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基于CFD離散型靜電噴藥沉積特性數(shù)值仿真研究

2022-12-28 10:34:48伍志軍廖紅鄧家波莫愁呂小榮陳霖
關(guān)鍵詞:噴藥靜電藥液

伍志軍, 廖紅, 鄧家波, 莫愁, 呂小榮, 陳霖

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,四川 雅安 625014)

噴藥質(zhì)量對(duì)農(nóng)業(yè)植保施藥作業(yè)具有重要意義,霧滴的沉積效果直接反映了噴藥質(zhì)量進(jìn)而影響作物植保效果[1-3]。中國(guó)農(nóng)藥有效利用率只有20%~30%,遠(yuǎn)低于其他國(guó)家[4-6]。常規(guī)植保作業(yè)難以根治位于作物隱蔽處的病蟲害,容易造成藥液浪費(fèi)和環(huán)境污染[7-9]。靜電噴藥是通過施加高壓使藥液在噴出時(shí)帶單極電荷,這樣藥液就容易吸附在標(biāo)靶的正反面及植株隱蔽處,從而增加藥液沉積率,提升農(nóng)藥有效利用率[10-12]。近年來,有關(guān)學(xué)者對(duì)靜電噴藥沉積率進(jìn)行了一系列研究。LAW[13]通過在噴嘴上添加感應(yīng)電環(huán),將靜電霧化原理應(yīng)用到植保噴藥中,沉積效率是非靜電方式的2~7倍,并降低了50%的農(nóng)藥噴施量。王軍鋒等[14]對(duì)大載荷無人機(jī)在不同荷電電壓和飛行速度下的靜電噴藥沉積率進(jìn)行了研究,結(jié)果表明其單位面積上的沉積率比常規(guī)噴藥提高了1.17倍。陳盛德等[15]研究了植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)、霧滴粒徑以及旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)噴藥沉積率影響,結(jié)果表明無人機(jī)作業(yè)高度和作業(yè)速度對(duì)沉積率影響顯著。計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)離散相模型可以計(jì)算散布在流場(chǎng)中的粒子運(yùn)動(dòng)和軌跡,是連續(xù)相和離散相相互作用的模型[16-17]。電磁流體力學(xué)(magnetohydrodynamics,MHD)可以計(jì)算流體中存在的電荷在電磁場(chǎng)作用下與流體相互影響的情況。TSAY等[18]基于CFD在順風(fēng)和逆風(fēng)條件下對(duì)植保機(jī)械的沉積效果進(jìn)行了研究,并以此為基準(zhǔn)建立了沉積分布模型。孫國(guó)祥等[19]基于CFD離散相對(duì)霧滴沉積率進(jìn)行不同風(fēng)速及高度的模擬,結(jié)果顯示噴霧的漂移量隨高度和風(fēng)速的變化而變化。王梅香等[20]基于離散相模型對(duì)不同風(fēng)速和霧化角度的藥液沉積率進(jìn)行仿真試驗(yàn)并獲得最佳噴施角度。上述研究大多是以常規(guī)噴藥在二、三維空間場(chǎng)的沉積率為目標(biāo),而針對(duì)靜電噴藥在三維空間場(chǎng)的藥液沉積分布特性研究較少。本文通過CFD離散相模型聯(lián)合MHD對(duì)靜電噴藥和常規(guī)噴藥分別在不同風(fēng)速和噴藥高度下進(jìn)行仿真研究,對(duì)比分析不同工作條件下2種噴藥模式的藥液沉積及分布量,克服了噴藥過程中藥液的運(yùn)動(dòng)軌跡以及藥液的蒸發(fā)、飄失和沉積等難以被觀測(cè)的難點(diǎn),以期為靜電噴藥研究提供重要理論依據(jù)。

1 靜電噴藥仿真模型建立

1.1 數(shù)值仿真理論基礎(chǔ)

常規(guī)噴藥仿真選取的是標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型和離散相模型。離散相模型計(jì)算是采用歐拉-拉格朗日求解法,可以計(jì)算散布在流場(chǎng)中的粒子運(yùn)動(dòng)和軌跡[21]。連續(xù)的湍動(dòng)能k以及湍動(dòng)能耗散率ε的輸運(yùn)方程[22-23]如下所示。

