劉昶希，胡 軍，李宇飛，趙勝雪，張 偉，李慶達(dá)

錐形風(fēng)場(chǎng)式防飄噴霧裝置內(nèi)流道優(yōu)化與防飄特性

劉昶希，胡 軍※，李宇飛，趙勝雪，張 偉，李慶達(dá)

（1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2. 黑龍江省保護(hù)性耕作工程技術(shù)研究中心，大慶 163319）

錐形風(fēng)場(chǎng)式防飄噴霧裝置是利用輔助氣流進(jìn)行防飄作業(yè)的一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式。為分析其防飄機(jī)理，改善防飄噴霧作業(yè)效果，對(duì)現(xiàn)有裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與防飄特性研究?；谫|(zhì)子動(dòng)力學(xué)基本定律，構(gòu)建了單個(gè)霧滴在運(yùn)動(dòng)空氣介質(zhì)中的受力模型，明晰了錐形風(fēng)場(chǎng)的防飄機(jī)理。運(yùn)用流體力學(xué)理論分析內(nèi)流道氣流損失，并利用CFD數(shù)值仿真技術(shù)結(jié)合風(fēng)場(chǎng)測(cè)試對(duì)防飄噴霧裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：當(dāng)內(nèi)流道彎管的曲率半徑設(shè)計(jì)為4 cm時(shí)，優(yōu)化后裝置出口處仿真試驗(yàn)風(fēng)速較優(yōu)化前提高23.5%，測(cè)試試驗(yàn)風(fēng)速較優(yōu)化前提高28%，風(fēng)機(jī)有效利用率提高21.2個(gè)百分點(diǎn)，優(yōu)化方案合理。風(fēng)洞條件下裝置防飄特性試驗(yàn)結(jié)果表明：側(cè)風(fēng)風(fēng)速、噴頭高度、錐風(fēng)風(fēng)速與總霧滴飄移量占比具有相關(guān)性，通過(guò)多因素正交試驗(yàn)建立的豎直和水平方向的數(shù)學(xué)模型顯著性較高（<0.05，2分別為0.934、0.945），表明錐形風(fēng)場(chǎng)可以抵御繞流渦旋的產(chǎn)生，具有減少霧滴在縱向高度上隨風(fēng)飄失的特性。該研究可為綜合分析霧滴飄移沉積規(guī)律提供一定參考。

風(fēng)洞；試驗(yàn)；優(yōu)化；數(shù)值仿真；錐形風(fēng)場(chǎng)；防飄特性；霧滴飄移

0 引 言

隨著精準(zhǔn)施藥技術(shù)的推廣和防飄噴霧技術(shù)的發(fā)展，氣流輔助防飄噴霧技術(shù)已成為保障現(xiàn)代農(nóng)業(yè)植保技術(shù)體系的重要組成部分[1-5]。氣流輔助防飄噴霧技術(shù)具有明顯的減藥、增效特征，根據(jù)此項(xiàng)技術(shù)研制的風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)依靠沿噴頭方向形成的氣力式罩蓋，抵消或轉(zhuǎn)化自然風(fēng)，并以此增強(qiáng)霧滴穿透性大幅降低農(nóng)藥飄移量[6-8]。國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)霧滴的飄失過(guò)程及其影響因素進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，試圖通過(guò)調(diào)整輔助氣流形式、噴嘴工作參數(shù)等方法來(lái)減少霧滴飄失，改善藥液空間分布特性，以期更加深入地掌握霧滴的防飄機(jī)理[9-13]。

