喷雾机风送式环形喷管喷雾装置设计与试验优化

2021-10-14李建平边永亮王鹏飞薛春林

农业机械学报 2021年9期

李建平边永亮霍鹏王鹏飞薛春林杨欣

(1.河北农业大学机电工程学院，保定 071000； 2.中国农业大学工学院，北京 100083)

0 引言

在果园的生产管理中，病虫害防治工作十分重要，防治不当会造成重大的经济损失和严重的环境污染[1-2]。种植者经常通过大量杀虫剂，确保充分控制害虫数量[3]。此外，在有密集树冠或多行生产区的作物中，通过风送喷雾机施用大量喷雾溶液，以确保树冠内部有足够的喷雾沉积，造成喷雾机到果树冠层之间存在大量的雾滴流失[4-5]。传统风送喷雾器通常以预设的风速、恒定的速度喷洒整个果园，而不考虑果树树形、冠层大小以及喷雾距离[6]，并且传统风送喷雾机已被证明由于非靶标喷洒而具有相当大的药液损失，作业范围窄、工作效率低，特别是针对低矮密植型果园，传统风送喷雾系统难以精准控制风量致使隔行飘移现象严重、药液利用率低下。为此，亟需研究果园风送式喷雾机根据作业环境按需精量送风、精准喷雾系统。

国内外专家学者对风送喷雾机的研究主要集中在两方面：将气流辅助技术与当前先进智能控制技术结合研发新型风送式喷雾机[7-9]；将气流辅助技术升级以研发新型喷雾机，通过改变风机数量与优化导流装置来精量送风，将雾滴精准输送到果树冠层，减少漂移损失[10-12]。喷雾气流的空间分布是影响雾滴输运的主要因素之一，气流速度梯度是改变风送雾滴动力学特性的关键因子，然而，国内外的喷雾气流场大多应用轴向气流而没有对旋转气流加以研究应用[13]。故本研究基于轴流风机的旋转射流原理[14]设计一款风机与环形喷管配合作用的风送喷雾系统。通过研究风机风场规律，确定环形喷管设计尺寸与喷头安装位置，通过设计单因素与多因素试验来研究风机端口风速、扇形喷头型号与喷头安装倾角对喷雾效果的影响，进而确定最佳喷雾参数。

1 环形喷管设计原理

轴流风机是果园风送式喷雾机中最为常用的风机之一，具有风量大、效率高、气流出口直径较大，喷出的气流衰减慢、射程远、扩散均匀的特点[15]。目前，我国风送式喷雾机主要采用直流送风，存在裹挟雾滴不够充分的问题，不能很好地翻动树叶，造成叶背的着药效果较差。轴流风机产生的空气流为旋转射流，气流旋转的特点是存在径向和轴向的压力梯度，存在内回流区，可增强气力的雾滴携带能力。旋转射流在任一点的空间速度可分解成轴向速度vα、径向速度vr和切向速度vt。一般情况下，旋转射流的径向速度vr比va、vt小些(见图1)，对气流运动的影响也小些。旋转射流的扩展角一般比直流射流大，而且随着旋转强度的增大而增大。旋转强度n表示为

(1)

式中M——气流的切向旋转动量矩，kg·m2/s

K——气流的轴向旋转动量，kg·m/s

L——风机喷口直径，m

单风机自由射流情况下，风机旋转射流与直流射流相比，拥有更长的射流核心区，超过射流核心区域后，拥有更强的引流作用[14]。

环形喷管是一种喷头呈圆形环绕均布在药管上的喷雾管道装置，其形状是为适合轴流风机的圆形出风口而设计，将环形喷管直接布置在轴流风机出风口，利用轴流风机的内回流卷吸与射流边界的卷吸能力，充分赋予雾滴流动的动能，便于药液与轴流风机产生的风场进行充分均匀混合，更好地达到药液二次雾化的目的，使雾滴更充分的被携带到果树上。通过对风机风场环形喷管内流场仿真确定环形喷管尺寸参数与出水口数量。设计单因素试验来研究风机端口风速、扇形喷头型号与喷头安装倾角对喷雾效果的影响，通过响应面参数优化试验来确定最佳喷雾参数组合。

