塔型風(fēng)送式果園噴霧機(jī)風(fēng)場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

宋雷潔,李建平,楊 欣,王鵬飛

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071001)

0 引言

隨著我國果園的規(guī)?；l(fā)展,病蟲害發(fā)生的面積也隨之增大,果樹的病蟲害防治工作是生產(chǎn)管理過程中一項(xiàng)重要環(huán)節(jié),施藥效果的好壞直接影響果實(shí)的品質(zhì)和產(chǎn)量[1]。現(xiàn)階段我國果園中普遍應(yīng)用風(fēng)送式噴霧技術(shù),可以細(xì)化霧滴粒徑,帶動(dòng)葉片間的擾動(dòng),從而增加樹膛中部霧滴的穿透性,提高樹膛內(nèi)部藥液沉積量[2-5],有效減少霧滴的飄移,農(nóng)藥利用率高[6-7]。

塔型噴霧機(jī)的噴霧出風(fēng)口由傳統(tǒng)的半圓形變?yōu)榇怪敝本€形,霧滴在軸流風(fēng)機(jī)的氣流作用下水平噴射至冠層,在一定程度上避免了向上無靶標(biāo)噴霧的藥液浪費(fèi)[8]。由于塔型噴霧機(jī)立板高度較高,普遍存在頂部氣流流量較少的情況,導(dǎo)致噴霧機(jī)上方風(fēng)速較低;而氣流的導(dǎo)流過程在很大程度上影響著噴霧機(jī)頂部風(fēng)送效果,風(fēng)機(jī)提供的氣流通過噴霧機(jī)內(nèi)部導(dǎo)流板的導(dǎo)向作用,對(duì)噴霧機(jī)內(nèi)部氣流進(jìn)行分配,改變氣流的分布,從而調(diào)整噴霧機(jī)頂部的風(fēng)送效果。不同尺寸、不同安裝角度的導(dǎo)流板會(huì)引起不同的導(dǎo)流效果,故可改變上方導(dǎo)流板的參數(shù),通過流體仿真軟件對(duì)導(dǎo)流板的不同安裝情況進(jìn)行仿真分析,觀察因?qū)Я靼灏惭b參數(shù)的不同而引起的導(dǎo)流效果的變化,找出導(dǎo)流板的最佳安裝參數(shù)組合。

1 塔型風(fēng)送式果園噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

塔型風(fēng)送式噴霧機(jī)主要由風(fēng)機(jī)、立板、導(dǎo)流裝置、噴頭、藥箱及藥泵等工作部件組成,通過AIP軟件繪制的塔型噴霧機(jī)的三維模型如圖1所示。

1.噴頭 2.導(dǎo)流板 3.藥箱 4.藥泵 5.風(fēng)機(jī) 6.立板圖1 塔型風(fēng)送式果園噴霧機(jī)三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model diagram of tower type wind-driven orchard sprayer

噴霧機(jī)工作時(shí),風(fēng)機(jī)提供強(qiáng)大的氣流,經(jīng)內(nèi)部導(dǎo)流板導(dǎo)向后輸送至出風(fēng)口,藥液在高速氣流的吹送下與空氣撞擊而霧化,被輸送至果樹。由于塔型噴霧機(jī)高度較高,若導(dǎo)流板安裝不合理,則會(huì)出現(xiàn)風(fēng)機(jī)附近氣流較強(qiáng)而頂端氣流少的情況,導(dǎo)致噴霧效果不均勻。因此,需通過改變導(dǎo)流板的安裝參數(shù)、調(diào)整導(dǎo)流板對(duì)腔體內(nèi)部氣流的導(dǎo)向作用,盡可能將氣流均勻分布于腔體內(nèi)各處,進(jìn)而使得各出風(fēng)口所形成的氣流場(chǎng)基本相同,各出風(fēng)口的噴霧效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

2 仿真模型的建立及仿真分析

2.1 技術(shù)路線

塔型風(fēng)送式果園噴霧機(jī)送風(fēng)裝置風(fēng)場(chǎng)流體分析的技術(shù)路線如圖2所示。針對(duì)研究?jī)?nèi)容,查閱與之相關(guān)的文獻(xiàn)和資料,利用三維設(shè)計(jì)軟件建立仿真分析的流體域模型,通過仿真分析軟件對(duì)流體域模型進(jìn)行分析計(jì)算,并通過觀察計(jì)算結(jié)果找出最佳組合參數(shù)。

