陶 濤 ,魏新華

(1.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127;2.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

作為水果生產(chǎn)大國(guó),我國(guó)在果樹(shù)病蟲(chóng)害防治上面臨嚴(yán)峻的問(wèn)題,以農(nóng)藥過(guò)量使用和水果農(nóng)藥殘留過(guò)多為主[1-2]。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園藝和果園的病蟲(chóng)害防治主要采用手動(dòng)踏板式/背負(fù)式噴霧機(jī)高壓噴槍﹑背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)及擔(dān)架式噴霧機(jī)等設(shè)備,這些設(shè)備自動(dòng)化程度較低,在果園病蟲(chóng)害方面只能完成對(duì)低矮果樹(shù)和果苗的防治及除草工作,綜合防治效率偏低[3-4]。在我國(guó),果園的種植模式較為單一,主要為低矮密種植型,行距4～5m,樹(shù)高3～3.5m,冠厚1.5～3m,行間距大小與冠厚相近,相鄰的兩行果樹(shù)近似交叉,果園形成密閉狀,使得常規(guī)農(nóng)用果園噴霧機(jī)防治作業(yè)較為困難。此外,果樹(shù)的樹(shù)冠較高,枝繁葉茂,噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)的霧滴容易被果樹(shù)冠層遮擋,難以穿透,不能達(dá)到均勻沉積。由于果樹(shù)外層密集葉片的遮擋,霧滴易于聚成液滴灑落,從而使得果樹(shù)冠層內(nèi)部病蟲(chóng)害防治效果不能達(dá)到預(yù)期[5-7]。

風(fēng)送式噴霧機(jī)通過(guò)氣流將霧滴送達(dá)靶標(biāo),從而使得噴霧的穿透性能提高,霧滴不易飄移,附著率增大,主要針對(duì)果樹(shù)及高稈作物的噴施作業(yè)[8]。噴筒作為風(fēng)送式噴霧機(jī)的重要部件,其機(jī)構(gòu)將影響流場(chǎng)的分布噴幅[9]。立管風(fēng)送輔助噴霧技術(shù)可使霧滴飄失情況大大減少[10],與圓形出風(fēng)口相比,設(shè)計(jì)成槽型則更有效[11]。祁力鈞等[12]在出風(fēng)口處安裝了錐形導(dǎo)風(fēng)筒和同軸柱形導(dǎo)風(fēng)筒,通過(guò)導(dǎo)風(fēng)筒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡和氣流速度的仿真分析。本文針對(duì)果園風(fēng)送式噴霧機(jī)設(shè)計(jì)了新型五指式噴筒,利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 450、1 080、960r/min時(shí)噴筒流場(chǎng)進(jìn)行仿真,得到各個(gè)情況下噴筒內(nèi)部流場(chǎng)和出口風(fēng)速分布。

1 風(fēng)送式噴霧機(jī)噴筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前,市場(chǎng)上所用的果園風(fēng)送式噴霧機(jī),噴筒主體與擴(kuò)幅噴筒被設(shè)計(jì)在一起。在噴筒主體的收縮段和出風(fēng)口之間安裝擴(kuò)幅噴筒,收縮段噴筒先直接外擴(kuò)再收縮[13]。在該結(jié)構(gòu)的擴(kuò)幅段出風(fēng)口附近,其管道斷面發(fā)生變大變小型的重復(fù)突變,而此時(shí)管道內(nèi)的氣流在慣性作用下,是不會(huì)因管道變化而立刻產(chǎn)生突變的,容易造成風(fēng)機(jī)能量損失嚴(yán)重。