(1)

(2)

(3)

式中:ρ表示式連續(xù)相密度;ε為湍動(dòng)耗散率;湍流黏度μT=ρCμK2/ε;μ為流體的動(dòng)力黏度;模型常數(shù)項(xiàng)σε=1.3,σk=1.0,Cε1=1.44,Cε2=1.92;K為湍流動(dòng)能;生產(chǎn)項(xiàng)為Pk;Cμ為隨應(yīng)變率變化的常量。

離散相顆粒運(yùn)動(dòng)方程如下所示。

(4)

(5)

靜電噴藥模擬仿真的實(shí)現(xiàn),主要是通過在標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型和離散相模型中引入MHD模型。該模型能夠分析振動(dòng)或恒定電磁場(chǎng)影響下的導(dǎo)電流體的流動(dòng)行為,帶電粒子作用于其上的洛倫茲力計(jì)算如下所示。

(6)

1.2 靜電噴藥三維仿真模型建立

在SolidWorks軟件中建立三維噴藥空間場(chǎng)模型,如圖1所示。定義噴嘴到粒子沉積面的距離為噴藥高度,分別建立長(zhǎng)度3 m、寬度2 m以及噴藥高度為30、50、70、100、150、200 cm的噴藥空間場(chǎng);在空間場(chǎng)中心建立直徑1 mm、長(zhǎng)度5 mm的圓柱噴嘴;設(shè)置模型左側(cè)面為進(jìn)風(fēng)口,進(jìn)風(fēng)速度分別為0、1、2、3 m·s-1;設(shè)置模型右側(cè)面為出風(fēng)口,模型底部為粒子沉積面,其余面為壁面,流體域介質(zhì)為空氣。在mesh中劃分網(wǎng)格,單獨(dú)將噴嘴處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,其余化為標(biāo)準(zhǔn)六面體網(wǎng)格,設(shè)置網(wǎng)格尺寸80 mm,得到網(wǎng)格數(shù)29 147,網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 噴藥空間場(chǎng)三維模型Fig.1 Three-dimensional model of spray space field

(a)噴嘴 (b)噴藥場(chǎng)

2 靜電噴藥仿真參數(shù)設(shè)置

2.1 藥液粒徑測(cè)試

靜電噴藥中由于粒子間的斥力及二次霧化現(xiàn)象,靜電藥液顆粒尺寸小于常規(guī)藥液顆粒,且不同噴藥高度下的沉積粒徑不相同。因此,為了獲得更加真實(shí)的仿真結(jié)果,采用自制藥液粒徑試驗(yàn)臺(tái)分別對(duì)噴藥高度為30、50、70、100、150、200 cm的靜電噴藥及常規(guī)噴藥藥液粒徑進(jìn)行測(cè)試,噴藥壓力為1.2 MPa,高壓發(fā)生器電壓為30 kV,每次噴藥持續(xù)1 s。圖3為靜電噴藥粒徑測(cè)試裝置。將水箱與隔膜泵連接,隔膜泵與靜電噴頭固定于可調(diào)節(jié)支撐桿上,高壓發(fā)生器用于給系統(tǒng)提供高壓,將蓄電池的正負(fù)極連接至高壓靜電發(fā)生器低壓端的正負(fù)極,高壓靜電發(fā)生器的高壓端負(fù)極接地,正極接入靜電噴頭,然后將水敏紙放在噴頭下的試驗(yàn)桌上進(jìn)行試驗(yàn)。常規(guī)噴藥與靜電噴藥的試驗(yàn)條件一樣,前者只需在試驗(yàn)時(shí)關(guān)閉高壓發(fā)生器即可。將2種噴藥類型結(jié)果導(dǎo)入大疆MG-1霧滴分析儀進(jìn)行粒徑分析,得到在不同粒徑范圍下的霧滴沉積個(gè)數(shù),進(jìn)而計(jì)算得到在不同高度下平均霧滴沉積粒徑,計(jì)算公式如下。

