邊永亮 李建平 楊 欣 陳春皓 呂林碩 呂孟寬

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000)

近年來，我國(guó)果園種植模式進(jìn)行了現(xiàn)代化改造，大范圍的推廣矮砧密植種植模式。新型種植模式下的果樹靶標(biāo)具有枝葉稠密的特點(diǎn)，為了提高藥液穿透力國(guó)內(nèi)外廣泛使用風(fēng)送噴霧技術(shù)。但傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧機(jī)的擴(kuò)散送風(fēng)方式會(huì)造成大量農(nóng)藥飄移，從而對(duì)人類健康和環(huán)境造成嚴(yán)重威脅，研究聚風(fēng)防漂移噴霧技術(shù)具有重要意義。

國(guó)外對(duì)風(fēng)送噴霧防飄移技術(shù)展開大量研究，先后開發(fā)出塔型風(fēng)送噴霧機(jī)、多風(fēng)管風(fēng)送噴霧機(jī)，多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)。其中，多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)有雙風(fēng)機(jī)交叉流、四風(fēng)機(jī)橫流和六風(fēng)機(jī)塔型風(fēng)送噴霧機(jī)等。國(guó)內(nèi)開發(fā)出軸流風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)的雙風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)，對(duì)多風(fēng)機(jī)噴霧機(jī)普遍使用的圓盤霧化器進(jìn)行性能分析，鐘志清等研發(fā)出四風(fēng)機(jī)橫流式風(fēng)送噴霧機(jī)。果園風(fēng)送噴霧果樹冠層內(nèi)外沉積分布很大程度上取決于風(fēng)送系統(tǒng)風(fēng)力的有效供給，而國(guó)內(nèi)外多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)采用的風(fēng)送噴霧系統(tǒng)均為風(fēng)機(jī)外緣設(shè)置一圈噴頭的結(jié)構(gòu)，存在風(fēng)能利用率低、出風(fēng)口到靶標(biāo)之間噴霧四散飄移的問題。圍繞風(fēng)機(jī)聚風(fēng)技術(shù)，已有研究將風(fēng)機(jī)與一個(gè)錐形風(fēng)筒和一個(gè)柱形風(fēng)筒組成的聚風(fēng)筒接合進(jìn)行風(fēng)送試驗(yàn)，聚風(fēng)筒可提高氣流在水平方向的速度，有效約束霧體、減小能量損失，顯著提高風(fēng)送噴霧的防飄移性能。聚風(fēng)筒對(duì)噴霧機(jī)的風(fēng)送系統(tǒng)性能改善具有重要作用。

基于以上分析，本研究擬運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(Computational fluid dynamics，CFD)技術(shù)，設(shè)計(jì)單因素和多因素試驗(yàn)研究聚風(fēng)筒的氣流衰減規(guī)律和噴霧沉積性能，并對(duì)風(fēng)筒類型、風(fēng)筒長(zhǎng)度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等因素對(duì)聚風(fēng)性能的影響進(jìn)行研究，確定適合多風(fēng)機(jī)施藥裝置搭載施藥的聚風(fēng)筒設(shè)計(jì)參數(shù)，以期為風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

1 聚風(fēng)筒設(shè)計(jì)原理

1.1 聚風(fēng)筒設(shè)計(jì)方案

聚風(fēng)筒是一種使氣流體壓力降低而流速增加的特殊形狀的管段，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械。本研究選定直筒式、漸縮式和漸開式3種風(fēng)筒進(jìn)行研究(圖1)：直筒式風(fēng)筒為圓柱管段，管壁與軸線夾角(

θ

)為0°，漸縮式風(fēng)筒的

θ

=-3°，漸開式風(fēng)筒

θ

=3°。忽略風(fēng)機(jī)性能因素影響，選定T35型通用軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)高度

h

為40 cm，風(fēng)機(jī)軸向?qū)挾?p>L

為30 cm，聚風(fēng)筒長(zhǎng)度

L

對(duì)聚風(fēng)效果有顯著影響，經(jīng)初步研究，聚風(fēng)筒管段長(zhǎng)度≤30 cm，聚風(fēng)作用不夠顯著。標(biāo)準(zhǔn)果園行距為4 m，果樹單側(cè)冠幅為1 m，噴霧機(jī)橫向設(shè)計(jì)尺寸只能≤2 m，單側(cè)風(fēng)機(jī)加風(fēng)筒應(yīng)≤1 m，風(fēng)機(jī)軸向?qū)挾?p>L