由于田間試驗(yàn)結(jié)果難以重復(fù)，且易受風(fēng)速、溫度等氣象條件影響，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者常采用風(fēng)洞開(kāi)展有關(guān)霧滴防飄特性的研究[14-18]。Gupta等[19]利用風(fēng)洞模擬了氣流特性對(duì)霧滴在植物冠層不同部位運(yùn)輸和沉積的影響。Reichard[20]首次利用CFD數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)風(fēng)洞條件下的霧滴飄移進(jìn)行了預(yù)測(cè)。茹煜等[21]利用風(fēng)洞比較不同氣流、風(fēng)速條件下的霧滴濃度，建立了霧滴飄移距離預(yù)測(cè)模型，在與實(shí)際值進(jìn)行比較后認(rèn)為該模型較為可行。曾愛(ài)軍等[22]將單個(gè)旋翼與噴頭組成的噴霧單元放置在風(fēng)洞內(nèi)模擬飛行噴霧試驗(yàn)，通過(guò)改變噴頭與助劑的不同組合得出了霧滴在水平和豎直方向的變化規(guī)律，該研究為進(jìn)一步探究無(wú)人機(jī)防飄、減飄技術(shù)提供了參考。在此基礎(chǔ)上，王昌陵等[23]首次將四旋翼植保無(wú)人機(jī)噴霧單元安裝在循環(huán)風(fēng)洞中，探究了噴頭類(lèi)型和型號(hào)、飛行速度、助劑種類(lèi)以及氣象條件對(duì)噴霧飄移特性的影響，通過(guò)回歸分析建立了豎直和水平減飄率與霧滴體積中徑等的數(shù)學(xué)模型，該研究結(jié)論為植保無(wú)人機(jī)風(fēng)洞測(cè)試與田間作業(yè)規(guī)范的制定提供了技術(shù)支撐。

錐形風(fēng)場(chǎng)式防飄噴霧裝置是利用輔助氣流進(jìn)行防飄作業(yè)的一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式。該防飄噴霧裝置對(duì)于減少霧滴飄失、增加霧滴在靶標(biāo)區(qū)域內(nèi)的有效沉積起到了關(guān)鍵作用，但現(xiàn)有裝置內(nèi)流道存在氣流阻塞現(xiàn)象，影響裝置整體性能。本文在借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)與研究方法的基礎(chǔ)上，以探究錐形風(fēng)場(chǎng)的防飄特性為切入點(diǎn)，對(duì)錐形風(fēng)場(chǎng)式防飄噴霧裝置內(nèi)流道進(jìn)行優(yōu)化，提高其防飄、減飄性能。

1 裝置結(jié)構(gòu)與防飄機(jī)理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有錐形風(fēng)場(chǎng)式防飄噴霧裝置主要由噴頭安裝座和雙層錐形氣流罩兩部分構(gòu)成，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示[24]。

如圖2所示，錐形風(fēng)場(chǎng)式防飄噴霧裝置進(jìn)行噴霧作業(yè)時(shí)，雙層錐形氣流罩的中心夾層構(gòu)成錐形氣流道。由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的氣流經(jīng)錐形氣流道引導(dǎo)后，在出口位置形成一個(gè)錐形風(fēng)場(chǎng)籠罩在霧場(chǎng)周?chē)?，抵擋了?cè)風(fēng)對(duì)霧滴沉降的不利影響，當(dāng)側(cè)風(fēng)方向自左向右時(shí)，側(cè)風(fēng)會(huì)與A風(fēng)場(chǎng)形成一個(gè)合風(fēng)場(chǎng)，合風(fēng)場(chǎng)的方向指向作物，大部分霧滴在A風(fēng)場(chǎng)的作用下加速向作物表面沉積，少數(shù)霧滴仍會(huì)向右飄移，這時(shí)B風(fēng)場(chǎng)會(huì)進(jìn)一步阻擋霧滴的飄移，從而提高沉積效果。

1.2 防飄機(jī)理分析

為進(jìn)一步明晰錐形風(fēng)場(chǎng)的防飄機(jī)理，在不考慮霧滴群內(nèi)力的前提下，本文引入一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系建立單個(gè)霧滴在側(cè)風(fēng)與錐形風(fēng)場(chǎng)作用下的受力示意圖（圖 3），分析單個(gè)霧滴的受力情況。

根據(jù)歐拉法，霧滴在空氣介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻力與液滴的速度有二次關(guān)系[25-26]：

式中為霧滴上升速度的平均值，m/s。

結(jié)合式（1）～（2）得：

在笛卡爾坐標(biāo)系進(jìn)行投影，得到簡(jiǎn)化后的單個(gè)霧滴運(yùn)動(dòng)微分方程組為

注：XOYZ表示笛卡爾坐標(biāo)系；表示霧滴所受重力，N；表示霧滴所受側(cè)風(fēng)力，N；表示霧滴所受錐風(fēng)風(fēng)力，N；表示霧滴所受空氣阻力，N；表示霧滴在空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)的相對(duì)飄移速度，m·s-1。

