伞形风场式防飘喷雾装置沉积特性研究

李建平 李绍波 于少猛 王鹏飞 杨 欣 刘洪杰

(1.河北农业大学机电工程学院, 保定 071001; 2.河北省智慧农业装备技术创新中心, 保定 071001)

0 引言

随着果园种植面积增加和农村劳动力减少,风送式喷雾机被广泛应用[1-2],但目前风送式喷雾机大多是通过单一辅助气流将雾滴运送至靶标,一定程度上提高了雾滴穿透性及沉积量。雾滴飘移量和沉积量是影响喷雾机作业效果的重要因素[3-4],减少雾滴在非靶标区域的无效沉积与靶标外飘移一直是植保领域研究热点[5-6]。雾滴飘移是指在施药过程中,从喷嘴喷射出的雾滴群受空间气流的影响而改变运动方向、沉积位置的一种运动过程[7-8]。雾滴飘移的影响因素有很多,主要包括:空间的气流分布,如流速大小、方向等[9],施药平台移动速度和采样方式等[10-12];雾滴自身因素,如雾滴粒径和雾滴物理属性等[13-14];施药参数,如喷雾压力、距离、角度等[15-16]。降低雾滴飘移量的技术有很多,如静电喷雾、气流辅助喷雾和隧道式喷雾等。气流辅助喷雾技术不仅能降低雾滴飘量,还能胁迫雾滴向靶标运动,也能使果树冠层孔隙率变大,增加叶背及内膛雾滴沉积量[17-18]。

在风送式喷雾防飘装置与雾滴沉积特性方面,国内外研究人员开展大量研究。FOQUÉ等[19]研究了辅助气流和喷雾角度对雾滴沉积量的影响,发现加大辅助气流速度能够有效减少雾滴飘移。PASCUZZI等[20]建立了一个由二阶微分方程组组成的数学模型,模拟不同粒径的雾滴在辅助气流方向上的运动,预测雾滴的飘移情况。BAHROUNI等[21]研究施药参数和风速对雾滴沉积量和雾滴飘失率的影响,利用多个回归模型预测雾滴沉积量和飘失率,发现对雾滴沉积量影响最大的因素是雾滴粒径和辅助气流大小。樊桂菊等[22]设计了多气流协同式果园V形防飘喷雾装置,探究V形风场对雾滴冠层沉积效果的影响,减少雾滴在果树行间飘移。胡军团队[23-24]设计了锥形风场式防飘喷雾装置,通过喷雾试验明晰锥形风场对雾滴沉积效果的影响规律,利用锥形风场减少环境风速对雾滴运动的影响,降低雾滴飘移量,分析防飘装置的防飘原理,改善防飘喷雾作业效果,并对其装置进行优化设计。

综上所述,果园风送式喷雾的防飘效果与其装置结构形式和作业参数等有关,本文在单一气流的基础上设计伞形风场式防飘喷雾装置,并开展雾滴防飘验证试验和果树冠层沉积试验,明晰伞形风场影响雾滴沉积的规律,以期为该防飘装置在不同环境风速下最佳作业参数的选择提供依据。

1 结构与原理

1.1 结构设计

设计的伞形风场式防飘移装置结构如图1所示。该装置可产生锥形风场和柱形风场,其主要由双层锥形气流罩和调节机构两部分组成,实物图如图2所示。调节机构主要由8个调节滑板组合形成,多个调节滑板呈环状布置,滑动安装在安装间隙内且中部对应环形板的内孔形成大小可调的通气口,其可以调整装置内侧出风口的直径(以下简称出口直径),可以改变锥形风场与柱形风场的分布。双层锥形气流罩由两层锥形面和气流分流结构构成,最主要参数为锥形风道长度、锥形风道宽度和开口夹角,目前常用扇形喷头雾锥角最大为110°,所以将开口夹角设计为110°。

图1 伞形风场式防飘移装置结构图Fig.1 Structure diagrams of umbrella wind field type anti-drift device1.双层锥形气流罩 2.调节机构 3.扇形喷头 4.进风口 5.调节机构上底板 6.旋转叶片上限位柱 7.旋转叶片上限位槽 8.旋转叶片 9.旋转叶片下限位柱 10.旋转叶片下限位槽 11.调节机构下底板