(7)

2.2 邊界條件設(shè)置

離散相噴射源參數(shù):離散相材料為水,顆粒流數(shù)為500,單位設(shè)置為mm,噴嘴初始位置為(x,y,z)=(0,0,15),噴射時(shí)間為0~5 s,噴孔直徑為1 mm;噴藥壓力1.2 MPa,噴孔錐角為60°,霧滴初始質(zhì)量流量率為0.05 kg·s-1。邊界條件參數(shù)設(shè)置:入口風(fēng)速設(shè)置分別為0、1、2、3 m·s-1,粒子沉積面設(shè)置為吸附,出口、壁面均為逃逸;空氣入口中湍流設(shè)置為Intensity and Viscosity Ratio,湍流強(qiáng)度為5%,湍流黏度比為5;粒子入口湍流設(shè)置為Intensity and Hydraulic Diameter,湍流強(qiáng)度為5%;粒徑為方法2.1中不同高度對(duì)應(yīng)的粒子平均直徑。電場(chǎng)參數(shù)設(shè)置:粒子引入體積力,電荷密度為0.003 56 C·m-3,空氣導(dǎo)電率為忽略不計(jì),噴嘴處設(shè)置為電源,電勢(shì)為30 kV,粒子沉積面設(shè)置接地。

A:1.水箱;2.隔膜泵;3.水管;4.蓄電池;5.電線;6.低壓端;7.高壓發(fā)生器;8.高壓端;9.靜電噴嘴;10.調(diào)節(jié)螺栓;11.可調(diào)節(jié)支撐桿;12.水敏紙;13.試驗(yàn)桌。B:實(shí)物圖。

2.3 不同風(fēng)速下的2種藥液沉積率計(jì)算方法

采用幾何坐標(biāo)建模的方法分析藥液顆粒在底部有效區(qū)域的沉積率。以噴嘴為中心,噴嘴距底面的高度b為變量建立藥液有效沉積區(qū)域Vxy,其半徑R為噴嘴計(jì)算區(qū)域底部的映射點(diǎn)為圓心建立的圓半徑,其大小與噴孔錐角α、噴藥擴(kuò)散角β有關(guān),計(jì)算公式如下。

R=b×arctan(α+β)

(8)

Vxy=π[b×arctan(α+β)]2

(9)

單位面積上的沉積率及藥液漂移量計(jì)算公式如下。

(10)

Pij=1-C(i,j)

(11)

式中:C(i,j)表示高度為i風(fēng)速為j時(shí)在有效沉積面Vxy上的沉積率;X(i,j)為高度為i風(fēng)速為j時(shí)在有效沉積面積上的粒子沉積量;Vxy為有效區(qū)域的面積;Pij表示高度為i風(fēng)速為j時(shí)的藥液漂移量。

藥液在同一噴藥高度,4種不同風(fēng)速下的平均沉積率如下。

(12)

3 結(jié)果與分析

3.1 藥液粒徑測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。其中,在噴藥高度30、50、70、100、150、200 cm時(shí)靜電噴藥霧滴均值分別為113、115、102、108、109、110 μm,而常規(guī)噴藥霧滴均值分別為196、188、175、185、188、189 μm。相同噴藥高度下常規(guī)噴藥的藥液粒徑均值均大于靜電噴藥,在噴藥高度30 cm時(shí)相差最大為83 μm,增加了73%。