2 环形喷管设计

2.1 环形喷管安装位置设计

为确定环形喷管在轴流风机上的布置位置，需探究轴流风机的风场规律。

2.1.1风机风场CFD仿真分析

将T35型轴流风机在SolidWorks 2016软件中进行等比例建模，经CFD软件SolidWorks flow simulation 2016网格划分，物理模型选取湍流模型，目标监测选取静压、总压、动压、流体密度、速度和风力，设置计算域与仿真运算等步骤[16]操作后，划分网格数量为135 990，流体网格数为119 142。风机参数如表1所示，网格划分情况如图2所示。依据矮砧密植苹果园机械作业的园艺要求：果树行距4 m，株距1.2～2.0 m，树高约为3 m，果树最大幅宽约为2 m，经田间调研，喷雾装置距离果树树干中心位置最远可为2 m，故计算域设置为长2 m、宽2 m、高3 m的矩形空间，可基本拟合实际作业的空间。

表1 T35型轴流风机主要参数Tab.1 Main parameters of T35 axial fan

风机转速设置为1 450 r/min时，风机风场如图3所示。由图3a、3b可知，风机出口处截面由外而内的风速为从小到大、再从大到小的变化规律，在以轴流风机轴线为圆心，直径300 mm圆周处的风速最大，故环形喷管的圆环直径应控制在300 mm左右。由图3c可知，风机轴向截面速度呈不断衰减的趋势，靠近风机出口处的速度最大，故环形喷雾装置最好设置在风机出口附近。为验证仿真是否符合实际，后续进行风机出口端面的风速标定试验。

2.1.2风机出口风速标定试验

风场测试试验中使用的仪器设备有：UT363S 数字式风速计，风速测量范围0.4～30 m/s，分辨率为0.01 m/s，准确度为±5%；美德时JR912多功能温湿度测试仪，测量环境温度和湿度；待测风机为T35型轴流通风机，风机转速调节到1 450 r/min。测试方法采用风速仪器点对点测量法[17]，测量点取在以轴流风机轴线为圆心，以0、100、200、300、400 mm为直径的圆周上，每个圆周上分别取6个测量点，用风速仪进行测量。从每个圆周上的最右侧为每个测量点编号，顺时针编号为T1～T6。试验方案与风速测量点如图4所示。试验结果如表2所示。

表2 轴流风机出风口测量点的实测风速Tab.2 Measured wind speed at measuring point of air outlet of axial flow fan m/s

对试验测得的风机出口端面速度与仿真结果对比，误差小于5%，说明仿真模型基本可以模拟轴流风机的运行规律，轴流风机的速度在直径300 mm的圆周处最大，为充分利用风机产生的气力动能，环形喷管上的喷头应设置在以风机旋转轴的轴线为圆心、直径为300 mm的圆周上。

2.2 环形喷管出水口设计与仿真

为使雾滴更好地喷洒到果树上，需要轴流风机提供足够大的风速和风量。风量与风速的关系公式为

(2)

式中Q——风机输出风量，m3/s

F——风道截面面积，m2

风道截面积一定，该处风量与平均风速成正比。环形喷管需要设置在轴流风机出风口风速最大的位置，故环形喷管的圆周直径设计为300 mm，截面直径为20 mm。为探究环形喷管的出水口数量设计的合理方案，进行环形喷管的内流场CFD仿真，3种环形喷管模型如图5所示。以入水口的轴线为对称轴，方案1有3个出水口，每个出口分别呈120°的夹角均布在环形喷管上；方案2有4个出水口，每个出口分别呈90°的夹角均布在环形喷管上；方案3有5个出水口，每个出口分别呈72°的夹角均布在环形喷管上。仿真设置环形喷管的入口质量流量为0.2 kg/s。3种设计方案的流体仿真结果如图6所示。

