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风送式喷雾机风筒结构设计与试验探讨

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摘要:基于棉花喷施落叶剂的需求,针对现有的棉花风送式施药机,设计了一种风送式喷雾机风筒,并利用计算流体动力学(CFD)仿真技术对风送式喷雾机风筒内外流场的三维区域进行了仿真,研究风筒气流场分布。仿真结果表明:风筒4个出风口处的速度分布均匀,整个风筒内流场区域风速变异系数较小。同时,通过试验验证了该仿真模型的可靠性,并将设计的风筒安装在喷雾机上进行实际大田作业,检验风送式喷雾机的雾滴沉积分布情况。试验结果表明:棉花整个冠层的叶片正面雾滴沉积率达到了79.58%,叶片反面雾滴沉积率达到了33.38%,冠层上部、中部、下部叶片正反面雾滴平均沉积率相差均<10%,整个冠层雾滴沉积分布均匀性较好。

关键词:风送式喷雾机;风筒;计算流体动力学;流场分析

0引言

新疆建设兵团机械化规模棉花种植面积约70万hm2,主要采用矮化密值种植模式,普通喷杆式喷雾机无法穿透棉花冠层,施药效果不佳[1-4]。为提高施药效果,在现有普通喷杆式喷雾机的基础上,先后出现了吊杆式喷雾机和风送式喷雾机。吊杆式喷雾机虽然在药液沉积分布和施药效果上有所改善,但雾滴难以在冠层内扩散,冠层内的药液沉积分布极不均匀;风送式喷雾技术主要是利用气流将农药雾滴喷入作物冠层,可大幅度增加冠层内部的药液沉积量[5-9]。Endalew等[10]利用仿真技术建立了风送式喷雾机的仿真模型,对喷雾气流速度的高低分布进行了研究。TsayJR等[11]利用CFD仿真技术对果园风助式喷雾机的雾滴穿透及喷雾性能进行了研究。祁力钧等[12]在原有喷雾机的出风口设计安装1个锥形导风筒和1个同轴柱形导风筒,对两种结构不同的导风筒进行数值模拟,分析其运动轨迹和出风口处的气流速度分布。张晓辉等[13]在原有风筒上增加导流板装置,减小出口尺寸和出口间距,试验表明改进后的风筒能实现高效和风速变异小的风幕。洪添胜等[14]利用仿真方法,研究了风筒内导流片数目对内部流场的影响,试验结果表明导流片数目一般以4~5为宜。宋淑然等[15]利用数值及正交试验的方法,对风送式喷雾机的喷筒结构进行了优化,仿真计算模型并通过试验验证了模型的可信度。本课题组利用风送式喷雾技术,设计了棉花施药喷杆喷雾机[16]。在此喷杆喷雾机上的风送系统设计中,导风筒的结构是基于经验设计完成,在大田试验过程中虽然对气流扰动有一定的效果,但出风口处的风速分布均匀性和作物雾滴沉积性还有待提高。国内外学者的研究发现:CFD仿真技术对喷雾机结构及其性能的研究是可行的,且研究发现风送式喷雾机风筒结构及内部导流片形状对风筒内流场分布和出风口速度分布具有较大的影响,从而影响喷雾分布均匀性、雾滴沉积均匀度。针对现有的棉花施药风送式喷雾机,本文设计了一种风送式喷雾机风筒,并利用CFD仿真技术研究风筒气流场分布,通过试验验证模型的可靠性,将设计的风筒安装在喷雾机上进行实际大田作业,检验了风送式喷雾机的雾滴沉积分布情况。

1风送式喷雾机风筒结构设计

为了提高风送式喷杆喷雾机的施药效果,在实际施药过程中,风筒出风口处的风速分布要尽量保持均匀,在进风口到出风口的过程中,内流场的区域的变异系数要尽量小,且在各个局部交接点要保持较小的耗气量。为了满足上述要求,本文设计一种风送式喷雾机风筒,具体设计结构如下:风送式喷雾机风筒外部结构如图1所示。风筒由柱形段和锥形段组成,进风口柱形段与出风口柱形段之间的夹角为160°,锥形段部分分成对称的两侧出风口部分。

2风送式喷雾机风筒计算模型仿真模拟

2.1模型建立与计算域确定

在风筒流场分析之前,首先要建立风筒的仿真模型。

2.2网格划分

本文采用ICEM对风筒及外流场进行网格划分,由于风筒内部结构比较复杂,外流场部分相对规则,故将分成的两个部分分别进行网格划分。风筒部分采用非结构化网格,外流场部分采用结构化网格,两部分均为体网格;在风筒的进风口与出风口处采用网格加密,并且在内外流场交界处创建交界面。

2.3数值计算与仿真结果分析

2.3.1数值计算参数设置

边界条件是指在求解域的边界上所求解的变量或者其一阶导数随地点及时间变化的规律。合理的边界条件是CFD稳定有正确定解的前提,也是计算收敛并得以进行的前提[5]。风筒气流场仿真计算模型为Realizablek-ε湍流模型,进口采用速度进口边界条件,进口速度为20m/s,湍流密度为5%,水力直径为104mm;出口为压力出口边界条件,出口压力为大气压,回流湍流强度为5%,回流水力直径为162mm;壁面条件为默认的WALL壁面函数,内部交换面设为Interior;选空气作为材料,材料密度设为1.225kg/m3,动力粘度设为1.7894×10-5Pa•s。本文采用分离式求解器,压力速度耦合方式选用Simple算法,采用二阶迎风格式进行求解。当各项参数设置完毕后,设置迭代步数5000进行计算,在迭代计算1666步后,各项残差值均低于10-4,计算收敛。