图2 伞形风场式防飘移装置实物图Fig.2 Physical picture of umbrella wind field type anti-drift device

液体在雾化时,会形成空心液膜,根据张京等[25]研究发现雾滴在液膜附近区域容易飘失,过短的锥形风道和环境气流会对空心液膜造成不良的影响,而过长的锥形风道会影响风机的效率,且会增加能量损失。锥形风道长度计算式为

(1)

式中l——锥形风道长度,mm

w——液膜宽度,mm

β——喷头雾锥角,(°)

由于空心液膜长度为100 mm,结合式(1)将锥形风道长度最短设为175 mm。在保证风机风量的前提下,缩短风道宽度以提高锥形风场气流速度,本研究设计锥形风道宽度为10 mm。供风装置为CZ-LD370型中压离心式风机,风管与进风口直径均设计为100 mm[26]。

1.2 防飘机理分析

扇形喷头在喷雾作业过程中,自然风风向变化不规则,导致部分农药雾滴被自然风携带向非靶标区域,造成农药用量增加,增大环境污染。在雾滴形成的过程中,随着雾滴与喷头距离增大,扇面逐渐散开,雾滴运动速度和夹带气流速度衰减。在液膜末端,此区域雾滴受自然风的影响最大,雾滴飘失最严重[27]。本文设计的伞形风场工作原理如图3所示:锥形风场可与自然风形成合力,削弱自然风对雾滴运动的影响,引导扇面边界上逃逸的雾滴运动到靶标区域;柱形风场能够提升雾滴穿透性,在减少雾滴在非靶标区域沉积的基础上保持其原有的穿透性。

图3 伞形风场防飘原理图Fig.3 Schematic of anti-drift principle of umbrella wind field

侧向气流、柱形气流和锥形气流在雾滴从喷嘴喷出的瞬间形成雾滴可移动的空气介质,由于液滴的质量和尺寸很小,液滴周围的流动可以忽略,因此,不考虑雾滴间内力。为进一步明晰组合风场的防飘机理,利用笛卡尔坐标系建立单个雾滴在组合风场作用下的受力分析图,如图4所示,分析单个雾滴受力情况与运动趋势。VT为防飘装置锥形风场的风速;VC为防飘装置柱形风场的风速;VS为侧风的风速;FO为雾滴运动时空气对雾滴的用力;G为雾滴所受的重力。为了简化模型,VC的方向垂直于竖直面,U为雾滴在受到环境气流前的速度,FO的方向与U速度方向相反。

图4 雾滴在组合风场下受力分析图Fig.4 Force analysis diagram of droplet in combined wind field

基于质点运动学基本定律,分析雾滴在空间的速度,在笛卡尔坐标系进行投影,其中VTx、VTy、VTz分别为VT在X、Y、Z方向的分速度,得到雾滴在空气中X、Y、Z方向的速度为

(2)

基于质点动力学基本定律,分析雾滴在空间内所受力的情况,得出雾滴在空气中的运动方程为

(3)

式中a——空气中雾滴的运动加速度,m/s2

m——雾滴质量,kg

g——重力加速度,m/s2

V——雾滴速度,m/s

雾滴在空气介质中运动会产生阻力FO,FO与雾滴的运动速度具有二次关系,即

(4)

式中Vso——雾滴上升速率的平均值,m/s

结合式(3)、(4)得

(5)

结合式(2)～(5)得到简化后的单个雾滴运动微分方程组为

(6)

由式(6)可得,伞形风场式防飘移装置形成的锥形风场可以削弱环境气流对雾滴运动所产生的影响,能够进一步约束雾滴在竖直方向上的运动,提高雾滴的防飘性和穿透性。

1.3 防飘仿真验证

依据伞形风场式防飘移装置结构设计与参数,在SolidWorks中绘制三维模型,将装置到果树冠层全区域简化成长方体(3 000 mm×3 000 mm×5 000 mm),建立CFD(计算机流体力学)数值模型,通过ANSYS Mesh划分网格如图5所示,网格数量为865 525个。利用质子动力学模型[28]得到普通气流(仅有柱形气流)和伞形风场式气流(柱形气流、锥形气流)的雾滴群运动轨迹如图6所示。

