风送式喷雾机风筒结构设计与试验研究

宋俊伟，冯 业，吴 姝，魏新华

(1.江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013；2.海信科龙空调公司开发中心，广东 佛山 528000)

0 引言

新疆建设兵团机械化规模棉花种植面积约70万hm2，主要采用矮化密值种植模式，普通喷杆式喷雾机无法穿透棉花冠层，施药效果不佳[1-4]。为提高施药效果，在现有普通喷杆式喷雾机的基础上，先后出现了吊杆式喷雾机和风送式喷雾机。吊杆式喷雾机虽然在药液沉积分布和施药效果上有所改善，但雾滴难以在冠层内扩散，冠层内的药液沉积分布极不均匀；风送式喷雾技术主要是利用气流将农药雾滴喷入作物冠层，可大幅度增加冠层内部的药液沉积量[5-9]。

Endalew等[10]利用仿真技术建立了风送式喷雾机的仿真模型，对喷雾气流速度的高低分布进行了研究。Tsay J R等[11]利用CFD仿真技术对果园风助式喷雾机的雾滴穿透及喷雾性能进行了研究。祁力钧等[12]在原有喷雾机的出风口设计安装1个锥形导风筒和1个同轴柱形导风筒，对两种结构不同的导风筒进行数值模拟，分析其运动轨迹和出风口处的气流速度分布。张晓辉等[13]在原有风筒上增加导流板装置，减小出口尺寸和出口间距，试验表明改进后的风筒能实现高效和风速变异小的风幕。洪添胜等[14]利用仿真方法，研究了风筒内导流片数目对内部流场的影响，试验结果表明导流片数目一般以4～5为宜。宋淑然等[15]利用数值及正交试验的方法，对风送式喷雾机的喷筒结构进行了优化，仿真计算模型并通过试验验证了模型的可信度。本课题组利用风送式喷雾技术，设计了棉花施药喷杆喷雾机[16]。在此喷杆喷雾机上的风送系统设计中，导风筒的结构是基于经验设计完成，在大田试验过程中虽然对气流扰动有一定的效果，但出风口处的风速分布均匀性和作物雾滴沉积性还有待提高。

国内外学者的研究发现：CFD仿真技术对喷雾机结构及其性能的研究是可行的，且研究发现风送式喷雾机风筒结构及内部导流片形状对风筒内流场分布和出风口速度分布具有较大的影响，从而影响喷雾分布均匀性、雾滴沉积均匀度。

针对现有的棉花施药风送式喷雾机，本文设计了一种风送式喷雾机风筒，并利用CFD仿真技术研究风筒气流场分布，通过试验验证模型的可靠性，将设计的风筒安装在喷雾机上进行实际大田作业，检验了风送式喷雾机的雾滴沉积分布情况。

1 风送式喷雾机风筒结构设计

为了提高风送式喷杆喷雾机的施药效果，在实际施药过程中，风筒出风口处的风速分布要尽量保持均匀，在进风口到出风口的过程中，内流场的区域的变异系数要尽量小，且在各个局部交接点要保持较小的耗气量。为了满足上述要求，本文设计一种风送式喷雾机风筒，具体设计结构如下：

风送式喷雾机风筒外部结构如图1所示。风筒由柱形段和锥形段组成，进风口柱形段与出风口柱形段之间的夹角为160°，锥形段部分分成对称的两侧出风口部分。

图1 风筒外部结构图

在风筒内部，进风口柱形段部分与出风口柱形段部分各内置横向导流板，两个横向导流板之间的夹角也为160°；锥形段出风口部分均匀分布3片导流片，导流片之间的夹角为60°。导流板与导流片结构如图2所示，整体风送式喷雾机风筒内外部结合结构如图3所示。

图2 导流板与导流片结构图

图3 风筒整体结构图

2 风送式喷雾机风筒计算模型仿真模拟

2.1 模型建立与计算域确定

在风筒流场分析之前，首先要建立风筒的仿真模型，本文通过软件ICEM，对图3所示的风筒几何模型进行流道抽取，建立风筒的仿真模型。流道抽取结果如图4所示。

图4 风筒仿真模型

为了同时对风筒内部与外部流场进行分析，在现有风筒仿真模型的基础上，贴合两侧出风口增加对称的外流场部分，风筒内外流场仿真模型如图5所示。

图5 风筒内外流场仿真模型

确定好计算域后，由于风筒及外流场均为对称体，在满足计算精度的前提下，为了减少计算负载，将仿真模型根据横向对称面简化为物理模型的1/2。在仿真时，另一半设立为对称面，最终确定的仿真三维模型如6所示。

2.2 网格划分

本文采用ICEM对风筒及外流场进行网格划分，由于风筒内部结构比较复杂，外流场部分相对规则，故将分成的两个部分分别进行网格划分。风筒部分采用非结构化网格，外流场部分采用结构化网格，两部分均为体网格；在风筒的进风口与出风口处采用网格加密，并且在内外流场交界处创建交界面。最终网格化后的模型如图7所示。三维结构共划分网格数为2 738 659，节点数为509 806。

图6 1/2 仿真模型

图7 仿真模型网格化

2.3 数值计算与仿真结果分析

2.3.1 数值计算参数设置

边界条件是指在求解域的边界上所求解的变量或者其一阶导数随地点及时间变化的规律。合理的边界条件是CFD稳定有正确定解的前提，也是计算收敛并得以进行的前提[5]。风筒气流场仿真计算模型为Realizablek-ε湍流模型，进口采用速度进口边界条件，进口速度为20 m/s，湍流密度为5%，水力直径为104 mm；出口为压力出口边界条件，出口压力为大气压，回流湍流强度为5%，回流水力直径为162mm；壁面条件为默认的WALL壁面函数，内部交换面设为Interior；选空气作为材料，材料密度设为1.225 kg/m3,动力粘度设为1.7894×10-5Pa·s。本文采用分离式求解器，压力速度耦合方式选用Simple算法，采用二阶迎风格式进行求解。当各项参数设置完毕后，设置迭代步数5 000进行计算，在迭代计算1 666步后，各项残差值均低于10-4，计算收敛。