為30 cm，故聚風(fēng)筒管段最大寬度應(yīng)≤70 cm，聚風(fēng)筒管段長(zhǎng)度可控制在30～70 cm。影響聚風(fēng)筒聚風(fēng)效果的因素為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，風(fēng)筒類型，風(fēng)筒長(zhǎng)度。以出風(fēng)口流速大小、氣流場(chǎng)分布情況是否滿足要求和風(fēng)送噴霧質(zhì)量的高低評(píng)價(jià)聚風(fēng)筒設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣。

1.軸流風(fēng)機(jī);2.電機(jī);3.扇葉;4.風(fēng)筒 1.Axial fan; 2.Motor; 3.Fan blade; 4.Hair dryer h為風(fēng)機(jī)高度；L1為風(fēng)機(jī)軸向?qū)挾?；L2為風(fēng)筒長(zhǎng)度；θ為管壁與軸線夾角。 h is the height of the fan; L1 is the axial width of the fan; L2 is the length of the fan; θ is the angle between the tube wall and the axis.圖1 風(fēng)筒設(shè)計(jì)方案圖(剖視圖)Fig.1 Design plan of the wind duct (cross-sectional view)

1.2 聚風(fēng)筒仿真分析與對(duì)標(biāo)試驗(yàn)

為分析不同類型的聚風(fēng)筒的風(fēng)場(chǎng)特性，通過應(yīng)用CFD仿真軟件Solidworks flow simulation進(jìn)行仿真運(yùn)算。

1

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2

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1

氣流場(chǎng)數(shù)值仿真過程1) 模型建立。建立風(fēng)機(jī)與聚風(fēng)筒組成的風(fēng)送系統(tǒng)三維模型。依據(jù)矮砧密植蘋果園機(jī)械作業(yè)的園藝要求：果樹行距為4 m，株距1.5 m，樹高約4 m，單顆果樹橫向最大幅寬約2 m，故設(shè)置計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)

L

=4 m，寬

W

=2 m，高

H

=4 m的矩形空間，保持與在果園中實(shí)際作業(yè)的空間尺寸基本相同。本研究風(fēng)機(jī)與聚風(fēng)筒的外流場(chǎng)無需設(shè)置邊界條件。聚風(fēng)筒三維空間模型見圖2。

1.計(jì)算域；2.旋轉(zhuǎn)域；3.聚風(fēng)筒；4.果樹模型 1.Computational domain; 2.Rotational domain; 3.Wind collecting tube; 4.Fruit tree model H為計(jì)算域高度；W為計(jì)算域?qū)挾?；L為計(jì)算域長(zhǎng)度；H1為風(fēng)機(jī)軸線距計(jì)算域底面的距離；L3為風(fēng)筒出風(fēng)口距果樹樹干中心線的距離；L4為風(fēng)筒出風(fēng)口距計(jì)算域左側(cè)面的距離；l為風(fēng)場(chǎng)內(nèi)測(cè)量點(diǎn)距出風(fēng)口的距離。 H is the height of the calculation domain; W is the width of the calculation domain; L is the length of the calculation domain; H1 is the distance between the fan axis and the bottom of the calculation domain; L3 is the distance between the air duct outlet and the center line of the fruit tree trunk; L4 is the distance between the air outlet of the air duct and the left side of the calculation domain; l is the distance from the measurement point in the wind field to the air outlet.圖2 聚風(fēng)筒三維空間模型Fig.2 Three-dimensional space model of wind cconverging tube

2)網(wǎng)格劃分。采用全局網(wǎng)格與局部網(wǎng)格劃分相結(jié)合的方式對(duì)風(fēng)送系統(tǒng)進(jìn)行處理，共計(jì)生成流體網(wǎng)格382 189個(gè)。經(jīng)細(xì)化后的網(wǎng)格可基本滿足風(fēng)送系統(tǒng)外流場(chǎng)的基本運(yùn)算。