图5 计算域网格划分Fig.5 Computational domain meshing1.侧风入口 2.防飘装置 3.果树 4.气流出口1 5.气流出口2

图6 雾滴群轨迹Fig.6 Droplet cluster trajectory

由图6可知,伞形风场式气流较普通气流的雾滴沉积区域更为集中,雾滴飘失率降低32.5%,表明该装置具有较强的防飘移效果。

2 试验材料与方法

2.1 试验仪器

试验采用气流辅助喷雾沉积量检测系统。该系统包括喷雾性能综合试验台、T35型可调速轴流通风机(模拟喷嘴到果树冠层间的环境风速,风速范围0～4 m/s、风量4 263 m3/h、转速1 450 r/min);UT363S型数字式风速计,风送测量范围为0.4～30 m/s,分辨率0.01 m/s,准确度±5%;CZ-LD370型中压离心式风机(提供防飘装置风速范围0～40 m/s);水敏纸,重庆六六山下植保科技有限公司生产;Epson perfection 1670型激光扫描仪;Image master雾滴分析软件;丰诺110-02型扇形喷头;60型柱塞泵等。

2.2 试验设计

2.2.1防飘喷雾装置气流场仿真与对标试验

在防飘移验证试验开始前,采用仿真试验与物理试验相结合的方式探究调节机构对防飘喷雾装置伞形风场的影响,确定调节机构出口直径的调节范围,并验证仿真试验是否符合实际情况。

仿真试验时,出口直径调整范围20～100 mm,间隔10 mm。利用Flow Simulation模拟防飘喷雾装置外流场,建立防飘装置底部的横向速度切面图(图7),在其圆周上均匀取6个测速点,取平均值作为锥形气流风速。中心轴线风速作为柱形气流风速。

图7 速度切面图Fig.7 Velocity section diagram

试验过程:开启离心风机,防飘喷雾装置入口风速调节至30 m/s。采用风速仪测量7个取样点的风速,每组试验重复3次取平均值。为保证风场测试不受外界自然风干扰,试验在河北农业大学农业机械实验室进行(图8)。

2.2.2防飘移验证试验

为更直观地展示防飘喷雾装置的防飘性能,以纯净水为介质,利用喷雾性能综合试验台对防飘装置进行防飘移验证试验(图9),在T35型可调速轴流通风机上加装蜂窝整流装置模拟果园行间自然风(与喷雾方向垂直,下文以侧风描述)。根据风速仪显示的数值合理调节风机转速,使其在装置进口处以风速30 m/s稳定供风。试验条件为:侧风风速2 m/s、调节机构直径50 mm、喷雾压力0.3 MPa、喷雾距离500 mm、格强3/8-03型扇形喷头、喷雾时间30 s,每组试验重复3次取平均值。

图9 防飘移验证试验示意图Fig.9 Schematic of anti-drift principle verification test1.控制阀 2.流量计 3.压力表 4.伞形风场式防飘移装置 5.集雾槽 6.量筒 7.离心风机 8.蜂窝整流装置 9.轴流风机 10.水箱

2.2.3雾滴沉积均匀性试验

为探究伞形风场对喷头喷雾作业的影响,开展雾滴沉积特性综合试验前,利用垂直雾滴分布测试仪对安装伞形风场式防飘移装置前、后的雾滴垂直沉积均匀性进行试验(图10)。试验条件为:防飘装置进风口风速30 m/s、喷雾压力0.3 MPa、喷雾距离500 mm、格强3/8-03型扇形喷头、喷雾时间 30 s,每组试验重复3次取平均值。

图10 雾滴沉积均匀性试验Fig.10 Droplet deposition uniformity test1.垂直雾滴分布测试仪 2.水箱 3.伞形风场式防飘移装置 4.控制阀 5.流量计 6.压力表 7.离心风机

