喷雾降温风机风筒优化设计与试验

杜 哲 胡永光 仇树成 陈永鑫

(江苏大学农业装备工程学院， 镇江 212013)

0 引言

高温热害，又称高温害、热害，是指高温对植物生长发育和产量造成损害的一种重要农业气象灾害。主要包括茶果树和林木日灼伤、高温逼熟及农作物热害等[1-4]。目前，遮荫、灌溉、通风、喷雾等均是缓解高温热害的主要措施。遮荫和灌溉处理降低近地面小环境温度，基于热空气上升原理减小高温热害，但所需前期工作量较大[5]；通风处理通过扰动空气加速气流运动，降低局域小环境温度，并改善蒸腾作用；喷雾处理通过水分蒸发吸收空气热量，快速调节局域小环境温度，实现蒸发降温[6]。针对茶果园和农田大环境，喷雾和通风耦合作用可以通过扰动空气，加速水分蒸发吸热，快速降低局部小环境温度，缓解高温热害。

近年来，国内外学者对通风和喷雾处理开展了大量研究[7-11]。SURESHKUMAR等[12-13]通过试验和仿真研究了喷雾过程中的传热传质过程，分析了蒸发降温现象。COLLIN等[14]基于全场彩虹测量法(Global rainbow thermometry)和欧拉拉格朗日方法(Eulerian Lagrangian approach)对喷雾过程的动力学、传热学及辐射进行了详细研究。刘乃玲等[15-16]运用Fluent软件模拟细水雾在狭长空间的降温效果，研究表明，喷雾方式和压力是影响空间温度分布的主要因素，水温对降温效果影响甚微。王军锋等[17-18]运用CFD软件对不同液滴粒径的降温效果进行数值计算，并模拟了夏季室外大空间环境中的细水雾弥散运输过程和传热传质特性，获得了细水雾气液两相流动的流场、温度场和湿度的分布情况。ENDALEW等[19]建立了送风式喷雾机的仿真模型，对喷雾气流速度分布进行研究。可见，强制对流通风和喷雾蒸发降温是缓解夏季高温热害的主要方法。

此外，通风和喷雾处理还可用于茶果园喷药。首先，风送式喷药机将药液雾化，然后依靠气流使雾滴进一步雾化，并输送到靶标上，均匀分布在茶果树表面上[20]。与喷雾降温风机相比，喷药机的液滴更大，可沉积在茶果树表面上。因此，为保证蒸发降温效果，且无液滴沉积，喷雾降温风机的雾滴直径应小于喷药机的雾滴直径。

为提高降温效果及扩大降温范围，针对夏季高温热害，本文采用强制对流通风和喷雾蒸发复合降温技术，设计一种喷雾降温风机。以风机出口总压和风速为指标，以出风口直径、进风段长度和出风段长度为试验因素，利用Design-Expert 8.0.6软件对风筒结构进行优化设计；然后，通过试验对喷雾降温风机的喷雾降温效果进行分析。以期缓解高温胁迫问题，提高茶果园应对极端逆境天气的能力。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

如图1所示，喷雾降温风机主要包括风筒、摆头机构、发电机、水箱、可移动机架、高压水泵、过滤器、控制器、喷雾环、叶片等。其中，摆头机构由支撑杆、连杆、曲柄、驱动电机、套筒等组成。喷雾降温风机的主要结构参数如表1所示。

图1 喷雾降温风机总体结构图Fig.1 Overall structure diagram of air duct on spray cooling fan1.风筒 2.摆头机构 3.发电机 4.水箱 5.可移动机架 6.高压水泵 7.过滤器 8.控制器 9.喷雾环 10.叶片

