葡萄園噴霧機(jī)螺旋風(fēng)罩設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

袁野，秦禎, 2，李建平，楊欣，馮曉靜

(1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定，071001； 2. 山東精工電源科技有限公司，山東棗莊，277800)

0 引言

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，自2010年起，我國(guó)成為葡萄產(chǎn)量第一大國(guó)，截止2018年末，葡萄產(chǎn)量為13 667 kt[1]。葡萄園植保作業(yè)控制病蟲(chóng)害是提高葡萄園產(chǎn)量的主要措施，但目前我國(guó)葡萄園農(nóng)藥利用率不高，為提高葡萄園產(chǎn)量、節(jié)省施藥成本，如何提高葡萄園植保噴霧作業(yè)的效率和質(zhì)量成為關(guān)鍵因素[2-3]。

風(fēng)送式噴霧機(jī)通過(guò)風(fēng)機(jī)吹出的氣流進(jìn)一步霧化噴霧機(jī)噴頭噴出的液滴，在導(dǎo)流裝置風(fēng)場(chǎng)的作用下從出風(fēng)口輸送至葡萄藤冠層，實(shí)現(xiàn)均勻施藥的目的。由于風(fēng)送式噴霧機(jī)霧滴均勻度、穿透性較高，風(fēng)送式噴霧機(jī)農(nóng)藥利用率可達(dá)30%～40%，超過(guò)普通淋洗式10%～20%，風(fēng)送式噴霧機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而風(fēng)送式噴霧機(jī)的導(dǎo)流裝置直接決定施藥效果的好壞[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)噴霧機(jī)導(dǎo)流裝置的研究主要以應(yīng)用CFD流場(chǎng)仿真為主。2006年，彭小勇等[5]提出在相同排風(fēng)量下環(huán)形風(fēng)罩口周邊下方風(fēng)速大于傘形風(fēng)口的觀點(diǎn)，并運(yùn)用CFD試驗(yàn)驗(yàn)證。2011年，劉美雪等[6]運(yùn)用減小出口尺寸、增加出口間距并安裝導(dǎo)流板的方法，實(shí)現(xiàn)了減小風(fēng)筒內(nèi)外流場(chǎng)風(fēng)速變異系數(shù)的要求。2013年，Pergher等[7]提出在出風(fēng)口利用導(dǎo)流板阻止多余的噴霧擴(kuò)散以回收藥液，并通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證回收的藥液對(duì)霧滴均勻度、沉積率的影響較小。2015年，Salcedo等[8]對(duì)搭建二維氣流場(chǎng)CFD模型進(jìn)行研究并用三種湍流應(yīng)力模型試驗(yàn)驗(yàn)證。2018年，周杰等[9]通過(guò)搭建風(fēng)送試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，驗(yàn)證了導(dǎo)流錐對(duì)氣流分布均勻性和流速的影響。2020年，宋雷潔等[10]通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)流板分布和入口風(fēng)速，增強(qiáng)了頂部氣流，解決了不同高度冠層下著藥不均勻的問(wèn)題。2021年，張俊雄等[11]通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)流板形狀參數(shù)增大了氣流場(chǎng)流速，提高了風(fēng)送式噴霧機(jī)氣流對(duì)果樹(shù)冠層的穿透能力。

針對(duì)風(fēng)送式噴霧機(jī)出風(fēng)口設(shè)計(jì)了一種螺旋風(fēng)罩，經(jīng)CFD流體仿真對(duì)比不同結(jié)構(gòu)下流場(chǎng)云圖，觀察并分析選擇最佳結(jié)構(gòu)，通過(guò)室內(nèi)噴霧試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證風(fēng)罩結(jié)構(gòu)的有效性，分析霧滴均勻度的影響因子并選取最佳作業(yè)參數(shù)。

1 風(fēng)罩結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

1.1 風(fēng)罩設(shè)計(jì)及工作原理

葡萄葉片寬大，葉幕繁雜密集，取樣位置越深，霧滴穿透比越小，冠后漂移率越低，而導(dǎo)流裝置的出風(fēng)性能和穿透性能對(duì)冠后漂移率有直接影響[12]。霧滴的冠后藥液附著率較低，提高冠后藥液附著對(duì)提高藥液利用率有顯著作用