2.2.4雾滴沉积特性综合试验

于2023年6月4日在国家苹果产业体系保定综合试验站(顺平县蒲上镇西于家庄村)矮砧密植苹果园内进行田间试验,试验对象为3年生富士苹果,果园株距1.0～1.2 m、行距4.0 m,树高2.5～3.0 m,纺锤形树冠,矮砧密植,南北走向,果园采用水肥一体化灌溉;环境温度15℃,环境相对湿度45%,环境风速1～2级。

(1)果树冠层雾滴沉积测试

将果树冠层自上而下、由内而外进行分区,如图11所示,即3个水平面(a、b、c)间距300 mm,5个垂面(1、2、3、4、5)和3个环形(C1、C2、C3)间距300 mm。每两个截面的焦点为采样点,各采样点布置水敏纸一张(规格35 mm×35 mm)。将水敏纸的收集册按页扫描处理,经Image master雾滴分析软件[29-30]处理之后,得到每组试验的每个位置上的雾滴沉积量,依据上述指标来评价后续的试验效果[31]。

图11 采样点布置示意图Fig.11 Sampling point arrangement

由于喷雾机施药区域内果树冠外层部分叶片的水敏雾滴纸上雾滴较大或较多,导致汇聚成一片,导致雾滴覆盖率大于30%,超过了Image master雾滴分析软件能够计算的雾滴沉积量阈值。对于这种情况的水敏纸,根据雾滴喷施在水敏雾滴测试卡上接触角的变化规律[32],基于水敏雾滴测试卡上所有变色面积都为半饱和吸收的假设,理论最小沉积量Vd计算式为

(7)

式中C——雾滴分析软件提取到的覆盖率,%

H——单张标准水敏雾滴测试卡厚度,mm

(2)果树冠层空气中飘移测试

在果树冠层右侧0.1 m处立一直杆(图11,高2 m),由上往下间隔0.3 m布置水敏纸(35 mm×35 mm)收集雾滴。

为了分析侧风风速、出口直径以及喷雾压力等因素对雾滴沉积分布情况的影响,根据上述试验方法,首先进行出口直径单因素试验,在喷雾压力 0.3 MPa、 出口直径30～70 mm、间隔10 mm的情况下分析雾滴沉积量、雾滴飘移量的变化(图12)。其次进行喷雾压力的单因素试验,将出口直径设定为50 mm,调节喷雾压力为0.3～0.8 MPa,每组试验较前一组增加0.1 MPa,共计6组试验用于分析喷雾压力对雾滴沉积量和雾滴飘移量的影响。并通过Scan软件对水敏纸进行区域提取、比重设置、阈值调整以及碎片化等处理,将处理结果导入Origin进行整理分析。

图12 试验现场Fig.12 Testing site

通过分析出口直径和喷雾压力单因素试验结果,确定多因素试验的取值范围。为分析不同出口直径、喷雾压力以及测风风速共同作用下的雾滴沉积效果,建立响应曲面模型,分析了这3个因素对雾滴沉积量影响的主次程度。对所得的模型进行优化并进行试验验证,得到最优的施药参数。

3 试验结果与影响因素分析

3.1 装置气流场仿真与对标试验结果

由图13可知,两种气流物理与仿真试验的出口风速随出口直径变化的趋势基本一致;物理试验的出口风速均小于仿真试验,原因是3D打印的模型与仿真模型结构尺寸有一定误差,装置内部连接部分导致较小的气流损失,但误差均小于10%,仿真模型可基本模拟伞形风场式防飘喷雾装置风场的运行规律。

图13 不同出口直径下气流风速柱形图Fig.13 Histogram of air velocity at different outlet diameters

锥形气流出口风速随着出口直径的减小而增大,原因是出口直径减小会导致更多的气流运动至锥形风道,进而提升锥形气流风速;在出口直径为100 mm时,出口风速达到最小。柱形气流出口风速随着出口直径增大而增大,当出口直径大于50 mm时,出口风速增长趋势减缓;出口直径为30～70 mm时,锥形气流与柱形气流风速较大,因此确定机构调整范围为30～70 mm。