2 內(nèi)流道氣流局部損失及優(yōu)化

通過(guò)防飄機(jī)理分析可知，防飄噴霧裝置的防飄、減飄效果與錐形風(fēng)場(chǎng)的強(qiáng)度，即風(fēng)速及風(fēng)量息息相關(guān)。但現(xiàn)有防飄噴霧裝置內(nèi)流道存在氣流阻塞現(xiàn)象，進(jìn)而影響裝置整體性能，因此需要對(duì)該裝置的內(nèi)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減少氣流的沿程損失，使之產(chǎn)生更利于抵擋側(cè)風(fēng)的輔助氣流。

2.1 內(nèi)流道氣流局部損失

根據(jù)流體力學(xué)理論，能量損失等于各管路的沿程損失h和局部損失h之和，由于現(xiàn)有裝置內(nèi)流道的尺寸較小，沿程損失可忽略不計(jì)，因此能量損失可近似為局部損失[27]，即

式中為流體平均流速，m/s；為局部阻力系數(shù)。

由式（5）可以看出，h的求解問(wèn)題可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫植孔枇ο禂?shù)的求解，而是一個(gè)無(wú)量綱系數(shù)，它的大小與局部阻礙物的結(jié)構(gòu)有關(guān)?，F(xiàn)有防飄噴霧裝置內(nèi)流道呈漸縮狀結(jié)構(gòu)，因此依據(jù)流體力學(xué)理論中彎管類(lèi)型的劃分，將本裝置視為漸縮彎管中的局部阻力損失模型[27]，則可按公式（6）計(jì)算：

式中為彎管中線的曲率半徑，cm；為管徑，cm；為漸縮角，（°）。

表1給出了彎管在不同/時(shí)的[27]。

表1 不同R/d時(shí)彎管的值（Re=108）

注：表示彎管中線的曲率半徑，cm；表示管徑，cm；表示局部阻力系數(shù)；Re為雷諾數(shù)。

Note:represents the radius curvature of the center line of the elbow, cm;represents pipe diameter, cm;representslocal drag coefficient;/represents the ratio of the radius curvature of the tapered elbow to the pipe diameter; Re is Reynolds number.

由圖4a可知，優(yōu)化前裝置內(nèi)流道呈直角減縮結(jié)構(gòu)，曲率半徑為0，使內(nèi)流道的曲率半徑和入口管徑比值1。根據(jù)表1，當(dāng)1時(shí)局部阻力系數(shù)隨的減小而急劇增大，而的增大會(huì)使局部損失增加，導(dǎo)致現(xiàn)有裝置的內(nèi)流道產(chǎn)生氣流阻塞問(wèn)題。

因此，降低氣流局部損失、減小局部阻力系數(shù)的著眼點(diǎn)在于推遲流體與壁面的分離與優(yōu)化漸縮角度，以此來(lái)減小渦旋區(qū)的大小和強(qiáng)度。

2.2 防飄噴霧裝置內(nèi)流道優(yōu)化

根據(jù)上述分析并結(jié)合現(xiàn)有裝置結(jié)構(gòu)可知，減小內(nèi)流道局部損失的方法有2種：

1）適當(dāng)延長(zhǎng)氣流道進(jìn)口長(zhǎng)度，降低紊流，理想狀態(tài)下可以使突變流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徸兞鳌?/p>

2）增大漸縮角，減緩氣流局部碰撞使流速均勻。

由式（5）～（6）可知，能量損失h與成正比，的值由決定，為降低能量損失值應(yīng)盡可能小，則可選擇的數(shù)值有0.159、0.145（表 1）。由于內(nèi)流道管徑為2 cm，若選擇的值為0.145，則彎管曲率半徑為6 cm，此種情況下由于彎管曲率半徑過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致噴桿與防飄噴霧裝置間產(chǎn)生干涉。因此，最終選擇的值為0.159，此時(shí)彎管的曲率半徑為4 cm。優(yōu)化前后的內(nèi)流道尺寸如圖4所示。

