噴霧機(jī)風(fēng)送式環(huán)形噴管?chē)婌F裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)優(yōu)化

李建平 邊永亮 霍 鵬 王鵬飛 薛春林 楊 欣

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 保定 071000； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

在果園的生產(chǎn)管理中，病蟲(chóng)害防治工作十分重要，防治不當(dāng)會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染[1-2]。種植者經(jīng)常通過(guò)大量殺蟲(chóng)劑，確保充分控制害蟲(chóng)數(shù)量[3]。此外，在有密集樹(shù)冠或多行生產(chǎn)區(qū)的作物中，通過(guò)風(fēng)送噴霧機(jī)施用大量噴霧溶液，以確保樹(shù)冠內(nèi)部有足夠的噴霧沉積，造成噴霧機(jī)到果樹(shù)冠層之間存在大量的霧滴流失[4-5]。傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧器通常以預(yù)設(shè)的風(fēng)速、恒定的速度噴灑整個(gè)果園，而不考慮果樹(shù)樹(shù)形、冠層大小以及噴霧距離[6]，并且傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧機(jī)已被證明由于非靶標(biāo)噴灑而具有相當(dāng)大的藥液損失，作業(yè)范圍窄、工作效率低，特別是針對(duì)低矮密植型果園，傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧系統(tǒng)難以精準(zhǔn)控制風(fēng)量致使隔行飄移現(xiàn)象嚴(yán)重、藥液利用率低下。為此，亟需研究果園風(fēng)送式噴霧機(jī)根據(jù)作業(yè)環(huán)境按需精量送風(fēng)、精準(zhǔn)噴霧系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)風(fēng)送噴霧機(jī)的研究主要集中在兩方面：將氣流輔助技術(shù)與當(dāng)前先進(jìn)智能控制技術(shù)結(jié)合研發(fā)新型風(fēng)送式噴霧機(jī)[7-9]；將氣流輔助技術(shù)升級(jí)以研發(fā)新型噴霧機(jī)，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)數(shù)量與優(yōu)化導(dǎo)流裝置來(lái)精量送風(fēng)，將霧滴精準(zhǔn)輸送到果樹(shù)冠層，減少漂移損失[10-12]。噴霧氣流的空間分布是影響霧滴輸運(yùn)的主要因素之一，氣流速度梯度是改變風(fēng)送霧滴動(dòng)力學(xué)特性的關(guān)鍵因子，然而，國(guó)內(nèi)外的噴霧氣流場(chǎng)大多應(yīng)用軸向氣流而沒(méi)有對(duì)旋轉(zhuǎn)氣流加以研究應(yīng)用[13]。故本研究基于軸流風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)射流原理[14]設(shè)計(jì)一款風(fēng)機(jī)與環(huán)形噴管配合作用的風(fēng)送噴霧系統(tǒng)。通過(guò)研究風(fēng)機(jī)風(fēng)場(chǎng)規(guī)律，確定環(huán)形噴管設(shè)計(jì)尺寸與噴頭安裝位置，通過(guò)設(shè)計(jì)單因素與多因素試驗(yàn)來(lái)研究風(fēng)機(jī)端口風(fēng)速、扇形噴頭型號(hào)與噴頭安裝傾角對(duì)噴霧效果的影響，進(jìn)而確定最佳噴霧參數(shù)。

1 環(huán)形噴管設(shè)計(jì)原理

軸流風(fēng)機(jī)是果園風(fēng)送式噴霧機(jī)中最為常用的風(fēng)機(jī)之一，具有風(fēng)量大、效率高、氣流出口直徑較大，噴出的氣流衰減慢、射程遠(yuǎn)、擴(kuò)散均勻的特點(diǎn)[15]。目前，我國(guó)風(fēng)送式噴霧機(jī)主要采用直流送風(fēng)，存在裹挾霧滴不夠充分的問(wèn)題，不能很好地翻動(dòng)樹(shù)葉，造成葉背的著藥效果較差。軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的空氣流為旋轉(zhuǎn)射流，氣流旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)是存在徑向和軸向的壓力梯度，存在內(nèi)回流區(qū)，可增強(qiáng)氣力的霧滴攜帶能力。旋轉(zhuǎn)射流在任一點(diǎn)的空間速度可分解成軸向速度vα、徑向速度vr和切向速度vt。一般情況下，旋轉(zhuǎn)射流的徑向速度vr比va、vt小些(見(jiàn)圖1)，對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)的影響也小些。旋轉(zhuǎn)射流的擴(kuò)展角一般比直流射流大，而且隨著旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的增大而增大。旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度n表示為