3.2 不同風(fēng)速下的藥液沉積結(jié)果

圖4和圖5分別為不同風(fēng)速下靜電噴藥和常規(guī)噴藥的模擬結(jié)果。隨著風(fēng)速的增加,藥液顆粒向出口逃逸的趨勢(shì)就越明顯。噴嘴設(shè)置的霧化角為60°,并以6°的擴(kuò)散角向外擴(kuò)散。以噴嘴中心(0,0,15)mm為中心映射到底部的2點(diǎn)間的距離為主要沉積參考軸,隨著風(fēng)速從0~3 m·s-1變化,藥液顆粒的主要沉積區(qū)域離主要沉積軸越遠(yuǎn),飄失量越大。當(dāng)風(fēng)速在0 m·s-1的時(shí)候,所有時(shí)間段的藥液沉積率均在計(jì)算區(qū)域內(nèi);當(dāng)風(fēng)速處于1、2、3 m·s-1時(shí),經(jīng)1.0、2.4、3.5、4.5 s藥液顆粒均有向外逃逸趨勢(shì)。靜電噴藥與常規(guī)噴藥的情況相同,離噴頭越近藥液顆粒荷電量越大,距離噴頭越遠(yuǎn)藥液顆粒荷電量越小,帶電藥液顆粒對(duì)自然風(fēng)有明顯的抵抗作用。在0~3 m·s-1的情況下,靜電噴藥的沉積率普遍高于常規(guī)噴藥,飄失量也較常規(guī)噴藥少。圖6為噴頭的電勢(shì)分布圖,距離高壓加載面越遠(yuǎn),電勢(shì)強(qiáng)度越低。

表1 藥液粒徑測(cè)試結(jié)果Table 1 The test result of liquid medicine particle size

a、b、c、d分別代表風(fēng)速0、1、2、3 m·s-1。下同。

圖5 不同風(fēng)速下常規(guī)噴藥模擬結(jié)果Fig.5 Results of conventional spray simulation at different wind speeds

圖6 靜電噴頭電勢(shì)分布Fig.6 Potential distribution of electrostatic nozzle

3.3 不同噴藥高度下2種噴藥方法沉積率對(duì)比

圖7為靜電噴藥和常規(guī)噴藥在不同噴藥高度及風(fēng)速下的沉積率對(duì)比結(jié)果。靜電噴藥和常規(guī)噴藥在0~3 m·s-1風(fēng)速范圍內(nèi)的沉積率均隨風(fēng)速的增加而減小,前者的藥液沉積率普遍高于后者。在風(fēng)速為1 m·s-1、噴藥高度為150 cm時(shí),靜電噴藥與常規(guī)噴藥沉積率相差最大為67%。在風(fēng)速為0 m·s-1、噴藥高度小于70 cm時(shí),靜電噴藥和常規(guī)噴藥沉積率相差不大,靜電噴霧沉積率略大于常規(guī)噴藥。當(dāng)噴藥高度在100~200 cm時(shí),靜電噴藥的沉積率明顯大于常規(guī)噴藥。這是因?yàn)樵跓o風(fēng)情況下噴藥高度小于70 cm時(shí),2種噴藥方法產(chǎn)生的漂移均不大;而當(dāng)噴藥高度進(jìn)一步增加,藥液產(chǎn)生的漂移逐漸增大,此時(shí)由于靜電噴藥藥液帶有荷電,能與作物產(chǎn)生吸力產(chǎn)生了一定的抗漂移能力。當(dāng)風(fēng)速為1 m·s-1、噴藥高度為30~200 cm時(shí),靜電噴霧的沉積率與風(fēng)速在0 m·s-1的沉積率相差不大,而常規(guī)噴霧沉積率呈斷崖式下降。這是因?yàn)殡S著風(fēng)速的增加藥液漂移量增加,常規(guī)噴藥沉積率減小,而靜電噴藥由于其產(chǎn)生的靜電吸附作用仍能有效抵抗漂移。當(dāng)風(fēng)速大于1 m·s-1、噴霧高度在30~200 cm時(shí),靜電噴藥的沉積率依然大于常規(guī)噴藥,但較風(fēng)速為1 m·s-1時(shí)開始大幅減少,表明隨著風(fēng)速的增加,靜電噴藥的藥液抗漂移能力在逐漸減弱。

a、b、c、d、e、f分別表示噴藥高度30、50、70、100、150、200 cm。

圖8為不同噴藥高度下靜電噴藥和常規(guī)噴藥4個(gè)風(fēng)速水平的藥液平均沉積率。靜電噴藥和常規(guī)噴藥的沉積率都是隨著噴藥高度的增加而減少,且靜電噴藥的沉積率明顯優(yōu)于常規(guī)噴藥,在噴藥高度為70~150 cm范圍內(nèi),兩者沉積率差異明顯,當(dāng)噴藥高度為100 cm時(shí)沉積率差異最高可達(dá)48%;當(dāng)噴藥高度為200 cm時(shí),靜電噴藥和常規(guī)噴藥沉積率相差不大。這是因?yàn)殪o電噴藥藥液荷電性隨著噴藥高度的增加而減小,噴藥高度大于150 cm后藥液荷電性大幅衰減。