2.3 仿真分析

為驗(yàn)證內(nèi)流道優(yōu)化結(jié)果，采用CFD中ANSYS Fluent模塊對(duì)優(yōu)化前后裝置進(jìn)行流體力學(xué)分析，利用ICEM軟件進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，選擇+值為10層的非結(jié)構(gòu)邊界層網(wǎng)格，全局網(wǎng)格數(shù)量為212萬(wàn)且通過(guò)無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。為準(zhǔn)確描述本模型氣流場(chǎng)的湍流特點(diǎn)，選用K-omega SST混合湍流模型進(jìn)行求解；根據(jù)殘差標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置收斂條件為e-5。根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量及前期研究中進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速值[24]，設(shè)置入口風(fēng)速25 m/s；出口與大氣相連，壓力邊界條件為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101 325 Pa），并將其設(shè)置為自由流動(dòng)出口。

根據(jù)仿真條件，對(duì)優(yōu)化后裝置進(jìn)行相同工況下的仿真分析，從優(yōu)化前、后模型剖面速度矢量圖（圖5）可以看出：裝置內(nèi)流道優(yōu)化后，其渦流擾動(dòng)情況有所改善，且局部速度失?，F(xiàn)象基本消失，優(yōu)化后裝置出口處風(fēng)速可達(dá)17.00 m/s，達(dá)到前期研究中霧滴最優(yōu)沉積量所需風(fēng)速值（16.53 m/s）[24]，較優(yōu)化前（13.00 m/s）提高23.5%，故模型優(yōu)化結(jié)果可行。

3 風(fēng)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

為驗(yàn)證內(nèi)流道優(yōu)化效果，使用精密型熱線風(fēng)速儀VT-100分別對(duì)裝置優(yōu)化前后各采集點(diǎn)的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量與對(duì)比分析，風(fēng)速儀量程0.15～30.00 m/s，測(cè)試精度0.05 m/s，分辨率0.01 m/s，適用溫度0～50 ℃。

試驗(yàn)保證風(fēng)場(chǎng)測(cè)試不受外界自然風(fēng)干擾，在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)植保機(jī)械實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行（圖6）。結(jié)合前文仿真條件，根據(jù)風(fēng)速儀顯示的數(shù)值合理調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使其在裝置進(jìn)口處以25 m/s的風(fēng)速穩(wěn)定供風(fēng)。測(cè)試方法：根據(jù)錐形風(fēng)場(chǎng)的作用區(qū)域（噴嘴下方至500 mm處），以及風(fēng)場(chǎng)的作用效果（風(fēng)速小于0.5 m/s效果不顯著），利用風(fēng)速儀沿氣流道延伸方向?qū)ふ绎L(fēng)場(chǎng)邊界（風(fēng)速小于0.5 m/s），確定測(cè)量范圍。根據(jù)測(cè)量位置（圖7），使用標(biāo)尺定位測(cè)量點(diǎn)，利用風(fēng)速儀對(duì)測(cè)量點(diǎn)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)測(cè)試面，每個(gè)測(cè)試面按等角度取8個(gè)測(cè)試點(diǎn)，共計(jì)48個(gè)測(cè)量點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3次，結(jié)果取平均值。

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，根據(jù)式（7）～（8）計(jì)算風(fēng)機(jī)有效利用率。

錐形罩進(jìn)、出口風(fēng)量：

式中為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；為進(jìn)、出風(fēng)口直徑，m；為進(jìn)、出風(fēng)口氣流速度，m/s。

本裝置出口為環(huán)形，風(fēng)機(jī)有效利用率計(jì)算公式為

式中1為環(huán)形出風(fēng)口外環(huán)直徑，m；2為環(huán)形出風(fēng)口內(nèi)環(huán)直徑，m；進(jìn)為進(jìn)風(fēng)口直徑，m；1為出風(fēng)口氣流速度，m/s；2為進(jìn)風(fēng)口氣流速度，m/s。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

裝置化前后風(fēng)速測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知，優(yōu)化后測(cè)試面1（即出口處）風(fēng)速最大值可達(dá)18.70 m/s，較優(yōu)化前（13.44 m/s）提高28%，與仿真分析結(jié)果（23.5%）較為一致，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。在距離裝置出口處500 mm位置處，優(yōu)化前裝置的風(fēng)速最大值為3.12 m/s，優(yōu)化后該位置處的風(fēng)速最大值仍可達(dá)5.21 m/s。結(jié)合上述數(shù)據(jù)，則可計(jì)算出裝置優(yōu)化后風(fēng)機(jī)有效利用率為74.8%，較優(yōu)化前的53.6%提高了21.2個(gè)百分點(diǎn)。