(1)

式中M——?dú)饬鞯那邢蛐D(zhuǎn)動(dòng)量矩，kg·m2/s

K——?dú)饬鞯妮S向旋轉(zhuǎn)動(dòng)量，kg·m/s

L——風(fēng)機(jī)噴口直徑，m

單風(fēng)機(jī)自由射流情況下，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)射流與直流射流相比，擁有更長(zhǎng)的射流核心區(qū)，超過(guò)射流核心區(qū)域后，擁有更強(qiáng)的引流作用[14]。

環(huán)形噴管是一種噴頭呈圓形環(huán)繞均布在藥管上的噴霧管道裝置，其形狀是為適合軸流風(fēng)機(jī)的圓形出風(fēng)口而設(shè)計(jì)，將環(huán)形噴管直接布置在軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口，利用軸流風(fēng)機(jī)的內(nèi)回流卷吸與射流邊界的卷吸能力，充分賦予霧滴流動(dòng)的動(dòng)能，便于藥液與軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行充分均勻混合，更好地達(dá)到藥液二次霧化的目的，使霧滴更充分的被攜帶到果樹(shù)上。通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)場(chǎng)環(huán)形噴管內(nèi)流場(chǎng)仿真確定環(huán)形噴管尺寸參數(shù)與出水口數(shù)量。設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)來(lái)研究風(fēng)機(jī)端口風(fēng)速、扇形噴頭型號(hào)與噴頭安裝傾角對(duì)噴霧效果的影響，通過(guò)響應(yīng)面參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)來(lái)確定最佳噴霧參數(shù)組合。

2 環(huán)形噴管設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)形噴管安裝位置設(shè)計(jì)

為確定環(huán)形噴管在軸流風(fēng)機(jī)上的布置位置，需探究軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)場(chǎng)規(guī)律。

2.1.1風(fēng)機(jī)風(fēng)場(chǎng)CFD仿真分析

將T35型軸流風(fēng)機(jī)在SolidWorks 2016軟件中進(jìn)行等比例建模，經(jīng)CFD軟件SolidWorks flow simulation 2016網(wǎng)格劃分，物理模型選取湍流模型，目標(biāo)監(jiān)測(cè)選取靜壓、總壓、動(dòng)壓、流體密度、速度和風(fēng)力，設(shè)置計(jì)算域與仿真運(yùn)算等步驟[16]操作后，劃分網(wǎng)格數(shù)量為135 990，流體網(wǎng)格數(shù)為119 142。風(fēng)機(jī)參數(shù)如表1所示，網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。依據(jù)矮砧密植蘋(píng)果園機(jī)械作業(yè)的園藝要求：果樹(shù)行距4 m，株距1.2～2.0 m，樹(shù)高約為3 m，果樹(shù)最大幅寬約為2 m，經(jīng)田間調(diào)研，噴霧裝置距離果樹(shù)樹(shù)干中心位置最遠(yuǎn)可為2 m，故計(jì)算域設(shè)置為長(zhǎng)2 m、寬2 m、高3 m的矩形空間，可基本擬合實(shí)際作業(yè)的空間。

表1 T35型軸流風(fēng)機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of T35 axial fan

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 450 r/min時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)場(chǎng)如圖3所示。由圖3a、3b可知，風(fēng)機(jī)出口處截面由外而內(nèi)的風(fēng)速為從小到大、再?gòu)拇蟮叫〉淖兓?guī)律，在以軸流風(fēng)機(jī)軸線為圓心，直徑300 mm圓周處的風(fēng)速最大，故環(huán)形噴管的圓環(huán)直徑應(yīng)控制在300 mm左右。由圖3c可知，風(fēng)機(jī)軸向截面速度呈不斷衰減的趨勢(shì)，靠近風(fēng)機(jī)出口處的速度最大，故環(huán)形噴霧裝置最好設(shè)置在風(fēng)機(jī)出口附近。為驗(yàn)證仿真是否符合實(shí)際，后續(xù)進(jìn)行風(fēng)機(jī)出口端面的風(fēng)速標(biāo)定試驗(yàn)。

