李建平 李紹波 于少猛 王鵬飛 楊 欣 劉洪杰

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 保定 071001; 2.河北省智慧農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)創(chuàng)新中心, 保定 071001)

0 引言

隨著果園種植面積增加和農(nóng)村勞動力減少,風(fēng)送式噴霧機(jī)被廣泛應(yīng)用[1-2],但目前風(fēng)送式噴霧機(jī)大多是通過單一輔助氣流將霧滴運(yùn)送至靶標(biāo),一定程度上提高了霧滴穿透性及沉積量。霧滴飄移量和沉積量是影響噴霧機(jī)作業(yè)效果的重要因素[3-4],減少霧滴在非靶標(biāo)區(qū)域的無效沉積與靶標(biāo)外飄移一直是植保領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[5-6]。霧滴飄移是指在施藥過程中,從噴嘴噴射出的霧滴群受空間氣流的影響而改變運(yùn)動方向、沉積位置的一種運(yùn)動過程[7-8]。霧滴飄移的影響因素有很多,主要包括:空間的氣流分布,如流速大小、方向等[9],施藥平臺移動速度和采樣方式等[10-12];霧滴自身因素,如霧滴粒徑和霧滴物理屬性等[13-14];施藥參數(shù),如噴霧壓力、距離、角度等[15-16]。降低霧滴飄移量的技術(shù)有很多,如靜電噴霧、氣流輔助噴霧和隧道式噴霧等。氣流輔助噴霧技術(shù)不僅能降低霧滴飄量,還能脅迫霧滴向靶標(biāo)運(yùn)動,也能使果樹冠層孔隙率變大,增加葉背及內(nèi)膛霧滴沉積量[17-18]。

在風(fēng)送式噴霧防飄裝置與霧滴沉積特性方面,國內(nèi)外研究人員開展大量研究。FOQUé等[19]研究了輔助氣流和噴霧角度對霧滴沉積量的影響,發(fā)現(xiàn)加大輔助氣流速度能夠有效減少霧滴飄移。PASCUZZI等[20]建立了一個由二階微分方程組組成的數(shù)學(xué)模型,模擬不同粒徑的霧滴在輔助氣流方向上的運(yùn)動,預(yù)測霧滴的飄移情況。BAHROUNI等[21]研究施藥參數(shù)和風(fēng)速對霧滴沉積量和霧滴飄失率的影響,利用多個回歸模型預(yù)測霧滴沉積量和飄失率,發(fā)現(xiàn)對霧滴沉積量影響最大的因素是霧滴粒徑和輔助氣流大小。樊桂菊等[22]設(shè)計(jì)了多氣流協(xié)同式果園V形防飄噴霧裝置,探究V形風(fēng)場對霧滴冠層沉積效果的影響,減少霧滴在果樹行間飄移。胡軍團(tuán)隊(duì)[23-24]設(shè)計(jì)了錐形風(fēng)場式防飄噴霧裝置,通過噴霧試驗(yàn)明晰錐形風(fēng)場對霧滴沉積效果的影響規(guī)律,利用錐形風(fēng)場減少環(huán)境風(fēng)速對霧滴運(yùn)動的影響,降低霧滴飄移量,分析防飄裝置的防飄原理,改善防飄噴霧作業(yè)效果,并對其裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綜上所述,果園風(fēng)送式噴霧的防飄效果與其裝置結(jié)構(gòu)形式和作業(yè)參數(shù)等有關(guān),本文在單一氣流的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)傘形風(fēng)場式防飄噴霧裝置,并開展霧滴防飄驗(yàn)證試驗(yàn)和果樹冠層沉積試驗(yàn),明晰傘形風(fēng)場影響霧滴沉積的規(guī)律,以期為該防飄裝置在不同環(huán)境風(fēng)速下最佳作業(yè)參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)與原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的傘形風(fēng)場式防飄移裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置可產(chǎn)生錐形風(fēng)場和柱形風(fēng)場,其主要由雙層錐形氣流罩和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成,實(shí)物圖如圖2所示。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由8個調(diào)節(jié)滑板組合形成,多個調(diào)節(jié)滑板呈環(huán)狀布置,滑動安裝在安裝間隙內(nèi)且中部對應(yīng)環(huán)形板的內(nèi)孔形成大小可調(diào)的通氣口,其可以調(diào)整裝置內(nèi)側(cè)出風(fēng)口的直徑(以下簡稱出口直徑),可以改變錐形風(fēng)場與柱形風(fēng)場的分布。雙層錐形氣流罩由兩層錐形面和氣流分流結(jié)構(gòu)構(gòu)成,最主要參數(shù)為錐形風(fēng)道長度、錐形風(fēng)道寬度和開口夾角,目前常用扇形噴頭霧錐角最大為110°,所以將開口夾角設(shè)計(jì)為110°。