表2 裝置優(yōu)化前后風(fēng)速測(cè)試數(shù)據(jù)

4 風(fēng)洞試驗(yàn)

錐形風(fēng)場(chǎng)通過(guò)持續(xù)的氣流夾帶作用，降低了霧滴飄移的“空域”[13]，具體表現(xiàn)為：當(dāng)有側(cè)風(fēng)侵入噴霧扇面形成繞流渦旋時(shí)，本文施加的錐形風(fēng)與側(cè)風(fēng)形成的合風(fēng)場(chǎng)可降低渦旋產(chǎn)生位置的縱向高度甚至是抵御繞流渦旋的產(chǎn)生、減少空間范圍內(nèi)的霧滴飄失（圖8）。為明晰裝置防飄規(guī)律，以?xún)?yōu)化后的防飄噴霧裝置為研究對(duì)象，在風(fēng)洞條件下探究其防飄特性。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)在國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心（北京）進(jìn)行，使用IEA-II型常規(guī)風(fēng)速風(fēng)洞完成（圖9）。試驗(yàn)用噴霧系統(tǒng)包括HARDI F-03-110型扇形噴頭、儲(chǔ)水罐、氣壓泵、穩(wěn)壓罐、減壓閥、流量計(jì)、壓力表。測(cè)試裝置包括優(yōu)化后錐形風(fēng)場(chǎng)式防飄噴霧裝置（圖13）、KOMAX型風(fēng)機(jī)（峰值風(fēng)量10 m3/min，負(fù)載峰值2 700 W，轉(zhuǎn)速范圍0～19 000 r/min，電池容量298 000 h）、風(fēng)管。采集裝置由收集架、25 mm×25 mm水敏紙、便攜式大疆MG-1型霧滴分析儀（功率1.5 W）組成。

根據(jù)HARDI噴霧手冊(cè)，在0.3 MPa噴霧壓力下標(biāo)定HARDI F-03-110型噴頭流量，獲得風(fēng)洞飄移試驗(yàn)規(guī)定噴霧時(shí)間內(nèi)的噴頭噴量。噴施液體為自來(lái)水，測(cè)試指標(biāo)為霧滴沉積量，噴霧時(shí)間5 s，噴頭噴出總量99 200L。根據(jù)扇形噴頭常規(guī)作業(yè)安裝高度要求，調(diào)節(jié)噴頭高度分別為0.40 、0.45 、0.50 和0.55 m；為探究?jī)?yōu)化后裝置防飄效果，根據(jù)噴桿噴霧機(jī)作業(yè)環(huán)境風(fēng)速要求（小于2 m/s），將風(fēng)洞內(nèi)側(cè)風(fēng)風(fēng)速分別為1 、2 、3 和4 m/s；結(jié)合前文錐風(fēng)風(fēng)速取值，設(shè)置錐風(fēng)風(fēng)速分別為0 、10 、15 和20 m/s。按照試驗(yàn)條件分別進(jìn)行單因素、多因素試驗(yàn)（每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值）。

在IEA-II型風(fēng)洞內(nèi)（圖10）布好水敏紙及收集架，其中每根收集架上的水敏紙數(shù)量=5，每根收集架上相鄰兩張水敏紙之間的距離=15 cm。為避免試驗(yàn)過(guò)程中部分霧滴從風(fēng)洞底部飛濺至水敏紙表面造成試驗(yàn)誤差，設(shè)置高度為10 cm的虛擬層，噴頭高度也相應(yīng)提升10 cm。

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)將霧滴飄移量占噴頭總噴出的百分比，即霧滴飄移量占比S（%）作為衡量霧滴飄移程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

4.3 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1噴頭高度對(duì)霧滴飄移的影響

在側(cè)風(fēng)風(fēng)速2 m/s條件下，噴頭高度對(duì)霧滴飄移量占比的影響如圖11所示。

由圖11a可知，隨著噴頭高度的增加，霧滴在豎直方向上的飄移量不斷減小。從總體上看，同一高度采集面上反映的霧滴飄移量，隨噴頭高度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，但在水敏紙收集平面0.50 m處呈現(xiàn)相反的規(guī)律。分析原因：本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的最小噴頭高度為0.40 m，若考慮到試驗(yàn)設(shè)計(jì)的0.10 m虛擬層，則此時(shí)的噴頭高度與豎直方向上0.50 m處的水敏紙采集面持平。因此，當(dāng)噴頭高度自0.40 m開(kāi)始向上增加時(shí)，逐漸有部分易飄移霧滴附著在水敏紙收集平面上，且隨高度的增加其附著量隨之提升。