葡萄園風(fēng)送式噴霧機(jī)的螺旋風(fēng)罩以適應(yīng)自然風(fēng)的干擾為前提，依據(jù)螺旋風(fēng)抵抗自然風(fēng)保持風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定性的能力強(qiáng)于直流風(fēng)，運(yùn)用螺旋風(fēng)風(fēng)送藥液霧滴。通過(guò)風(fēng)罩內(nèi)部的液體噴頭噴灑霧化液滴，在螺旋風(fēng)撞擊作用下進(jìn)一步霧化后，隨螺旋風(fēng)曲線運(yùn)動(dòng)和離心作用進(jìn)一步提高風(fēng)場(chǎng)的霧滴均勻度，在風(fēng)罩出風(fēng)口風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)力作用下輸送至葡萄藤冠層后，由螺旋風(fēng)的強(qiáng)擾動(dòng)性增大冠層葉片間隙，風(fēng)場(chǎng)中的霧滴接觸內(nèi)部葉片和葉片背部的概率增大，提高了冠后漂移率和冠后藥液附著率，減小了霧滴附著在內(nèi)外葉片的差值，防止了因冠后施藥較少而重復(fù)噴藥的情況，實(shí)現(xiàn)提高藥液的利用率的要求。

因本文設(shè)計(jì)螺旋風(fēng)罩，為保障噴霧均勻，采用噴霧角為80°的空心圓錐噴頭，安裝在進(jìn)風(fēng)口側(cè)內(nèi)部。根據(jù)葡萄園種植模式調(diào)研，華北地區(qū)行距一般在2～3 m，株距為0.8～1.5 m，葡萄植株高1.8～2.5 m，冠層厚度1.5～2 m[13]。結(jié)合葡萄種植特點(diǎn)，風(fēng)送式噴霧機(jī)采用塔型作為螺旋風(fēng)罩的搭載目標(biāo)機(jī)型，塔型噴霧機(jī)裝有多個(gè)出風(fēng)口進(jìn)行噴霧，根據(jù)市面機(jī)型調(diào)研，一側(cè)至少有4個(gè)出風(fēng)口才可將不同樹(shù)齡的葡萄藤覆蓋[14-15]。為模擬螺旋風(fēng)罩安裝在塔型噴霧機(jī)出風(fēng)口位置的工況，采用離心式風(fēng)機(jī)提供風(fēng)力，單一風(fēng)罩內(nèi)部安裝1個(gè)空心圓錐噴頭即可滿足需求，依據(jù)替換原則、自然風(fēng)強(qiáng)度和有效距離的要求，選擇風(fēng)機(jī)風(fēng)量為0.22 m3/s和螺旋風(fēng)罩出風(fēng)口速度為10.8 m/s，即螺旋風(fēng)罩風(fēng)量為0.22 m3/s[16]。

為達(dá)到出風(fēng)穩(wěn)定效果，螺旋風(fēng)罩采用等直徑圓筒，進(jìn)風(fēng)口為圓環(huán)形，出風(fēng)口形狀為圓形，內(nèi)部螺旋擋板按照?qǐng)A形陣列安裝在風(fēng)罩內(nèi)。螺旋風(fēng)罩二維結(jié)構(gòu)如圖1所示，R1、R2、R3、R4分別為出風(fēng)口半徑、進(jìn)風(fēng)口內(nèi)圓擋板半徑、進(jìn)風(fēng)口外圓半徑和螺旋擋板半徑。螺旋風(fēng)罩進(jìn)風(fēng)口外圓半徑R3=0.1 m，內(nèi)圓擋板半徑R2=0.09 m，出風(fēng)口半徑R1=0.08 m，螺旋擋板半徑R4=0.1 m，風(fēng)罩高度為0.07 mm，螺旋擋板數(shù)為4個(gè)，運(yùn)用SolidWorks建模，螺旋風(fēng)罩結(jié)三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 螺旋風(fēng)罩結(jié)構(gòu)二維圖Fig. 1 Two-dimensional drawing of spiral air duct structure