由图6可知，方案1的3个出水口(按顺时针方向)的液体流速均值为1.594、1.761、1.602 m/s，标准差为0.077 m/s；动压均值为1 354.90、1 432.62、1 367.02 Pa，标准差为34.141 Pa。方案2的4个出水口(按顺时针方向)的液体流速均值为0.795、0.943、1.111、0.858 m/s，标准差为0.119 m/s；动压的均值为385.83、477.36、629.50、418.35 Pa，标准差为93.549 Pa。方案3的5个出水口(按顺时针方向)的液体流速均值分别为0.647、0.678、0.779、0.786、1.022 m/s，标准差为0.132 m/s；动压均值为303.03、319.29、398.02、404.01、584.19 Pa，标准差为99.849 Pa。由上述数据可知，在同一入口质量流量的情况下，随着出水口的数量逐渐增多，每个出口的流速、动压逐渐分布不均；且出水口的数量越多，每个出口流速、动压的差异越大。方案2、3的各出水口的流速、动压的均匀性均不如方案1。3个出水口的流速与动压基本相同，可保证3个喷头出口的喷雾一致性，故方案1的3个出水口的设计合理。由上述分析可知，采用环形喷管的圆环直径为300 mm、管径为20 mm、3个出水口呈120°夹角均布在环形喷管上的设计方案。

3 气力雾化性能试验

通过仿真与试验分析方法，确定了环形喷管的设计尺寸与喷头安装位置。但影响环形喷管喷雾装置作业效果的因素还有风机端口风速、扇形喷头型号与喷头安装倾角。通过设计单因素与正交试验来研究这3个因素对喷雾效果的影响并确定最佳喷雾参数。

3.1 试验材料及过程

采用重庆六六山下植保科技有限公司生产的水敏纸；Epson perfection 1670型激光扫描仪扫描处理水敏纸检测雾滴；UT373型非接触式转速计测量风机转速；采用铝合型材搭建风机试验台；信利达双核动力高压隔膜泵提供喷雾动力，10～12 L/min，喷头采用015、02、03、04、05号LICHENG 扇形喷头。驱动轴流风机的电机为220 V永磁变频交流电机。

试验于2021年4月20日在河北农业大学工程大楼院外空旷地面进行，自然风速0.35 m/s，环境温度为19℃，环境相对湿度为37%。搭建风送喷雾试验台，风机轴线所在高度为1 m，标尺长度依据果树行间距设置为4 m。水敏纸每隔20 cm粘贴一张。水敏纸用于分析雾滴漂移距离与雾滴的雾化情况。将水敏纸的收集册按页扫描处理，经Image-master雾滴分析软件[18]处理之后，得到每组试验的每个位置上的雾滴体积中值直径(VMD)、雾滴沉积量、雾滴沉积覆盖率与雾滴沉积密度等。VMD可以较明显地反映雾滴群直径的分布情况[19]，雾滴沉积量、雾滴沉积覆盖率与雾滴沉积密度衡量雾滴沉积情况[20]，且3个量成正比关系，用任一量均可，依据上述指标来评价后续的试验效果。

3.2 单因素试验

3.2.1风速

在探究风速对雾滴气力雾化的单因素试验中，固定喷头安装倾角为60°，喷头为015型，试验风速分别为0、2、4、6、8、10 m/s，在各风速组别下各进行3次试验。每次试验结束后，将水敏纸收集并粘贴到收集册上，防潮处理，更换标尺与重新粘贴水敏纸再进行下一次试验。试验方案与试验场景如图7所示。

各试验组雾滴沉积量随喷雾距离的变化情况如图8所示。随着风机输出风速的增大，喷雾沉积量的峰值逐渐向前偏移。在风机气力作用下，雾滴沉积量的峰值主要处于0.5～1.5 m。当风速在4、6、8 m/s时，喷雾距离在1 m时，效果较佳。风送喷雾装置与靶标果树的距离不应超过1.5 m，否则会造成大量雾滴的损失。雾滴沉积量随着距离的增加呈现先增加后不断减少的趋势，气力可有效地增加雾滴的运动范围，且速度越高，输送范围越广。