由圖11b可知，隨著噴頭高度的增加，霧滴在水平方向上的飄移量并不都呈現(xiàn)持續(xù)增加或降低的趨勢(shì)。當(dāng)噴頭高度為0.40 m時(shí)，在距離噴頭水平方向1.5 m位置處的霧滴飄移量占比最大，且隨距離的增加而不斷降低。當(dāng)噴頭高度為0.45 m和0.50 m時(shí)，霧滴的最大飄移量占比雖然偏移至距離噴頭水平方向2.5 m，但飄移量占比總體呈正態(tài)分布，且霧滴飄移相對(duì)均勻。當(dāng)噴頭高度為0.55 m時(shí)，霧滴飄移較為嚴(yán)重。

4.3.2 側(cè)風(fēng)風(fēng)速對(duì)霧滴飄移的影響

在噴頭高度0.50 m時(shí)，不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速對(duì)霧滴飄移量占比的影響如圖12所示。

由圖12a可知，隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加，霧滴在豎直方向上的飄移量不斷減小。從總體上看，同一高度采集面上反映的霧滴飄移量，隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增大呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為1和2 m/s時(shí)，位于0.40 和0.50 m高度采集面上反映的霧滴飄移量占比近乎為0，這表明：為保證噴霧效果，當(dāng)不采取任何防飄手段進(jìn)行田間作業(yè)時(shí)，應(yīng)盡量選擇側(cè)風(fēng)風(fēng)速小于2 m/s的氣候條件。若將機(jī)車(chē)前進(jìn)速度也考慮為霧滴飄移影響因素，則更應(yīng)該選擇側(cè)風(fēng)風(fēng)速較低甚至是無(wú)風(fēng)的天氣進(jìn)行施藥作業(yè)。

由圖12b可知，隨著噴頭高度的增加，霧滴在水平方向上的飄移量不呈現(xiàn)持續(xù)增加或降低的趨勢(shì)，這一點(diǎn)與改變噴頭高度時(shí)的變化規(guī)律相類(lèi)似。當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)，霧滴飄移量占比集中在噴頭水平距離1.5 m處且隨水平距離的增加而不斷降低。當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為2 m/s和3 m/s時(shí)，霧滴飄移量占比分別集中在距離噴頭水平距離2.5 m和3.5 m處且均呈正態(tài)分布。當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為4 m/s時(shí)，霧滴幾乎不附著在水敏紙上，這表明：一定的側(cè)風(fēng)有助于霧滴在靶標(biāo)上的沉降，但當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速達(dá)到4 m/s及以上時(shí)，霧滴的飄移距離過(guò)遠(yuǎn)，此時(shí)不應(yīng)進(jìn)行施藥作業(yè)。

4.3.3 錐風(fēng)風(fēng)速對(duì)霧滴飄移的影響

在噴頭高度0.50 m、側(cè)風(fēng)風(fēng)速2 m/s時(shí)，不同錐風(fēng)風(fēng)速對(duì)霧滴飄移量占比的影響如圖13所示。

由圖13a可知，同一高度采集面上反映的霧滴飄移量占比并不隨著錐風(fēng)風(fēng)速的增大呈現(xiàn)持續(xù)增加或減少的趨勢(shì)。當(dāng)水敏紙采集面高度為0.1 和0.2 m時(shí)，霧滴飄移量占比隨著錐風(fēng)風(fēng)速的增大而增加，這是由于錐形風(fēng)場(chǎng)與側(cè)風(fēng)形成的合風(fēng)場(chǎng)降低了霧滴易飄失區(qū)域的縱向高度，使本應(yīng)繼續(xù)隨風(fēng)飄失的霧滴沉降在低一級(jí)的水敏紙采集面內(nèi)。因此，位于高度0.3～0.5 m的水敏紙采集面采集到的霧滴隨著錐風(fēng)風(fēng)速的增加而減少，霧滴飄移量占比也隨之降低。

