果园喷雾机五指式喷筒流场数值模拟与分析

陶 涛 ,魏新华

(1.扬州工业职业技术学院, 江苏 扬州 225127;2.江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室,江苏 镇江 212013)

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]。

风送式喷雾机通过气流将雾滴送达靶标,从而使得喷雾的穿透性能提高,雾滴不易飘移,附着率增大,主要针对果树及高秆作物的喷施作业[8]。喷筒作为风送式喷雾机的重要部件,其机构将影响流场的分布喷幅[9]。立管风送辅助喷雾技术可使雾滴飘失情况大大减少[10],与圆形出风口相比,设计成槽型则更有效[11]。祁力钧等[12]在出风口处安装了锥形导风筒和同轴柱形导风筒,通过导风筒进行运动轨迹和气流速度的仿真分析。本文针对果园风送式喷雾机设计了新型五指式喷筒,利用CFD数值模拟技术对风机转速1 450、1 080、960r/min时喷筒流场进行仿真,得到各个情况下喷筒内部流场和出口风速分布。

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1 080mm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。

图1 五指式喷筒

图2 五指式喷筒二维图

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。

图3 五指式喷筒仿真模型

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423 625、节点数79 562,如图4所示。

图4 仿真模型网格化

2.3 计算方法

为减少计算成本,考虑喷雾机的实际工作环境,进行相应的假设:忽略粘度和温度的变化产生的影响,湍流模型使用k-e模型;采用标准壁面函数和分离隐式求解器,采用SIMPLEC算法,设置收敛残差为10e-4。

2.4 边界条件

喷筒进口风速来源于风机,因此边界条件设置为“intake-fan”,并给定相应的Pressure jump(DZ轴流-6#风机转速1 450、1 080、960r/min时对应的全压280、150、123Pa);出口设定为大气压。

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1 450、1 080、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。

(a) 960r/min

(b) 1 080r/min

(c) 1 450r/min

由图6(a)可得:喷筒进口流量1.479 9kg/s,5个出口流量和值与进口流量差值为3.755 1e-6kg/s;5个出风口流量非常接近,各出风口流量最大差值0.002 13kg/s。

由图6(b)可得:喷筒进口流量1.668 2kg/s,5个出口流量和值与进口流量差值为5.811 5e-6kg/s;5个出风口流量非常接近,各出风口流量最大差值0.004 85kg/s。

由图6(c)可得:喷筒进口流量2.254 7kg/s,5个出口流量和值与进口流量差值为-1.776 2e-5kg/s;5个出风口流量非常接近,各出风口流量最大差值0.007 24kg/s。

(a) 960r/min

(b) 1 080r/min

(c) 1 450r/min

由图6可看出: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。

3.2 喷筒内部速度场分析

喷筒不同工况下(风机转速1 450、1 080、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。

(a) 960r/min

(b) 1 080r/min

(c) 1 450r/min

(a) 960r/min

(b) 1 080r/min

(c) 1 450r/min

3.3 喷筒内部压力场分析

喷筒不同工况下(风机转速1 450、1 080、960r/min),Z=0截面处喷筒内部压力场云图如图9所示。

(c) 1 450r/min

由图9可得:五指式喷筒内部压强分布均匀,在扩幅段存在极少部分的压力集中区域,这是由于流道由小变大再变小造成的,不可避免压力损失;在由扩幅段变为5指时,截面突变,各个出风口之间存在一定夹角导致,对喷筒整体影响较小;五指式喷筒出风口压强分布均匀,各出风口之间变异较小。

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。