、側(cè)位圓盤式風扇傾角為50°時的氣流速度矢量圖；圖2 (b)為距風扇安裝位置y=0.5、1、1.5m的截面上的速度云圖。由模擬結(jié)果可以看出：入口氣流速度分別為6、9、12m/s時，隨著氣流速度的增加，風送距離也逐漸增加，但氣流場分布特性基本一致。由圖2可以看出：每個風扇的氣流場近似于圓錐臺形狀，每個風扇沿著各自的軸中心線發(fā)散。隨著距離不斷增大，氣流場的范圍逐漸增大，氣流速度逐漸減小，氣流場以外的地方幾乎不受氣流場的影響。3個風扇的傾角不同，則風扇交匯的地點不同，風扇的相互作用擴大了氣流場的作用范圍。

圖2 氣流場速度矢量圖

1.5.2 傾角對氣流場的影響

現(xiàn)對入口速度為9 m/s時風扇在各傾角下的氣流速度場進行分析。固定側(cè)位風扇的傾角為50°，分析上下位風扇傾角對氣流場的影響，如圖3所示。在y=0.5 m截面上，隨著上下位傾角的增大，3個風扇交匯得越早，氣流場的相互影響也越來越明顯，使得X軸正向(橫向)氣流也越來越大，氣流場的影響范圍也逐漸擴大；在y=1m的截面上，隨著風扇交匯的區(qū)域的增加，氣流場的作用區(qū)域也越來越小，X軸正向(橫向)氣流越來越大；在y=1.5m的截面上，氣流場的作用區(qū)域先減小后增大，其原因是：3個風扇氣流速度場的逐漸交匯，氣流場的作用區(qū)域也逐漸減小，隨著風扇氣流場交匯區(qū)域的增加，風扇間氣流場的相互影響加強，使得而氣流向外擴散，增加了氣流場作用區(qū)域。

圖3 上下位風扇傾角(x°)對不同對氣流場在不同界面(y/m)的影響

固定上下位風扇傾角為35°，分析側(cè)位風扇傾角變化對氣流場的影響。圖4描述了直線(Y=0.5，Z=1.9)上沿X正向速度變化曲線。由速度曲線圖可以看出：隨著側(cè)位風扇傾角的增加，速度最大值逐漸向X軸正向移，且氣流速度場作用區(qū)域越來越大，流速的最大值有減小的趨勢；當側(cè)位風扇傾角小于50°時，三風扇相互交匯影響，使得在該線段速度呈增—減—增—減的變化趨勢；當傾角超過50°時，3個風扇無法交匯，沒有了風扇的交互影響，因此該線段上的速度呈先急劇增加然后緩慢減小變化。

圖4 側(cè)位風扇傾角(x°)時在直線(Y=0.5，Z=1.9)上沿X正向速度變化曲線

圖5為上下位風扇傾角為35°，側(cè)位風扇傾角為50°，以及距離風扇安裝位置0.5、1、1.5 m截面處的氣流速度等值線圖。在截面0.5 m處風扇氣流速度場作用域高度約為距離地面1～2.8m，在截面1m處風扇氣流速度場作用域高度約為距離地面1.1～2.8m，截面1.5m處風扇氣流速度場作用域高度約為距離地面1～2.8m。由于低矮密植果園的樹干高一般0.8～1m，樹高約2.6～3m，樹冠中部突出且較厚，所以上下位風扇傾角介于35°～55°之間較為合適，在35°～55°之間可依據(jù)植株的高度和樹冠尺寸來調(diào)整風扇的傾角以使氣流速度場可以將霧滴吹送到樹冠的頂部和底部。在整個氣流場中，氣流場基本關于Z=1.9m對稱，對稱軸以上區(qū)域越向下，氣流速度越大；對稱軸下部，越向上氣流速度越大，氣流速度分布趨勢基本呈中部較大，越向兩側(cè)氣流速度越小，在流場中部沿X軸正向氣流速度較大。果樹冠層中部較厚，越向兩側(cè)冠層越薄，較大的氣流速度能將霧滴吹送到較厚的冠層內(nèi)部，所以該氣流場分布特性可有效改善霧滴分布的均勻性，提高霧滴覆蓋率。

圖5 在截面y處的速度等值線圖

圖6(a)為上下位圓盤式風扇傾角35°，側(cè)位圓盤式風扇傾角50°，距離風扇安裝位置0.5、1、1.5、2 m截面處的氣流速度矢量圖。圖6 (b)、(c)分別是上下位風扇風扇垂直中心面和上下位風扇水平中心面氣流速度場矢量圖。3個風扇相互影響，上位風扇的氣流形成了順時針的回流區(qū)，下位風扇的氣流形成了順時針的回流區(qū)；在3個風扇交叉之前，側(cè)位風扇形成的氣流速度方向沿X軸正向和Y軸正向，在3個風扇交叉后，3個風扇形成沿X軸正向的氣流；在側(cè)位風扇和下位風扇的影響下軸中心線逆時針彎曲，且上部區(qū)域增大，下位風扇在側(cè)位風扇和上位風扇的影響下軸中心線順時針彎曲，且下部區(qū)域增大；上位風扇形成斜向下的氣流，下位風扇形成斜向上的氣流，斜向下的氣流、斜向上的氣流和橫向氣流更容易翻動果樹枝葉，促使藥液進入樹冠內(nèi)部，促進了霧滴的沉積。