2.1.2風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速標(biāo)定試驗(yàn)

風(fēng)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)中使用的儀器設(shè)備有：UT363S 數(shù)字式風(fēng)速計(jì)，風(fēng)速測(cè)量范圍0.4～30 m/s，分辨率為0.01 m/s，準(zhǔn)確度為±5%；美德時(shí)JR912多功能溫濕度測(cè)試儀，測(cè)量環(huán)境溫度和濕度；待測(cè)風(fēng)機(jī)為T(mén)35型軸流通風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到1 450 r/min。測(cè)試方法采用風(fēng)速儀器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)量法[17]，測(cè)量點(diǎn)取在以軸流風(fēng)機(jī)軸線為圓心，以0、100、200、300、400 mm為直徑的圓周上，每個(gè)圓周上分別取6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)量。從每個(gè)圓周上的最右側(cè)為每個(gè)測(cè)量點(diǎn)編號(hào)，順時(shí)針編號(hào)為T(mén)1～T6。試驗(yàn)方案與風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口測(cè)量點(diǎn)的實(shí)測(cè)風(fēng)速Tab.2 Measured wind speed at measuring point of air outlet of axial flow fan m/s

對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的風(fēng)機(jī)出口端面速度與仿真結(jié)果對(duì)比，誤差小于5%，說(shuō)明仿真模型基本可以模擬軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行規(guī)律，軸流風(fēng)機(jī)的速度在直徑300 mm的圓周處最大，為充分利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣力動(dòng)能，環(huán)形噴管上的噴頭應(yīng)設(shè)置在以風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的軸線為圓心、直徑為300 mm的圓周上。

2.2 環(huán)形噴管出水口設(shè)計(jì)與仿真

為使霧滴更好地噴灑到果樹(shù)上，需要軸流風(fēng)機(jī)提供足夠大的風(fēng)速和風(fēng)量。風(fēng)量與風(fēng)速的關(guān)系公式為

(2)

式中Q——風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量，m3/s

F——風(fēng)道截面面積，m2

風(fēng)道截面積一定，該處風(fēng)量與平均風(fēng)速成正比。環(huán)形噴管需要設(shè)置在軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速最大的位置，故環(huán)形噴管的圓周直徑設(shè)計(jì)為300 mm，截面直徑為20 mm。為探究環(huán)形噴管的出水口數(shù)量設(shè)計(jì)的合理方案，進(jìn)行環(huán)形噴管的內(nèi)流場(chǎng)CFD仿真，3種環(huán)形噴管模型如圖5所示。以入水口的軸線為對(duì)稱軸，方案1有3個(gè)出水口，每個(gè)出口分別呈120°的夾角均布在環(huán)形噴管上；方案2有4個(gè)出水口，每個(gè)出口分別呈90°的夾角均布在環(huán)形噴管上；方案3有5個(gè)出水口，每個(gè)出口分別呈72°的夾角均布在環(huán)形噴管上。仿真設(shè)置環(huán)形噴管的入口質(zhì)量流量為0.2 kg/s。3種設(shè)計(jì)方案的流體仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，方案1的3個(gè)出水口(按順時(shí)針?lè)较?的液體流速均值為1.594、1.761、1.602 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.077 m/s；動(dòng)壓均值為1 354.90、1 432.62、1 367.02 Pa，標(biāo)準(zhǔn)差為34.141 Pa。方案2的4個(gè)出水口(按順時(shí)針?lè)较?的液體流速均值為0.795、0.943、1.111、0.858 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.119 m/s；動(dòng)壓的均值為385.83、477.36、629.50、418.35 Pa，標(biāo)準(zhǔn)差為93.549 Pa。方案3的5個(gè)出水口(按順時(shí)針?lè)较?的液體流速均值分別為0.647、0.678、0.779、0.786、1.022 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.132 m/s；動(dòng)壓均值為303.03、319.29、398.02、404.01、584.19 Pa，標(biāo)準(zhǔn)差為99.849 Pa。由上述數(shù)據(jù)可知，在同一入口質(zhì)量流量的情況下，隨著出水口的數(shù)量逐漸增多，每個(gè)出口的流速、動(dòng)壓逐漸分布不均；且出水口的數(shù)量越多，每個(gè)出口流速、動(dòng)壓的差異越大。方案2、3的各出水口的流速、動(dòng)壓的均勻性均不如方案1。3個(gè)出水口的流速與動(dòng)壓基本相同，可保證3個(gè)噴頭出口的噴霧一致性，故方案1的3個(gè)出水口的設(shè)計(jì)合理。由上述分析可知，采用環(huán)形噴管的圓環(huán)直徑為300 mm、管徑為20 mm、3個(gè)出水口呈120°夾角均布在環(huán)形噴管上的設(shè)計(jì)方案。