圖2 技術(shù)路線圖Fig.2 Technical roadmap

2.2 仿真模型的建立

噴霧機(jī)立板高H=2 000mm、長(zhǎng)L=1 000mm、寬W=85mm、風(fēng)機(jī)直徑D=810mm。由于導(dǎo)流板1、導(dǎo)流板2、導(dǎo)流板3(導(dǎo)流板自下而上設(shè)為導(dǎo)流板1、2、3、4、5)距離風(fēng)機(jī)位置較近,所以導(dǎo)流板1、導(dǎo)流板2、導(dǎo)流板3的長(zhǎng)度不能過長(zhǎng),且安裝角度(導(dǎo)流板與水平方向夾角)設(shè)定為接近風(fēng)機(jī)的徑向方向效果最好,故設(shè)置β1=-30°、β2=0°、β3=30°,在導(dǎo)流板不會(huì)產(chǎn)生干涉的前提下設(shè)定l1=l2=l3=130mm不變。由于導(dǎo)流板4、導(dǎo)流板5距離風(fēng)機(jī)位置較遠(yuǎn),所以導(dǎo)流板的導(dǎo)向作用更加重要。若導(dǎo)流板4、導(dǎo)流板5安裝合理,則能增強(qiáng)噴霧機(jī)頂部氣流分布,從而提高噴霧機(jī)頂部的風(fēng)送效果。

利用正交試驗(yàn)法對(duì)導(dǎo)流板4、導(dǎo)流板5不同安裝情況進(jìn)行進(jìn)一步仿真計(jì)算分析,通過正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出導(dǎo)流板4、導(dǎo)流板5的安裝角度及長(zhǎng)度對(duì)噴霧機(jī)頂部氣流流動(dòng)分布的影響,并通過觀察氣流的分布效果及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的氣流速度等數(shù)據(jù),找出最佳的安裝參數(shù)組合,使得噴霧機(jī)頂部的氣流分布達(dá)到最佳狀態(tài)。初定β4=β5=30°,并以30°為基準(zhǔn),上下各調(diào)整10°設(shè)為三水平。以模型之間不產(chǎn)生干涉為基準(zhǔn),設(shè)定l4=l5=250mm,并以250mm為基準(zhǔn),上下各調(diào)整50mm設(shè)為三水平。根據(jù)以上參數(shù)所設(shè)定的因素水平表,如表1所示。

表1 因素水平表Table 1 Factor level table

利用AIP軟件按照L9(34)正交試驗(yàn)表的9種試驗(yàn)參數(shù)建立對(duì)應(yīng)的流體域模型,利用STAR CCM+軟件分別對(duì)這9種情況進(jìn)行內(nèi)部氣流分布的分析計(jì)算,通過觀察這9組仿真試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果,對(duì)比導(dǎo)流板處氣流流動(dòng)的效果、監(jiān)測(cè)點(diǎn)處氣流速度等參數(shù),總結(jié)出導(dǎo)流板的安裝參數(shù)對(duì)氣流流動(dòng)的影響,從而進(jìn)一步確定導(dǎo)流板的長(zhǎng)度及安裝角度的最優(yōu)參數(shù)組合。

2.3 仿真分析

應(yīng)用STAR CCM+軟件進(jìn)行仿真計(jì)算分析之前,首先需要對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,然后抽出仿真計(jì)算所需流體域。利用AIP軟件生成的流體域模型如圖3所示。

圖3 流體域模型Fig.3 Fluid domain model

仿真計(jì)算步驟如下:運(yùn)行STAR CCM+軟件,將利用AIP軟件創(chuàng)建的流體域模型導(dǎo)入STAR CCM+軟件中,對(duì)其分割邊界并設(shè)定邊界名稱及類型。本次仿真設(shè)置網(wǎng)格大小為3mm,物理模型選擇Gas、Coupled Flow、Ideal Gas、Steady、Turbulent、K-Epsilon Turbulent;設(shè)置入口速度為15m/s,將最大迭代步數(shù)(Maximum Steps)設(shè)置為1 000步,新建Scalar Scene以檢測(cè)氣流的分布情況。在導(dǎo)流板所在的出風(fēng)口處,坐標(biāo)為(0.04,1.24,-0.02)、(0.04,1.54,-0.02)兩點(diǎn)分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),在Reports目錄中建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度和壓力reports,分別對(duì)每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的reports生成monitor及plot,來監(jiān)測(cè)出風(fēng)口處氣流速度及壓力;最后,開始進(jìn)行計(jì)算,并觀察計(jì)算結(jié)果。

