多风筒风送喷雾系统的设计与试验

荀 露 ,李 君,2,陆华忠,2,李志强,卢忠岳,袁谋青

(1.华南农业大学 工程学院,广州 510642;2.南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室,广州 510642)

0 引言

大容量、淋雨式的喷雾方法常见于我国大部分果园,在施药过程中农药流失、漂移严重,农药有效利用率低,且会造成严重的环境污染[1]。风送喷雾技术能够增加雾滴动能,提高对果树冠层的穿透性,且由于气流对枝叶的扰动作用,可有效改善叶片正反面的沉积,因而被广泛运用到果园的植保作业中[2-11]。

为使不同类型风送喷雾机的风场特性与果树冠层特征相匹配,有效提高雾滴在果树冠层的覆盖率,目前已进行了大量相关研究。李龙龙等[7]设计的多风机式果园风送喷雾机,利用冠层分割模型,得到单个雾化单元所需风量,通过控制无刷直流风机转速实现风量的局部调节,增加雾滴穿透性和施药精准度。吕晓兰等[12]通过仿真和试验研究了轴流式果园风送喷雾机导流板角度对气流场三维分布的影响,结果表明:分别以果树树干高度和冠层高度为依据,调节上下导流板的角度,使风场的垂直分布与果树冠形相适应,有利于气流胁迫雾滴进入果树冠层。宋淑然等[13]对宽幅风送喷雾机空间气流场的分布规律进行了研究,结果表明:风筒轴心上的气流速度随风送距离的增加呈现幂函数衰减,为得到契合果树冠层的风速和雾滴沉积,喷雾作业时靶标果树与出风口间的距离应选择合理。

由于多风筒风送喷雾系统的组成相对复杂,其气流场分布及喷雾效果有待进一步研究。为此,本文对该系统的各部件进行了选型和设计,并对系统的风场分布特性和喷雾效果进行了测试,以期为多风筒喷雾机的优化提供借鉴和参考。

1 风送喷雾系统组成

果园多风筒喷雾机的风送系统主要由离心风机、多口分配器、柔性输风管和风筒构成,如图1所示。

1．风筒 2.柔性输风管 3.多口分配器 4.离心风机图1 风送系统组成图Fig.1 Air delivery system。

离心风机产生的气流,首先通过有多个圆形出风口的多口分配器,然后经柔性输风管和风筒扩散到外部空间。喷头内置在风筒内部,液力雾化的雾滴能够与风送系统产生的气流场充分混合,发挥风场的辅助作用。风筒固定在可调杆架上,手动调节风筒在空间的高度、宽度和角度来适应不同的靶标[14]。

2 风送喷雾系统关键部件设计

2.1 风机选型

风机选型主要在于风量和风压的确定。根据置换原则[15]和压力损失的计算,可分别确定满足果园喷雾使用要求的风量和风压。以南方果园[16]为标准,计算得风量Q=0.24～1.5m3/s,风压P要大于774.7Pa。按照设计要求,选择了九洲普惠11-62多翼式离心风机,风量为2.2～2.8m3/s,风压为1 090～1 167Pa。

2.2 多口分配器设计

多口分配器设计成半圆柱面,增加可利用的出风口数量。为提高对果树冠层的适应性,共设计了8个出风口,如图2所示。当对不同幅宽要求的靶标进行喷雾作业时,可用端盖堵住特定出风口进行调整。为实现各出风口风量的调节,在多口分配器圆形出风口内安装有可调角度的风门,通过改变出风面积有效调节出风量。

图2 多口分配器Fig.2 Configuration of the distributor。

离心风机矩形出风口的长L、宽W分别为350mm和320mm,以出风口长度L作为多口分配器的直径。各出风口采用梅花形排布,提高各出风口风速的均匀性。综合考虑空间尺寸限制和柔性风管的配合要求,出风口直径取为80mm。为得到出风口风速分布情况,利用风速仪测试了各出风口在风机转速660、810、960r/min下的风速值:平均值和变异系数分别为18.68m/s、2.13%,21.39m/s、1.18%,24.84m/s、4.24%。变异系数都在5%以下,证明此结构的多口分配器风速分布均匀性较好。

2.3 风筒设计

为改善风筒出口气流的空间分布,设计了如图3(a)所示的带导流装置的风筒。风筒由柱形喷筒、锥形喷筒、扩幅喷筒三段构成[17]。其中,柱形喷筒和锥形喷筒内安装有4片导流片和1个椭球形导流器,可有效减少喷筒内的涡流,使气流速度向轴线集中;扩幅喷筒用于提高喷雾机的喷幅。风筒通过3D打印一体成型,质量轻且精度高。

