徐奕蒙，朱曉文，劉志杰，胡耀華,2,3*，谷芳*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌712100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100；

3.陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100）

對(duì)果園或田地進(jìn)行噴霧作業(yè)時(shí)，風(fēng)送式噴霧機(jī)發(fā)揮了很大的作用，但噴霧機(jī)械參數(shù)的差別和室外環(huán)境中的不確定因素，易導(dǎo)致霧滴在均勻分布和沉積特性方面存在著較大差別[1-5]。現(xiàn)代果園多采用低矮密植型種植模式，致使傳統(tǒng)的施藥機(jī)械難以入園操作，藥液噴施不均勻，難以進(jìn)入冠層內(nèi)部等，已不能適應(yīng)我國果園的發(fā)展形勢(shì)。考慮到果樹冠層對(duì)風(fēng)送噴霧氣流場的影響，國外科研人員研究了霧滴飄移與氣流場的關(guān)系[6-11]。國內(nèi)許多科研單位為研制出高效、噴霧質(zhì)量好、節(jié)水、省藥的果園噴藥機(jī)械做了大量工作，并取得了一些成果[12-14]；此外，還利用Fluent軟件對(duì)果樹噴霧用風(fēng)扇氣流速度場和霧滴沉積進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)，并建立了反映霧滴沉積量與沉積率關(guān)系的模型[15-18]；尤麗華等[19]和洪添勝等[20]根據(jù)仿形噴霧原理，對(duì)仿形噴霧的關(guān)鍵部件和系統(tǒng)進(jìn)行了研究，取得了較好的實(shí)際效果。

本研究針對(duì)現(xiàn)代低矮密植果園存在的噴藥不均、藥液難以進(jìn)入冠層內(nèi)部、機(jī)具較大等問題，結(jié)合低矮密植果園的種植特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可根據(jù)樹冠形狀調(diào)整風(fēng)送系統(tǒng)高度、噴霧效果好的噴霧機(jī)，旨在為仿形噴霧技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)箱設(shè)計(jì)

1.1 風(fēng)箱的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

1.1.1 風(fēng)箱幾何模型的建立

采用Pro/E、Meshing、Fluent軟件分別進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分、數(shù)值計(jì)算和處理分析，對(duì)數(shù)值模擬對(duì)象的初始條件、邊界條件和求解器進(jìn)行設(shè)置。

風(fēng)送系統(tǒng)是風(fēng)送式噴霧機(jī)最重要的部件之一，為方便調(diào)節(jié)風(fēng)向，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴霧，本研究設(shè)計(jì)了一種如圖1所示的噴霧機(jī)風(fēng)箱，風(fēng)箱兩側(cè)和上部分布著10個(gè)出風(fēng)口，風(fēng)箱中心孔為傳動(dòng)軸孔。

圖1 風(fēng)箱結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of bellows

將風(fēng)箱左下角作為坐標(biāo)原點(diǎn)，風(fēng)扇軸線方向作為Z坐標(biāo)軸，坐標(biāo)范圍為－0.5～1.5 m，模型高度方向作為Y坐標(biāo)軸，坐標(biāo)范圍為－0.5～5.5 m，水平方向作為X坐標(biāo)軸，坐標(biāo)范圍為－2.0～2.0 m，圓弧半徑為0.7 m，進(jìn)風(fēng)口直徑為0.15 m，兩側(cè)各對(duì)稱分布5個(gè)，模擬該風(fēng)箱流場的分布情況（噴霧機(jī)內(nèi)部流場）。

1.1.2 風(fēng)箱模擬結(jié)果和分析

利用Fluent軟件對(duì)風(fēng)箱流場進(jìn)行模擬分析。從圖2～3中可以看出，風(fēng)箱的2個(gè)下邊角氣流運(yùn)動(dòng)混亂，整個(gè)流場的風(fēng)速和壓力分布極不均勻，且風(fēng)箱中、下部壓強(qiáng)較大，有渦流存在，對(duì)能量的損耗較大。就此情況提出了3種假設(shè)：1）風(fēng)箱進(jìn)口的風(fēng)速太小；2）風(fēng)箱2個(gè)下邊角無法導(dǎo)流，使得到達(dá)此處的氣流運(yùn)動(dòng)混亂；3）風(fēng)箱2個(gè)下邊角無法導(dǎo)流，且到達(dá)風(fēng)箱后平面的氣流被反彈，造成了能量的損耗和混亂。

