果園噴霧機五指式噴筒流場數(shù)值模擬與分析

　　摘要:為提高果園風送式噴霧機噴幅及整體施藥效果，在課題組前期研究基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型五指式噴筒。通過CFD仿真模擬對五指式噴筒內(nèi)部的流場進行數(shù)值分析，對不同風機轉(zhuǎn)速下噴筒進出口風速和Z=0截面上速度、壓力展開對比分析。仿真結(jié)果表明:在風機3個轉(zhuǎn)速下(1450、1080、960r/min)，噴筒進口風量隨風機轉(zhuǎn)速的增大隨之增加;各個轉(zhuǎn)速下噴筒進出口流量差值很小，從而確定仿真結(jié)果可靠;五指式噴筒各個出風口風量相等;五指式的噴筒中氣流出現(xiàn)紊流的區(qū)域較小，風速分布均勻，五指式噴筒內(nèi)部壓強分布均勻，各出風口之間變異較小。減少了風機能量損失，擴大噴霧機噴幅，滿足了果園風送噴霧機的設(shè)計要求。

　　關(guān)鍵詞:風送式噴霧機;噴筒;數(shù)值模擬;流場分析

　　0引言

　　作為水果生產(chǎn)大國，我國在果樹病蟲害防治上面臨嚴峻的問題，以農(nóng)藥過量使用和水果農(nóng)藥殘留過多為主［1－2］。目前，國內(nèi)對農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園藝和果園的病蟲害防治主要采用手動踏板式/背負式噴霧機高壓噴槍﹑背負式噴霧噴粉機及擔架式噴霧機等設(shè)備，這些設(shè)備自動化程度較低，在果園病蟲害方面只能完成對低矮果樹和果苗的防治及除草工作，綜合防治效率偏低［3－4］。在我國，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，相鄰的兩行果樹近似交叉，果園形成密閉狀，使得常規(guī)農(nóng)用果園噴霧機防治作業(yè)較為困難。此外，果樹的樹冠較高，枝繁葉茂，噴霧機作業(yè)時的霧滴容易被果樹冠層遮擋，難以穿透，不能達到均勻沉積。由于果樹外層密集葉片的遮擋，霧滴易于聚成液滴灑落，從而使得果樹冠層內(nèi)部病蟲害防治效果不能達到預期［5－7］。

　　1風送式噴霧機噴筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　目前，市場上所用的果園風送式噴霧機，噴筒主體與擴幅噴筒被設(shè)計在一起。在噴筒主體的收縮段和出風口之間安裝擴幅噴筒，收縮段噴筒先直接外擴再收縮［13］。在該結(jié)構(gòu)的擴幅段出風口附近，其管道斷面發(fā)生變大變小型的重復突變，而此時管道內(nèi)的氣流在慣性作用下，是不會因管道變化而立刻產(chǎn)生突變的，容易造成風機能量損失嚴重。為增加果園噴霧機的噴幅、減少風機能量損失，同時保證各出風口風速的均勻，本文設(shè)計了一種新型噴霧機噴筒，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，與風機剛性連接，故口徑大小相等。因為風機風速存在漩渦，柱形段長度取400mm，起到穩(wěn)定氣流的作用;5個出風口均勻分布在半徑為1080mm的圓弧上，各出風口之間夾角為13°，半徑為150mm;擴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，起到了擴幅作用，同時保證了各出風口均勻。

　　2五指式噴筒計算模型仿真模擬

　　2．1模型建立與計算域確定

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

　　2．2網(wǎng)格劃分

　　利用流體前處理軟件對五指式噴筒網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格劃分，噴筒中界面突變部位進行加密網(wǎng)格處理。對423625和302079兩套網(wǎng)格計算進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，發(fā)現(xiàn)兩者風機轉(zhuǎn)速相同情況下仿真進口流量的相對差值在2%以內(nèi)，因此選擇423625網(wǎng)格對流場進行數(shù)值模擬，網(wǎng)格單元數(shù)為423625、節(jié)點數(shù)79562，如圖4所示。

　　3五指式噴筒仿真模擬結(jié)果分析

　　3．1噴筒進出口速度分析

　　噴筒不同工況下(風機轉(zhuǎn)速1450、1080、960r/min)進出口速度云圖如圖5所示。由圖5可看出:3個轉(zhuǎn)速下，噴筒每個出風口風速分布均勻;每個轉(zhuǎn)速下5個出風口風速大小相同，變異系數(shù)小;風機轉(zhuǎn)速越大，出風口風速越大，與之成正比。監(jiān)測噴筒進出口流量，得到如圖6所示風機各個轉(zhuǎn)速下流量值。

　　3．2噴筒內(nèi)部速度場分析

　　噴筒不同工況下(風機轉(zhuǎn)速1450、1080、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，有利于風軸向運動，降低旋流。因此，得出在擴福階段以軸向運動為主，局部區(qū)域存在湍流。五指式噴筒的擴幅段先按圓柱形式收縮，接著以軸截面為矩形的梯臺擴幅，噴筒的擴幅段會同時發(fā)生水平收縮與垂直擴張，氣流在該類型擴幅段不會出現(xiàn)單一的收縮和擴張，氣流管道的斷面不會發(fā)生突變。因此，本設(shè)計風筒出現(xiàn)紊流的區(qū)域較小。

　　4結(jié)論

　　1)根據(jù)果園風送式噴霧機設(shè)計需求，為增加果園噴霧機的噴幅、減少風機能量損失，同時保證各出風口風速的均勻，設(shè)計了一種新型風送式噴霧機五指式噴筒。

　　2)利用CFD仿真技術(shù)對五指式噴筒內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明:在風機3個轉(zhuǎn)速下，噴筒進口風量隨風機轉(zhuǎn)速的增大隨之增加;各個轉(zhuǎn)速下噴筒進出口流量差值很小，從而確定仿真結(jié)果可靠、收斂;五指式噴筒各個出風口風量相等，符合設(shè)計要求。

　　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，風速分布均勻，且噴筒內(nèi)部壓強分布均勻，各出風口之間變異較小。

　　參考文獻:

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　?。?］張海鋒，許林云．果園噴霧機發(fā)展現(xiàn)狀及展望［J］．中國農(nóng)機化學報，2014，35(3):113－117．

　?。?］戴奮奮．風送噴霧機風量的選擇與計算［J］．植物保護，2008，34(6):124－127．

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