圖1 傘形風(fēng)場式防飄移裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams of umbrella wind field type anti-drift device1.雙層錐形氣流罩 2.調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 3.扇形噴頭 4.進(jìn)風(fēng)口 5.調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上底板 6.旋轉(zhuǎn)葉片上限位柱 7.旋轉(zhuǎn)葉片上限位槽 8.旋轉(zhuǎn)葉片 9.旋轉(zhuǎn)葉片下限位柱 10.旋轉(zhuǎn)葉片下限位槽 11.調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)下底板

圖2 傘形風(fēng)場式防飄移裝置實(shí)物圖Fig.2 Physical picture of umbrella wind field type anti-drift device

液體在霧化時,會形成空心液膜,根據(jù)張京等[25]研究發(fā)現(xiàn)霧滴在液膜附近區(qū)域容易飄失,過短的錐形風(fēng)道和環(huán)境氣流會對空心液膜造成不良的影響,而過長的錐形風(fēng)道會影響風(fēng)機(jī)的效率,且會增加能量損失。錐形風(fēng)道長度計(jì)算式為

(1)

式中l(wèi)——錐形風(fēng)道長度,mm

w——液膜寬度,mm

β——噴頭霧錐角,(°)

由于空心液膜長度為100 mm,結(jié)合式(1)將錐形風(fēng)道長度最短設(shè)為175 mm。在保證風(fēng)機(jī)風(fēng)量的前提下,縮短風(fēng)道寬度以提高錐形風(fēng)場氣流速度,本研究設(shè)計(jì)錐形風(fēng)道寬度為10 mm。供風(fēng)裝置為CZ-LD370型中壓離心式風(fēng)機(jī),風(fēng)管與進(jìn)風(fēng)口直徑均設(shè)計(jì)為100 mm[26]。

1.2 防飄機(jī)理分析

扇形噴頭在噴霧作業(yè)過程中,自然風(fēng)風(fēng)向變化不規(guī)則,導(dǎo)致部分農(nóng)藥霧滴被自然風(fēng)攜帶向非靶標(biāo)區(qū)域,造成農(nóng)藥用量增加,增大環(huán)境污染。在霧滴形成的過程中,隨著霧滴與噴頭距離增大,扇面逐漸散開,霧滴運(yùn)動速度和夾帶氣流速度衰減。在液膜末端,此區(qū)域霧滴受自然風(fēng)的影響最大,霧滴飄失最嚴(yán)重[27]。本文設(shè)計(jì)的傘形風(fēng)場工作原理如圖3所示:錐形風(fēng)場可與自然風(fēng)形成合力,削弱自然風(fēng)對霧滴運(yùn)動的影響,引導(dǎo)扇面邊界上逃逸的霧滴運(yùn)動到靶標(biāo)區(qū)域;柱形風(fēng)場能夠提升霧滴穿透性,在減少霧滴在非靶標(biāo)區(qū)域沉積的基礎(chǔ)上保持其原有的穿透性。

圖3 傘形風(fēng)場防飄原理圖Fig.3 Schematic of anti-drift principle of umbrella wind field

側(cè)向氣流、柱形氣流和錐形氣流在霧滴從噴嘴噴出的瞬間形成霧滴可移動的空氣介質(zhì),由于液滴的質(zhì)量和尺寸很小,液滴周圍的流動可以忽略,因此,不考慮霧滴間內(nèi)力。為進(jìn)一步明晰組合風(fēng)場的防飄機(jī)理,利用笛卡爾坐標(biāo)系建立單個霧滴在組合風(fēng)場作用下的受力分析圖,如圖4所示,分析單個霧滴受力情況與運(yùn)動趨勢。VT為防飄裝置錐形風(fēng)場的風(fēng)速;VC為防飄裝置柱形風(fēng)場的風(fēng)速;VS為側(cè)風(fēng)的風(fēng)速;FO為霧滴運(yùn)動時空氣對霧滴的用力;G為霧滴所受的重力。為了簡化模型,VC的方向垂直于豎直面,U為霧滴在受到環(huán)境氣流前的速度,FO的方向與U速度方向相反。

圖4 霧滴在組合風(fēng)場下受力分析圖Fig.4 Force analysis diagram of droplet in combined wind field