图3 风筒Fig.3 Air duct。

扩幅喷筒的底部和两侧面开有小孔,药管一端穿过底部小孔与喷雾系统相连,另一端通过两圆杆卡接在侧面小孔内。喷嘴通过螺纹与药管相连,内置在风筒内部,液力雾化的雾滴能够与风场充分混合,发挥辅助风场的作用。

扩幅喷筒的结构参数如图3(b)所示。为达到压缩扩幅效果[18],对各参数进行了设计和计算。扩幅喷筒入口直径D=75mm,为保证压缩效果,同时留有喷嘴安装空间,出风口宽度B设计为45mm。当入口直径和出风口宽度确定之后,喷筒长度L决定了水平方向的压缩率。为使扩幅喷筒与锥形喷筒间光滑过渡,同时保证压缩效果,最终确定风筒长度为120mm。出风口高度H与射流在空间的扩散角有关,试验测得风筒其它参数固定时,在风机额定转速下,射流扩散角接近15°,气流到达出风口时的喷幅为200mm,所以出风口高度H取200mm。

3 风场分布特性试验研究

3.1 试验仪器

希玛AR866A热线式风送计,风速测量范围0.3～30m/s,分辨率0.01m/s,风速测量误差±3%;自制的风场测量定位采样架高3m,宽2m,网格大小11cm×11cm,铁丝直径2.5mm[13];光电式转速计(10～99 999r/min),直尺等。

3.2 试验方法

3.2.1 单风筒风场分布特性试验

利用采样架测量时,每个截面测量3个数据:风筒轴心上的风速值,沿风筒长轴方向风速为2m/s的上下两个位置点。以20cm为间隔移动采样机进行测量,直到轴心风速小于2m/s。分别在风机转速960r/min(额定转速)和660r/min的工况下进行试验。

3.2.2 多风筒风场分布特性试验

利用采样架测量时,以中间风筒轴线与采样架平面交点为中心,以网格边长0.11m为步进值,沿铅锤方向向两侧延伸进行测量。在每个测量点上,取10s内的平均风速作为该点的采样值,直到风速值小于0.3m/s。以25cm为间隔移动采样机进行测量,试验时各风筒出口风速调节为10m/s。中间风筒位置固定,调节上下风筒位置,在风筒垂直间距分别为25、33、41cm进行3组试验。风场测试现场如图4所示。

图4 风场测试现场图Fig.4 The field site of wind velocity distribution。

3.3 试验结果与分析

3.3.1 单风筒风场分布特性

不同转速下轴心上的风速曲线随风送距离的变化规律如图5所示。对曲线进行拟合表明,使用幂函数拟合时决定系数最大。高低转速下,试验拟合的幂函数分别为

图5 轴心上的风速曲线Fig.5 Variation curve of longitudinal airflow。

V(960r/min)=4.5x-0.08,R2=0.95

(1)

V(660r/min)=5.53x-0.73,R2=0.96

(2)

由此可见,出风口轴心上的风速呈幂函数衰减,距出风口较近时,风速急剧衰减,随着风送距离的增加,衰减程度不断减小。

图6为风机为960r/min和660r/min时风筒出分口的射流边界曲线。在高转速和低转速下,其变化规律呈现出一致性:上下射流边界曲线,在达到最大喷幅前成线性扩展,之后开始无规律的衰减收缩。高转速下,在2m处达到最大喷幅85cm;低转速下,在1.2m处达到最大喷幅52cm。风筒喷出的高速气流在开始阶段不断卷吸周围的空气,射流边界曲线线性扩大;达到射程后,能量严重衰减,边界开始无规律地向内收缩。分别对线性部分进行拟合,其函数和决定系数分别为

图6 出风口射流边界曲线Fig.6 Curve of jet boundary at outlet。

y1=0.1342x+0.1184,R2=0.9624

(3)

y2=-0.1414x-0.0991,R2=0.8817

(4)

y3=0.1341x+0.103,R2=0.9293

(5)

y4=-0.1473x-0.091,R2=0.9581

(6)

高转速下,两条射流边界曲线y1、y2交于点(-0.785,0.0125),与x轴的夹角分别为7.643°、8.049°;低转速下,两条射流边界曲线y3、y4相交于点(-0.689,0.0106),与x轴的夹角分别为7.638°、8.379°。高转速和低转速下,射流边界曲线的交点基本落在x轴上,上下夹角差异很小,风筒出风口的射流边界曲线基本以风筒轴线为中心上下对称地进行线性扩展。