2.4 仿真結(jié)果

依照初定參數(shù)所設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行仿真分析,第1組仿真試驗(yàn)(β4=20°、β5=20°、l4=200mm、l5=200mm)的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 第1組仿真試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Group 1 simulation test results

2.4.1 判斷模型

通過觀察云圖可以看出:導(dǎo)流板4、導(dǎo)流板5的周圍存在部分深藍(lán)色低速區(qū)域。深藍(lán)色區(qū)域的面積越大,則說明低速區(qū)域越大、氣流速度分布越不均勻。通過計(jì)算藍(lán)色低速區(qū)域的面積、觀察監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的氣流速度等參數(shù)的變化來對(duì)比各項(xiàng)仿真試驗(yàn)的氣流分布情況,從中找出最優(yōu)的結(jié)果。

將低速區(qū)圈出,繪制成二維圖形,建立直角坐標(biāo)系如圖5、圖6所示。利用定積分公式求出低速區(qū)域面積。由仿真云圖可觀察出左右兩側(cè)效果大致相同,呈近似對(duì)稱分布,故只對(duì)比單側(cè)氣流分布情況,以左側(cè)藍(lán)色低速區(qū)域面積為對(duì)象進(jìn)行對(duì)比。

圖5 導(dǎo)流板5低速區(qū)域面積示意圖Fig.5 Schematic diagram of the area of the low velocity region of the deflector 5

圖6 導(dǎo)流板4低速區(qū)域面積示意圖Fig.6 Schematic diagram of the area of the low velocity region of the deflector 4

根據(jù)定積分公式,所求區(qū)域面積計(jì)算公式為

針對(duì)于第1組仿真試驗(yàn)導(dǎo)流板5周圍低速區(qū)域面積(A區(qū)域)示意圖列出面積公式為

同理,列出導(dǎo)流板4周圍低速區(qū)域面積(B區(qū)域)公式為

其中,k為相應(yīng)線段的斜率。

分別求出A、B區(qū)域的面積。以下8組仿真試驗(yàn)方案計(jì)算方法均與第1組仿真試驗(yàn)相同,最終計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表Table 2 Experimental data summary table

根據(jù)戴奮奮[9]研究所提出的末速度原則推導(dǎo)出公式為

其中,V1為風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速(m/s);H1為風(fēng)機(jī)出口垂直高度(m);V2為氣流到達(dá)樹體末速度(m/s);K為考慮到風(fēng)量的沿程損失而設(shè)定的系數(shù),通常取K=1.3～1.8。

戴奮奮在蘋果園進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:蘋果樹末速度取值為9～10m/s。故取V2=10m/s,K=1.5代入公式,計(jì)算得出V1=15m/s。這說明,當(dāng)出風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到15m/s時(shí),噴霧效果符合要求。

第2組仿真試驗(yàn)(β4=20°、β5=30°、l4=250mm、l5=250mm)的仿真結(jié)果如圖7左圖所示。第3組仿真試驗(yàn)(β4=20°、β5=40°、l4=300mm、l5=300mm)的仿真結(jié)果如圖7右圖所示。

圖7 第2、3組仿真試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Group 2,3 simulation test results

由計(jì)算結(jié)果可以看出:第2組仿真試驗(yàn)中,v4=7.947m/s,v5=3.665m/s,S4/S=2.109%,S5/S=1.279%;第3組仿真試驗(yàn)中v4=7.305m/s,v5=5.401m/s,S4/S=2.977%,S5/S=1.107%。兩組仿真試驗(yàn)中,導(dǎo)流板4、導(dǎo)流板5周圍均存在較大的深藍(lán)色低速區(qū)域,且所設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處氣流速度較低,說明參數(shù)還需進(jìn)行調(diào)整。

第4組仿真試驗(yàn)(β4=30°、β5=20°、l4=250mm、l5=300mm)的仿真結(jié)果如圖8左圖所示,第5組仿真試驗(yàn)(β4=30°、β5=30°、l4=300mm、l5=200mm)的仿真結(jié)果如圖8右圖所示。

圖8 第4、5組仿真試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Group 4,5 simulation test results

由計(jì)算結(jié)果可以看出:第4組仿真試驗(yàn)中,導(dǎo)流板5周圍存在較大面積的低速區(qū)域,S4/S=0.754%,S5/S=3.048%,v4=3.062m/s,v5=5.168m/s;第5組仿真試驗(yàn)中,導(dǎo)流板4、導(dǎo)流板5周圍的低速區(qū)域面積均有所減少,S4/S=1.028%,S5/S=0.676%,v4=8.716m/s,v5=5.267m/s。兩組仿真實(shí)驗(yàn)中,所設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的氣流速度較低,均未達(dá)到要求,參數(shù)還需進(jìn)行調(diào)整。