3)物理模型選取及運(yùn)算。為研究風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)經(jīng)過聚風(fēng)筒后形成的風(fēng)場(chǎng)，選取“旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊”中的“局部旋轉(zhuǎn)(均值)”。旋轉(zhuǎn)區(qū)域的流動(dòng)參數(shù)使用穩(wěn)態(tài)方法計(jì)算，在旋轉(zhuǎn)區(qū)域的邊界求均值，設(shè)置葉片旋轉(zhuǎn)速度為1 000 r/min。選擇

k

-

ε

湍流模型，可滿足旋轉(zhuǎn)流的紊流度、湍流強(qiáng)度的要求，環(huán)境溫度設(shè)置為298.5 K(室溫25 ℃)，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa。默認(rèn)環(huán)境風(fēng)速為0.1 m/s，目標(biāo)監(jiān)測(cè)選取靜壓、總壓、動(dòng)壓、流體密度、速度和風(fēng)力。

1

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2

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2

聚風(fēng)筒氣流場(chǎng)對(duì)標(biāo)試驗(yàn)

為驗(yàn)證仿真試驗(yàn)是否符合實(shí)際情況，進(jìn)行聚風(fēng)筒中心軸線風(fēng)速標(biāo)定試驗(yàn)。

1)試驗(yàn)儀器。YCBP4-2永磁變頻崗位式變頻風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為600～3 000 r/min，可供風(fēng)量4 000～11 000 m/h，全壓范圍100～350 Pa；UT363S 數(shù)字式風(fēng)速計(jì)，風(fēng)送測(cè)量范圍為0.4～30.0 m/s，分辨率0.01 m/s，準(zhǔn)確度±5%；水敏紙，重慶六六山下植保科技有限公司生產(chǎn)；激光掃描儀型號(hào)：Epson perfection 1670；溫度測(cè)試儀型號(hào)：精創(chuàng)RC-4；UNI-T非接觸式轉(zhuǎn)速計(jì)。管段長(zhǎng)度為60 cm的漸縮式、漸開式、直筒式風(fēng)筒各1個(gè)。

2)試驗(yàn)過程。開啟待測(cè)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到1 000 r/min。采用風(fēng)速儀點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)量法測(cè)量取樣點(diǎn)上的風(fēng)速大小，測(cè)量點(diǎn)取在風(fēng)機(jī)軸線上，每間隔20 cm取1個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

1

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2

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3

試驗(yàn)結(jié)果分析

聚風(fēng)筒風(fēng)速標(biāo)定曲線見圖3：3種風(fēng)筒物理與仿真試驗(yàn)的出口風(fēng)速隨距離變化的趨勢(shì)基本一致，曲線基本重合，平均誤差分別為4%、5%和9%，仿真模型可基本模擬軸流風(fēng)機(jī)配置聚風(fēng)筒風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)行規(guī)律。經(jīng)Origin非線性曲線擬合發(fā)現(xiàn)，3種風(fēng)筒的風(fēng)速隨距出口距離的增大呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)衰減，擬合函數(shù)為：

y

=

y

+

A

e-

(1)

式中：

y

為風(fēng)速，m/s；

y

為初速度，m/s；

A

和

t

為擬合函數(shù)系數(shù)。由指數(shù)函數(shù)的性質(zhì)可知，

t

值越小，函數(shù)衰減越快。直筒式、漸縮式和漸開式聚風(fēng)筒的

t

系數(shù)分別為0.23、0.35和0.31，由此可知，直筒式聚風(fēng)筒風(fēng)速衰減最快，漸縮式風(fēng)筒衰減最慢。

圖3 直筒式(a)、漸縮式(b)、漸開式(c)聚風(fēng)筒風(fēng)速標(biāo)定曲線Fig.3 Wind speed calibration curve diagram of straight cylinder type (a), tapered type (b) and involute type (c) wind converging ducts

2 影響聚風(fēng)特性的因素分析

為進(jìn)一步研究聚風(fēng)筒類型、聚風(fēng)筒長(zhǎng)度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速因素對(duì)聚風(fēng)特性的影響，設(shè)置如圖4所示的試驗(yàn)裝置，霧滴主要通過標(biāo)尺上的水敏紙收集，采用水敏紙分析霧滴沉積情況。水敏紙?jiān)跇?biāo)尺上間隔20 cm放置1張，共放置20張。