1.1.3 風(fēng)箱模擬優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)上述3種假設(shè)提出了改進(jìn)方案。

導(dǎo)流器的設(shè)計(jì)：風(fēng)箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)出風(fēng)量的影響很大，而導(dǎo)流板對(duì)風(fēng)力的能量損失量影響也較大。為減小噴霧機(jī)內(nèi)部流場的損失，提高噴霧機(jī)內(nèi)部流場氣流速度和壓力的均勻性，設(shè)計(jì)了一種對(duì)稱翼形的導(dǎo)流器（圖4），該導(dǎo)流器可以改變流場的流向，減小流場的損失。

圖2 Z=0.09 mm和X=0 m截面處氣流的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Pathlinesof air flow at Z=0.09 m and X=0 m section

圖3 Z=0.09 m和X=0 m截面處氣流速度云圖（A）和壓力分布云圖（B）Fig.3 Cloud imageof airvelocity(A)and static pressure（B）at Z=0.09mand X=0msection

圖4 導(dǎo)流器的設(shè)計(jì)Fig.4 Design of thedeflector

將風(fēng)箱入口風(fēng)速設(shè)定為15 m/s，保持其他參數(shù)不變，得到如圖5和6所示的模擬結(jié)果。從中可以看出，在增加了導(dǎo)流器并改進(jìn)了風(fēng)箱2個(gè)下邊角和出風(fēng)口后，噴霧機(jī)內(nèi)部流場的氣流速度和壓強(qiáng)分布比較均勻，風(fēng)箱的氣流運(yùn)動(dòng)軌跡也比較一致和規(guī)律。氣流自入風(fēng)口進(jìn)入，當(dāng)運(yùn)動(dòng)至對(duì)稱翼形導(dǎo)流器后會(huì)沿著導(dǎo)流器向風(fēng)箱的出風(fēng)口運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)至風(fēng)箱2個(gè)下邊角時(shí)會(huì)沿著圓弧形的導(dǎo)流器向上運(yùn)動(dòng)。因此，整個(gè)流場的氣流分布比較均勻，能量的損失比較小，該結(jié)構(gòu)有利于流場的均勻分布。

1.2 風(fēng)箱厚度對(duì)噴霧機(jī)內(nèi)部流場的影響

1.2.1 不同厚度的風(fēng)箱的幾何建模及網(wǎng)格劃分

圖5 氣流的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Pathlinesof air flow

圖6 Z=0.09 m截面處氣流速度云圖（A）和壓力分布云圖（B）Fig.6 Cloud image of velocity(A)and static pressure(B)at Z=0.09 m section

為了解風(fēng)箱厚度對(duì)噴霧機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速及內(nèi)部流場的影響，在Pro/E中建立3種不同厚度的風(fēng)箱模型，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computer fluid dynamics,CFD）技術(shù)進(jìn)行模擬分析。3種不同風(fēng)箱的厚度A1，A2，A3分別為180、240和300 mm，噴霧機(jī)的出風(fēng)口直徑為150 mm。這3種風(fēng)箱除厚度不同外，其他參數(shù)均相同，且均采用同樣的網(wǎng)格劃分方法和網(wǎng)格尺寸。

1.2.2 噴霧機(jī)內(nèi)部流場模擬結(jié)果和分析

沿風(fēng)箱入風(fēng)口至出風(fēng)口均勻選取13個(gè)具有代表性的風(fēng)速采樣點(diǎn)，觀察3種不同厚度風(fēng)箱中的風(fēng)速變化趨勢(shì)。風(fēng)速采樣點(diǎn)自入風(fēng)口至出風(fēng)口依次編號(hào)1～13，各編號(hào)采樣點(diǎn)坐標(biāo)值如表1所示。從中可知，1～3號(hào)采樣點(diǎn)在風(fēng)箱入風(fēng)口的直道上，4～11號(hào)風(fēng)速采樣點(diǎn)在彎道上，12和13號(hào)風(fēng)速采樣點(diǎn)靠近出風(fēng)口。用Fluent計(jì)算的各厚度風(fēng)箱在風(fēng)速采樣點(diǎn)的風(fēng)速值進(jìn)行分析處理，結(jié)果如圖7所示。當(dāng)風(fēng)箱厚度不同而其他參數(shù)均相同時(shí)，風(fēng)箱厚度越接近出風(fēng)口直徑，風(fēng)速采樣點(diǎn)的風(fēng)速值越大。因此，當(dāng)風(fēng)箱出風(fēng)口直徑一定時(shí)，風(fēng)箱厚度越小，噴霧機(jī)內(nèi)部流場的風(fēng)速越大。由建?？芍?，風(fēng)箱入風(fēng)口直徑為0.73 m，面積為0.42 m2，出風(fēng)口直徑為0.15 m，總面積為0.18 m2，入口風(fēng)速為15 m/s，出口風(fēng)速卻超過了40 m/s。由此可得到如下結(jié)論：1）當(dāng)風(fēng)箱出風(fēng)口直徑一定時(shí)，風(fēng)箱內(nèi)風(fēng)速隨著風(fēng)箱厚度的減小而增大；2）當(dāng)風(fēng)箱入風(fēng)口的面積大于出風(fēng)口的面積時(shí)，出風(fēng)口的風(fēng)速會(huì)大于入風(fēng)口的風(fēng)速。