基于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)基本定律,分析霧滴在空間的速度,在笛卡爾坐標(biāo)系進(jìn)行投影,其中VTx、VTy、VTz分別為VT在X、Y、Z方向的分速度,得到霧滴在空氣中X、Y、Z方向的速度為

(2)

基于質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)基本定律,分析霧滴在空間內(nèi)所受力的情況,得出霧滴在空氣中的運(yùn)動方程為

(3)

式中a——空氣中霧滴的運(yùn)動加速度,m/s2

m——霧滴質(zhì)量,kg

g——重力加速度,m/s2

V——霧滴速度,m/s

霧滴在空氣介質(zhì)中運(yùn)動會產(chǎn)生阻力FO,FO與霧滴的運(yùn)動速度具有二次關(guān)系,即

(4)

式中Vso——霧滴上升速率的平均值,m/s

結(jié)合式(3)、(4)得

(5)

結(jié)合式(2)～(5)得到簡化后的單個霧滴運(yùn)動微分方程組為

(6)

由式(6)可得,傘形風(fēng)場式防飄移裝置形成的錐形風(fēng)場可以削弱環(huán)境氣流對霧滴運(yùn)動所產(chǎn)生的影響,能夠進(jìn)一步約束霧滴在豎直方向上的運(yùn)動,提高霧滴的防飄性和穿透性。

1.3 防飄仿真驗(yàn)證

依據(jù)傘形風(fēng)場式防飄移裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù),在SolidWorks中繪制三維模型,將裝置到果樹冠層全區(qū)域簡化成長方體(3 000 mm×3 000 mm×5 000 mm),建立CFD(計(jì)算機(jī)流體力學(xué))數(shù)值模型,通過ANSYS Mesh劃分網(wǎng)格如圖5所示,網(wǎng)格數(shù)量為865 525個。利用質(zhì)子動力學(xué)模型[28]得到普通氣流(僅有柱形氣流)和傘形風(fēng)場式氣流(柱形氣流、錐形氣流)的霧滴群運(yùn)動軌跡如圖6所示。

圖5 計(jì)算域網(wǎng)格劃分Fig.5 Computational domain meshing1.側(cè)風(fēng)入口 2.防飄裝置 3.果樹 4.氣流出口1 5.氣流出口2

圖6 霧滴群軌跡Fig.6 Droplet cluster trajectory

由圖6可知,傘形風(fēng)場式氣流較普通氣流的霧滴沉積區(qū)域更為集中,霧滴飄失率降低32.5%,表明該裝置具有較強(qiáng)的防飄移效果。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用氣流輔助噴霧沉積量檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括噴霧性能綜合試驗(yàn)臺、T35型可調(diào)速軸流通風(fēng)機(jī)(模擬噴嘴到果樹冠層間的環(huán)境風(fēng)速,風(fēng)速范圍0～4 m/s、風(fēng)量4 263 m3/h、轉(zhuǎn)速1 450 r/min);UT363S型數(shù)字式風(fēng)速計(jì),風(fēng)送測量范圍為0.4～30 m/s,分辨率0.01 m/s,準(zhǔn)確度±5%;CZ-LD370型中壓離心式風(fēng)機(jī)(提供防飄裝置風(fēng)速范圍0～40 m/s);水敏紙,重慶六六山下植?？萍加邢薰旧a(chǎn);Epson perfection 1670型激光掃描儀;Image master霧滴分析軟件;豐諾110-02型扇形噴頭;60型柱塞泵等。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1防飄噴霧裝置氣流場仿真與對標(biāo)試驗(yàn)

在防飄移驗(yàn)證試驗(yàn)開始前,采用仿真試驗(yàn)與物理試驗(yàn)相結(jié)合的方式探究調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對防飄噴霧裝置傘形風(fēng)場的影響,確定調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)出口直徑的調(diào)節(jié)范圍,并驗(yàn)證仿真試驗(yàn)是否符合實(shí)際情況。

仿真試驗(yàn)時,出口直徑調(diào)整范圍20～100 mm,間隔10 mm。利用Flow Simulation模擬防飄噴霧裝置外流場,建立防飄裝置底部的橫向速度切面圖(圖7),在其圓周上均勻取6個測速點(diǎn),取平均值作為錐形氣流風(fēng)速。中心軸線風(fēng)速作為柱形氣流風(fēng)速。

圖7 速度切面圖Fig.7 Velocity section diagram

試驗(yàn)過程:開啟離心風(fēng)機(jī),防飄噴霧裝置入口風(fēng)速調(diào)節(jié)至30 m/s。采用風(fēng)速儀測量7個取樣點(diǎn)的風(fēng)速,每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。為保證風(fēng)場測試不受外界自然風(fēng)干擾,試驗(yàn)在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行(圖8)。