2.3.2仿真结果分析

选取风筒的两个侧面分别观测风筒内部的气流速度和风筒外流场气流的速度云图,分别如图8、图9所示,整个风筒的气流走势迹线图如图10所示。不同颜色表示不同的气流速度。根据图8所示的风筒内流场速度分布,仅在导流板与导流片的交接处出现较小的气流漩涡,此旋流对耗气量影响较小,风筒4个出风口处的速度分布均匀,整个风筒内流场区域风速变异系数较小。

3试验验证与分析

3.1验证装置

为了更进一步验证仿真结果,定量地对风筒外流场的相关点进行了速度测试。

3.2风场测试方法

为了检验风筒的气流强度及均匀性,对风筒的气流场速度分布进行了测试,测试点分布如图12所示。测试区域取风筒出风口平行区域,横向宽度为0.6m,测试区域纵向长度为0.4m;从出风口处开始,横向与纵向均间隔0.05m,即取8排测试点,每排测试13个点,共104个测试点。试验时,风机连接变频器,通过改变频率,使风筒进口风度达到相对稳定的气流速度,约为20m/s。本试验采用VT100型热线风速仪(法国KIMO仪器公司)进行风速测试,每个测试点测量6次取均值。

3.3试验结果及分析

图13(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)所示分别为不同的纵向距离下每个横向测试点的试验值与仿真值的对比折线图。从8个对比的折线图中可以看出:实测值与仿真值的趋势基本保持一致,因此风筒所建立的仿真模型有效。根据图13(a)、(b)、(c)、(d)的折线图发现:离地距离为0.85m~0.7m的4个出风口的风速基本保持一致。这表明,4个出风口的风速较为均匀。

4大田试验效果

4.1试验方法

为检验安装该风筒后喷雾机的雾量沉积分布情况,选择田间进行喷雾机实际作业。

4.2试验结果

应用MatLab软件对扫描完成的水敏纸图像进行处理,将灰度图像转化成二值化图像,根据二值化图像的像素点统计计算每个测试点叶片的雾滴沉积率。5结论1)设计了一种风送式喷雾机的风筒结构,通过建模及参数设置对风筒的内流场和外流场进行仿真分析,分析风筒出风口处及外部流场的风场情况。通过室内试验对风场进行试验测试,并对比实测值与仿真值,验证了风筒仿真模型的有效性。2)将该风筒实际运用到大田试验中,并通过图像处理的方法对棉花上的雾量沉积分布特性进行研究。雾量沉积分布试验结果表明:棉花整个冠层的叶片正面雾滴沉积率达到了79.58%,叶片反面雾滴沉积率达到了33.38%,冠层上部、中部、下部叶片正反面雾滴平均沉积率相差均<10%,整个冠层雾滴沉积分布均匀性较。3)该风筒结构设计在一定程度上有效减小了漩涡,提高了冠层内部的雾滴沉积率,但依然存在局部损失;出风口处的风速分布较均匀,但外流场部分的风速的分布并没有达到出风口处的均匀性。后期将对风筒进行结构优化,进一步减小局部损失。风筒的柱形段及锥形段的结构尺寸对流场的影响有待于进一步的研究。

参考文献:

[1]刘刚,张晓辉,范国强,等.棉花施药机械的应用现状及发展趋势[J].农机化研究,2014,36(4):225-228.

[2]陈志刚,吴春笃,杨学军.喷杆喷雾雾量的分布均匀性[J].江苏大学学报:自然科学版,2008,29(6):465-468.

[3]何雄奎,曾爱军,刘亚佳,等.水田风送低量喷杆喷雾机设计及其参数研究[J]农业工程学报,2005,21(9):76-79.

[4]张铁,杨学军,董祥,等.超高地隙风幕式喷杆喷雾机施药性能试验[J].农业机械学报,2012,43(10):66-71.

[5]戴奋奋.简论我国施药技术的发展趋势[J].植物保护,2004,30(4):5-8.

[6]张铁,杨学军,严荷荣,等.超高地隙喷杆喷雾机风幕式防飘移技术研究[J].农业机械学报,2012,43(12):77-86.

[7]燕明德,毛罕平,贾卫东,等.风幕式喷杆喷雾气液两相流数值模拟[J].农业机械学报,2013,44(10):68-74.

[8]燕明德,贾卫东,毛罕平,等.风幕式喷杆喷雾雾滴粒径与速度分布试验[J].农业机械学报,2014,45(11):104-110.

[12]崔志华,傅泽田,祁力钧,等.风送式喷雾机风筒结构对飘移性能的影响[J].农业工程学报,2008,24(2):111-115.

[13]刘雪美,张晓辉,侯存良.喷杆喷雾机风助风筒流场分析与结构优化[J].农业机械学报,2011,42(4):70-75.

[14]宋淑然,夏侯炳,卢玉华,等.风送式喷雾机导流器结构优化及试验研究[J].农业工程学报,2012,28(6):7-12.

[15]宋淑然,夏侯炳,刘洪山,等.风送式喷雾机喷筒结构优化数值模拟与试验[J].农业机械学报,2013,44(6):73-78,5.

[16]魏新华,邵菁.棉花分行冠内冠上组合风送式喷杆喷雾机设计与试验[J].农业机械学报,2016,47(1):101-107,90.

作者:宋俊伟1;冯业2;吴姝1;魏新华1 单位:1.江苏大学,2.海信科龙空调公司开发中心

风送式喷雾机风筒结构设计与试验探讨责任编辑:张雨    阅读:人次