2.1 風(fēng)筒類型對(duì)聚風(fēng)特性的影響

在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 440 r/min、風(fēng)筒長(zhǎng)度60 cm條件下，進(jìn)行3種風(fēng)筒和無風(fēng)筒的噴霧試驗(yàn)和仿真模擬試驗(yàn)。

2

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1

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1

霧滴霧化情況

風(fēng)能越大可傳遞給霧滴的能量越大，越有利于霧滴穿透果樹冠層。采用霧化后的霧滴粒徑大小表征聚風(fēng)性能的優(yōu)劣。不同風(fēng)筒類型霧滴體積中值直徑(VMD)分布見圖5：4種風(fēng)筒類型下VMD均值分別為185.31、154.42、268.28和369.86 μm，無風(fēng)筒狀態(tài)下VMD普遍大于240 μm，霧滴霧化較差，有聚風(fēng)筒作用的條件下，霧滴的VMD普遍減小，霧滴的霧化作用明顯，漸縮式風(fēng)筒的聚風(fēng)霧化作用性能尤為明顯。

1.電源；2.地輪；3.支撐架；4.導(dǎo)線；5.軸流風(fēng)機(jī)；6. 變頻電機(jī)；7.扇葉；8.聚風(fēng)筒；9.環(huán)形噴管；10.噴頭；11.噴霧角；12.藥桶；13.水管；14.電動(dòng)隔膜泵；15.標(biāo)尺；16.水敏紙 1.Power； 2.Ground wheel； 3.Support frame； 4.Wire； 5.Axial fan； 6.Frequency conversion motor； 7.Fan blade； 8.Wind collecting tube； 9.Ring nozzle； 10.Nozzle； 11.Spray angle； 12.Medicine barrel； 13.Water pipe； 14.Electric diaphragm pump； 15.Ruler； 16.Water sensitive paper圖4 聚風(fēng)特性試驗(yàn)裝置Fig.4 Test device for wind converging characteristics

圖5 4種風(fēng)筒類型霧滴體積中值直徑分布箱線圖Fig.5 Box plot of droplet volume median diameter distribution for four types of wind ducts

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2

風(fēng)場(chǎng)速度流線

對(duì)4種風(fēng)筒形式下的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行仿真，風(fēng)場(chǎng)的速度流線見圖6：在無風(fēng)筒、直筒式、漸縮式和漸開式聚風(fēng)筒的狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)軸線上的風(fēng)場(chǎng)最大風(fēng)速分別為2.89、3.10、4.86和8.32 m/s，最大風(fēng)壓分別為5.81、10.27、18.68和7.23 Pa；無風(fēng)筒狀態(tài)下的風(fēng)速總體偏小，風(fēng)場(chǎng)較為分散，氣流集中段較短，速度衰減較快。有聚風(fēng)筒的情況下，風(fēng)速均經(jīng)風(fēng)筒加速后形成氣流集中段后再向外擴(kuò)散。漸開筒相對(duì)于直筒與漸縮筒的氣流集中段較短，擴(kuò)散性較強(qiáng)。氣流集中性能由高到低排序?yàn)闈u縮式、直筒式、漸開式、無風(fēng)筒。

圖6 無風(fēng)筒(a)、直筒式(b)、漸開式(c)和漸縮式(d)風(fēng)筒速度流線圖Fig.6 Velocity streamline diagram of no wind duct type (a), straight cylinder type (b), involute type (c) and tapered type (d) wind ducts

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3

不同風(fēng)筒類型下的霧滴橫向穿透性

將水敏紙分別粘貼在果樹模型內(nèi)中外3層葉子的葉面葉背上，噴霧口距果樹樹干的距離為1.5 m。霧滴橫向穿透性試驗(yàn)結(jié)果見表1：加聚風(fēng)筒的霧滴沉積要普遍優(yōu)于無風(fēng)筒，內(nèi)中外3層的變異系數(shù)較小，聚風(fēng)筒可有效改善霧滴沉積效果。內(nèi)層葉面葉背的霧滴沉積密度由大到小呈現(xiàn)漸縮式、直筒式、漸開式、無風(fēng)筒的規(guī)律，3種聚風(fēng)筒脅迫霧滴的橫向穿透性能由高到低為漸縮式、直筒式、漸開式、無風(fēng)筒。

表1 不同風(fēng)筒類型的果樹冠層霧滴沉積密度

Table 1 Droplet deposition density of fruit tree canopy with different types of air ducts 滴/cm