圖2 螺旋風(fēng)罩剖面三維效果圖Fig. 2 3D rendering of spiral wind hood section1.出風(fēng)口 2.進(jìn)風(fēng)口 3.進(jìn)風(fēng)口擋板 4.螺旋擋板

1.2 螺旋風(fēng)擋板的設(shè)計(jì)

螺旋擋板作為形成螺旋風(fēng)的關(guān)鍵部件，采用4個(gè)螺旋擋板作為導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，4個(gè)螺旋擋板按等角度圓周排列。由于4個(gè)螺旋擋板相同，擋板安裝角度、位置作為關(guān)鍵參數(shù)對(duì)形成螺旋風(fēng)有較大影響，針對(duì)螺旋擋板進(jìn)行安裝定位分析，以上視圖俯視擋板安裝面，如圖3(a)所示，將原點(diǎn)視作螺旋風(fēng)罩擋板安裝圓面的圓心，以原點(diǎn)為圓心作1/4圓弧即為AB，將A點(diǎn)作為定點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)AB一定角度后分別得到AC、AD、AE，此逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角即為內(nèi)擋板安裝角，圓弧AB、AC、AD、AE即為不同安裝角度的內(nèi)檔板。在圖3(b)中，設(shè)旋轉(zhuǎn)角為α，圓弧AB、AC的半徑均為R，圓弧AC由圓弧AB逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α得到，由O1向縱軸作垂線得D(0，R-Rcosα)，圓弧AB的圓心坐標(biāo)為原點(diǎn)O(0，0)，在直角三角形ADO1中，點(diǎn)O1坐標(biāo)可表示為O1(Rsinα，R-Rcosα)，直角坐標(biāo)系下，圓弧的軌跡方程可表示為式(1)。

(a) 內(nèi)擋板安裝角度示意圖

(b) 內(nèi)擋板坐標(biāo)示意圖 圖3 螺旋擋板角度關(guān)系圖Fig. 3 Angle relationship diagram of spiral baffle

(x-Rsinα)2+(y-Rcosα)2=R2

(1)

通過(guò)極坐標(biāo)公式與直角坐標(biāo)的換算，利用式(2)對(duì)式(1)進(jìn)行計(jì)算得出式(3)。

(2)

(3)

式中：α——擋板安裝角，(°)；

Θ——極坐標(biāo)圓心角，(°)；

R——半徑，m。

螺旋風(fēng)形成條件，選擇擋板安裝角度為20°、30°、40°的三個(gè)螺旋擋板作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

2 風(fēng)罩流體仿真

2.1 仿真模型的建立

為了揭示風(fēng)罩在不同擋板角度下的流體分布規(guī)律，采用Fluent對(duì)螺旋風(fēng)罩的氣流流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

通過(guò)Solidworks對(duì)風(fēng)罩建立三維模型，在出風(fēng)口附近設(shè)置半徑110 mm、長(zhǎng)度100 mm的圓柱作為流場(chǎng)域，運(yùn)用Fluent進(jìn)行流場(chǎng)仿真，使用軟件自動(dòng)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為5 mm，進(jìn)風(fēng)口設(shè)置“Inlet”，出風(fēng)口設(shè)置“Outlet”，風(fēng)罩外殼及內(nèi)擋板設(shè)置為“Wall”，取進(jìn)風(fēng)口至出風(fēng)口方向?yàn)檎?，風(fēng)速設(shè)置為30 m/s，分別對(duì)擋板安裝角度為20°、30°、40°的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

2.2 仿真結(jié)果及螺旋風(fēng)狀態(tài)分析

根據(jù)仿真得到風(fēng)罩內(nèi)部、出風(fēng)口處、距離出風(fēng)口100 mm處擋板安裝角度為20°、30°、40°的氣流云圖，如圖4～圖6所示。

根據(jù)圖4～圖6，螺旋風(fēng)罩內(nèi)擋板安裝角為20°時(shí)，流體從內(nèi)部截面經(jīng)出風(fēng)口到達(dá)距出風(fēng)口100 mm的過(guò)程中，三個(gè)位置的最高風(fēng)速均為29.6 m/s；安裝角為30°時(shí)，三個(gè)位置的最高風(fēng)速均為24.8 m/s；安裝角為40°時(shí)，三個(gè)位置的最高風(fēng)速均為26.8 m/s。

