果园喷雾机五指式喷筒流场数值模拟与分析

　　摘要:为提高果园风送式喷雾机喷幅及整体施药效果，在课题组前期研究基础上设计了一种新型五指式喷筒。通过CFD仿真模拟对五指式喷筒内部的流场进行数值分析，对不同风机转速下喷筒进出口风速和Z=0截面上速度、压力展开对比分析。仿真结果表明:在风机3个转速下(1450、1080、960r/min)，喷筒进口风量随风机转速的增大随之增加;各个转速下喷筒进出口流量差值很小，从而确定仿真结果可靠;五指式喷筒各个出风口风量相等;五指式的喷筒中气流出现紊流的区域较小，风速分布均匀，五指式喷筒内部压强分布均匀，各出风口之间变异较小。减少了风机能量损失，扩大喷雾机喷幅，满足了果园风送喷雾机的设计要求。

　　关键词:风送式喷雾机;喷筒;数值模拟;流场分析

　　0引言

　　作为水果生产大国，我国在果树病虫害防治上面临严峻的问题，以农药过量使用和水果农药残留过多为主［1－2］。目前，国内对农业、林业、园艺和果园的病虫害防治主要采用手动踏板式/背负式喷雾机高压喷枪﹑背负式喷雾喷粉机及担架式喷雾机等设备，这些设备自动化程度较低，在果园病虫害方面只能完成对低矮果树和果苗的防治及除草工作，综合防治效率偏低［3－4］。在我国，果园的种植模式较为单一，主要为低矮密种植型，行距4～5m，树高3～3．5m，冠厚1．5～3m，行间距大小与冠厚相近，相邻的两行果树近似交叉，果园形成密闭状，使得常规农用果园喷雾机防治作业较为困难。此外，果树的树冠较高，枝繁叶茂，喷雾机作业时的雾滴容易被果树冠层遮挡，难以穿透，不能达到均匀沉积。由于果树外层密集叶片的遮挡，雾滴易于聚成液滴洒落，从而使得果树冠层内部病虫害防治效果不能达到预期［5－7］。

　　1风送式喷雾机喷筒结构设计

　　目前，市场上所用的果园风送式喷雾机，喷筒主体与扩幅喷筒被设计在一起。在喷筒主体的收缩段和出风口之间安装扩幅喷筒，收缩段喷筒先直接外扩再收缩［13］。在该结构的扩幅段出风口附近，其管道断面发生变大变小型的重复突变，而此时管道内的气流在惯性作用下，是不会因管道变化而立刻产生突变的，容易造成风机能量损失严重。为增加果园喷雾机的喷幅、减少风机能量损失，同时保证各出风口风速的均匀，本文设计了一种新型喷雾机喷筒，如图1所示。五指式喷筒二维图如图2所示。其中，柱形段直径为460mm，与风机刚性连接，故口径大小相等。因为风机风速存在漩涡，柱形段长度取400mm，起到稳定气流的作用;5个出风口均匀分布在半径为1080mm的圆弧上，各出风口之间夹角为13°，半径为150mm;扩幅段由柱形段圆截面渐变成矩形截面，矩形截面均匀分成5部分，类似于人体手指5指。五指式喷筒，起到了扩幅作用，同时保证了各出风口均匀。

　　2五指式喷筒计算模型仿真模拟

　　2．1模型建立与计算域确定

　　通过前期设计，本文利用Workbench完成五指式风筒的仿真模型，如图3所示。

　　2．2网格划分

　　利用流体前处理软件对五指式喷筒网格划分，采用四面体网格划分，喷筒中界面突变部位进行加密网格处理。对423625和302079两套网格计算进行网格无关性检验，发现两者风机转速相同情况下仿真进口流量的相对差值在2%以内，因此选择423625网格对流场进行数值模拟，网格单元数为423625、节点数79562，如图4所示。

　　3五指式喷筒仿真模拟结果分析

　　3．1喷筒进出口速度分析

　　喷筒不同工况下(风机转速1450、1080、960r/min)进出口速度云图如图5所示。由图5可看出:3个转速下，喷筒每个出风口风速分布均匀;每个转速下5个出风口风速大小相同，变异系数小;风机转速越大，出风口风速越大，与之成正比。监测喷筒进出口流量，得到如图6所示风机各个转速下流量值。

　　3．2喷筒内部速度场分析

　　喷筒不同工况下(风机转速1450、1080、960r/min)，Z=0截面处喷筒内部速度的分布如图7所示。速度矢量图如图8所示。由图7和图8可得:椭圆形线界定的范围表示该区域内存在湍流，由于柱形段稳流作用，有利于风轴向运动，降低旋流。因此，得出在扩福阶段以轴向运动为主，局部区域存在湍流。五指式喷筒的扩幅段先按圆柱形式收缩，接着以轴截面为矩形的梯台扩幅，喷筒的扩幅段会同时发生水平收缩与垂直扩张，气流在该类型扩幅段不会出现单一的收缩和扩张，气流管道的断面不会发生突变。因此，本设计风筒出现紊流的区域较小。

　　4结论

　　1)根据果园风送式喷雾机设计需求，为增加果园喷雾机的喷幅、减少风机能量损失，同时保证各出风口风速的均匀，设计了一种新型风送式喷雾机五指式喷筒。

　　2)利用CFD仿真技术对五指式喷筒内部流场进行数值模拟，结果表明:在风机3个转速下，喷筒进口风量随风机转速的增大随之增加;各个转速下喷筒进出口流量差值很小，从而确定仿真结果可靠、收敛;五指式喷筒各个出风口风量相等，符合设计要求。

　　3)仿真结果表明:五指式的喷筒中气流出现紊流的区域较小，风速分布均匀，且喷筒内部压强分布均匀，各出风口之间变异较小。

　　参考文献:

　　［1］何雄奎，严苛荣．果园自动对靶静电喷雾机设计与试验研究［J］．农业工程学报，2003，19(6):78－80．

　　［2］张海锋，许林云．果园喷雾机发展现状及展望［J］．中国农机化学报，2014，35(3):113－117．

　　［3］戴奋奋．风送喷雾机风量的选择与计算［J］．植物保护，2008，34(6):124－127．

《果园喷雾机五指式喷筒流场数值模拟与分析》

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