冠層Canopy張貼位置Post location聚風(fēng)筒類型 Concentrator type無風(fēng)筒No air dryer直筒式Straight漸縮式Tapered漸開式Involute內(nèi)層Inner layer葉面80.28119.33121.36118.81葉背34.1857.1463.9358.55中層Middle layer葉面212.38261.19280.00243.21葉背59.0975.2683.6772.17外層Outer layer葉面260.00290.87310.25304.67葉背125.00134.26140.99138.00

2.2 風(fēng)筒長(zhǎng)度對(duì)聚風(fēng)特性的影響

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2

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1

聚風(fēng)筒長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)速的影響在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，聚風(fēng)筒類型一致的條件下，5種不同聚風(fēng)筒長(zhǎng)度(

L

)下風(fēng)速隨距出風(fēng)口距離(

l

)的變化見圖7。當(dāng)

L

為30～60 cm時(shí)，直筒式聚風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)速隨著

L

的增大，最大風(fēng)速呈增大趨勢(shì)，當(dāng)

L

為70 cm時(shí)出現(xiàn)下降；隨著

L

的增加，風(fēng)速峰值橫坐標(biāo)在0.2～0.7 m內(nèi)逐漸向后移動(dòng)。在距出風(fēng)口1.0～1.5 m范圍內(nèi)，

l

相同時(shí)，

L

越長(zhǎng)，速度越大。漸縮式聚風(fēng)筒出口風(fēng)速隨著

L

的增加，聚風(fēng)所得的最大風(fēng)速呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)；隨著

L

的增加，風(fēng)速峰值在0.3～1.0 m 區(qū)間內(nèi)逐漸向后移動(dòng)。

l

在1.0～1.5 m范圍內(nèi)，在相同距離處，

L

越長(zhǎng)，速度越大。漸開式出口風(fēng)速變化較為復(fù)雜，存在2個(gè)峰值，噴霧作業(yè)主要應(yīng)用第二峰值；隨著

L

的增大，風(fēng)速第二峰值呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，在距出風(fēng)口1.0～1.5 m范圍內(nèi)，

l

相同時(shí)，

L

越長(zhǎng)，速度越大。由上述分析，選取50、60和70 cm為后續(xù)多因素試驗(yàn)的聚風(fēng)筒長(zhǎng)度。

L2為聚風(fēng)筒長(zhǎng)度。 L2 is the length of the condenser.圖7 直筒式(a)、漸縮式(b)和漸開式(c)風(fēng)筒風(fēng)速隨距出風(fēng)口距離的變化Fig.7 Straight cylinder type (a), tapered type (b) and involute type (c) wind speed change curve with the distance from the air outlet

2

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2

聚風(fēng)筒長(zhǎng)度對(duì)霧滴沉積的影響選取聚風(fēng)筒為漸縮筒，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，研究聚風(fēng)筒長(zhǎng)度

L

對(duì)霧滴沉積的影響，試驗(yàn)方法同2.1節(jié)，試驗(yàn)結(jié)果見圖8：

L

為50、60和70 cm時(shí)的霧滴沉積情況較優(yōu)于30和40 cm。

2.3 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)聚風(fēng)特性的影響

2

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3

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1

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)速的影響在聚風(fēng)筒長(zhǎng)度為50 cm的條件下，研究3種聚風(fēng)筒的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)速的影響，仿真結(jié)果見圖9：3種風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)速隨著轉(zhuǎn)速呈倍數(shù)的增大，速度峰值也呈倍數(shù)增大；轉(zhuǎn)速的改變不影響速度峰值的位置，直筒式和減縮式聚風(fēng)筒的速度峰值出現(xiàn)在0.5 m左右，漸開式聚風(fēng)筒的速度峰值出現(xiàn)在0.1 m左右、速度谷值出現(xiàn)在0.5 m左右；在距出風(fēng)口0～3.0 m范圍內(nèi)，在

l

處，轉(zhuǎn)速越大，風(fēng)速越大。

圖8 漸縮式風(fēng)筒不同風(fēng)筒長(zhǎng)度下的 果樹冠層霧滴沉積密度Fig.8 Droplet deposition density of fruit tree canopy under different lengths of tapered wind ducts