各风速组别下雾滴体积中值直径分布如图9所示。在无风状态下，雾滴的体积中值直径主要分布在100～200 μm之间。有风速时，雾滴体积中值直径分布相对于无风状态有了较大变化，可见风速对雾滴二次雾化的作用显著。在有风状态下，直径小于100 μm的小雾滴数量大量增加，但当风速增加到大于或等于8 m/s时，由于风力的作用，将细小雾滴弥漫到空气中，只有较大雾滴可以落到4 m的标尺范围内，导致只检测到体积中值直径在100 μm以上的雾滴。可见，有无气力及气力大小对雾滴雾化的影响作用明显，但当风力太大时，会造成细小雾滴的弥散，造成喷雾的损失。当风速在4、6、8 m/s时，气力雾化的效果较好。

3.2.2喷头安装倾角

喷头安装倾角为喷头所在轴线与环形喷管所在平面的夹角。为探究喷头安装倾角对气力雾化效果的影响，选择喷头为015型、试验风速为4 m/s，取30°、60°、90° 3个水平进行水平喷雾试验，应用雾滴体积中值直径与雾滴沉积覆盖率两个量化指标来衡量气力雾化的效果。3种喷雾装置如图10所示。更换环形喷管喷雾装置，进行气力雾化试验后，将3种环形喷管喷雾总成的雾滴沉积覆盖率[21]随距离的变化情况绘制成图11，3种环形喷管喷雾总成喷雾的雾滴体积中值直径随距离的变化情况如表3所示。

表3 不同距离环形喷管喷雾总成喷雾的雾滴体积中值直径Tab.3 Median diameter of droplet volume sprayed by annular nozzle spray assembly with different distances μm

由图11可知，3种环形喷管喷雾总成喷雾的雾滴沉积覆盖率随着距离增加呈现先增加后减少的趋势。在相同风速下，安装喷头倾角为60°的环形喷管的喷雾总体性能较好，在0～2 m的喷雾距离内，其喷雾覆盖率显著优于30°与90°，在2～4 m的范围内，其喷雾覆盖率小，喷雾机喷单侧果树，一般距离果树不超过2 m，可见倾角60°的环形喷管喷雾损失较小。

对上述数据应用Excel 2016进行单因素方差分析，提出假设：H0：喷头安装倾角对雾滴气力雾化无影响，H1：喷头安装倾角对雾滴气力雾化影响显著。α=0.05(显著)，α=0.01(极显著)。分析汇总如表4所示，方差分析如表5所示。

表4 不同喷头安装倾角方差分析汇总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，故拒绝原假设H0，喷头安装倾角对雾滴气力雾化有极显著影响。在倾角为60°时，气力雾化后的雾滴体积中值直径均值最小，方差较小。为探究因素之间的交互影响，多因素试验仍取3个水平进行试验。

3.2.3喷头型号

目前，国内外果园喷雾大多使用扇形雾化喷头[22-23]，雾化喷头的扇形角度为110°，依据喷头的开口直径，扇形喷头型号有015、02、03、04、05，型号越大流量越大。试验场景如图12所示。更换喷头，在风速4 m/s、喷头安装倾角为60°状态下，进行气力雾化试验，采用按真实果树垂直方向3∶1比例缩小的仿真树模拟真实果树的下层。仿真树通过实际测量矮砧密植果园果树冠层下层的枝条密度与叶面积指数的数据进行仿制，可确保与田间果树喷雾实际情况基本一致。利用横向穿透性与雾滴体积中值直径来衡量5种喷头的性能。同样采用水敏纸进行雾滴分析处理，每组喷头试验进行3次取平均值。