2.2.2防飄移驗(yàn)證試驗(yàn)

為更直觀地展示防飄噴霧裝置的防飄性能,以純凈水為介質(zhì),利用噴霧性能綜合試驗(yàn)臺對防飄裝置進(jìn)行防飄移驗(yàn)證試驗(yàn)(圖9),在T35型可調(diào)速軸流通風(fēng)機(jī)上加裝蜂窩整流裝置模擬果園行間自然風(fēng)(與噴霧方向垂直,下文以側(cè)風(fēng)描述)。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)口處以風(fēng)速30 m/s穩(wěn)定供風(fēng)。試驗(yàn)條件為:側(cè)風(fēng)風(fēng)速2 m/s、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)直徑50 mm、噴霧壓力0.3 MPa、噴霧距離500 mm、格強(qiáng)3/8-03型扇形噴頭、噴霧時間30 s,每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

圖9 防飄移驗(yàn)證試驗(yàn)示意圖Fig.9 Schematic of anti-drift principle verification test1.控制閥 2.流量計(jì) 3.壓力表 4.傘形風(fēng)場式防飄移裝置 5.集霧槽 6.量筒 7.離心風(fēng)機(jī) 8.蜂窩整流裝置 9.軸流風(fēng)機(jī) 10.水箱

2.2.3霧滴沉積均勻性試驗(yàn)

為探究傘形風(fēng)場對噴頭噴霧作業(yè)的影響,開展霧滴沉積特性綜合試驗(yàn)前,利用垂直霧滴分布測試儀對安裝傘形風(fēng)場式防飄移裝置前、后的霧滴垂直沉積均勻性進(jìn)行試驗(yàn)(圖10)。試驗(yàn)條件為:防飄裝置進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速30 m/s、噴霧壓力0.3 MPa、噴霧距離500 mm、格強(qiáng)3/8-03型扇形噴頭、噴霧時間 30 s,每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

圖10 霧滴沉積均勻性試驗(yàn)Fig.10 Droplet deposition uniformity test1.垂直霧滴分布測試儀 2.水箱 3.傘形風(fēng)場式防飄移裝置 4.控制閥 5.流量計(jì) 6.壓力表 7.離心風(fēng)機(jī)

2.2.4霧滴沉積特性綜合試驗(yàn)

于2023年6月4日在國家蘋果產(chǎn)業(yè)體系保定綜合試驗(yàn)站(順平縣蒲上鎮(zhèn)西于家莊村)矮砧密植蘋果園內(nèi)進(jìn)行田間試驗(yàn),試驗(yàn)對象為3年生富士蘋果,果園株距1.0～1.2 m、行距4.0 m,樹高2.5～3.0 m,紡錘形樹冠,矮砧密植,南北走向,果園采用水肥一體化灌溉;環(huán)境溫度15℃,環(huán)境相對濕度45%,環(huán)境風(fēng)速1～2級。

(1)果樹冠層霧滴沉積測試

將果樹冠層自上而下、由內(nèi)而外進(jìn)行分區(qū),如圖11所示,即3個水平面(a、b、c)間距300 mm,5個垂面(1、2、3、4、5)和3個環(huán)形(C1、C2、C3)間距300 mm。每兩個截面的焦點(diǎn)為采樣點(diǎn),各采樣點(diǎn)布置水敏紙一張(規(guī)格35 mm×35 mm)。將水敏紙的收集冊按頁掃描處理,經(jīng)Image master霧滴分析軟件[29-30]處理之后,得到每組試驗(yàn)的每個位置上的霧滴沉積量,依據(jù)上述指標(biāo)來評價后續(xù)的試驗(yàn)效果[31]。

圖11 采樣點(diǎn)布置示意圖Fig.11 Sampling point arrangement

由于噴霧機(jī)施藥區(qū)域內(nèi)果樹冠外層部分葉片的水敏霧滴紙上霧滴較大或較多,導(dǎo)致匯聚成一片,導(dǎo)致霧滴覆蓋率大于30%,超過了Image master霧滴分析軟件能夠計(jì)算的霧滴沉積量閾值。對于這種情況的水敏紙,根據(jù)霧滴噴施在水敏霧滴測試卡上接觸角的變化規(guī)律[32],基于水敏霧滴測試卡上所有變色面積都為半飽和吸收的假設(shè),理論最小沉積量Vd計(jì)算式為

(7)