表1 喷雾降温风机主要结构参数Tab.1 Main structural parameters of air duct on spray cooling fan

1.2 工作原理

喷嘴性能和送风距离对于实际蒸发降温效果和范围有较大影响。为了提高蒸发降温效果，喷嘴方式采用平孔压力式，可细化雾滴直径。为了增加雾滴漂移距离，在保证送风距离大于40 m的前提下，叶片驱动电机功率取3 kW。工作时，根据地形调节喷雾降温风机的俯仰角及摆头方向，电机开启，高压柱塞泵从水箱中抽出液体，经由三通接头传递至喷雾环，通过喷嘴将液体破裂为极细小雾滴并喷射到空气中，同时叶片转动，风机开始工作。小粒径雾滴在空气射流的起始段和过渡段蒸发，大粒径雾滴在射流的核心区和回流区蒸发。适当增大雾滴直径，可延长蒸发时间，扩大降温面积；但雾滴直径不宜过大，否则易造成地面蓄水。此外，回水管将多余液体流回水箱循环使用。

2 关键部件选型与设计

2.1 喷雾系统构成

喷雾系统置于喷雾降温风机可移动机架上，其结构方案如图2所示。喷雾系统主要由高压出水管、高压柱塞泵、高压泵进水管、喷雾环、过滤器、水箱、回水管、三通接头等组成。其中，电机与WJ1816C/B型高压陶瓷柱塞泵为一体式设计。柱塞泵最大调节压力为8.0 MPa，最大流量为8.0 L/min；电机功率为1.1 kW，电压为380 V，频率为50 Hz。根据风筒结构尺寸及喷雾量要求，选择内外圈布置喷嘴安装孔的同心圆结构雾环，其结构如图3所示。外圈均布10个喷嘴，内圈均布5个喷嘴，且内外圈喷嘴交叉布置，喷射后多股喷雾会形成交叉，达到均匀降温效果。

图2 喷雾系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of spray system1.高压出水管 2.高压柱塞泵 3.高压泵进水管 4.过滤器 5.水箱 6.回水管 7.三通接头

图3 喷雾环结构示意图Fig.3 Schematic diagram of fog ring structure1.内圈 2.外圈 3.喷嘴安装孔

2.2 喷嘴选型

喷嘴流量是其性能重要指标之一。影响喷嘴流量的主要因素包括喷嘴内部结构、喷嘴孔径、喷雾压力等。因此，本试验选取WJ-3010、WJ-5010、WJ-7010、WJ-8010型喷嘴测量流量，其孔径分别为0.3、0.5、0.7、0.8 mm。常见的流量测量方法包括速度法、容积法、直接式质量流量计等[21-22]。由于本试验中喷嘴流量较小，雾化程度高，故采用称量法测量喷嘴流量。

由图4可知，喷嘴流量与压力呈线性正相关。在相同压力条件下，随孔径增大，喷嘴流量增大，即喷嘴流量与孔径呈正相关。压力为2 MPa时，WJ-7010、WJ-8010型喷嘴流量为0，其原因是由于喷嘴孔径越大，需要雾化压力也越大。在2～8 MPa压力下，WJ-3010、WJ-5010两种型号喷嘴的雾滴飘移严重。这是由于喷嘴孔径越小，喷出液滴粒径越小，雾滴飘移潜力增大。且随压力增大，雾滴粒径逐步减小，雾滴飘移越严重。因此，本试验选取WJ-7010、WJ-8010型喷嘴进行喷雾降温试验，对比喷雾降温效果。

图4 喷嘴流量与压力关系曲线Fig.4 Relationship curves between nozzle flow rate and pressure

2.3 叶片优化

以NK-1028YD型叶片为基础，通过三维测量技术获取其点云数据。以提高叶片光顺性、曲面精度为目标，采用Imageware软件对点云数据进行逆向处理。然后，利用Pro/E软件进行逆向重构，结合风筒尺寸结构，建立圆弧板型叶片模型[23]。其基本参数为安装角18°，掠角86°，轮毂比0.25，叶片数3和直径1 040 mm，如图5所示。