圖8 不同風(fēng)速下靜電噴藥和常規(guī)噴藥的平均沉積率Fig.8 Average deposition rate of electrostatic spray and conventional spray at different speed

4 結(jié)論與討論

為了探究靜電噴藥在三維空間場(chǎng)的沉積率,增加模擬試驗(yàn)的真實(shí)性,本文采用了CFD和MHD離散相模型對(duì)靜電噴藥和常規(guī)噴藥進(jìn)行了仿真分析。通過搭建的靜電噴藥試驗(yàn)裝置測(cè)得靜電噴藥和常規(guī)噴藥在不同高度下的粒徑均值,然后將其代入仿真模型中,再分別對(duì)不同高度及不同風(fēng)速下的靜電噴藥和常規(guī)噴藥進(jìn)行了仿真模擬試驗(yàn)。本研究表明,粒徑測(cè)試試驗(yàn)中常規(guī)噴藥的藥液粒徑均大于靜電噴藥,這是因?yàn)殪o電噴藥藥液顆粒在高壓作用下極不穩(wěn)定,在外部流場(chǎng)和庫倫力的作用下發(fā)生分裂,從而使霧滴粒徑變小。通過對(duì)6種噴藥高度和4種環(huán)境風(fēng)速下噴藥沉積率進(jìn)行比較,本研究發(fā)現(xiàn)靜電噴藥和常規(guī)噴藥的沉積率最大值與最小值均發(fā)生在同一噴藥高度和相同風(fēng)速下。當(dāng)噴藥高度高于200 cm時(shí),靜電噴藥與常規(guī)噴藥差異較??;當(dāng)噴藥高度介于30~150 cm,靜電噴藥沉積率普遍高于常規(guī)噴藥。這是因?yàn)殪o電噴藥的靜電感應(yīng)效果與噴藥高度有關(guān),噴藥高度越低,噴頭和作物之間的距離越近,靜電感應(yīng)效果越強(qiáng),藥液顆粒帶電荷越大,藥液的吸附效果越好,沉積率越大。此外,在噴藥高度30~200 cm時(shí),4種風(fēng)速下靜電噴藥的平均沉積率普遍高于常規(guī)噴藥,最大差值可達(dá)48%。這是因?yàn)殪o電噴藥具有一定的抗風(fēng)性,根據(jù)靜電感應(yīng)原理,當(dāng)藥液從靜電噴頭噴出后,作物帶有與藥液相反的電荷,作物與藥液之間會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)力,加速藥液向作物運(yùn)動(dòng)的速度,隨著風(fēng)速的增加靜電感應(yīng)力越弱。

本研究對(duì)靜電噴藥和常規(guī)噴藥的數(shù)值仿真結(jié)果與LAW[13]的研究結(jié)果一致。靜電噴藥的沉積率高于常規(guī)噴藥,推測(cè)原因是靜電噴藥的藥液在高壓的作用下會(huì)帶上電荷,提高藥液的吸附力進(jìn)而提高沉積率。因此,利用噴藥沉積模型對(duì)不同噴藥高度和不同環(huán)境風(fēng)速下的靜電噴藥沉積情況進(jìn)行預(yù)測(cè)具有可行性。同時(shí),通過噴藥沉積模型對(duì)靜電噴藥沉積情況進(jìn)行預(yù)測(cè),可以解決植保作業(yè)中霧滴數(shù)據(jù)難采集、環(huán)境參數(shù)不可控等難題,為田間高質(zhì)量植保作業(yè)提供選擇。

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