表1 風(fēng)速采樣點(diǎn)坐標(biāo)Table 1 Coordinates of wind speed sampling points

圖7 不同厚度風(fēng)箱的風(fēng)速對(duì)比Fig.7 Comparisonof windspeedsatdifferentinterceptsof bellows

1.3 風(fēng)箱出風(fēng)口直徑對(duì)噴霧機(jī)內(nèi)部流場的影響

1.3.1 幾何建模及初始條件的設(shè)定

為了解出風(fēng)口直徑對(duì)噴霧機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速和內(nèi)部流場的影響，設(shè)計(jì)了3種不同出風(fēng)口直徑的風(fēng)箱。這3種風(fēng)箱除出風(fēng)口直徑B1，B2，B3分別為90、120、150 mm外，其他參數(shù)均相同，且風(fēng)箱厚度均為180 mm。為保證準(zhǔn)確性，試驗(yàn)時(shí)對(duì)3種風(fēng)箱的網(wǎng)格劃分方法、網(wǎng)格單元尺寸、初始條件和邊界條件均采用同樣的設(shè)置。風(fēng)箱入口設(shè)定為“velocity inlet”（風(fēng)速入口），風(fēng)速大小為15 m/s，方向垂直于風(fēng)箱入口平面，噴霧機(jī)出口設(shè)定為“pressure outlet”（壓力出口），除風(fēng)速入口和壓力出口外的所有風(fēng)箱壁面設(shè)定為“wall”（壁面）。

1.3.2 噴霧機(jī)內(nèi)部流場模擬結(jié)果和分析

同樣選取表1中的13個(gè)風(fēng)速采樣點(diǎn)，用Fluent軟件計(jì)算的各不同出風(fēng)口直徑風(fēng)箱在風(fēng)速采樣點(diǎn)的風(fēng)速值進(jìn)行分析處理。結(jié)果（圖8）顯示：在1～11號(hào)風(fēng)速采樣點(diǎn)，不同直徑的風(fēng)箱風(fēng)速變化趨勢(shì)和大小幾乎相同；在12號(hào)和13號(hào)風(fēng)速采樣點(diǎn)，隨著風(fēng)箱出風(fēng)口直徑的減小，風(fēng)速急劇增加。由表1中各風(fēng)速采樣點(diǎn)分布可知：1～3號(hào)風(fēng)速采樣點(diǎn)隨著距離的增加，風(fēng)速逐漸減小；4～11號(hào)風(fēng)速采樣點(diǎn)由于彎道變窄，風(fēng)速逐漸增加。由于1號(hào)至13號(hào)風(fēng)速采樣點(diǎn)的位置逐漸靠近噴霧機(jī)出風(fēng)口，在氣流到達(dá)出風(fēng)口之前，由于各出風(fēng)口直徑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并無差異，因此各風(fēng)速采樣點(diǎn)的風(fēng)速大小和變化趨勢(shì)也相同；在噴霧機(jī)出風(fēng)口附近，由于各風(fēng)箱風(fēng)量相同，隨著出風(fēng)口直徑的減小，出風(fēng)口風(fēng)速急劇增大。

圖8 不同直徑出風(fēng)口的風(fēng)速對(duì)比Fig.8 Wind speed comparison of different outlet diameters