為增加果園噴霧機(jī)的噴幅、減少風(fēng)機(jī)能量損失,同時(shí)保證各出風(fēng)口風(fēng)速的均勻,本文設(shè)計(jì)了一種新型噴霧機(jī)噴筒,如圖1所示。五指式噴筒二維圖如圖2所示。其中,柱形段直徑為460mm,與風(fēng)機(jī)剛性連接,故口徑大小相等。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)風(fēng)速存在漩渦,柱形段長(zhǎng)度取400mm,起到穩(wěn)定氣流的作用;5個(gè)出風(fēng)口均勻分布在半徑為1 080mm的圓弧上,各出風(fēng)口之間夾角為13°,半徑為150mm;擴(kuò)幅段由柱形段圓截面漸變成矩形截面,矩形截面均勻分成5部分,類似于人體手指5指。五指式噴筒,起到了擴(kuò)幅作用,同時(shí)保證了各出風(fēng)口均勻。

圖1 五指式噴筒

圖2 五指式噴筒二維圖

2 五指式噴筒計(jì)算模型仿真模擬

2.1 模型建立與計(jì)算域確定

通過(guò)前期設(shè)計(jì),本文利用Workbench完成五指式風(fēng)筒的仿真模型,如圖3所示。

圖3 五指式噴筒仿真模型

2.2 網(wǎng)格劃分

利用流體前處理軟件對(duì)五指式噴筒網(wǎng)格劃分,采用四面體網(wǎng)格劃分,噴筒中界面突變部位進(jìn)行加密網(wǎng)格處理。對(duì)423625 和 302079 兩套網(wǎng)格計(jì)算進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)兩者風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同情況下仿真進(jìn)口流量的相對(duì)差值在2%以內(nèi),因此選擇423625網(wǎng)格對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,網(wǎng)格單元數(shù)為423 625、節(jié)點(diǎn)數(shù)79 562,如圖4所示。

圖4 仿真模型網(wǎng)格化

2.3 計(jì)算方法

為減少計(jì)算成本,考慮噴霧機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境,進(jìn)行相應(yīng)的假設(shè):忽略粘度和溫度的變化產(chǎn)生的影響,湍流模型使用k-e模型;采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)和分離隱式求解器,采用SIMPLEC算法,設(shè)置收斂殘差為10e-4。

2.4 邊界條件

噴筒進(jìn)口風(fēng)速來(lái)源于風(fēng)機(jī),因此邊界條件設(shè)置為“intake-fan”,并給定相應(yīng)的Pressure jump(DZ軸流-6#風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 450、1 080、960r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的全壓280、150、123Pa);出口設(shè)定為大氣壓。

3 五指式噴筒仿真模擬結(jié)果分析

3.1 噴筒進(jìn)出口速度分析

噴筒不同工況下(風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 450、1 080、960r/min)進(jìn)出口速度云圖如圖5所示。

由圖5可看出:3個(gè)轉(zhuǎn)速下,噴筒每個(gè)出風(fēng)口風(fēng)速分布均勻;每個(gè)轉(zhuǎn)速下5個(gè)出風(fēng)口風(fēng)速大小相同,變異系數(shù)小;風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大,出風(fēng)口風(fēng)速越大,與之成正比。

監(jiān)測(cè)噴筒進(jìn)出口流量,得到如圖6所示風(fēng)機(jī)各個(gè)轉(zhuǎn)速下流量值。

(a) 960r/min

(b) 1 080r/min

(c) 1 450r/min

由圖6(a)可得:噴筒進(jìn)口流量1.479 9kg/s,5個(gè)出口流量和值與進(jìn)口流量差值為3.755 1e-6kg/s;5個(gè)出風(fēng)口流量非常接近,各出風(fēng)口流量最大差值0.002 13kg/s。

由圖6(b)可得:噴筒進(jìn)口流量1.668 2kg/s,5個(gè)出口流量和值與進(jìn)口流量差值為5.811 5e-6kg/s;5個(gè)出風(fēng)口流量非常接近,各出風(fēng)口流量最大差值0.004 85kg/s。