圖9 直筒式(a)、漸縮式(b)和漸開式(c)風(fēng)筒不同轉(zhuǎn)速(n)下風(fēng)速隨距出風(fēng)口距離的變化Fig.9 Wind speed of the straight cylinder type (a), tapered type (b) and involute type (c) air ducts at different speeds (n) varies with the distance from the air outlet

2

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3

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2

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)霧滴沉積的影響

聚風(fēng)筒為漸縮筒，聚風(fēng)筒長(zhǎng)度為50 cm，試驗(yàn)方法同2.1節(jié)，不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)霧滴沉積的影響見圖10：在720～2 880 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，霧滴沉積效果越好。

圖10 不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下果樹冠層的霧滴沉積密度Fig.10 Droplet deposition density of fruit tree canopy under different fan speeds

2.4 響應(yīng)面參數(shù)優(yōu)化

2

.

4

.

1

試驗(yàn)結(jié)果與方差分析為確定聚風(fēng)筒的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行聚風(fēng)特性試驗(yàn)，研究風(fēng)筒類型、風(fēng)筒長(zhǎng)度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)聚風(fēng)特性的影響。試驗(yàn)因素水平見表2。應(yīng)用Design-Expert 12.0的Box-behnken design 模型進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析，響應(yīng)指標(biāo)選取距出風(fēng)口1.0 m處的平均速度

Y

和風(fēng)場(chǎng)的縱向幅寬

Y

。試驗(yàn)方案與結(jié)果見表3。

表2 聚風(fēng)特性試驗(yàn)因素水平
Table 2 Test factor levels of wind converging characteristics

水平Level因素 FactorA,聚風(fēng)筒類型Air ducttypeB,聚風(fēng)筒長(zhǎng)度/cmLength ofair ductC,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速/(r/min)Fan speed-1漸縮式507200漸開式601 4401直筒式702 880

表3 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)方案與結(jié)果
Table 3 Test scheme and results of droplet deposition

試驗(yàn)序號(hào)No.因素水平 Factor levelABCY1/(m/s)Y2/mm試驗(yàn)序號(hào)No.因素水平 Factor levelABCY1/(m/s)Y2/mm1-1-102.681 625.801001-11.451 542.2621-102.151 570.93110-110.962 439.763-1104.191 459.88120113.022 634.784-1104.062 203.73130000.981 978.525-10-13.311 465.25140000.841 858.816-10-12.521 422.43150000.761 964.917-1013.652 012.47160000.641 749.3481013.442 506.81170000.881 933.9290-1-10.251 451.67

注：為風(fēng)速；為風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬。表4同。

Note: is wind speed; is the longitudinal width of wind field.Table 4 is the same.

回歸方程方差分析見表4。剔除不顯著項(xiàng)，風(fēng)速

Y

、風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬

Y

分別與聚風(fēng)筒類型

A

、聚風(fēng)筒長(zhǎng)度

B

、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

C

的二次多項(xiàng)式回歸方程為：

Y

=0

.

82-0

.

21

A

+0

.

84

B

+0

.

44

C

+0

.

22

BC

+ 2

.

13

A

+0

.

32

B

+0

.

28

C

(2)

Y

=1897

.

10+142

.

56

A

+94

.

06

B

+ 464

.

03

C

+199

.

68

AB

+134

.

29

AC

- 173

.

70

A

+128

.

34

C

(3)

風(fēng)速回歸模型顯著性檢驗(yàn)

P

<0.000 1，失擬項(xiàng)

P

=0.158 0，說明模型極顯著，失擬不顯著，擬合統(tǒng)計(jì)

R

=0.992 6，試驗(yàn)誤差較小，模型的擬合程度高。對(duì)風(fēng)速的影響，

B

、

C

、

A

、

B

極顯著，

A

、

BC

、

C

顯著，影響顯著順序?yàn)榫埏L(fēng)筒長(zhǎng)度>風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速>聚風(fēng)筒類型>聚風(fēng)筒長(zhǎng)度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速交互作用。聚風(fēng)筒長(zhǎng)度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速交互項(xiàng)對(duì)風(fēng)速影響顯著。風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬回歸模型顯著性檢驗(yàn)

P

=0.000 2<0.01，失擬項(xiàng)

P

=0.376 9>0.05，說明模型極顯著，失擬不顯著，擬合統(tǒng)計(jì)