式中C——霧滴分析軟件提取到的覆蓋率,%

H——單張標(biāo)準(zhǔn)水敏霧滴測試卡厚度,mm

(2)果樹冠層空氣中飄移測試

在果樹冠層右側(cè)0.1 m處立一直桿(圖11,高2 m),由上往下間隔0.3 m布置水敏紙(35 mm×35 mm)收集霧滴。

為了分析側(cè)風(fēng)風(fēng)速、出口直徑以及噴霧壓力等因素對霧滴沉積分布情況的影響,根據(jù)上述試驗(yàn)方法,首先進(jìn)行出口直徑單因素試驗(yàn),在噴霧壓力 0.3 MPa、 出口直徑30～70 mm、間隔10 mm的情況下分析霧滴沉積量、霧滴飄移量的變化(圖12)。其次進(jìn)行噴霧壓力的單因素試驗(yàn),將出口直徑設(shè)定為50 mm,調(diào)節(jié)噴霧壓力為0.3～0.8 MPa,每組試驗(yàn)較前一組增加0.1 MPa,共計(jì)6組試驗(yàn)用于分析噴霧壓力對霧滴沉積量和霧滴飄移量的影響。并通過Scan軟件對水敏紙進(jìn)行區(qū)域提取、比重設(shè)置、閾值調(diào)整以及碎片化等處理,將處理結(jié)果導(dǎo)入Origin進(jìn)行整理分析。

圖12 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.12 Testing site

通過分析出口直徑和噴霧壓力單因素試驗(yàn)結(jié)果,確定多因素試驗(yàn)的取值范圍。為分析不同出口直徑、噴霧壓力以及測風(fēng)風(fēng)速共同作用下的霧滴沉積效果,建立響應(yīng)曲面模型,分析了這3個因素對霧滴沉積量影響的主次程度。對所得的模型進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,得到最優(yōu)的施藥參數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與影響因素分析

3.1 裝置氣流場仿真與對標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由圖13可知,兩種氣流物理與仿真試驗(yàn)的出口風(fēng)速隨出口直徑變化的趨勢基本一致;物理試驗(yàn)的出口風(fēng)速均小于仿真試驗(yàn),原因是3D打印的模型與仿真模型結(jié)構(gòu)尺寸有一定誤差,裝置內(nèi)部連接部分導(dǎo)致較小的氣流損失,但誤差均小于10%,仿真模型可基本模擬傘形風(fēng)場式防飄噴霧裝置風(fēng)場的運(yùn)行規(guī)律。

圖13 不同出口直徑下氣流風(fēng)速柱形圖Fig.13 Histogram of air velocity at different outlet diameters

錐形氣流出口風(fēng)速隨著出口直徑的減小而增大,原因是出口直徑減小會導(dǎo)致更多的氣流運(yùn)動至錐形風(fēng)道,進(jìn)而提升錐形氣流風(fēng)速;在出口直徑為100 mm時,出口風(fēng)速達(dá)到最小。柱形氣流出口風(fēng)速隨著出口直徑增大而增大,當(dāng)出口直徑大于50 mm時,出口風(fēng)速增長趨勢減緩;出口直徑為30～70 mm時,錐形氣流與柱形氣流風(fēng)速較大,因此確定機(jī)構(gòu)調(diào)整范圍為30～70 mm。

3.2 防飄移驗(yàn)證試驗(yàn)

為探究安裝傘形風(fēng)場式防飄移裝置前后環(huán)境氣流對霧滴飄移量的影響,根據(jù)2.2.1節(jié)分別進(jìn)行兩組試驗(yàn),收集各試管內(nèi)液體的體積,將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin,霧滴沉積分布如圖14所示。

圖14 普通氣流和傘形風(fēng)場式氣流的霧滴水平沉積分布Fig.14 Horizontal droplet deposition distribution of ordinary air flow and umbrella-shaped air flow

如圖14所示,由于側(cè)風(fēng)的影響,安裝防飄裝置前霧滴沉積量的主要分布區(qū)域發(fā)生了少量偏移和擴(kuò)大,但其區(qū)域內(nèi)的沉積量遠(yuǎn)大于其他區(qū)域,體現(xiàn)了霧滴飄移分布中的沉積量集中性。沉積分布后方區(qū)域出現(xiàn)明顯的“尾巴”,質(zhì)量分布不再呈現(xiàn)對稱分布,即為飄移分布的沉積特性,具有重尾性[33]。安裝防飄裝置后的霧滴沉積區(qū)域較為集中,主要分布于試管10～40之間,以霧滴飄移率和霧滴質(zhì)量中心距來衡量裝置的防飄性能,計(jì)算公式為