由圖6(c)可得:噴筒進(jìn)口流量2.254 7kg/s,5個(gè)出口流量和值與進(jìn)口流量差值為-1.776 2e-5kg/s;5個(gè)出風(fēng)口流量非常接近,各出風(fēng)口流量最大差值0.007 24kg/s。

(a) 960r/min

(b) 1 080r/min

(c) 1 450r/min

由圖6可看出:3個(gè)轉(zhuǎn)速下,噴筒進(jìn)口風(fēng)量隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大隨之增加;各個(gè)轉(zhuǎn)速下噴筒進(jìn)出口流量差值很小,從而確定仿真結(jié)果可靠,收斂;五指式噴筒各個(gè)出風(fēng)口風(fēng)量相等,符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 噴筒內(nèi)部速度場(chǎng)分析

噴筒不同工況下(風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 450、1 080、960r/min),Z=0截面處噴筒內(nèi)部速度的分布如圖7所示。速度矢量圖如圖8所示。

由圖7和圖8可得:橢圓形線界定的范圍表示該區(qū)域內(nèi)存在湍流,由于柱形段穩(wěn)流作用,有利于風(fēng)軸向運(yùn)動(dòng),降低旋流。因此,得出在擴(kuò)福階段以軸向運(yùn)動(dòng)為主,局部區(qū)域存在湍流。五指式噴筒的擴(kuò)幅段先按圓柱形式收縮,接著以軸截面為矩形的梯臺(tái)擴(kuò)幅,噴筒的擴(kuò)幅段會(huì)同時(shí)發(fā)生水平收縮與垂直擴(kuò)張,氣流在該類型擴(kuò)幅段不會(huì)出現(xiàn)單一的收縮和擴(kuò)張,氣流管道的斷面不會(huì)發(fā)生突變。因此,本設(shè)計(jì)風(fēng)筒出現(xiàn)紊流的區(qū)域較小。

(a) 960r/min

(b) 1 080r/min

(c) 1 450r/min

(a) 960r/min

(b) 1 080r/min

(c) 1 450r/min

3.3 噴筒內(nèi)部壓力場(chǎng)分析

噴筒不同工況下(風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 450、1 080、960r/min),Z=0截面處噴筒內(nèi)部壓力場(chǎng)云圖如圖9所示。

(c) 1 450r/min

由圖9可得:五指式噴筒內(nèi)部壓強(qiáng)分布均勻,在擴(kuò)幅段存在極少部分的壓力集中區(qū)域,這是由于流道由小變大再變小造成的,不可避免壓力損失;在由擴(kuò)幅段變?yōu)?指時(shí),截面突變,各個(gè)出風(fēng)口之間存在一定夾角導(dǎo)致,對(duì)噴筒整體影響較小;五指式噴筒出風(fēng)口壓強(qiáng)分布均勻,各出風(fēng)口之間變異較小。

4 結(jié)論

1)根據(jù)果園風(fēng)送式噴霧機(jī)設(shè)計(jì)需求,為增加果園噴霧機(jī)的噴幅、減少風(fēng)機(jī)能量損失,同時(shí)保證各出風(fēng)口風(fēng)速的均勻,設(shè)計(jì)了一種新型風(fēng)送式噴霧機(jī)五指式噴筒。

2)利用CFD仿真技術(shù)對(duì)五指式噴筒內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明:在風(fēng)機(jī)3個(gè)轉(zhuǎn)速下,噴筒進(jìn)口風(fēng)量隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大隨之增加;各個(gè)轉(zhuǎn)速下噴筒進(jìn)出口流量差值很小,從而確定仿真結(jié)果可靠、收斂;五指式噴筒各個(gè)出風(fēng)口風(fēng)量相等,符合設(shè)計(jì)要求。

3)仿真結(jié)果表明:五指式的噴筒中氣流出現(xiàn)紊流的區(qū)域較小,風(fēng)速分布均勻,且噴筒內(nèi)部壓強(qiáng)分布均勻,各出風(fēng)口之間變異較小。