以喷头的雾化性能及作业效果衡量喷头性能。雾化性能主要依据雾滴的体积中值直径和雾滴的沉积密度。试验结果如图13、14所示。

经Image-master雾滴分析软件处理得到015、02、03型扇形喷头冠层叶面雾滴沉积密度均值分别为275.69、308.42、252.27滴/cm2，计算得3个喷头内、中、外3层的标准差分别为10.66、7.79、10.38滴/cm2，3种喷头叶背雾滴沉积密度均值为117.49、136.30、123.43滴/cm2，标准差为36.66、36.51、29.12滴/cm2。04与05型喷头的雾滴沉积密度均未超过200滴/cm2，雾滴覆盖情况较前3种喷头差。

由图14可知，015、02、03、04、05型喷头冠层叶面雾滴体积中值直径均值分别为124.69、131.09、174.02、162.01、271.41 μm，标准差分别为32.85、76.57、49.81、42.48、133.01 μm；叶背雾滴体积中值直径均值分别为110.64、94.03、79.59、137.16、133.37 μm，标准差分别为2.21、21.60、21.49、36.34、27.05 μm。在相同风速状态下，随着扇形喷头的型号增大，雾滴沉积密度总体呈先增大后减小的趋势，喷头型号越大，雾滴的体积中值直径越大，雾滴的雾化效果越差。外、中、内3层叶面、叶背的雾滴沉积密度呈现逐渐减小的规律。每层叶背与内层的雾滴体积中值直径均偏小，可见，内层与叶背附着的雾滴主要是由气力雾化并输送的雾滴。由此可知，015、02、03型喷头性能较佳。

3.3 多因素试验

为分析风机风速、喷头型号、喷头安装倾角对药液在果树冠层雾滴沉积量的交互作用影响，从而确定环形喷管总成的最佳设计参数组合，选取雾滴沉积量为响应值Y[24]，以Design-Expert 12.0软件的Box-Behnken Design进行试验设计与分析[25-26]，根据单因素试验结果确定各因素取值范围。设置试验因素编码如表6所示，试验方案与结果如表7所示，A、B、C为因素编码值。利用Design-Expert 12.0软件进行数据处理及分析，雾滴沉积量回归方程的显著性及方差分析见表8。

表6 试验因素编码Tab.6 Factors coding

表7 雾滴沉积试验方案与结果Tab.7 Test scheme and results of droplet deposition

由表8可知，模型显著性检验P<0.000 1，失拟项P=0.052 1，说明模型极显著，失拟不显著，拟合统计R2=0.991 8，可见模型的拟合程度高；对雾滴沉积量的影响，A2、B2、C2、A、B、C、AC极显著，影响显著顺序为A2、B2、C2、AC、B、C、A。雾滴沉积量的回归模型为

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

(3)

表8 雾滴沉积量回归方程方差分析Tab.8 Variance analysis of regression equation of droplet deposition

试验因素交互作用对雾滴沉积量影响的响应面如图15所示。由图15a可知，在风机风速不变时，随着喷头型号的增大，雾滴沉积量呈现先上升后下降趋势；在喷头型号一定时，雾滴沉积量随着风机风速的增大呈现先上升后下降的趋势；由图15b可知，在风机风速不变时，雾滴沉积量随着喷头倾角的增加呈现先上升后下降趋势；在喷头倾角一定的情况下，雾滴沉积量随着风机风速的增加呈现先增加后缓慢降低的趋势。由图15c可知，在喷头型号一定的情况下，雾滴沉积量随着喷头倾角的增加呈现先增加后降低的趋势；在喷头倾角一定的情况下，随着喷头型号的增加，雾滴沉积量呈现先增加后下降趋势。根据以上试验结果，在Design-Expert软件中以提高雾滴沉积量为优化目标，对喷雾作业参数进行优化，得到喷雾系统机构的最优参数组合为A=0、B=0、C=0，即风机风速为6 m/s、喷头型号为02型，喷头安装倾角为60°。在此参数组合下，雾滴沉积量为5.08 μL/cm2。