3.2 防飘移验证试验

为探究安装伞形风场式防飘移装置前后环境气流对雾滴飘移量的影响,根据2.2.1节分别进行两组试验,收集各试管内液体的体积,将数据导入Origin,雾滴沉积分布如图14所示。

图14 普通气流和伞形风场式气流的雾滴水平沉积分布Fig.14 Horizontal droplet deposition distribution of ordinary air flow and umbrella-shaped air flow

如图14所示,由于侧风的影响,安装防飘装置前雾滴沉积量的主要分布区域发生了少量偏移和扩大,但其区域内的沉积量远大于其他区域,体现了雾滴飘移分布中的沉积量集中性。沉积分布后方区域出现明显的“尾巴”,质量分布不再呈现对称分布,即为飘移分布的沉积特性,具有重尾性[33]。安装防飘装置后的雾滴沉积区域较为集中,主要分布于试管10～40之间,以雾滴飘移率和雾滴质量中心距来衡量装置的防飘性能,计算公式为

(8)

(9)

式中Sd——雾滴飘移率,%

D——雾滴质量中心距,mm

n——集雾槽总数,个

Vi——第i个集雾槽中液体体积,mL

Vt——实际喷雾总体积,mL

di——第i个集雾槽中心到集雾板中线距离,mm

代入数据得安装伞形风场式防飘装置后的雾滴飘移率、质量中心距分别为11.3%、308 mm,较安装前分别降低27.5%和16.2%,表明伞形风场式气流能有效限定雾滴沉积范围,降低雾滴飘移率。

3.3 雾滴垂直沉积均匀性分析

分别收集垂直雾滴分布测试仪在两种喷雾作业下不同高度的雾滴沉积量,结果如图15所示。

图15 普通气流和伞形风场式气流的雾滴垂直沉积分布Fig.15 Vertical deposition distribution of droplet in ordinary air flow and umbrella-shaped air flow

由图15可知,安装伞形风场式防飘装置后的雾滴沉积量变异系数为43.4%,较普通气流降低7%,表明防飘喷雾装置能使雾滴垂直分布均匀性提高,装置能够减弱重力对雾滴运动的影响,并有效减少雾滴在垂直方向上漏喷、过喷问题。

3.4 雾滴沉积特性单因素试验

3.4.1出口直径

当侧风风速为2 m/s、喷雾压力为0.4 MPa、出口直径为30～70 mm时,不同出口直径下果树冠层叶片雾滴沉积分布如图16所示。图16左侧是雾滴在侧风影响下雾滴在飘移测量面的沉积分布图,可直观地显示雾滴的飘移分布;右侧是雾滴在侧风影响下雾滴在冠层a、b、c的沉积分布图,可直观地显示雾滴在冠层内部及冠层上、中、下的沉积分布。从图中可以看出,随着出口直径的增大,雾滴的飘移量呈先增大后减小的趋势,在出口直径为50 mm时,雾滴飘移量达到最大。在出口直径为30 mm时,雾滴飘移量最小。随着出口直径的增大,雾滴飘移分布逐渐向内侧扩散。出口直径大于50 mm时,雾滴飘移量增长趋势改变,雾滴飘移分布集中于飘移测量面的下半部分。由图16右侧可知,雾滴在上层和中层的沉积量较大,随着出口直径的增大,雾滴沉积较为集中的区域距冠层中轴的距离呈先增大后减小的趋势;雾滴沉积分布均匀性呈先增加后减小的趋势,且在出口直径为60 mm时雾滴沉积均匀性最好。由图17可知,随着出口直径的增大,雾滴在上层、中层、下层的沉积量逐渐向平均沉积量靠近,证明增加出口直径有助于提高雾滴的沉积均匀性。综上所述,出口直径增大有助于提高雾滴的穿透性,同时雾滴飘移量会随之增大,原因是出口直径增大,柱形风场强度增大,导致雾滴穿透性增强;然而锥形风场强度降低,防飘效果减弱,导致雾滴飘移量增大。最终选择50、60、70 mm为多因素试验时的出口直径水平取值。