為研究?jī)?nèi)擋板安裝角度對(duì)流體形成螺旋狀態(tài)的作用，觀察不同風(fēng)速流體分布區(qū)域，螺旋風(fēng)特征表現(xiàn)為高風(fēng)速區(qū)域與低風(fēng)速區(qū)域分界線呈旋刀形。圖4表明，螺旋風(fēng)罩內(nèi)擋板安裝角度為20°的內(nèi)部流體螺旋狀態(tài)不明顯，高風(fēng)速區(qū)域處于擋板內(nèi)圈周邊呈圓環(huán)形，中心部風(fēng)速低，30°流體螺旋明顯，高風(fēng)速區(qū)域處于擋板內(nèi)圈周邊，受擋板約束呈旋刀形，中心部風(fēng)速低，40°流體螺旋明顯，高風(fēng)速區(qū)域處于中區(qū)部呈圓形，擋板內(nèi)圈周邊風(fēng)速略低呈旋刀形。由圖5可知，出風(fēng)口區(qū)域，擋板安裝角度20°存在擴(kuò)散態(tài)勢(shì)的螺旋風(fēng)，30°和40°存在聚集態(tài)勢(shì)的螺旋風(fēng)，且隨著安裝角度的增加，同一截面處風(fēng)速有增加趨勢(shì)。由圖6可知，距離出風(fēng)口100 mm區(qū)域，安裝角20°時(shí)風(fēng)場(chǎng)失去螺旋風(fēng)特征，30°時(shí)風(fēng)場(chǎng)邊緣出現(xiàn)擴(kuò)散態(tài)勢(shì)的發(fā)散風(fēng)場(chǎng)特征，中心區(qū)域聚集態(tài)勢(shì)的螺旋風(fēng)特征明顯，40°存在明顯聚集態(tài)勢(shì)的螺旋風(fēng)特征。

在流體仿真軟件中設(shè)置觀察面，觀察擋板不同安裝角度的流體軌跡圖，如圖7所示。結(jié)果表明：當(dāng)螺旋擋板安裝角度為20°時(shí)，流場(chǎng)流體軌跡呈現(xiàn)出發(fā)散趨勢(shì)，且螺旋狀態(tài)不明顯，高流速線明顯少于30°和40°。而安裝角為40°時(shí)，流體軌跡未出現(xiàn)發(fā)散，但是在流體中心，流體軌跡雜亂，出現(xiàn)湍流現(xiàn)象，造成了流速和能量的損耗，風(fēng)筒外流體速度較為集中，速度矢量圖在流場(chǎng)外呈現(xiàn)出速度混亂，不利于攜帶霧滴到靶標(biāo)位置。

只有擋板安裝角為30°的流體軌跡線均勻，螺旋狀態(tài)良好，有利于流體對(duì)霧滴的二次霧化。既沒(méi)有明顯擴(kuò)散，也沒(méi)有出現(xiàn)螺旋軌跡的混亂，有利于流體攜帶霧滴在空中的運(yùn)動(dòng)。

(a) 20°

(b) 30°

(c) 40° 圖4 螺旋風(fēng)筒內(nèi)部截面氣流云圖Fig. 4 Cloud chart of spiral wind of different baffle angle in the hood

從螺旋風(fēng)筒縱剖面的速度矢量圖(圖8)可以看出，當(dāng)擋板角度為40°時(shí)，風(fēng)筒外流體速度較為集中，速度矢量圖在流場(chǎng)外呈現(xiàn)出速度混亂，不利于攜帶霧滴到靶標(biāo)位置；在20、30°外流場(chǎng)域中速度螺旋狀態(tài)明顯，有利于對(duì)霧滴的二次霧化。當(dāng)螺旋擋板角度為20°，距離出口100 mm時(shí)，速度矢量圖可以看出，流體速度較小，且流體已經(jīng)呈現(xiàn)出發(fā)散趨勢(shì)，而30°速度相對(duì)于集中，流體速度較20°大。