圖9 不同截面的速度云圖Fig.9 Cloud imagesof velocity at different cross-sections

圖9 為不同直徑出風(fēng)口的風(fēng)箱在不同截面的速度云圖。從中可以看出：出風(fēng)口直徑為90 mm的風(fēng)箱在Z=0.09 m的截面處，流場的分布極不均勻，導(dǎo)流器附近氣流大小不一，在X=0 m的截面處，低速流場占了整個(gè)流場的近1/3，且位于導(dǎo)流器附近的氣流場混亂；出風(fēng)口直徑為120 mm的風(fēng)箱在Z=0.09 m的截面處，流場分布得到了極大的改善，但在風(fēng)箱下部仍然分布不均勻，在X=0 m的截面處，導(dǎo)流器附近的流場得到了一定程度的改善，低速流場的占比減少；出風(fēng)口直徑為150 mm的風(fēng)箱在Z=0.09 m的截面處，整個(gè)流場分布較為均勻，且整個(gè)流場上部和兩側(cè)氣流逐漸增大，在X=0 m的截面處，整個(gè)流場中高速流場占據(jù)絕大部分，導(dǎo)流器附近的氣流變化減少。由此可以得到以下結(jié)論：1）當(dāng)風(fēng)箱厚度相同而出風(fēng)口直徑不同時(shí)，出風(fēng)口直徑越接近風(fēng)箱厚度，流場的分布越均勻，自風(fēng)箱下部至風(fēng)箱上部和兩側(cè)，氣流速度也逐漸地增加；2）當(dāng)風(fēng)箱厚度相同而出風(fēng)口直徑不同時(shí)，出風(fēng)口直徑越接近風(fēng)箱厚度，出風(fēng)口風(fēng)速越小。

通過上述的模擬試驗(yàn)分析可知，當(dāng)風(fēng)箱厚度一定時(shí)，噴霧機(jī)出風(fēng)口直徑越大，噴霧機(jī)內(nèi)部流場的分布越均勻，但出風(fēng)口風(fēng)速越小。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大噴霧機(jī)出風(fēng)口直徑。

2 基于CFD的噴霧機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)外部流場模擬與分析

2.1 噴霧機(jī)外部流場模擬區(qū)域的建立和設(shè)置

將噴霧機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)簡化為10個(gè)風(fēng)筒（即10個(gè)進(jìn)風(fēng)口）。在ANSYSDesignModeler中建立模擬求解區(qū)域（圖10）。將圓弧軸中心位置作為坐標(biāo)原點(diǎn)，風(fēng)扇軸線方向作為Z坐標(biāo)軸，坐標(biāo)范圍為－0.5～1.5 m，模型高度方向作為Y坐標(biāo)軸，坐標(biāo)范圍為－0.5～5.5 m，水平方向作為X坐標(biāo)軸，坐標(biāo)范圍為－2.0～2.0 m。圓弧半徑為0.7 m；進(jìn)風(fēng)口直徑為0.15 m，兩側(cè)各對(duì)稱分布5個(gè)。

2.2 噴霧機(jī)外部流場模擬結(jié)果及分析

2.2.1 風(fēng)機(jī)風(fēng)速對(duì)氣流場的影響

圖10A～C分別是入口風(fēng)速為15、18、21 m/s（噴頭傾角都為85°）時(shí)在風(fēng)筒中心截面處的流場氣流速度等值線圖。從中可以看出：在不同風(fēng)速下流場分布規(guī)律并無差異，且每個(gè)風(fēng)筒的速度流場近似于圓錐臺(tái)形狀，每個(gè)風(fēng)筒沿著各自的軸中心線向遠(yuǎn)處發(fā)散；隨著風(fēng)送距離的不斷增大，氣流場的范圍也逐漸增大，但氣流速度逐漸減?。涣鲌龅南嗷プ饔脭U(kuò)大了氣流場的作用范圍，氣流場以外的地方幾乎不受氣流場的影響。此外，從噴霧機(jī)上方沿垂直方向的風(fēng)速-風(fēng)送距離關(guān)系曲線（圖10）可以看出，隨著風(fēng)送速度的增加，風(fēng)送距離也逐漸遞增，但流場分布特性基本一致。不同風(fēng)送速度下的總體趨勢(shì)為，隨著風(fēng)送距離的增加，風(fēng)速逐漸減小，但減小的幅度也逐漸變小。究其原因是出風(fēng)口氣流在交匯之前隨著距離的增加能量損失嚴(yán)重；而隨著距離的增加，出風(fēng)口流場逐漸交匯，氣流減小得較慢。