R

=0.970 5，試驗(yàn)誤差較小，模型的擬合程度高。對(duì)風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬的影響，

A

、

C

、

AB

、

A

極顯著，

B

、

AC

、

C

顯著，影響顯著的順序?yàn)轱L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速>聚風(fēng)筒類型>聚風(fēng)筒類型與聚風(fēng)筒長(zhǎng)度交互作用>聚風(fēng)筒長(zhǎng)度>聚風(fēng)筒類型與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的交互作用。聚風(fēng)筒類型與聚風(fēng)筒長(zhǎng)度的交互作用對(duì)風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬有極顯著影響，聚風(fēng)筒類型與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬有顯著影響。

表4 風(fēng)速和風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬試驗(yàn)回歸方程方差分析
Table 4 Analysis of variance for regression equations of wind speed and the longitudinal width of wind field

因素FactorY1Y2F1P1F2P2模型Model103.64<0.000 125.600.000 2 A11.300.012 015.760.005 4 B183.050.000 16.860.034 5 C51.410.000 2166.92<0.000 1 AB1.310.289 615.450.005 7 AC2.760.140 66.990.033 2 BC6.070.043 30.260.623 1 A2626.91<0.000 112.310.009 9 B214.500.007 10.030.871 3 C210.830.013 36.720.035 8失擬項(xiàng) Lack of fit3.000.158 01.350.376 9

試驗(yàn)因素交互作用對(duì)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的影響：在聚風(fēng)筒類型不變時(shí)，隨著聚風(fēng)筒長(zhǎng)度的增大，風(fēng)速呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)；在聚風(fēng)筒長(zhǎng)度一定時(shí)，風(fēng)速隨著聚風(fēng)筒類型的變化呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，漸縮筒、直筒式風(fēng)筒比漸開式風(fēng)筒聚風(fēng)性能更優(yōu)；在聚風(fēng)筒長(zhǎng)度不變時(shí)，風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速隨著聚風(fēng)筒長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在聚風(fēng)筒類型一定的情況下，風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)；在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，隨著風(fēng)筒類型的變化，風(fēng)速呈現(xiàn)先下降后增加趨勢(shì)。

試驗(yàn)因素交互作用對(duì)風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬的影響：在風(fēng)筒類型不變時(shí)，隨著風(fēng)筒長(zhǎng)度的增大，風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；在風(fēng)筒長(zhǎng)度一定時(shí)，風(fēng)速隨著聚風(fēng)筒類型的變化呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，漸開式風(fēng)筒風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬較大；在風(fēng)筒長(zhǎng)度不變時(shí)，風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬隨著風(fēng)筒長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在風(fēng)筒類型一定的情況下，風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)；在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，隨著聚風(fēng)筒類型的變化，風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬呈現(xiàn)先下降后增加趨勢(shì)。

2

.

4

.

2

參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證為獲得對(duì)聚風(fēng)筒設(shè)計(jì)的最佳參數(shù)組合，運(yùn)用Design-Expert 12.0軟件的優(yōu)化分析功能，以評(píng)價(jià)聚風(fēng)性能的2個(gè)指標(biāo)

Y

、

Y

為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)聚風(fēng)筒設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。較大風(fēng)速可起到翻動(dòng)樹葉增加葉背霧滴沉積量的，風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬是滿足噴霧覆蓋到整顆果樹的必要參數(shù)，但太大的幅寬會(huì)造成噴霧的飄移。由于樹高為4.0～4.5 m，一側(cè)果樹采用3套風(fēng)送噴霧裝置，經(jīng)計(jì)算，適宜幅寬范圍為1 300～1 500 mm，故目標(biāo)函數(shù)為：

Y

[max];

Y

[1 400,1 600];約束條件為：

A

的水平值∈[-1,1];

B

的水平值∈[-1,1];

C

的水平值∈[-1,1]。通過軟件選出滿意度最高的編碼值組合：

A

的水平值為-0.960;

B

的水平值為1.000;

