锥形风场式防飘喷雾装置内流道优化与防飘特性

刘昶希，胡 军，李宇飞，赵胜雪，张 伟，李庆达

锥形风场式防飘喷雾装置内流道优化与防飘特性

刘昶希，胡 军※，李宇飞，赵胜雪，张 伟，李庆达

（1. 黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2. 黑龙江省保护性耕作工程技术研究中心，大庆 163319）

锥形风场式防飘喷雾装置是利用辅助气流进行防飘作业的一种创新结构形式。为分析其防飘机理，改善防飘喷雾作业效果，对现有装置进行优化设计与防飘特性研究。基于质子动力学基本定律，构建了单个雾滴在运动空气介质中的受力模型，明晰了锥形风场的防飘机理。运用流体力学理论分析内流道气流损失，并利用CFD数值仿真技术结合风场测试对防飘喷雾装置进行优化设计。结果表明：当内流道弯管的曲率半径设计为4 cm时，优化后装置出口处仿真试验风速较优化前提高23.5%，测试试验风速较优化前提高28%，风机有效利用率提高21.2个百分点，优化方案合理。风洞条件下装置防飘特性试验结果表明：侧风风速、喷头高度、锥风风速与总雾滴飘移量占比具有相关性，通过多因素正交试验建立的竖直和水平方向的数学模型显著性较高（<0.05，2分别为0.934、0.945），表明锥形风场可以抵御绕流涡旋的产生，具有减少雾滴在纵向高度上随风飘失的特性。该研究可为综合分析雾滴飘移沉积规律提供一定参考。

风洞；试验；优化；数值仿真；锥形风场；防飘特性；雾滴飘移

0 引 言

随着精准施药技术的推广和防飘喷雾技术的发展，气流辅助防飘喷雾技术已成为保障现代农业植保技术体系的重要组成部分[1-5]。气流辅助防飘喷雾技术具有明显的减药、增效特征，根据此项技术研制的风幕式喷杆喷雾机依靠沿喷头方向形成的气力式罩盖，抵消或转化自然风，并以此增强雾滴穿透性大幅降低农药飘移量[6-8]。国内外许多研究人员对雾滴的飘失过程及其影响因素进行了大量的试验研究，试图通过调整辅助气流形式、喷嘴工作参数等方法来减少雾滴飘失，改善药液空间分布特性，以期更加深入地掌握雾滴的防飘机理[9-13]。

由于田间试验结果难以重复，且易受风速、温度等气象条件影响，因此国内外学者常采用风洞开展有关雾滴防飘特性的研究[14-18]。Gupta等[19]利用风洞模拟了气流特性对雾滴在植物冠层不同部位运输和沉积的影响。Reichard[20]首次利用CFD数值仿真技术对风洞条件下的雾滴飘移进行了预测。茹煜等[21]利用风洞比较不同气流、风速条件下的雾滴浓度，建立了雾滴飘移距离预测模型，在与实际值进行比较后认为该模型较为可行。曾爱军等[22]将单个旋翼与喷头组成的喷雾单元放置在风洞内模拟飞行喷雾试验，通过改变喷头与助剂的不同组合得出了雾滴在水平和竖直方向的变化规律，该研究为进一步探究无人机防飘、减飘技术提供了参考。在此基础上，王昌陵等[23]首次将四旋翼植保无人机喷雾单元安装在循环风洞中，探究了喷头类型和型号、飞行速度、助剂种类以及气象条件对喷雾飘移特性的影响，通过回归分析建立了竖直和水平减飘率与雾滴体积中径等的数学模型，该研究结论为植保无人机风洞测试与田间作业规范的制定提供了技术支撑。

锥形风场式防飘喷雾装置是利用辅助气流进行防飘作业的一种创新结构形式。该防飘喷雾装置对于减少雾滴飘失、增加雾滴在靶标区域内的有效沉积起到了关键作用，但现有装置内流道存在气流阻塞现象，影响装置整体性能。本文在借鉴国内外先进技术与研究方法的基础上，以探究锥形风场的防飘特性为切入点，对锥形风场式防飘喷雾装置内流道进行优化，提高其防飘、减飘性能。