2.4 风筒结构设计

喷雾降温风机的风筒近似柱形结构，叶片和电机安装在其内部中心轴线上，且进、出风口直径相同。根据叶片结构参数，设定风筒内径为1 085 mm，风筒总长度为840 mm，其中风筒内部风机段长度为220 mm。基于Pro/E软件建立风筒结构的三维模型，以STEP格式导入ICEM CFD软件中进行网格划分，最后在Fluent软件中进行仿真分析。

2.4.1网格划分

对于空间尺寸大且结构复杂的模型，网格划分质量与仿真模拟精度和计算速度密切相关。CFD软件中网格结构包括结构化和非结构化网格。其中，结构化网格计算速度快，网格适应性差，而非结构化网格计算速度慢，网格适应性强[24]。

根据风筒气流扰动特点[25]，将风筒主体分成进风段(Ⅰ段)、风机段(Ⅱ段)及出风段(Ⅲ段)(图6)。Ⅰ段、Ⅲ段结构简单，采用结构化网格划分。而风机安装在Ⅱ段，结构复杂，采用非结构化网格并采取网格加密处理。最终，风筒模型共划分网格数约为5 700 000。

图6 风筒结构的网格划分Fig.6 Structural meshing of air duct

2.4.2边界条件

设置模型进口边界条件为压力进口边界条件，相对压力为0。模型出口边界条件为压力出口边界条件，壁面采用无滑移壁面边界条件。模型内部流体交换面设置为Interior，风扇旋转区域为Fluid区域。设置气流为不可压缩气流。求解时，采用标准κ-ε湍流模型，使用Simple求解算法。收敛准则为Fluent中默认设置。

2.4.3响应面分析方案与结果

试验因素包括出风口直径z1、进风段长度z2和出风段长度z3。根据叶片结构参数确定试验因素取值范围，因素编码如表2所示。

试验指标为出口总压pout和出口风速v，由Fluent软件仿真计算得到。在仿真试验中，风机转速选取为1 430 r/min。使用Design-Expert 8.0.6软件进行三因素三水平的响应面分析[26-28]，分析方案及结果如表3所示，Z1、Z2、Z3为因素编码值。表4为出口风速方差分析结果。

表2 因素编码Tab.2 Factors code

表3 响应面分析方案及试验结果Tab.3 Experimental plan and result of response surface analysis

表4 出口风速方差分析Tab.4 Analysis of variance of exit wind speed

(1)数学模型建立

由表4可知，模型P<0.000 1，模型极显著；决定系数R2=0.999 7，拟合程度高；失拟不显著，试验因素和指标间存在显著关系。风机出口总压pout与各因素编码值的回归方程为

(1)

风机出口风速v与各因素编码值的回归方程为

(2)

(2)因素重要性分析

由式(1)、(2)可知，各因素对风机出口总压pout影响由大到小依次为Z1、Z3、Z2，各因素对风机出口风速v影响由大到小依次为Z1、Z3、Z2。因此，出风口直径对出口总压和风速的影响最显著，出风段长度次之，进风段长度最小。

(3)单因素效应分析

由图7可知，风机出口总压随出风口直径增大呈先急剧减小后缓慢增大的趋势，随进风段长度增大而缓慢增大，随出风段长度增大而减小。因此，为增大出口总压，可适当减小风筒的出风口直径和出风段长度。

图9 因素交互作用对出口总压的影响Fig.9 Effect of interactive factors on total export pressure

图7 单因素编码值与出口总压关系曲线Fig.7 Relations of single factor and outlet total pressure

由图8可知，风机出口风速随出风口直径增大呈先急剧下降后缓慢下降的趋势，随进风段长度增大而缓慢增加，随出风段长度增大而缓慢下降。因此，为增大出口风速，可适当增大风筒出风口直径和出风段长度。

图8 单因素编码值与出口风速关系曲线Fig.8 Relations of single factor and export wind speed

(4)双因素效应分析

在式(1)中，固定其中1个因素在零水平，研究其余2个因素的相互作用对出口总压的影响。 随出风口直径增加，出口总压呈先快速减小后趋于平缓的变化趋势，进风段长度对出口总压影响较小(图9a)。由图9b可知，当出风段长度固定时，出口总压随出风口直径增加先减后增。当出风口直径固定时，出口总压随出风段长度增加而减小。由图9c可知，当出风段长度固定时，出口总压与进风段长度呈正相关。当进风段长度固定时，出口总压与出风段长度呈负相关。