第6組仿真試驗(yàn)(β4=30°、β5=40°、l4=200mm、l5=250mm)的仿真結(jié)果如圖9左圖所示,第7組仿真試驗(yàn)(β4=40°、β5=20°、l4=300mm、l5=250mm)的仿真結(jié)果如圖9右圖所示。

圖9 第6、7組仿真試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Group 6,7 simulation test results

由計(jì)算結(jié)果可以看出:第6組仿真試驗(yàn)中,導(dǎo)流板5處的低速區(qū)域基本消失,S4/S=0.401%,S5/S=0.238%。所設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的氣流速度也有所提高,v4=16.551m/s、v5=13.043m/s。第7組仿真試驗(yàn)中導(dǎo)流板5周圍存在較大低速區(qū)域,S4/S=0.068%,S5/S=2.352%,v4=4.409m/s,v5=4.137m/s。兩導(dǎo)流板處出風(fēng)口氣流速度較低,效果不佳。

第8組仿真試驗(yàn)(β4=40°、β5=30°、l4=200mm、l5=300mm)的仿真結(jié)果如圖10左圖所示,第9組仿真試驗(yàn)(β4=40°、β5=40°、l4=250mm、l5=200mm)的仿真結(jié)果如圖10右圖所示。

圖10 第8、9組仿真試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Group 8,9 simulation test results

由計(jì)算結(jié)果可以看出:第8組仿真試驗(yàn)中,導(dǎo)流板5周圍存在部分低速區(qū)域,S4/S=0.046%,S5/S=1.784%,v4=8.442m/s,v5=4.441m/s,氣流速度較低,效果不佳,參數(shù)仍需調(diào)整;第9組仿真試驗(yàn)中,導(dǎo)流板4、導(dǎo)流板5處的低速區(qū)域均明顯減小,S4/S=0.065%,S5/S=0.265%,v4=15.246m/s,v5=17.719m/s,出風(fēng)口處氣流速度整體提高,均可達(dá)到要求,效果最佳。

2.4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

將按L9(34)正交試驗(yàn)表進(jìn)行的9種仿真試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

2.4.3 仿真試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)比STAR CCM+對(duì)9種流體域分析的結(jié)果數(shù)據(jù),可以看出導(dǎo)流板的不同安裝參數(shù)影響著噴霧機(jī)內(nèi)部流體的分布。由計(jì)算結(jié)果可知:第9組仿真試驗(yàn)的仿真結(jié)果最優(yōu),由云圖可明顯觀察到調(diào)整β4=β5=40°;導(dǎo)流板4、導(dǎo)流板5處的相對(duì)低速區(qū)域面積基本消失,各導(dǎo)流板處監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的氣流速度整體較高,效果得到明顯改善。

3 結(jié)論

1)利用AIP軟件對(duì)塔型噴霧機(jī)的流體域進(jìn)行建模,并利用STAR CCM+軟件對(duì)流體域模型進(jìn)行仿真分析,通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果,總結(jié)出導(dǎo)流板的不同安裝參數(shù)對(duì)噴霧機(jī)內(nèi)氣流分布的影響,并從9組試驗(yàn)中找出最合適的安裝參數(shù)。

2)在l1=l2=l3=130mm、β1=-30°、β2=0°、β3=30°條件下,通過對(duì)比9組仿真試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果,得出結(jié)論:第9組仿真試驗(yàn)中,即當(dāng)β4=40°、β5=40°、l4=250mm、l5=200mm時(shí),v4=15.246m/s,S4/S=0.065%,v5=17.719m/s,S5/S=0.265%,導(dǎo)流板周圍氣流速度能達(dá)到相對(duì)較好的狀態(tài)。

3)通過對(duì)比不同安裝參數(shù)下導(dǎo)流板周圍氣流的分布、出風(fēng)口氣流速度等參數(shù),總結(jié)出導(dǎo)流板的不同安裝參數(shù)對(duì)塔型噴霧機(jī)出風(fēng)口處氣流變化的影響。基于此可進(jìn)一步優(yōu)化噴霧機(jī)內(nèi)導(dǎo)流板的分布,對(duì)塔型噴霧機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究方向提供建議和參考。