1 装置结构与防飘机理

1.1 装置结构

现有锥形风场式防飘喷雾装置主要由喷头安装座和双层锥形气流罩两部分构成，装置结构如图1所示[24]。

如图2所示，锥形风场式防飘喷雾装置进行喷雾作业时，双层锥形气流罩的中心夹层构成锥形气流道。由进风口进入的气流经锥形气流道引导后，在出口位置形成一个锥形风场笼罩在雾场周围，抵挡了侧风对雾滴沉降的不利影响，当侧风方向自左向右时，侧风会与A风场形成一个合风场，合风场的方向指向作物，大部分雾滴在A风场的作用下加速向作物表面沉积，少数雾滴仍会向右飘移，这时B风场会进一步阻挡雾滴的飘移，从而提高沉积效果。

1.2 防飘机理分析

为进一步明晰锥形风场的防飘机理，在不考虑雾滴群内力的前提下，本文引入一个笛卡尔坐标系建立单个雾滴在侧风与锥形风场作用下的受力示意图（图 3），分析单个雾滴的受力情况。

根据欧拉法，雾滴在空气介质中运动产生的阻力与液滴的速度有二次关系[25-26]：

式中为雾滴上升速度的平均值，m/s。

结合式（1）～（2）得：

在笛卡尔坐标系进行投影，得到简化后的单个雾滴运动微分方程组为

注：XOYZ表示笛卡尔坐标系；表示雾滴所受重力，N；表示雾滴所受侧风力，N；表示雾滴所受锥风风力，N；表示雾滴所受空气阻力，N；表示雾滴在空气运动时的相对飘移速度，m·s-1。

2 内流道气流局部损失及优化

通过防飘机理分析可知，防飘喷雾装置的防飘、减飘效果与锥形风场的强度，即风速及风量息息相关。但现有防飘喷雾装置内流道存在气流阻塞现象，进而影响装置整体性能，因此需要对该装置的内流道结构进行优化，以减少气流的沿程损失，使之产生更利于抵挡侧风的辅助气流。

2.1 内流道气流局部损失

根据流体力学理论，能量损失等于各管路的沿程损失h和局部损失h之和，由于现有装置内流道的尺寸较小，沿程损失可忽略不计，因此能量损失可近似为局部损失[27]，即

式中为流体平均流速，m/s；为局部阻力系数。

由式（5）可以看出，h的求解问题可以转变为局部阻力系数的求解，而是一个无量纲系数，它的大小与局部阻碍物的结构有关。现有防飘喷雾装置内流道呈渐缩状结构，因此依据流体力学理论中弯管类型的划分，将本装置视为渐缩弯管中的局部阻力损失模型[27]，则可按公式（6）计算：

式中为弯管中线的曲率半径，cm；为管径，cm；为渐缩角，（°）。

表1给出了弯管在不同/时的[27]。

表1 不同R/d时弯管的值（Re=108）

注：表示弯管中线的曲率半径，cm；表示管径，cm；表示局部阻力系数；Re为雷诺数。

Note:represents the radius curvature of the center line of the elbow, cm;represents pipe diameter, cm;representslocal drag coefficient;/represents the ratio of the radius curvature of the tapered elbow to the pipe diameter; Re is Reynolds number.

由图4a可知，优化前装置内流道呈直角减缩结构，曲率半径为0，使内流道的曲率半径和入口管径比值1。根据表1，当1时局部阻力系数随的减小而急剧增大，而的增大会使局部损失增加，导致现有装置的内流道产生气流阻塞问题。

因此，降低气流局部损失、减小局部阻力系数的着眼点在于推迟流体与壁面的分离与优化渐缩角度，以此来减小涡旋区的大小和强度。

2.2 防飘喷雾装置内流道优化

根据上述分析并结合现有装置结构可知，减小内流道局部损失的方法有2种：

1）适当延长气流道进口长度，降低紊流，理想状态下可以使突变流转变为缓变流。

2）增大渐缩角，减缓气流局部碰撞使流速均匀。

由式（5）～（6）可知，能量损失h与成正比，的值由决定，为降低能量损失值应尽可能小，则可选择的数值有0.159、0.145（表 1）。由于内流道管径为2 cm，若选择的值为0.145，则弯管曲率半径为6 cm，此种情况下由于弯管曲率半径过大，会导致喷杆与防飘喷雾装置间产生干涉。因此，最终选择的值为0.159，此时弯管的曲率半径为4 cm。优化前后的内流道尺寸如图4所示。