圖6 速度矢量圖

圓盤式風扇傾角要適中。上下位圓盤式風扇傾角過大時，風送氣流難以到達植株上下兩側(cè)，使得氣流場不能覆蓋整個植株而造成少噴、漏噴；上下位風扇傾角過小時，會使得氣流到達植株時在上下位風扇和側(cè)位風扇中間留有空隙而造成漏噴。側(cè)位風扇傾角越大，X軸向的氣流速度越大，Y軸向氣流速度越小，因此在密植果園不同時期，可以通過調(diào)整側(cè)位風扇的傾角來適應植株不同生長時期的需要。

2 氣流場分布試驗驗證

2.1 試驗設計

試驗在西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院室內(nèi)實驗室進行。試驗風扇為上海載澤電機廠生產(chǎn)的SF4-4R型軸流風機，試驗條件的設定與模擬條件的設定保持一致。分別測量不同風送速度和傾角條件下不同位置的氣流速度，將試驗的測量值與模擬值進行對比，利用模擬值、實驗值和相對誤差來衡量模擬結(jié)果。利用臺灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的TES-1340熱線式風速儀測量風速，TES-1340的速度測量范圍為0.01～30.00 m/s，測量精度為0.01 m/s。在測量不同采樣點的速度時，同一位置的采樣樣本點測3次，取3次的平均值作為該采樣點的實驗值，模型共取17個樣本采樣點。

2.2 試驗結(jié)果與分析

對比測量的氣流速度及模擬的氣流速度可以得出，模擬結(jié)果與實際氣流場的分布基本吻合。將各個采樣點在各個條件下的模擬值與實驗值測量值與模擬值進行計算，則

(3)

其中，Vs為模擬值；Vm為測定值。

同時，進行相對誤差計算，以此評價此數(shù)值模擬結(jié)果的可信度。表1～表3分別列出了入口速度為6、9、12m/s，風扇傾角為(35°,35°,50°)、(40°,40°,50°)、(40°,40°,50°)時5個均勻采樣點的的實測值、模擬值和相對誤差。其中，(35°,35°,50°)表示上位風扇傾角為35°，下位風扇傾角為35°，側(cè)位風扇傾角為50°。

表1 風速為6m/s時試驗值—模擬值平均相對誤差

表2 風速為9m/s實測值—模擬值和相對誤差

表3 風速為12m/s試驗值—模擬值和相對誤差

結(jié)果表明：在不同試驗條件下，利用FLUENT數(shù)值模擬該組合風扇結(jié)構(gòu)氣流速度場得到的模擬值與實驗值基本吻合，除個別采樣點的相對誤差較大外，其余采樣點的相對誤差基本分布在合理的范圍。由表1～表3的模擬值和實驗值可以看出：氣流速度的大小分布特點基本呈由中間向兩側(cè)逐漸遞減的趨勢，與FLUENT數(shù)值模擬仿真結(jié)果相吻合；不同采樣點的相對誤差有所不同，對于兩端的樣本采樣點，由于風扇氣流在采樣點兩端的氣流速度較小，因此采樣點受環(huán)境的影響較大，外界很小的因素都可能對其產(chǎn)生很大的影響，因此相對誤差也較大；對于中間的樣本采樣點，流場風速較大，風扇產(chǎn)生的氣流是其主要的驅(qū)動來源，因此樣本采樣點受外界干擾較小。舍去兩端誤差較大的采樣點，求各傾角下中間采樣點的平均誤差。計算可知：相對誤差基本分布在11.00%～30.00%之間，標準差介于0.50～7.50之間，波動相對較小。因此，該組合風扇結(jié)構(gòu)能夠用于蘋果園的噴霧，從而改善霧滴分布的均勻性。

3 結(jié)論

1)利用FLUENT模擬了不同風送速度和角度下的工作狀態(tài)，并設計了與模擬條件相同的試驗，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果和試驗結(jié)果符合性較好；舍去兩端誤差較大的采樣點，各傾角下中間采樣點的誤差基本分布在11.00%～30.00 %之間，標準差介于0.50～7.50之間，且模擬值與實驗值的符合性較好，氣流速度的大小基本呈由中間向兩側(cè)逐漸遞減的趨勢，從而驗證了該組合風扇結(jié)構(gòu)能夠適用于現(xiàn)代密植蘋果園。

2)適合現(xiàn)代密植果園的該組合結(jié)構(gòu)上下位風扇傾角介于35°～50°之間較為合適，側(cè)位風扇傾角越大，X軸向的氣流速度越大，Y軸向氣流速度越小。隨著風扇的出風口速度的增大，風送距離也隨之增大，但不同風送速度下氣流場規(guī)律幾無差別。

3)隨著上下位風扇傾角的增加，3個風扇交匯得也越早，3個風扇氣流場的相互影響也越來越明顯，組合風扇氣流場的影響范圍也逐漸擴大。在距離風扇安裝位置0.5～1.5m的垂面上，氣流速度場的分布基本呈現(xiàn)的趨勢為：中部的氣流速度最大，向兩側(cè)逐漸遞減；而冠層的分布特性為中部最厚，然后向兩側(cè)逐漸變薄。因此，該結(jié)構(gòu)較適合于現(xiàn)代密植蘋果園。

4)上位風扇斜向下吹送氣流，下位風扇斜向上吹送氣流，3個風扇氣流場在樹冠最厚的中部交匯，并在樹冠最厚處形成X軸正向(橫向)的氣流。隨著側(cè)位風扇傾角的增加，X軸正向氣流速度也隨之增大，橫向氣流會帶動農(nóng)藥進入厚厚的樹冠內(nèi)部，有助于提高噴施的均勻性和覆蓋率。