图17 不同出口直径下雾滴沉积量和飘移量Fig.17 Droplet deposition and drift for different outlet diameters

3.4.2喷雾压力

当侧风风速为2 m/s、出口半径为50 mm、喷雾压力为0.3～0.8 MPa时,雾滴沉积量和飘移量变化趋势如图18所示。由图18可知,随着喷雾压力的增大,雾滴的飘移量逐渐增大,在喷雾压力为 0.8 MPa 时雾滴飘移量达到最大;雾滴沉积量呈先增加后减小的趋势,在喷雾压力为0.5 MPa时雾滴沉积量达到最大。由图19左侧可知,雾滴飘移集中区域主要在雾滴飘移测量面的左侧与底部,随着喷雾压力的增大,雾滴飘移沉积区域向内侧扩散。由图19右侧可知,雾滴在上层和中层的沉积量较大;随着喷雾压力的增大,雾滴沉积较为集中的区域与冠层中轴的距离逐渐增大;雾滴沉积均匀性在喷雾压力为 0.6 MPa达到最好;综上所述,增加喷雾压力有助于提高雾滴的穿透性,但同时也会增加雾滴的飘移量,原因是喷头雾化能力随喷雾压力增大而增强,使雾滴初速度变大,利于雾滴向冠层内膛运动;但喷雾压力过大,雾滴粒径减小导致雾滴飘移潜力增大。最终选择0.4、0.5、0.6 MPa为多因素试验时的喷雾压力水平取值。

图18 不同喷雾压力下雾滴沉积量和飘移量Fig.18 Droplet deposition and drift at different spray pressures

图19 不同喷雾压力下果树冠层叶片雾滴沉积分布示意图Fig.19 Distribution diagrams of droplet deposition in canopy leaves of fruit trees under different spray pressures

3.5 雾滴沉积特性多因素试验

3.5.1试验方案与结果

以出口直径、喷雾压力及侧风风速为雾滴的沉积分布影响因素,根据Box-Behnken试验方案设计三因素三水平响应面试验,各因素编码如表1所示。试验方案以及雾滴冠层沉积量试验结果如表2所示,其中X1、X2、X3为因素编码值。

表1 试验因素编码Tab.1 Test factors and codings

表2 雾滴沉积试验方案与结果Tab.2 Test scheme and results of droplet deposition

3.5.2数学模型与方差分析

利用Design-Expert 13.0软件对试验数据进行回归处理分析,得到侧风风速、出口直径和喷雾压力对雾滴沉积量回归方程为

(10)

依据该模型,通过F检验得到P值以确定各个因素对响应值的影响显著性,结果如表3所示。

(11)

相同喷雾条件下,雾滴沉积量预测值与试验值二者相关系数为0.97,相关性较高,表明该预测模型可分析各因素对雾滴沉积的影响规律。

3.5.3交互作用

根据雾滴沉积量预测模型绘制三因素交互作用的雾滴沉积量响应面,如图20所示。随侧风风速增大,雾滴沿侧风方向飘移增加,雾滴冠层沉积量减小;同一侧风风速时,沉积量随喷雾压力增大而减少,侧风风速为2 m/s、喷雾压力为0.5 MPa、出口直径为70 mm时,雾滴沉积量最大,为5.24 μL/cm2,由于喷雾压力继续增加使得雾滴粒径减小,导致雾滴自身飘移潜力增大而沉积量减小。同一喷雾压力时,沉积量随出口直径呈先减小后增大的趋势。原因是减小出口直径能够提高锥形气流风速,提高雾滴防飘性;增加出口直径能够提高柱形气流风速,提高雾滴穿透性。侧风风速为2 m/s、喷雾压力为0.6 MPa、出口直径为60 mm时,雾滴沉积量最大,为3.67 μL/cm2,由于出口直径减小使得雾滴穿透性减弱,导致雾滴沉积量减小。

图20 各因素交互作用的雾滴沉积量响应面Fig.20 Droplet deposition response surfaces of interaction of various factors