綜上，內(nèi)擋板角度為30°的螺旋風(fēng)罩下的流場(chǎng)流速較高且滿足要求、沒(méi)有出現(xiàn)湍流現(xiàn)象，有利于提高霧化液滴的均勻性，在100 mm處仍有聚集態(tài)勢(shì)的螺旋風(fēng)特征。仿真結(jié)果同時(shí)證明，直流風(fēng)流體從螺旋風(fēng)罩的圓環(huán)形入口進(jìn)入后，成功在風(fēng)罩和內(nèi)擋板的約束下改變流體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槟繕?biāo)出口中心，并聚集形成螺旋風(fēng)，內(nèi)擋板角度對(duì)螺旋風(fēng)質(zhì)量存在影響，選取內(nèi)擋板角度為30°，滿足設(shè)計(jì)要求。

(a) 20°

(b) 30°

(c) 40° 圖5 出風(fēng)口處截面氣流云圖Fig. 5 Cloud chart of spiral wind of different baffle angle at the outlet

(a) 20°

(b) 30°

(c) 40° 圖6 距出風(fēng)口100 mm處截面氣流云圖Fig. 6 Cloud chart of spiral wind of different baffle angle at the section 100mm from the outlet

(a)20°

(b) 30°

(c) 40° 圖7 100 mm處截面流場(chǎng)域流線圖Fig. 7 Streamline diagram of the end flow field

(a) 20°

(b) 30°

(c) 40° 圖8 螺旋風(fēng)罩剖面速度矢量圖Fig. 8 Spiral air duct speed vector

3 霧滴均勻度試驗(yàn)分析

本螺旋風(fēng)罩為滿足噴藥的過(guò)程中節(jié)省藥液的要求，通過(guò)螺旋風(fēng)的流體螺旋運(yùn)動(dòng)，相比直流風(fēng)送霧滴，增大了風(fēng)場(chǎng)內(nèi)流體與霧滴的接觸距離，流體間的相互摩擦進(jìn)一步撞擊、擊碎霧滴，提高了霧滴均勻度，藥液均勻度越高，越能改善因施藥不均勻?qū)е碌摹奥﹪姾笱a(bǔ)噴”的狀況。

為驗(yàn)證風(fēng)罩螺旋風(fēng)對(duì)噴霧均勻度的影響，文章可基于室內(nèi)噴霧試驗(yàn)進(jìn)行風(fēng)罩噴霧三因素三水平試驗(yàn)，測(cè)試有無(wú)螺旋風(fēng)、噴頭孔徑、噴頭壓力對(duì)噴霧均勻性的影響[17]。

3.1 風(fēng)罩噴霧試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)使用的儀器設(shè)備有噴霧試驗(yàn)臺(tái)、Winner 318 B型馬爾文激光粒度分析儀、沈力風(fēng)機(jī)DF-3、半徑為105 mm透明圓柱風(fēng)管通道和半徑為105 mm風(fēng)罩、噴霧角為80°空的心圓錐噴頭，如圖9所示。為控制試驗(yàn)環(huán)境因素的影響進(jìn)行室內(nèi)噴霧試驗(yàn)，經(jīng)測(cè)量，室溫為20℃，無(wú)自然風(fēng)，濕度為69%。

根據(jù)GB/T 20183.1—2006/ISO5682—1:1996標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，霧滴噴霧均勻度采用擴(kuò)散比DR表達(dá)，擴(kuò)散比為霧滴的數(shù)量中徑與體積中徑的比值。

(4)

(5)

式中：di——第i個(gè)霧滴直徑，μm；

Ni——直徑為di的霧滴個(gè)數(shù)，個(gè)。

DR的值越接近于1，表明霧滴霧化效果越好，霧滴分布越集中，理想環(huán)境狀態(tài)下，只有霧滴全部集中于一點(diǎn)時(shí)，DR的值才能為1。許童羽等[18-19]研究表明，當(dāng)DR在0.67～1時(shí)，可認(rèn)為霧滴均勻性較好，可以用于果樹(shù)噴霧作業(yè)，當(dāng)DR<0.67時(shí)，認(rèn)為霧滴均勻性差，霧滴分散嚴(yán)重，并不適用于果園作業(yè)。