(8)

(9)

式中Sd——霧滴飄移率,%

D——霧滴質(zhì)量中心距,mm

n——集霧槽總數(shù),個

Vi——第i個集霧槽中液體體積,mL

Vt——實(shí)際噴霧總體積,mL

di——第i個集霧槽中心到集霧板中線距離,mm

代入數(shù)據(jù)得安裝傘形風(fēng)場式防飄裝置后的霧滴飄移率、質(zhì)量中心距分別為11.3%、308 mm,較安裝前分別降低27.5%和16.2%,表明傘形風(fēng)場式氣流能有效限定霧滴沉積范圍,降低霧滴飄移率。

3.3 霧滴垂直沉積均勻性分析

分別收集垂直霧滴分布測試儀在兩種噴霧作業(yè)下不同高度的霧滴沉積量,結(jié)果如圖15所示。

圖15 普通氣流和傘形風(fēng)場式氣流的霧滴垂直沉積分布Fig.15 Vertical deposition distribution of droplet in ordinary air flow and umbrella-shaped air flow

由圖15可知,安裝傘形風(fēng)場式防飄裝置后的霧滴沉積量變異系數(shù)為43.4%,較普通氣流降低7%,表明防飄噴霧裝置能使霧滴垂直分布均勻性提高,裝置能夠減弱重力對霧滴運(yùn)動的影響,并有效減少霧滴在垂直方向上漏噴、過噴問題。

3.4 霧滴沉積特性單因素試驗(yàn)

3.4.1出口直徑

當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為2 m/s、噴霧壓力為0.4 MPa、出口直徑為30～70 mm時,不同出口直徑下果樹冠層葉片霧滴沉積分布如圖16所示。圖16左側(cè)是霧滴在側(cè)風(fēng)影響下霧滴在飄移測量面的沉積分布圖,可直觀地顯示霧滴的飄移分布;右側(cè)是霧滴在側(cè)風(fēng)影響下霧滴在冠層a、b、c的沉積分布圖,可直觀地顯示霧滴在冠層內(nèi)部及冠層上、中、下的沉積分布。從圖中可以看出,隨著出口直徑的增大,霧滴的飄移量呈先增大后減小的趨勢,在出口直徑為50 mm時,霧滴飄移量達(dá)到最大。在出口直徑為30 mm時,霧滴飄移量最小。隨著出口直徑的增大,霧滴飄移分布逐漸向內(nèi)側(cè)擴(kuò)散。出口直徑大于50 mm時,霧滴飄移量增長趨勢改變,霧滴飄移分布集中于飄移測量面的下半部分。由圖16右側(cè)可知,霧滴在上層和中層的沉積量較大,隨著出口直徑的增大,霧滴沉積較為集中的區(qū)域距冠層中軸的距離呈先增大后減小的趨勢;霧滴沉積分布均勻性呈先增加后減小的趨勢,且在出口直徑為60 mm時霧滴沉積均勻性最好。由圖17可知,隨著出口直徑的增大,霧滴在上層、中層、下層的沉積量逐漸向平均沉積量靠近,證明增加出口直徑有助于提高霧滴的沉積均勻性。綜上所述,出口直徑增大有助于提高霧滴的穿透性,同時霧滴飄移量會隨之增大,原因是出口直徑增大,柱形風(fēng)場強(qiáng)度增大,導(dǎo)致霧滴穿透性增強(qiáng);然而錐形風(fēng)場強(qiáng)度降低,防飄效果減弱,導(dǎo)致霧滴飄移量增大。最終選擇50、60、70 mm為多因素試驗(yàn)時的出口直徑水平取值。

圖17 不同出口直徑下霧滴沉積量和飄移量Fig.17 Droplet deposition and drift for different outlet diameters