3 氣力霧化性能試驗(yàn)

通過(guò)仿真與試驗(yàn)分析方法，確定了環(huán)形噴管的設(shè)計(jì)尺寸與噴頭安裝位置。但影響環(huán)形噴管?chē)婌F裝置作業(yè)效果的因素還有風(fēng)機(jī)端口風(fēng)速、扇形噴頭型號(hào)與噴頭安裝傾角。通過(guò)設(shè)計(jì)單因素與正交試驗(yàn)來(lái)研究這3個(gè)因素對(duì)噴霧效果的影響并確定最佳噴霧參數(shù)。

3.1 試驗(yàn)材料及過(guò)程

采用重慶六六山下植?？萍加邢薰旧a(chǎn)的水敏紙；Epson perfection 1670型激光掃描儀掃描處理水敏紙檢測(cè)霧滴；UT373型非接觸式轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；采用鋁合型材搭建風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)；信利達(dá)雙核動(dòng)力高壓隔膜泵提供噴霧動(dòng)力，10～12 L/min，噴頭采用015、02、03、04、05號(hào)LICHENG 扇形噴頭。驅(qū)動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)的電機(jī)為220 V永磁變頻交流電機(jī)。

試驗(yàn)于2021年4月20日在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程大樓院外空曠地面進(jìn)行，自然風(fēng)速0.35 m/s，環(huán)境溫度為19℃，環(huán)境相對(duì)濕度為37%。搭建風(fēng)送噴霧試驗(yàn)臺(tái)，風(fēng)機(jī)軸線所在高度為1 m，標(biāo)尺長(zhǎng)度依據(jù)果樹(shù)行間距設(shè)置為4 m。水敏紙每隔20 cm粘貼一張。水敏紙用于分析霧滴漂移距離與霧滴的霧化情況。將水敏紙的收集冊(cè)按頁(yè)掃描處理，經(jīng)Image-master霧滴分析軟件[18]處理之后，得到每組試驗(yàn)的每個(gè)位置上的霧滴體積中值直徑(VMD)、霧滴沉積量、霧滴沉積覆蓋率與霧滴沉積密度等。VMD可以較明顯地反映霧滴群直徑的分布情況[19]，霧滴沉積量、霧滴沉積覆蓋率與霧滴沉積密度衡量霧滴沉積情況[20]，且3個(gè)量成正比關(guān)系，用任一量均可，依據(jù)上述指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)后續(xù)的試驗(yàn)效果。

3.2 單因素試驗(yàn)

3.2.1風(fēng)速

在探究風(fēng)速對(duì)霧滴氣力霧化的單因素試驗(yàn)中，固定噴頭安裝傾角為60°，噴頭為015型，試驗(yàn)風(fēng)速分別為0、2、4、6、8、10 m/s，在各風(fēng)速組別下各進(jìn)行3次試驗(yàn)。每次試驗(yàn)結(jié)束后，將水敏紙收集并粘貼到收集冊(cè)上，防潮處理，更換標(biāo)尺與重新粘貼水敏紙?jiān)龠M(jìn)行下一次試驗(yàn)。試驗(yàn)方案與試驗(yàn)場(chǎng)景如圖7所示。