(a) 試驗(yàn)平臺(tái)圖

(b) 試驗(yàn)過(guò)程 圖9 試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖Fig. 9 Physical map of test platform1.噴霧試驗(yàn)臺(tái) 2.霧滴粒度測(cè)試儀 3.DF-3風(fēng)機(jī) 4.螺旋風(fēng)筒 5.透明鋼絲風(fēng)管

3.2 風(fēng)罩噴霧正交試驗(yàn)及結(jié)果

現(xiàn)假設(shè)在無(wú)風(fēng)條件下為-1，螺旋風(fēng)狀態(tài)下為0，有風(fēng)但無(wú)螺旋風(fēng)狀態(tài)下為1。參考農(nóng)業(yè)噴霧農(nóng)藝要求和文獻(xiàn)，噴霧壓力選取0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa三個(gè)水平，噴頭孔徑選取0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm三個(gè)水平[20]。按照正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)如表1所示。

現(xiàn)假設(shè)在無(wú)風(fēng)條件下為-1，螺旋風(fēng)狀態(tài)下為0，有風(fēng)但無(wú)螺旋風(fēng)狀態(tài)下為1。參考農(nóng)業(yè)噴霧農(nóng)藝要求和文獻(xiàn)，噴霧壓力選取0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa三個(gè)水平，噴頭孔徑選取0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm三個(gè)水平[20]。按照正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 因素水平表Tab. 1 Factor level Table

三因素三水平的風(fēng)罩噴霧正交試驗(yàn)的霧滴擴(kuò)散比DR結(jié)果如表2所示。

表2 噴霧均勻性試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Spray uniformity test results

根據(jù)直觀試驗(yàn)結(jié)果，DR值越大，霧滴均勻度越好，試驗(yàn)2效果最好，試驗(yàn)3效果最差。為選擇最佳工作參數(shù)，驗(yàn)證使用螺旋風(fēng)對(duì)提高霧滴均勻度的作用，并研究噴頭孔徑和噴頭壓力參數(shù)對(duì)霧滴均勻度的影響大小，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了解有無(wú)螺旋風(fēng)、噴頭孔徑、噴頭壓力三個(gè)因素對(duì)霧滴均勻度的影響主次順序，驗(yàn)證有無(wú)螺旋風(fēng)對(duì)霧滴均勻度的影響大小，將正交試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入至Design-Expert進(jìn)行方差分析。

表3 霧滴均勻度試驗(yàn)方差分析表Tab. 3 Table of variance analysis of fog drop uniformity test

根據(jù)Design-Expert進(jìn)行方差分析得到，響應(yīng)值ε的標(biāo)準(zhǔn)差為0.014，平均值為0.62，變異系數(shù)為2.22，R2為0.995 5。霧滴均勻性變異系數(shù)各參數(shù)之間回歸方程為

y=0.78+0.063A-0.021B-0.019C-

0.22AB-0.019AC+0.033BC-

0.019A2-0.034B2-0.054C2

(7)

根據(jù)Design-Exper方差分析結(jié)果，模型總體極顯著(p<0.01)，而該模型中失擬項(xiàng)的p值為0.390 2，顯著性大于0.05，失擬項(xiàng)不顯著，擬合程度高。

根據(jù)方差分析結(jié)果，對(duì)噴霧均勻性的影響中，由于A、BC、A2、C2極顯著，B、C、AC、AB、B2顯著，顯著影響順序?yàn)锳>B>C。