3.4.2噴霧壓力

當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為2 m/s、出口半徑為50 mm、噴霧壓力為0.3～0.8 MPa時,霧滴沉積量和飄移量變化趨勢如圖18所示。由圖18可知,隨著噴霧壓力的增大,霧滴的飄移量逐漸增大,在噴霧壓力為 0.8 MPa 時霧滴飄移量達(dá)到最大;霧滴沉積量呈先增加后減小的趨勢,在噴霧壓力為0.5 MPa時霧滴沉積量達(dá)到最大。由圖19左側(cè)可知,霧滴飄移集中區(qū)域主要在霧滴飄移測量面的左側(cè)與底部,隨著噴霧壓力的增大,霧滴飄移沉積區(qū)域向內(nèi)側(cè)擴(kuò)散。由圖19右側(cè)可知,霧滴在上層和中層的沉積量較大;隨著噴霧壓力的增大,霧滴沉積較為集中的區(qū)域與冠層中軸的距離逐漸增大;霧滴沉積均勻性在噴霧壓力為 0.6 MPa達(dá)到最好;綜上所述,增加噴霧壓力有助于提高霧滴的穿透性,但同時也會增加霧滴的飄移量,原因是噴頭霧化能力隨噴霧壓力增大而增強(qiáng),使霧滴初速度變大,利于霧滴向冠層內(nèi)膛運(yùn)動;但噴霧壓力過大,霧滴粒徑減小導(dǎo)致霧滴飄移潛力增大。最終選擇0.4、0.5、0.6 MPa為多因素試驗(yàn)時的噴霧壓力水平取值。

圖18 不同噴霧壓力下霧滴沉積量和飄移量Fig.18 Droplet deposition and drift at different spray pressures

圖19 不同噴霧壓力下果樹冠層葉片霧滴沉積分布示意圖Fig.19 Distribution diagrams of droplet deposition in canopy leaves of fruit trees under different spray pressures

3.5 霧滴沉積特性多因素試驗(yàn)

3.5.1試驗(yàn)方案與結(jié)果

以出口直徑、噴霧壓力及側(cè)風(fēng)風(fēng)速為霧滴的沉積分布影響因素,根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn),各因素編碼如表1所示。試驗(yàn)方案以及霧滴冠層沉積量試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,其中X1、X2、X3為因素編碼值。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Test factors and codings

表2 霧滴沉積試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test scheme and results of droplet deposition

3.5.2數(shù)學(xué)模型與方差分析

利用Design-Expert 13.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理分析,得到側(cè)風(fēng)風(fēng)速、出口直徑和噴霧壓力對霧滴沉積量回歸方程為

(10)

依據(jù)該模型,通過F檢驗(yàn)得到P值以確定各個因素對響應(yīng)值的影響顯著性,結(jié)果如表3所示。

(11)

相同噴霧條件下,霧滴沉積量預(yù)測值與試驗(yàn)值二者相關(guān)系數(shù)為0.97,相關(guān)性較高,表明該預(yù)測模型可分析各因素對霧滴沉積的影響規(guī)律。

3.5.3交互作用

根據(jù)霧滴沉積量預(yù)測模型繪制三因素交互作用的霧滴沉積量響應(yīng)面,如圖20所示。隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速增大,霧滴沿側(cè)風(fēng)方向飄移增加,霧滴冠層沉積量減小;同一側(cè)風(fēng)風(fēng)速時,沉積量隨噴霧壓力增大而減少,側(cè)風(fēng)風(fēng)速為2 m/s、噴霧壓力為0.5 MPa、出口直徑為70 mm時,霧滴沉積量最大,為5.24 μL/cm2,由于噴霧壓力繼續(xù)增加使得霧滴粒徑減小,導(dǎo)致霧滴自身飄移潛力增大而沉積量減小。同一噴霧壓力時,沉積量隨出口直徑呈先減小后增大的趨勢。原因是減小出口直徑能夠提高錐形氣流風(fēng)速,提高霧滴防飄性;增加出口直徑能夠提高柱形氣流風(fēng)速,提高霧滴穿透性。側(cè)風(fēng)風(fēng)速為2 m/s、噴霧壓力為0.6 MPa、出口直徑為60 mm時,霧滴沉積量最大,為3.67 μL/cm2,由于出口直徑減小使得霧滴穿透性減弱,導(dǎo)致霧滴沉積量減小。

圖20 各因素交互作用的霧滴沉積量響應(yīng)面Fig.20 Droplet deposition response surfaces of interaction of various factors

綜上所述,3種因素對霧滴沉積量的影響由大到小為側(cè)風(fēng)風(fēng)速、噴霧壓力、出口直徑,適當(dāng)增加出口直徑和噴霧壓力有助于提高霧滴沉積量。

3.6 基于Isight的參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.6.1參數(shù)優(yōu)化

多島遺傳算法(Multi-island genetic algorithm,IGA)是一種基于遺傳算法的分布式優(yōu)化技術(shù)。它將傳統(tǒng)的遺傳算法拓展到多個“島”(Island)的框架,通過“移民”(Migration)的概念來模擬種群的遷移和交流,使得每個島的種群可以不斷地接受新的基因信息,從而獲得更好的搜索性能。IGA的優(yōu)點(diǎn)在于可以有效地提高傳統(tǒng)遺傳算法的搜索效率,更好地支持分布式優(yōu)化, 更有效地避免局部最優(yōu)解,并且可以更好地支持多目標(biāo)優(yōu)化。