由圖13b可知，霧滴飄移量占比總體呈正態(tài)分布，且飄移量最大值均出現(xiàn)在距噴頭水平方向2.5 m的位置。隨著錐風(fēng)風(fēng)速的增加，距離噴頭各水平位置的霧滴飄移量占比均呈下降趨勢(shì)。當(dāng)錐風(fēng)風(fēng)速達(dá)到20 m/s時(shí)，位于水平方向3.5 m采集面上的霧滴最少，其飄移量占比與常規(guī)噴霧相比降低6.3%。

4.4 多因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇各因素影響顯著的取值作為多因素正交試驗(yàn)的各指標(biāo)水平進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平設(shè)置如表6所示。按照L9（34）的HARDI F-03-110型噴頭霧滴飄移量占比正交試驗(yàn)方案和結(jié)果如表7所示。

表6 試驗(yàn)因素水平

通過(guò)多因素正交試驗(yàn)得到各試驗(yàn)水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)值，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS分析軟件中，得出有關(guān)總霧滴飄移量的多元線性回歸數(shù)學(xué)模型為

豎直方向：

式中為豎直方向總霧滴飄移量占比，%；1為側(cè)風(fēng)風(fēng)速，m/s；2為噴頭高度，m；3為錐風(fēng)風(fēng)速，m/s。

表7 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

水平方向：

式中為水平方向總霧滴飄移量占比，%；1為側(cè)風(fēng)風(fēng)速，m/s；2為噴頭高度，m；3為錐風(fēng)風(fēng)速，m/s。

綜合分析表8～表10可知：在豎直和水平2個(gè)方向上，側(cè)風(fēng)風(fēng)速都是決定霧滴飄移的最主要因素，且總霧滴飄移量占比隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加而增大。錐風(fēng)風(fēng)速與總霧滴飄移量占比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著錐風(fēng)風(fēng)速的增加，總霧滴飄移量占比呈下降趨勢(shì)，側(cè)風(fēng)對(duì)霧滴沉積的不利影響逐漸降低，證明錐形風(fēng)場(chǎng)具有降低霧滴在空間范圍內(nèi)隨風(fēng)飄失的特性。而噴頭高度這一變量在水平與豎直方向均與總霧滴飄移量占比的相關(guān)性較差，原因可能是本次試驗(yàn)選擇的噴霧高度過(guò)低，因素彼此之間并未顯現(xiàn)較大差異所致。

對(duì)上述兩回歸模型擬合度進(jìn)行檢驗(yàn)，沿豎直和水平方向的方程調(diào)整判定系數(shù)2分別為0.934和0.945，且顯著性<0.05，其擬合度較好。因此，通過(guò)逐步回歸分析得出的總霧滴飄移量占比的數(shù)學(xué)模型可以很好地描述因變量與各自變量間的線性依存關(guān)系，對(duì)選擇防飄手段、明晰霧滴飄移空間分布，確定噴施參數(shù)以及綜合分析霧滴飄移沉積規(guī)律有一定參考作用。

表8 擬合方程的顯著性分析

表9 擬合方程的方差分析

表10 擬合方程系數(shù)表

5 結(jié) 論

1）基于質(zhì)子動(dòng)力學(xué)基本定律，構(gòu)建了單個(gè)霧滴在運(yùn)動(dòng)空氣介質(zhì)中的受力模型，明晰了錐形風(fēng)場(chǎng)式防飄噴霧裝置防飄機(jī)理，研究表明：通過(guò)增加錐形風(fēng)場(chǎng)的強(qiáng)度，可提高霧滴沿靶標(biāo)方向的速度矢量值，進(jìn)而提高其抵御側(cè)風(fēng)的能力，實(shí)現(xiàn)防飄噴霧作業(yè)。

2）利用CFD數(shù)值仿真及風(fēng)速、風(fēng)量驗(yàn)證試驗(yàn)，優(yōu)化了防飄噴霧裝置內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)進(jìn)風(fēng)口以25 m/s穩(wěn)定供風(fēng)時(shí)，仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后裝置出口處風(fēng)速可達(dá)17.00 m/s，較優(yōu)化前（13.00 m/s）提高23.5%，風(fēng)速測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后裝置出口處風(fēng)速最大值為 18.70 m/s，較優(yōu)化前（13.44 m/s）提高28%，仿真與風(fēng)速試驗(yàn)結(jié)果較為一致。優(yōu)化后裝置的風(fēng)機(jī)有效利用率提高21.2個(gè)百分點(diǎn)，內(nèi)流道渦流擾動(dòng)情況改善，局部速度失常現(xiàn)象基本消失。