各試驗(yàn)組霧滴沉積量隨噴霧距離的變化情況如圖8所示。隨著風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)速的增大，噴霧沉積量的峰值逐漸向前偏移。在風(fēng)機(jī)氣力作用下，霧滴沉積量的峰值主要處于0.5～1.5 m。當(dāng)風(fēng)速在4、6、8 m/s時(shí)，噴霧距離在1 m時(shí)，效果較佳。風(fēng)送噴霧裝置與靶標(biāo)果樹(shù)的距離不應(yīng)超過(guò)1.5 m，否則會(huì)造成大量霧滴的損失。霧滴沉積量隨著距離的增加呈現(xiàn)先增加后不斷減少的趨勢(shì)，氣力可有效地增加霧滴的運(yùn)動(dòng)范圍，且速度越高，輸送范圍越廣。

各風(fēng)速組別下霧滴體積中值直徑分布如圖9所示。在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，霧滴的體積中值直徑主要分布在100～200 μm之間。有風(fēng)速時(shí)，霧滴體積中值直徑分布相對(duì)于無(wú)風(fēng)狀態(tài)有了較大變化，可見(jiàn)風(fēng)速對(duì)霧滴二次霧化的作用顯著。在有風(fēng)狀態(tài)下，直徑小于100 μm的小霧滴數(shù)量大量增加，但當(dāng)風(fēng)速增加到大于或等于8 m/s時(shí)，由于風(fēng)力的作用，將細(xì)小霧滴彌漫到空氣中，只有較大霧滴可以落到4 m的標(biāo)尺范圍內(nèi)，導(dǎo)致只檢測(cè)到體積中值直徑在100 μm以上的霧滴?？梢?jiàn)，有無(wú)氣力及氣力大小對(duì)霧滴霧化的影響作用明顯，但當(dāng)風(fēng)力太大時(shí)，會(huì)造成細(xì)小霧滴的彌散，造成噴霧的損失。當(dāng)風(fēng)速在4、6、8 m/s時(shí)，氣力霧化的效果較好。

3.2.2噴頭安裝傾角

噴頭安裝傾角為噴頭所在軸線與環(huán)形噴管所在平面的夾角。為探究噴頭安裝傾角對(duì)氣力霧化效果的影響，選擇噴頭為015型、試驗(yàn)風(fēng)速為4 m/s，取30°、60°、90° 3個(gè)水平進(jìn)行水平噴霧試驗(yàn)，應(yīng)用霧滴體積中值直徑與霧滴沉積覆蓋率兩個(gè)量化指標(biāo)來(lái)衡量氣力霧化的效果。3種噴霧裝置如圖10所示。更換環(huán)形噴管?chē)婌F裝置，進(jìn)行氣力霧化試驗(yàn)后，將3種環(huán)形噴管?chē)婌F總成的霧滴沉積覆蓋率[21]隨距離的變化情況繪制成圖11，3種環(huán)形噴管?chē)婌F總成噴霧的霧滴體積中值直徑隨距離的變化情況如表3所示。

表3 不同距離環(huán)形噴管?chē)婌F總成噴霧的霧滴體積中值直徑Tab.3 Median diameter of droplet volume sprayed by annular nozzle spray assembly with different distances μm

由圖11可知，3種環(huán)形噴管?chē)婌F總成噴霧的霧滴沉積覆蓋率隨著距離增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。在相同風(fēng)速下，安裝噴頭傾角為60°的環(huán)形噴管的噴霧總體性能較好，在0～2 m的噴霧距離內(nèi)，其噴霧覆蓋率顯著優(yōu)于30°與90°，在2～4 m的范圍內(nèi)，其噴霧覆蓋率小，噴霧機(jī)噴單側(cè)果樹(shù)，一般距離果樹(shù)不超過(guò)2 m，可見(jiàn)傾角60°的環(huán)形噴管?chē)婌F損失較小。

對(duì)上述數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel 2016進(jìn)行單因素方差分析，提出假設(shè)：H0：噴頭安裝傾角對(duì)霧滴氣力霧化無(wú)影響，H1：噴頭安裝傾角對(duì)霧滴氣力霧化影響顯著。α=0.05(顯著)，α=0.01(極顯著)。分析匯總?cè)绫?所示，方差分析如表5所示。

表4 不同噴頭安裝傾角方差分析匯總Tab.4 Summary of variance analysis of installation inclination angles of different nozzles