進(jìn)行防飄裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化時,可在Isight基礎(chǔ)平臺下將響應(yīng)面試驗(yàn)獲得的回歸方程集成到Calculator計(jì)算模塊,優(yōu)化模型如圖21所示。通過圖20曲面的分析,并結(jié)合防飄裝置實(shí)際作業(yè)要求確定優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,定義約束條件為

圖21 Isight優(yōu)化流程Fig.21 Isight optimization process

(12)

首先,將回歸方程輸入到Isight優(yōu)化模型;其次,根據(jù)Optimization模塊設(shè)置的約束條件以及多島遺傳優(yōu)化算法,多島遺傳算法各控制參數(shù)如表4所示;最后,在Calculator模塊中計(jì)算霧滴沉積量Y1,并將其輸出值作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)值,如此循環(huán)往復(fù),直至優(yōu)化算法收斂或者優(yōu)化次數(shù)達(dá)到最大值,在Isight軟件中利用多島遺傳算法進(jìn)行100 000次的迭代計(jì)算,得到最優(yōu)目標(biāo)值。利用多島遺傳算法優(yōu)化霧滴沉積量,得到尋優(yōu)路徑圖如圖22所示。

表4 多島遺傳算法控制參數(shù)Tab.4 Multi-island genetic algorithm control parameters

圖22 多島遺傳算法尋優(yōu)路徑Fig.22 Multi-island genetic algorithm to find optimal path

對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解,從最優(yōu)集中得到,當(dāng)X1=-1、X2=-1、X3=1,即側(cè)風(fēng)風(fēng)速為2 m/s、噴霧壓力為0.4 MPa、出口直徑為70 mm時,霧滴沉積量最大,為6.34 μL/cm2。當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速大于2 m/s時,應(yīng)該減小出口直徑與噴霧壓力,以提高冠層霧滴沉積。

3.6.2最優(yōu)參數(shù)驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化后的防飄裝置實(shí)地施藥作業(yè)效果,于2023年6月9日在國家蘋果產(chǎn)業(yè)體系保定綜合試驗(yàn)站(順平縣蒲上鎮(zhèn)西于家莊村)矮砧密植蘋果園內(nèi)進(jìn)行田間試驗(yàn),試驗(yàn)條件和環(huán)境與2.2.3節(jié)相同。在園內(nèi)選取同一行的5棵枝繁葉茂的典型果樹,按照風(fēng)送噴霧機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)方法[34]進(jìn)行。水敏紙布置圖如圖11所示,裝置以作業(yè)速度1.0 m/s前進(jìn)。霧滴沉積量取平均值為5.96 μL/cm2,與響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果差異率僅為5.9%,試驗(yàn)驗(yàn)證所得結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種傘形風(fēng)場式防飄噴霧裝置,通過CFD仿真驗(yàn)證傘形風(fēng)場防飄效果,采用仿真與物理試驗(yàn)相結(jié)合的方式探究調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對風(fēng)場的影響,開展防飄可行性和霧滴均勻性試驗(yàn),結(jié)果表明霧滴飄移率、質(zhì)量中心距、霧滴沉積分布變異系數(shù)較普通氣流分別降低27.5%、16.2%、7%。解決了傳統(tǒng)風(fēng)送式噴霧機(jī)采用普通輔助氣流存在的非靶標(biāo)區(qū)域霧滴飄移的問題。

(2)進(jìn)行單因素和多因素果園噴霧性能試驗(yàn),以側(cè)風(fēng)風(fēng)速、出口直徑、噴霧壓力為因素建立了二次回歸模型,并繪制了響應(yīng)曲面。結(jié)果表明3種因素對霧滴的沉積特性均有較為顯著的影響,影響由大到小依次為側(cè)風(fēng)風(fēng)速、噴霧壓力、出口直徑。

(3)當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為2 m/s、噴霧壓力為0.4 MPa、出口直徑為70 mm時,霧滴沉積量最大,為6.34 μL/cm2;側(cè)風(fēng)風(fēng)速大于2 m/s時,應(yīng)該適當(dāng)減小出口直徑和噴霧壓力有助于提高霧滴沉積量。以最優(yōu)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行田間試驗(yàn),霧滴沉積量為5.96 μL/cm2,與響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果差異率僅為5.9%,試驗(yàn)驗(yàn)證所得結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果基本吻合。