在式(2)中，固定其中1个因素在零水平，研究其余2个因素的相互作用对出口风速的影响。由图10a可知，当进风段长度固定时，出口风速随出风口直径增加而减小。由图10b可知，当出风段长度固定时，出口风速随出风口直径的增加先快速减小后缓慢减小。出风口直径固定时，出口风速与出风段长度呈负相关。由图10c可知，当出风段长度固定时，出口风速随进风段长度呈正相关。当进风段长度固定时，出口风速随出风段长度增加而减小。

(5)优化结果

图10 因素交互作用对出口风速的影响Fig.10 Effect of interactive factors on export wind speed

通过响应面分析，以出口总压和风速最大为目标，基于式(1)、(2)，利用Design-Expert 8.0.6软件得到风筒结构最优参数组合：出风口直径1 070 mm，进风段长度350 mm，出风段长度270 mm。结合风筒Ⅱ段长度220 mm，风筒出风口直径和总长度分别为1 070、840 mm。此时，出口总压为447.55 Pa，出口风速为24.61 m/s。

3 性能试验

3.1 风速试验

为测试响应面试验优化结果，在风筒出风口直径1 070 mm和总长度840 mm的条件下进行风速试验。由于尚无喷雾降温风机的设计标准，本试验利用风速、送风距离和风量评价其效果。

试验于2018年7月20日在江苏大学农机大院内进行，自然风速为0.33 m/s。试验仪器包括泰仕AVM-07型风速计(风量测量范围0～999 900 m3/min；风速测量范围0～45.0 m/s，精度±0.3 m/s)、卷尺等。试验时，以风机中轴线为中心线，每隔2.0 m设一个水平测点。同时在每个水平测点垂直方向上每隔0.5 m布置一个测点，共计7个测点。

本试验基于5次测量求平均值的方法，得到出风口风量为701.30 m3/min，最大风速为16.00 m/s。在0～8 m范围内，风速急剧变小，风速最低降为7.00 m/s；在30～42 m范围内，风速稳定在2.00～3.00 m/s；50 m处风速为0.72 m/s。以风速0.70 m/s为扰动空气的临界值，风机有效送风距离约为55 m，效果良好。风速分布呈鸭梨状，中轴线两端近似对称，分布特征如图11所示。实测最大风速(16.00 m/s)与理论风速(24.61 m/s)有一定差异，其主要是由风罩阻碍作用、电机功率利用率不足及仿真模型与实际情况的差异所导致。

图11 风速分布特征Fig.11 Distribution characteristics of wind speed

3.2 喷雾降温试验

3.2.1试验仪器与方法

试验地点为江苏大学室外空旷地面，于2018年8月1日38℃高温下进行试验，自然风速0.37 m/s。试验仪器包括ZDR-3WIS型温度自动记录仪(温度测量范围-40～100℃，精度±0.5℃；湿度测量范围0～100%，精度±3%；最小采集间隔2 s)、铁架、卷尺、辐射罩及绳子等。试验前对仪器进行校正及标定。

试验时，以风机出风口为起点，在风机的轴线方向上每隔10 m布置一个测点，同时监测近地面处(地表面)的温、湿度变化，每10 s采集一次数据。共4个监测点，与风机的距离分别为10、20、30、40 m(图12)。每组试验采用送风(T1)、送风+喷雾(T2)、再送风(T3)等3个处理来进行。同时设置一组对照组(CK)，用于检测环境温、湿度。喷嘴组合方式如下：A1组为15个WJ-7010型喷嘴，A2组为15个WJ-8010型喷嘴，A3组为5个WJ-7010型喷嘴和10个WJ-8010型喷嘴。