表5 方差分析Tab.5 Analysis of variance

由表5可知，P=0.005 401<0.01，故拒絕原假設(shè)H0，噴頭安裝傾角對(duì)霧滴氣力霧化有極顯著影響。在傾角為60°時(shí)，氣力霧化后的霧滴體積中值直徑均值最小，方差較小。為探究因素之間的交互影響，多因素試驗(yàn)仍取3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2.3噴頭型號(hào)

目前，國(guó)內(nèi)外果園噴霧大多使用扇形霧化噴頭[22-23]，霧化噴頭的扇形角度為110°，依據(jù)噴頭的開(kāi)口直徑，扇形噴頭型號(hào)有015、02、03、04、05，型號(hào)越大流量越大。試驗(yàn)場(chǎng)景如圖12所示。更換噴頭，在風(fēng)速4 m/s、噴頭安裝傾角為60°狀態(tài)下，進(jìn)行氣力霧化試驗(yàn)，采用按真實(shí)果樹(shù)垂直方向3∶1比例縮小的仿真樹(shù)模擬真實(shí)果樹(shù)的下層。仿真樹(shù)通過(guò)實(shí)際測(cè)量矮砧密植果園果樹(shù)冠層下層的枝條密度與葉面積指數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿制，可確保與田間果樹(shù)噴霧實(shí)際情況基本一致。利用橫向穿透性與霧滴體積中值直徑來(lái)衡量5種噴頭的性能。同樣采用水敏紙進(jìn)行霧滴分析處理，每組噴頭試驗(yàn)進(jìn)行3次取平均值。

以噴頭的霧化性能及作業(yè)效果衡量噴頭性能。霧化性能主要依據(jù)霧滴的體積中值直徑和霧滴的沉積密度。試驗(yàn)結(jié)果如圖13、14所示。

經(jīng)Image-master霧滴分析軟件處理得到015、02、03型扇形噴頭冠層葉面霧滴沉積密度均值分別為275.69、308.42、252.27滴/cm2，計(jì)算得3個(gè)噴頭內(nèi)、中、外3層的標(biāo)準(zhǔn)差分別為10.66、7.79、10.38滴/cm2，3種噴頭葉背霧滴沉積密度均值為117.49、136.30、123.43滴/cm2，標(biāo)準(zhǔn)差為36.66、36.51、29.12滴/cm2。04與05型噴頭的霧滴沉積密度均未超過(guò)200滴/cm2，霧滴覆蓋情況較前3種噴頭差。

由圖14可知，015、02、03、04、05型噴頭冠層葉面霧滴體積中值直徑均值分別為124.69、131.09、174.02、162.01、271.41 μm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為32.85、76.57、49.81、42.48、133.01 μm；葉背霧滴體積中值直徑均值分別為110.64、94.03、79.59、137.16、133.37 μm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.21、21.60、21.49、36.34、27.05 μm。在相同風(fēng)速狀態(tài)下，隨著扇形噴頭的型號(hào)增大，霧滴沉積密度總體呈先增大后減小的趨勢(shì)，噴頭型號(hào)越大，霧滴的體積中值直徑越大，霧滴的霧化效果越差。外、中、內(nèi)3層葉面、葉背的霧滴沉積密度呈現(xiàn)逐漸減小的規(guī)律。每層葉背與內(nèi)層的霧滴體積中值直徑均偏小，可見(jiàn)，內(nèi)層與葉背附著的霧滴主要是由氣力霧化并輸送的霧滴。由此可知，015、02、03型噴頭性能較佳。

3.3 多因素試驗(yàn)

為分析風(fēng)機(jī)風(fēng)速、噴頭型號(hào)、噴頭安裝傾角對(duì)藥液在果樹(shù)冠層霧滴沉積量的交互作用影響，從而確定環(huán)形噴管總成的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)組合，選取霧滴沉積量為響應(yīng)值Y[24]，以Design-Expert 12.0軟件的Box-Behnken Design進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[25-26]，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定各因素取值范圍。設(shè)置試驗(yàn)因素編碼如表6所示，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表7所示，A、B、C為因素編碼值。利用Design-Expert 12.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，霧滴沉積量回歸方程的顯著性及方差分析見(jiàn)表8。

表6 試驗(yàn)因素編碼Tab.6 Factors coding

表7 霧滴沉積試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.7 Test scheme and results of droplet deposition