3.3.2 多风筒风场分布特性

不同风筒间距下,喷雾机的风场分布如图7所示。当间距为33cm和41cm时,风场分布类似:当风送距离较小时,与风筒等高的位置出现风速的高峰区;随着距离的增大,风速分布呈中间高、上下低的纺锤形。当风送距离较小时,各出风口的气流是分散状态,因而出现了3个高峰区;随着距离的增大,3股气流的边界曲线呈线性扩展,在空间开始混合并相互作用,中间区域的风速值趋向一致,上下边界的气流不断衰减,呈现纺锤形。

图7 不同风筒间距下的气流场分布Fig.7 Wind velocity distribution under different air duct spacing。

当风筒间距为25cm时,风场在各垂直截面的分布呈现一致性:中间区域是风速的高峰区,上下两侧风速值急剧减小;当风筒间距为25～50cm时,风速衰减明显,之后风速开始缓慢衰减。由于风筒间距小,3股气流在25cm处就开始接触混合,形成了中间区域风速均匀、稳定的风幕。

针对冠形规则的果树(如篱壁型),可适当减小风筒间距值,形成风幕一样的风场适应果树冠层;针对冠形变化较大的果树,如纺锤型、三角型,可适当增大风筒间距,使风速的高峰区与冠厚大的区域相匹配。

不同间距下,风场的垂直截面分布具有良好的对称性,说明所设计的风送系统保证了各风筒气流分布的一致性和稳定性。

4 喷雾作业性能试验

4.1 试验材料与方法

为验证多风筒风送喷雾系统的喷雾效果,选择冠高1.5m、冠厚1.2m的柑橘树进行试验,如图8所示。在冠层高度分别为50、80、110cm的左边缘中部及右边缘共布置9个采样点,在叶片的正反面用回形针固定水敏纸。采样点布置情况如8(b)所示。

图8 试验柑橘树与采样点布置Fig.8 Sample distribution and Citrus tree used in the experiment。

试验时,作业速度1m/s,喷雾距离30cm,喷雾压力0.5MPa。选用雾锥角为80°的扇形雾喷头进行双侧喷雾试验,每组试验重复3次。根据此柑橘树的冠形和冠高,风筒间距取33cm,各风筒的出风口风速调节为10m/s。

4.2 试验结果与分析

试验结束后,利用DepositScan分析水敏纸的雾滴覆盖率。点1、2、3视为左列,点4、5、6视为中列,点7、8、9视为右列;点1、4、7视为上层,点2、5、8视为中层,点3、6、9视为下层。冠层内的沉积状态如图9所示。

图9 冠层沉积试验结果Fig.9 Droplet coverage on the canopy。

柑橘树冠层左右两外侧雾滴覆盖率基本相同,叶片正面雾滴覆盖率分别为62.25%和58%,叶面背面雾滴覆盖率分别为24.99%和19.46%。由于冠层的遮蔽作用,冠层内部的药液附着有所减少,叶片正反面的覆盖率分别为43.82%和14.23%,冠层内部叶片反面仍然有不少雾滴沉积,说明所施加的辅助气流能够穿透果树冠层,对枝叶产生扰动作用,增加叶片背面的沉积。

冠层不同高度处的叶片,正反面的雾滴覆盖率基本一致,正面为53.25%～57.21%,反面为17.72%～20.72%。由此表明:辅助气流场与冠层特征匹配良好,提高了雾滴在冠层不同高度的覆盖均匀性。

利用DepositeScan分析样本沉积密度的最小值为66.6个/cm2,满足病虫害防治的要求20个/cm2。

5 结论

1)单个风筒轴心上的风速值随风送距离呈幂函数衰减,射流边界曲线先线性扩展,达到最大喷幅后开始无规律地衰减和收缩。

2)根据不同风筒间距下喷雾机的风场分布特性,在实际喷雾作业中,针对冠形规则的果树(如篱壁型),可适当减小风筒间距,形成风幕一样的风场适应冠层;针对冠形变化较大的果树(如纺锤型、三角型),可适当增大风筒间距值,使风速的高峰区与冠厚大的区域相匹配。

3)柑橘树的喷雾试验表明:施加的辅助风场能够穿透冠层,提高冠层内部的雾滴沉积;风场与冠层特征匹配良好,冠层不同高度处的雾滴覆盖率分布均匀;雾滴沉积密度最小值为66.6个/cm2,满足病虫害防治要求。