图12 试验样机Fig.12 Test prototype

3.2.2试验结果

表5为不同喷嘴组合对近地面平均温度的影响。由于地表受太阳辐射影响较大，温度较高。T1阶段，各监测点的平均温度和对照组相比变化不明显，即仅用风机工作时，室外环境降温效果不显著。T2阶段，在送风和喷雾共同作用下，各监测点平均温度均有所下降。与对照组相比，A1和A2组分别降低了0.03～9.06℃、0.68～11.11℃，A3组30 m范围内降低了0.36～6.54℃，且30～40 m范围内有升温现象。因此，相对于A1组和A3组，A2组的降温效果较好。喷雾停止后，在T3阶段，各监测点平均气温随距离增加而升高。且在40 m处的温度均高于对照组温度，可能是由太阳辐射突然变化所引起。由表5可知，在20 m范围内，A2组的降温幅度接近5℃，降温效果良好。

表5 不同喷嘴组合对近地面平均温度的影响Tab.5 Effects of different sprays on mean temperature of ground surface ℃

在T2阶段，不同喷嘴组合对近地面最大温差的影响如图13所示。A1、A2和A3组的近地面最大温差范围分别为-0.40～11.10℃、1.80～13.90℃和-0.50～10.20℃。A2组中，30 m和40 m处的温差变化不明显，说明30 m外喷雾降温效果不显著。由图13可知，A2组的降温效果较好，在10 m和40 m处温差大于其余两组。此外，停止喷雾后，由于雾滴沉积，在近地面上蒸发降温。

表6为不同喷嘴组合对近地面空气平均相对湿度的影响。结果表明，通风可降低近地面空气的相对湿度。T1阶段，各监测点的平均相对湿度低于对照组，分别降低14.59～24.02个百分点、8.77～19.79个百分点和13.92～16.04个百分点。T2阶段，20 m范围内，各组的平均相对湿度显著增大，分别增加17.22～33.15个百分点、23.24～35.25个百分点和22.98～44.17个百分点，A3组的增湿效果较好。距离越近，湿度增加越显著。T3阶段，各组在10 m处的湿度均为100%，这是由于雾滴沉积，同时也是雾滴蒸发降温的原因。而随距离增加，雾滴沉积量减少，相对湿度降低，降温效果也急剧减弱。因此，为防止近地面湿度过高，在喷雾停止后需要进行通风处理，可快速调节近地面小环境，防止湿度过高引发病害。

图13 不同喷雾处理对近地面最大温差影响(T2阶段)Fig.13 Effect of different spray treatments on maximum temperature difference of ground surface (T2)

表6 不同喷雾组合对近地面空气平均相对湿度的影响Tab.6 Effects of different spray treatments on air relative humidity of ground surface %

4 结论

(1)设计了一种喷雾降温风机，对喷雾系统、喷嘴、圆弧板型叶片、风筒等关键部件进行了选型、结构设计与合理配置，通过喷雾和通风复合作用实现降温。

(2)进行了风筒建模和动力学仿真，运用Design-Expert 8.0.6软件优化风筒结构。以风筒出口总压和风速为评价指标，对风筒出风口直径、进风段长度和出风段长度进行分析优化。结果表明，各因素对指标影响的显著性主次顺序为出风口直径、出风段长度和进风段长度。最优参数组合为出风口直径1 070 mm、进风段长度350 mm和出风段长度270 mm。

(3)风速试验表明，当风筒出风口直径和总长度分别为1 070、840 mm时，出风口风量为701.30 m3/min，最大风速为16.00 m/s，有效送风距离约为55.00 m。

(4)通过喷雾降温试验分析了喷雾降温风机在近地面处的降温效果。结果表明，在T2阶段，A2组平均温度降低0.68～11.11℃，最大温差范围为1.80～13.90℃，A3组平均相对湿度增加22.98～44.17个百分点。使用WJ-8010型喷嘴，在38℃环境下，喷雾降温风机在20 m范围内的降温幅度接近5℃，降温效果良好。