2.2.2 噴頭傾角對(duì)氣流場的影響

圖10 出風(fēng)口中心界面不同風(fēng)速下的流場Fig.10 Outlet center interface flow field at different wind speeds

噴頭傾角（風(fēng)筒與水平面）的夾角對(duì)噴霧機(jī)所能覆蓋的噴霧高度具有很大的影響，噴頭的傾角不同，噴霧機(jī)所能達(dá)到的噴霧高度也不同。設(shè)置入口風(fēng)速為15 m/s，當(dāng)噴頭傾角為85°時(shí)，噴霧機(jī)所能達(dá)到的流場高度最低為0.8 m，最高為大于5 m；當(dāng)噴頭傾角為40°時(shí)，噴霧高度最低為0.7 m，最高僅為2.1 m。隨著噴頭傾角的增大，噴霧高度相應(yīng)地增加。圖11是在風(fēng)速為15 m/s時(shí)噴頭傾角θ為30°、60°、85°時(shí)的模擬區(qū)域的流場。

圖11 不同噴頭傾角的流場Fig.11 Flow field of nozzle at different dip angles

當(dāng)噴頭傾角大于85°或者小于40°時(shí)，噴頭傾角變化對(duì)氣流場的改變影響不大。經(jīng)CFD模擬得到噴頭傾角在40°～85°下噴霧機(jī)噴霧高度（最大高度）與噴頭傾角間的關(guān)系，如圖12所示。可以看出，在一定范圍內(nèi)，噴頭傾角與噴霧高度基本呈線性關(guān)系，隨著噴頭傾角的增加，噴霧高度也相應(yīng)地增加。因此，在實(shí)際操作過程中可以根據(jù)果樹高度的不同，通過調(diào)整噴頭的傾角，改變噴霧高度和電磁閥的流量。通過數(shù)據(jù)分析處理，建立了噴霧高度與噴頭傾角的模型：H=0.059 9θ。式中：H為噴霧高度，m；θ為噴頭傾角，°。

因此，在噴霧機(jī)工作過程中，可以通過機(jī)器視覺等技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測果樹的高度和形狀，以此來調(diào)整噴頭的傾角，為噴霧機(jī)的自動(dòng)控制提供理論依據(jù)。

圖12 噴霧高度-噴頭傾角關(guān)系Fig.12 Relationship of spray height-dip angle

3 結(jié)論

本研究通過噴霧機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)內(nèi)部流場模擬設(shè)計(jì)了噴霧機(jī)風(fēng)箱，并對(duì)其在不同情況下的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，得到如下結(jié)論。

1）通過CFD技術(shù)對(duì)噴霧機(jī)風(fēng)箱進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化和分析，從最大限度地減小氣流能量的損失和渦流、保證流場分布均勻性的原則出發(fā)，設(shè)計(jì)了最佳的風(fēng)箱結(jié)構(gòu)。

2）通過對(duì)不同厚度的風(fēng)箱進(jìn)行流場模擬可知：當(dāng)出風(fēng)口直徑一定時(shí)，風(fēng)箱厚度越小，出風(fēng)口風(fēng)速越大；當(dāng)入風(fēng)口的面積大于出風(fēng)口時(shí)，出風(fēng)口的風(fēng)速會(huì)大于入風(fēng)口風(fēng)速。

3）當(dāng)風(fēng)箱厚度一定而出風(fēng)口直徑不同時(shí)，隨著出風(fēng)口直徑的增加，流場的分布逐漸趨于均勻，流場能量的損失也逐漸減??；自風(fēng)箱下部至風(fēng)箱上部和兩側(cè)，氣流速度也逐漸地增加。綜合考慮風(fēng)箱厚度、出風(fēng)口直徑、導(dǎo)流器的安裝等因素，最終確定出風(fēng)口直徑為0.15 m，風(fēng)箱厚度為0.18 m。

4）獲取了風(fēng)送距離與風(fēng)送速度的關(guān)系，為噴霧機(jī)的自動(dòng)控制提供了理論依據(jù)。

5）模擬結(jié)果建立了噴霧高度與噴頭傾角的關(guān)系線性模型：當(dāng)噴頭傾角大于85°或小于40°時(shí)，噴頭傾角變化對(duì)于氣流場的改變影響不大；在噴頭傾角為40°～85°時(shí)，隨著噴頭傾角的增加，噴霧高度也相應(yīng)地增加。

本研究結(jié)果可為智能化和自動(dòng)化噴霧提供理論依據(jù)。