2.3.2 仿真结果分析

选取风筒的两个侧面分别观测风筒内部的气流速度和风筒外流场气流的速度云图，分别如图8、图9所示，整个风筒的气流走势迹线图如图10所示。不同颜色表示不同的气流速度。根据图8所示的风筒内流场速度分布，仅在导流板与导流片的交接处出现较小的气流漩涡，此旋流对耗气量影响较小，风筒4个出风口处的速度分布均匀，整个风筒内流场区域风速变异系数较小。根据图9所示的风筒外流场的速度分布，从风筒出风口处到外流场部分，风速大约在2～14m/s，有利于风送喷雾时使作物叶片产生翻动效果，使雾滴穿过冠层，到达冠层内部，有效提高雾滴的沉积率。

图8 内流场速度分布云图

图9 外流场速度分布云图

图10 气流迹线图

3 试验验证与分析

3.1 验证装置

为了更进一步验证仿真结果，定量地对风筒外流场的相关点进行了速度测试。通过自制试验台对风筒气流场进行试验验证，如图11所示。本试验装置可上下安装两排风筒，基于本文对1个风筒的气流场进行研究，即本试验仅在1个风筒通风状态下进行风筒气流场的测试。

图11 试验装置

3.2 风场测试方法

为了检验风筒的气流强度及均匀性，对风筒的气流场速度分布进行了测试，测试点分布如图12所示。测试区域取风筒出风口平行区域，横向宽度为0.6m，测试区域纵向长度为0.4m；从出风口处开始，横向与纵向均间隔0.05m，即取8排测试点，每排测试13个点，共104个测试点。试验时，风机连接变频器，通过改变频率，使风筒进口风度达到相对稳定的气流速度，约为20m/s。本试验采用VT100型热线风速仪(法国KIMO仪器公司)进行风速测试，每个测试点测量6次取均值。

图12 风速测试点分布图

3.3 试验结果及分析

图13(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)所示分别为不同的纵向距离下每个横向测试点的试验值与仿真值的对比折线图。从8个对比的折线图中可以看出：实测值与仿真值的趋势基本保持一致，因此风筒所建立的仿真模型有效。根据图13(a)、(b)、(c)、(d)的折线图发现：离地距离为0.85m～0.7m的4个出风口的风速基本保持一致。这表明，4个出风口的风速较为均匀。

图13 实测值与仿真值对比图

4 大田试验效果

4.1 试验方法

为检验安装该风筒后喷雾机的雾量沉积分布情况，选择田间进行喷雾机实际作业，如图14所示。

图14 实际作业图

田间试验在新疆建设兵团农八师进行，在每行的棉株上选择不同的测试点，分别在棉株冠层上部正面、冠层上部反面、冠层中部正面、冠层中部反面、冠层下部正面和冠层下部反面位置布置相应的水敏纸，用曲别针固定测试点上的水敏纸。

将设计的导风筒安装在喷杆喷雾机上，使喷雾机以5km/h的作业速度进行施药；完成施药后，等待水敏纸晾干，从棉花叶片上取下并放入密封袋，回到实验室对每张水敏纸进行扫描并进行相关的图像处理，计算雾滴的有效沉积率。

4.2 试验结果

应用MatLab软件对扫描完成的水敏纸图像进行处理，将灰度图像转化成二值化图像，根据二值化图像的像素点统计计算每个测试点叶片的雾滴沉积率，水敏纸图像的处理过程如图15所示。冠层上部正面、冠层上部反面、冠层中部正面、冠层中部反面、冠层下部正面和冠层下部反面平均雾滴沉积率结果如表1所示。

图15 图像处理

冠层上部正面反面冠层中部正面反面冠层下部正面反面整个冠层正面反面89.2840.5179.6133.6769.8625.9679.5833.38

由表1可知：棉花整个冠层的叶片正面雾滴沉积率达到79.58%，叶片反面雾滴沉积率达到33.38%，冠层上部、中部、下部叶片正反面雾滴平均沉积率相差均<10%，整个冠层雾滴沉积分布均匀性较好。

5 结论

1)设计了一种风送式喷雾机的风筒结构，通过建模及参数设置对风筒的内流场和外流场进行仿真分析，分析风筒出风口处及外部流场的风场情况。通过室内试验对风场进行试验测试，并对比实测值与仿真值，验证了风筒仿真模型的有效性。

2)将该风筒实际运用到大田试验中，并通过图像处理的方法对棉花上的雾量沉积分布特性进行研究。雾量沉积分布试验结果表明：棉花整个冠层的叶片正面雾滴沉积率达到了79.58%，叶片反面雾滴沉积率达到了33.38%，冠层上部、中部、下部叶片正反面雾滴平均沉积率相差均<10%，整个冠层雾滴沉积分布均匀性较。

3)该风筒结构设计在一定程度上有效减小了漩涡，提高了冠层内部的雾滴沉积率，但依然存在局部损失；出风口处的风速分布较均匀，但外流场部分的风速的分布并没有达到出风口处的均匀性。后期将对风筒进行结构优化，进一步减小局部损失。风筒的柱形段及锥形段的结构尺寸对流场的影响有待于进一步的研究。

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