综上所述,3种因素对雾滴沉积量的影响由大到小为侧风风速、喷雾压力、出口直径,适当增加出口直径和喷雾压力有助于提高雾滴沉积量。

3.6 基于Isight的参数优化与试验验证

3.6.1参数优化

多岛遗传算法(Multi-island genetic algorithm,IGA)是一种基于遗传算法的分布式优化技术。它将传统的遗传算法拓展到多个“岛”(Island)的框架,通过“移民”(Migration)的概念来模拟种群的迁移和交流,使得每个岛的种群可以不断地接受新的基因信息,从而获得更好的搜索性能。IGA的优点在于可以有效地提高传统遗传算法的搜索效率,更好地支持分布式优化, 更有效地避免局部最优解,并且可以更好地支持多目标优化。

进行防飘装置结构参数优化时,可在Isight基础平台下将响应面试验获得的回归方程集成到Calculator计算模块,优化模型如图21所示。通过图20曲面的分析,并结合防飘装置实际作业要求确定优化数学模型,定义约束条件为

图21 Isight优化流程Fig.21 Isight optimization process

(12)

首先,将回归方程输入到Isight优化模型;其次,根据Optimization模块设置的约束条件以及多岛遗传优化算法,多岛遗传算法各控制参数如表4所示;最后,在Calculator模块中计算雾滴沉积量Y1,并将其输出值作为优化的目标函数值,如此循环往复,直至优化算法收敛或者优化次数达到最大值,在Isight软件中利用多岛遗传算法进行100 000次的迭代计算,得到最优目标值。利用多岛遗传算法优化雾滴沉积量,得到寻优路径图如图22所示。

表4 多岛遗传算法控制参数Tab.4 Multi-island genetic algorithm control parameters

图22 多岛遗传算法寻优路径Fig.22 Multi-island genetic algorithm to find optimal path

对目标函数进行求解,从最优集中得到,当X1=-1、X2=-1、X3=1,即侧风风速为2 m/s、喷雾压力为0.4 MPa、出口直径为70 mm时,雾滴沉积量最大,为6.34 μL/cm2。当侧风风速大于2 m/s时,应该减小出口直径与喷雾压力,以提高冠层雾滴沉积。

3.6.2最优参数验证

为验证优化后的防飘装置实地施药作业效果,于2023年6月9日在国家苹果产业体系保定综合试验站(顺平县蒲上镇西于家庄村)矮砧密植苹果园内进行田间试验,试验条件和环境与2.2.3节相同。在园内选取同一行的5棵枝繁叶茂的典型果树,按照风送喷雾机国家标准方法[34]进行。水敏纸布置图如图11所示,装置以作业速度1.0 m/s前进。雾滴沉积量取平均值为5.96 μL/cm2,与响应面优化结果差异率仅为5.9%,试验验证所得结果与模型预测结果基本吻合。

4 结论

(1)设计了一种伞形风场式防飘喷雾装置,通过CFD仿真验证伞形风场防飘效果,采用仿真与物理试验相结合的方式探究调节机构对风场的影响,开展防飘可行性和雾滴均匀性试验,结果表明雾滴飘移率、质量中心距、雾滴沉积分布变异系数较普通气流分别降低27.5%、16.2%、7%。解决了传统风送式喷雾机采用普通辅助气流存在的非靶标区域雾滴飘移的问题。

(2)进行单因素和多因素果园喷雾性能试验,以侧风风速、出口直径、喷雾压力为因素建立了二次回归模型,并绘制了响应曲面。结果表明3种因素对雾滴的沉积特性均有较为显著的影响,影响由大到小依次为侧风风速、喷雾压力、出口直径。

(3)当侧风风速为2 m/s、喷雾压力为0.4 MPa、出口直径为70 mm时,雾滴沉积量最大,为6.34 μL/cm2;侧风风速大于2 m/s时,应该适当减小出口直径和喷雾压力有助于提高雾滴沉积量。以最优作业参数进行田间试验,雾滴沉积量为5.96 μL/cm2,与响应面优化结果差异率仅为5.9%,试验验证所得结果与模型预测结果基本吻合。