3）采取水敏紙檢測(cè)方法測(cè)定下風(fēng)向噴頭豎直與水平方向的霧滴沉積量，結(jié)果表明：錐風(fēng)風(fēng)速與總霧滴飄移量占比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著錐風(fēng)風(fēng)速的增加，總霧滴飄移量占比呈下降趨勢(shì)，側(cè)風(fēng)對(duì)霧滴沉積的不利影響逐漸降低。通過(guò)多因素正交試驗(yàn)建立的豎直和水平方向總霧滴飄移量占比的數(shù)學(xué)模型顯著性較高（<0.05，2分別為0.934、0.945），明確了錐形風(fēng)場(chǎng)具有降低霧滴在空間范圍內(nèi)隨風(fēng)飄失的特性，可為綜合分析霧滴飄移沉積規(guī)律提供一定參考。

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Optimization of the inner flow channel of conical wind field anti-drift spray device and anti-drift characteristics

Liu Changxi, Hu Jun※, Li Yufei, Zhao Shengxue, Zhang Wei, Li Qingda

(1.,,163319,; 2.,163319,)

An anti-drift sprayer with a conical wind field has emerged as an innovative structural device for the auxiliary airflow in plant protection operations during crop production. There is also a significant reduction of droplet loss for the effective deposition of fine particles in the target areas. However, an airflow obstruction can be found in the flow channel of the current sprayers, leading to the lower overall performance of the device. In this study, a systematic optimization was made on the inner flow channel in an anti-drift spray device under a conical wind field, thereby clarifying the anti-drift mechanism for better performance of the device. A force model of a single droplet was also constructed for the moving air medium, according to proton dynamics. After that, the CFD numerical simulation and wind field test were utilized to optimize the airflow loss in the inner runner for the better design of the device. The simulation result showed that the disturbance of eddy current was improved without the abnormality of local speed after optimization. Specifically, the conical wind speed at the outlet of the device still reached 17.00 m/s, increasing by 23.5%, compared with that before the optimization. The wind speed test showed that the effective utilization rate of the auxiliary airflow at the outlet of the device was 21.2 percentage points higher than that before the optimization, when the radius of curvature of the inner flow channel elbow was designed to be 4 cm, indicating that the optimization plan was feasible. Furthermore, there were significant correlations between the cross wind speed, nozzle height, conical wind speed, and the proportion of total droplet drift under wind tunnel conditions. By contrast, there was a negative correlation between the conical wind speed and the proportion of total droplet drift. More importantly, the proportion of the total droplet drift presented a downward trend, whereas, the adverse effect of the crosswind on the droplet deposition gradually decreased, with the increase of conical wind speed. Additionally, a multi-factor orthogonal experiment was carried out to establish the mathematical model of the total droplet drift ratio in the vertical/horizontal direction. It was found that the cone-shaped wind field significantly reduced the droplet loss in the space with the wind. There was also a higher significance of the vertical/horizontal mathematical model (<0.05,2was 0.934 in vertical and 0.945 in horizontal, respectively). Consequently, the conical wind field can be widely expected to effectively resist the generation of vortexes, thereby reducing the droplet loss with the wind in the vertical height. This finding can also provide a sound reference for the comprehensive analysis of droplet migration and deposition in protected agriculture.

wind tunnel; experiments; optimization; numerical simulation; conical wind field; anti-drift characteristics; droplet drift

2021-07-13

2021-11-04

國(guó)家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位專(zhuān)家項(xiàng)目（CARS-04-PS30）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC1601905-04）；黑龍江省自然科學(xué)優(yōu)秀青年項(xiàng)目（YQ2019E032）；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（GA21B003）和黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)成引進(jìn)項(xiàng)目（XDB2013-08）

劉昶希，博士生，研究方向?yàn)橹脖C(jī)械與高效施藥技術(shù)。Email：504924356@qq.com

胡軍，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹脖C(jī)械設(shè)計(jì)研究。Email：gcxykj@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.002

S491

A

1002-6819(2021)-22-0011-10

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