C

的水平值為0.254。此參數(shù)組合下，風(fēng)速為4.191 m/s，風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬為1 594.47 mm。為了檢驗(yàn)優(yōu)化后所得數(shù)據(jù)，選取聚風(fēng)筒類型為漸縮筒，風(fēng)筒長(zhǎng)度為70 cm，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 440 r/min，在曲陽綠陽農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為上午9：00，環(huán)境濕度為31%，環(huán)境最大風(fēng)速約0.2 m/s，風(fēng)力等級(jí)對(duì)試驗(yàn)影響可以忽略不計(jì)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)取均值，風(fēng)速

Y

為4.115 m/s，風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬

Y

為1 547.92 mm(表5)。預(yù)測(cè)值與實(shí)際試驗(yàn)值誤差小于5%，說明預(yù)測(cè)模型可靠。

表5 風(fēng)速和風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬優(yōu)化模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值
Table 5 Predicted value and experimental value of wind speed and wind field longitudinal width optimization model

試驗(yàn)序號(hào)No.因素Factor風(fēng)速Y1Wind speed風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬Y2Wind field longitudinal width聚風(fēng)筒類型Hair dryertype聚風(fēng)筒長(zhǎng)度/cmLength ofair duct風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速/(r/min)Fan speed預(yù)測(cè)值/(m/s)Predictivevalue試驗(yàn)值/(m/s)Actualvalue相對(duì)誤差/%Relativeerror預(yù)測(cè)值/mmPredictivevalue試驗(yàn)值/mmActualvalue相對(duì)誤差/%Relativeerror14.0563.221 555.322.462漸縮式701 4404.1914.2782.081 594.471 538.463.5134.0124.271 549.982.79

由上述參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)，確定聚風(fēng)筒的設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)為：漸縮筒，風(fēng)筒長(zhǎng)度70 cm，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 440 r/min。

3 結(jié) 論

本研究設(shè)計(jì)了一種將軸流風(fēng)機(jī)與聚風(fēng)筒直接配合的風(fēng)送系統(tǒng)，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)與對(duì)標(biāo)試驗(yàn)研究3種聚風(fēng)筒的氣流衰減規(guī)律，設(shè)計(jì)單因素與多因素試驗(yàn)對(duì)風(fēng)筒類型、風(fēng)筒長(zhǎng)度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等因素對(duì)聚風(fēng)性能的影響進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下：

1)與軸流風(fēng)機(jī)直接配合的直筒式、漸縮式、漸開式3種聚風(fēng)筒，可將風(fēng)力集中，減少風(fēng)能耗散，用于多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)。3種風(fēng)筒的風(fēng)速隨距出口距離的增大呈現(xiàn)指數(shù)性衰減。直筒式的聚風(fēng)筒風(fēng)速衰減最快，漸縮式風(fēng)筒的衰減最慢。

2)聚風(fēng)筒對(duì)霧滴的脅迫作用明顯，有風(fēng)筒的條件下，霧滴體積中值直徑分布較無風(fēng)筒的偏低，漸縮式風(fēng)筒的聚風(fēng)性能尤為明顯；氣流集中性能由高到低排序?yàn)闈u縮式、直筒式、漸開式、無風(fēng)筒；3種聚風(fēng)筒脅迫霧滴的橫向穿透性能由高到低為漸縮式、直筒式、漸開式；聚風(fēng)筒長(zhǎng)度越長(zhǎng)，聚風(fēng)性能越好；隨著轉(zhuǎn)速呈倍數(shù)的增加，速度峰值也呈倍數(shù)增加，轉(zhuǎn)速的改變不影響速度峰值的位置，距出風(fēng)口的距離相同時(shí)，轉(zhuǎn)速越大，風(fēng)速越大。

3)影響風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的顯著順序?yàn)椋壕埏L(fēng)筒長(zhǎng)度>風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速>聚風(fēng)筒類型>聚風(fēng)筒長(zhǎng)度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速交互作用。對(duì)風(fēng)場(chǎng)縱向幅寬的影響顯著順序?yàn)轱L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速>聚風(fēng)筒類型>聚風(fēng)筒類型與聚風(fēng)筒長(zhǎng)度交互作用>聚風(fēng)筒長(zhǎng)度>風(fēng)筒類型與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的交互作用。聚風(fēng)筒最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)組合為，風(fēng)筒類型為漸縮筒、聚風(fēng)筒長(zhǎng)度為70 cm、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 440 r/min，此參數(shù)組合下，距出風(fēng)口1 m處的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速均值為4.115 m/s，縱向幅寬為1 547.92 mm。