根據(jù)式(7)，繪制各因素響應(yīng)曲面，其響應(yīng)曲面如圖10所示。

根據(jù)圖10(a)可知，噴霧壓力恒定為0.3 MPa時(shí)，擴(kuò)散比隨噴頭孔徑的增大先增大后減小，擴(kuò)散比在有螺旋風(fēng)狀態(tài)時(shí)比無(wú)風(fēng)狀態(tài)和有直流風(fēng)狀態(tài)時(shí)大，有螺旋風(fēng)狀態(tài)下霧滴擴(kuò)散比最大，當(dāng)無(wú)風(fēng)狀態(tài)和有風(fēng)且非螺旋風(fēng)狀態(tài)下霧滴擴(kuò)散比要比螺旋風(fēng)狀態(tài)下小。當(dāng)噴霧孔徑為0.9～1.1 mm，有螺旋風(fēng)時(shí)，霧滴均勻性擴(kuò)散比最優(yōu)；根據(jù)圖10(b)可知，螺旋風(fēng)狀態(tài)下時(shí)，擴(kuò)散比隨噴霧壓力的增大先增大后減小，擴(kuò)散比隨噴頭孔徑的增大先增大后減小，當(dāng)噴頭孔徑為0.9～1.1 mm，壓力為0.25～0.35 MPa時(shí)，霧滴均勻性擴(kuò)散比最優(yōu)；根據(jù)圖10(c)可知，噴頭孔徑為1.0 mm時(shí)，擴(kuò)散比在有螺旋風(fēng)狀態(tài)下比無(wú)風(fēng)狀態(tài)和直流風(fēng)狀態(tài)時(shí)大，擴(kuò)散比隨噴頭孔徑的增大先增大后減小。由此可得，在有螺旋風(fēng)狀態(tài)下，擴(kuò)散比更大，霧滴均勻性更好，并且有螺旋風(fēng)對(duì)霧滴均勻度的影響程度大于噴霧壓力和噴頭孔徑。綜上，有螺旋風(fēng)輔助時(shí)，噴頭孔徑為0.9～1.1 mm，壓力為0.28～0.32 MPa時(shí)，霧滴均勻性擴(kuò)散比最優(yōu)，結(jié)合試驗(yàn)號(hào)2，在有螺旋風(fēng)時(shí)、噴霧壓力為0.3 MPa、噴霧孔徑為1.0 mm時(shí)，擴(kuò)散比最佳為0.783 6，即霧滴均勻性最好，大于果園噴霧霧滴均勻性的擴(kuò)散比標(biāo)準(zhǔn)0.65。

(a) 噴頭孔徑與風(fēng)罩狀態(tài)

(b) 噴霧壓力與噴頭孔徑

(c) 噴霧壓力與風(fēng)罩狀態(tài) 圖10 因素交互作用的響應(yīng)曲面圖Fig. 10 Response surface diagram of factor interaction

4 結(jié)論

1) 針對(duì)葡萄園施藥冠層內(nèi)部和葉片背面藥液附著率低的問(wèn)題，提出運(yùn)用螺旋風(fēng)強(qiáng)擾動(dòng)性來(lái)增加藥液附著率的方式，設(shè)計(jì)了一種螺旋風(fēng)風(fēng)罩，運(yùn)用Solidworks軟件建立螺旋風(fēng)罩的三維模型，導(dǎo)入到Fluent進(jìn)行流體仿真，根據(jù)螺旋風(fēng)場(chǎng)的有效距離和螺旋風(fēng)場(chǎng)聚集效應(yīng)選取螺旋風(fēng)罩內(nèi)擋板的安裝角度為30°，實(shí)現(xiàn)了螺旋風(fēng)罩螺旋風(fēng)場(chǎng)聚集效應(yīng)強(qiáng)和有效距離遠(yuǎn)的要求。

2) 進(jìn)行風(fēng)罩噴霧正交試驗(yàn)，根據(jù)Design-Expert對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，結(jié)果表明：擴(kuò)散比的影響因素主次順序依次為：風(fēng)罩狀態(tài)、噴霧孔徑、噴霧壓力；有螺旋風(fēng)輔助時(shí)，噴頭孔徑為0.9～1.1 mm，壓力為0.28～0.32 MPa 時(shí)，霧滴均勻性擴(kuò)散比最優(yōu)；有螺旋風(fēng)時(shí)、噴霧壓力為0.3 MPa、噴頭孔徑為1.0 mm，擴(kuò)散比最佳為0.783 6，即霧滴均勻性最好，最有利于節(jié)省藥液提高葉片附著率。研究結(jié)果對(duì)螺旋風(fēng)送施藥提高藥液霧滴均勻度的影響因素分析提供了理論依據(jù)，為螺旋風(fēng)導(dǎo)流裝置的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。