發(fā)布時間：2020-02-21所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為提高果園風(fēng)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(fēng)機轉(zhuǎn)速下噴筒進出口風(fēng)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(fēng)機3個轉(zhuǎn)速下
摘要:為提高果園風(fēng)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(fēng)機轉(zhuǎn)速下噴筒進出口風(fēng)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(fēng)機3個轉(zhuǎn)速下(1450、1080、960r/min)，噴筒進口風(fēng)量隨風(fēng)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(fēng)口風(fēng)量相等;五指式的噴筒中氣流出現(xiàn)紊流的區(qū)域較小，風(fēng)速分布均勻，五指式噴筒內(nèi)部壓強分布均勻，各出風(fēng)口之間變異較小。減少了風(fēng)機能量損失，擴大噴霧機噴幅，滿足了果園風(fēng)送噴霧機的設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞:風(fēng)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(dān)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(yù)期[5-7]。
風(fēng)送式噴霧機通過氣流將霧滴送達靶標(biāo)，從而使得噴霧的穿透性能提高，霧滴不易飄移，附著率增大，主要針對果樹及高稈作物的噴施作業(yè)[8]。噴筒作為風(fēng)送式噴霧機的重要部件，其機構(gòu)將影響流場的分布噴幅[9]。立管風(fēng)送輔助噴霧技術(shù)可使霧滴飄失情況大大減少[10]，與圓形出風(fēng)口相比，設(shè)計成槽型則更有效[11]。祁力鈞等[12]在出風(fēng)口處安裝了錐形導(dǎo)風(fēng)筒和同軸柱形導(dǎo)風(fēng)筒，通過導(dǎo)風(fēng)筒進行運動軌跡和氣流速度的仿真分析。本文針對果園風(fēng)送式噴霧機設(shè)計了新型五指式噴筒，利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對風(fēng)機轉(zhuǎn)速1450、1080、960r/min時噴筒流場進行仿真，得到各個情況下噴筒內(nèi)部流場和出口風(fēng)速分布。
1風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)口附近，其管道斷面發(fā)生變大變小型的重復(fù)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(fēng)機能量損失嚴重。
為增加果園噴霧機的噴幅、減少風(fēng)機能量損失，同時保證各出風(fēng)口風(fēng)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(fēng)機剛性連接，故口徑大小相等。因為風(fēng)機風(fēng)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(fēng)口均勻分布在半徑為1080mm的圓弧上，各出風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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。
2.3計算方法
為減少計算成本，考慮噴霧機的實際工作環(huán)境，進行相應(yīng)的假設(shè):忽略粘度和溫度的變化產(chǎn)生的影響，湍流模型使用k-e模型;采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)和分離隱式求解器，采用SIMPLEC算法，設(shè)置收斂殘差為10e-4。
2.4邊界條件
噴筒進口風(fēng)速來源于風(fēng)機，因此邊界條件設(shè)置為“intake-fan”，并給定相應(yīng)的Pressurejump(DZ軸流-6#風(fēng)機轉(zhuǎn)速1450、1080、960r/min時對應(yīng)的全壓280、150、123Pa);出口設(shè)定為大氣壓。
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(fēng)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(fēng)口風(fēng)速分布均勻;每個轉(zhuǎn)速下5個出風(fēng)口風(fēng)速大小相同，變異系數(shù)小;風(fēng)機轉(zhuǎn)速越大，出風(fēng)口風(fēng)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(fēng)機各個轉(zhuǎn)速下流量值。
由圖6(a)可得:噴筒進口流量1.4799kg/s，5個出口流量和值與進口流量差值為3.7551e-6kg/s;5個出風(fēng)口流量非常接近，各出風(fēng)口流量最大差值0.00213kg/s。
由圖6(b)可得:噴筒進口流量1.6682kg/s，5個出口流量和值與進口流量差值為5.8115e-6kg/s;5個出風(fēng)口流量非常接近，各出風(fēng)口流量最大差值0.00485kg/s。
由圖6(c)可得:噴筒進口流量2.2547kg/s，5個出口流量和值與進口流量差值為-1.7762e-5kg/s;5個出風(fēng)口流量非常接近，各出風(fēng)口流量最大差值0.00724kg/s。
由圖6可看出:3個轉(zhuǎn)速下，噴筒進口風(fēng)量隨風(fēng)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(fēng)口風(fēng)量相等，符合設(shè)計要求。
3.2噴筒內(nèi)部速度場分析
噴筒不同工況下(風(fēng)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(fēng)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(fēng)筒出現(xiàn)紊流的區(qū)域較小。
3.3噴筒內(nèi)部壓力場分析
噴筒不同工況下(風(fēng)機轉(zhuǎn)速1450、1080、960r/min)，Z=0截面處噴筒內(nèi)部壓力場云圖如圖9所示。
由圖9可得:五指式噴筒內(nèi)部壓強分布均勻，在擴幅段存在極少部分的壓力集中區(qū)域，這是由于流道由小變大再變小造成的，不可避免壓力損失;在由擴幅段變?yōu)?指時，截面突變，各個出風(fēng)口之間存在一定夾角導(dǎo)致，對噴筒整體影響較小;五指式噴筒出風(fēng)口壓強分布均勻，各出風(fēng)口之間變異較小。
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4結(jié)論
1)根據(jù)果園風(fēng)送式噴霧機設(shè)計需求，為增加果園噴霧機的噴幅、減少風(fēng)機能量損失，同時保證各出風(fēng)口風(fēng)速的均勻，設(shè)計了一種新型風(fēng)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(fēng)機3個轉(zhuǎn)速下，噴筒進口風(fēng)量隨風(fēng)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(fēng)口風(fēng)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(fēng)速分布均勻，且噴筒內(nèi)部壓強分布均勻，各出風(fēng)口之間變異較小。