由表8可知，模型顯著性檢驗(yàn)P<0.000 1，失擬項(xiàng)P=0.052 1，說(shuō)明模型極顯著，失擬不顯著，擬合統(tǒng)計(jì)R2=0.991 8，可見(jiàn)模型的擬合程度高；對(duì)霧滴沉積量的影響，A2、B2、C2、A、B、C、AC極顯著，影響顯著順序?yàn)锳2、B2、C2、AC、B、C、A。霧滴沉積量的回歸模型為

Y=5.08+0.27A+0.48B-0.46C-0.14AB+
0.73AC+-0.21BC-1.17A2-1.85B2-1.04C2

(3)

表8 霧滴沉積量回歸方程方差分析Tab.8 Variance analysis of regression equation of droplet deposition

試驗(yàn)因素交互作用對(duì)霧滴沉積量影響的響應(yīng)面如圖15所示。由圖15a可知，在風(fēng)機(jī)風(fēng)速不變時(shí)，隨著噴頭型號(hào)的增大，霧滴沉積量呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)；在噴頭型號(hào)一定時(shí)，霧滴沉積量隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)速的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；由圖15b可知，在風(fēng)機(jī)風(fēng)速不變時(shí)，霧滴沉積量隨著噴頭傾角的增加呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)；在噴頭傾角一定的情況下，霧滴沉積量隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)速的增加呈現(xiàn)先增加后緩慢降低的趨勢(shì)。由圖15c可知，在噴頭型號(hào)一定的情況下，霧滴沉積量隨著噴頭傾角的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)；在噴頭傾角一定的情況下，隨著噴頭型號(hào)的增加，霧滴沉積量呈現(xiàn)先增加后下降趨勢(shì)。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，在Design-Expert軟件中以提高霧滴沉積量為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)噴霧作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到噴霧系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合為A=0、B=0、C=0，即風(fēng)機(jī)風(fēng)速為6 m/s、噴頭型號(hào)為02型，噴頭安裝傾角為60°。在此參數(shù)組合下，霧滴沉積量為5.08 μL/cm2。

4 結(jié)論

(1)基于風(fēng)送噴霧機(jī)的氣流霧化原理設(shè)計(jì)了安裝于風(fēng)機(jī)出風(fēng)口端面的環(huán)形噴管，通過(guò)風(fēng)機(jī)風(fēng)場(chǎng)與環(huán)形噴管內(nèi)流場(chǎng)仿真，確定了環(huán)形噴管應(yīng)設(shè)置在軸流風(fēng)機(jī)出口端面中心位置，3個(gè)噴頭應(yīng)呈120°角均布在環(huán)形噴管上。

(2)霧滴沉積量隨著距離的增加呈現(xiàn)先增加后不斷減小的趨勢(shì)，風(fēng)力可有效增加霧滴的運(yùn)動(dòng)范圍，速度越高，輸送范圍越廣。在風(fēng)速4 m/s下，霧滴沉積量的峰值主要處于0.5～1.5 m，風(fēng)送噴霧裝置與靶標(biāo)果樹(shù)的距離不應(yīng)超過(guò)1.5 m；有無(wú)氣力及氣力大小對(duì)霧滴霧化的影響作用顯著，但風(fēng)速不宜大于等于8 m/s。

(3)在風(fēng)速4 m/s下，傾角60°的環(huán)形噴管的噴霧總體性能較好，在0～2 m的有效噴霧距離內(nèi)，其噴霧覆蓋率較高，在無(wú)效噴霧距離的流失較少，且氣力霧化后的霧滴情況較好，符合作業(yè)需求。扇形噴頭的型號(hào)增大，霧滴沉積密度總體呈先增大后減小的趨勢(shì)，噴頭型號(hào)越大，霧滴的體積中值直徑越大，霧滴的霧化效果越差。

(4)各因素對(duì)霧滴沉積總量影響的顯著性由大到小為：風(fēng)機(jī)風(fēng)速與噴頭安裝傾角交互作用、噴頭型號(hào)、噴頭傾角、風(fēng)機(jī)風(fēng)速。最優(yōu)參數(shù)組合為：風(fēng)機(jī)風(fēng)速為6 m/s、噴頭型號(hào)為02型，噴頭傾角為60°。此參數(shù)組合下霧滴沉積量為5.08 μL/cm2，表明優(yōu)化模型可靠。