2.3 仿真分析

为验证内流道优化结果，采用CFD中ANSYS Fluent模块对优化前后装置进行流体力学分析，利用ICEM软件进行模型网格划分，选择+值为10层的非结构边界层网格，全局网格数量为212万且通过无关性检验。为准确描述本模型气流场的湍流特点，选用K-omega SST混合湍流模型进行求解；根据残差标准，设置收敛条件为e-5。根据风机风量及前期研究中进风口风速值[24]，设置入口风速25 m/s；出口与大气相连，压力边界条件为一个标准大气压（101 325 Pa），并将其设置为自由流动出口。

根据仿真条件，对优化后装置进行相同工况下的仿真分析，从优化前、后模型剖面速度矢量图（图5）可以看出：装置内流道优化后，其涡流扰动情况有所改善，且局部速度失常现象基本消失，优化后装置出口处风速可达17.00 m/s，达到前期研究中雾滴最优沉积量所需风速值（16.53 m/s）[24]，较优化前（13.00 m/s）提高23.5%，故模型优化结果可行。

3 风场测试试验结果

3.1 试验设备与方法

为验证内流道优化效果，使用精密型热线风速仪VT-100分别对装置优化前后各采集点的风速进行测量与对比分析，风速仪量程0.15～30.00 m/s，测试精度0.05 m/s，分辨率0.01 m/s，适用温度0～50 ℃。

试验保证风场测试不受外界自然风干扰，在黑龙江八一农垦大学植保机械实验室进行（图6）。结合前文仿真条件，根据风速仪显示的数值合理调节风机转速，使其在装置进口处以25 m/s的风速稳定供风。测试方法：根据锥形风场的作用区域（喷嘴下方至500 mm处），以及风场的作用效果（风速小于0.5 m/s效果不显著），利用风速仪沿气流道延伸方向寻找风场边界（风速小于0.5 m/s），确定测量范围。根据测量位置（图7），使用标尺定位测量点，利用风速仪对测量点风速进行测量。试验设置6个测试面，每个测试面按等角度取8个测试点，共计48个测量点。每个点测量3次，结果取平均值。

整理试验数据后，根据式（7）～（8）计算风机有效利用率。

锥形罩进、出口风量：

式中为风机风量，m3/s；为进、出风口直径，m；为进、出风口气流速度，m/s。

本装置出口为环形，风机有效利用率计算公式为

式中1为环形出风口外环直径，m；2为环形出风口内环直径，m；进为进风口直径，m；1为出风口气流速度，m/s；2为进风口气流速度，m/s。

3.2 试验结果与分析

装置化前后风速测试结果如表2所示。由表2可知，优化后测试面1（即出口处）风速最大值可达18.70 m/s，较优化前（13.44 m/s）提高28%，与仿真分析结果（23.5%）较为一致，验证了优化方案的可行性。在距离装置出口处500 mm位置处，优化前装置的风速最大值为3.12 m/s，优化后该位置处的风速最大值仍可达5.21 m/s。结合上述数据，则可计算出装置优化后风机有效利用率为74.8%，较优化前的53.6%提高了21.2个百分点。

表2 装置优化前后风速测试数据

4 风洞试验

锥形风场通过持续的气流夹带作用，降低了雾滴飘移的“空域”[13]，具体表现为：当有侧风侵入喷雾扇面形成绕流涡旋时，本文施加的锥形风与侧风形成的合风场可降低涡旋产生位置的纵向高度甚至是抵御绕流涡旋的产生、减少空间范围内的雾滴飘失（图8）。为明晰装置防飘规律，以优化后的防飘喷雾装置为研究对象，在风洞条件下探究其防飘特性。

4.1 试验设备与方法

试验在国家农业智能装备工程技术研究中心（北京）进行，使用IEA-II型常规风速风洞完成（图9）。试验用喷雾系统包括HARDI F-03-110型扇形喷头、储水罐、气压泵、稳压罐、减压阀、流量计、压力表。测试装置包括优化后锥形风场式防飘喷雾装置（图13）、KOMAX型风机（峰值风量10 m3/min，负载峰值2 700 W，转速范围0～19 000 r/min，电池容量298 000 h）、风管。采集装置由收集架、25 mm×25 mm水敏纸、便携式大疆MG-1型雾滴分析仪（功率1.5 W）组成。

根据HARDI喷雾手册，在0.3 MPa喷雾压力下标定HARDI F-03-110型喷头流量，获得风洞飘移试验规定喷雾时间内的喷头喷量。喷施液体为自来水，测试指标为雾滴沉积量，喷雾时间5 s，喷头喷出总量99 200L。根据扇形喷头常规作业安装高度要求，调节喷头高度分别为0.40 、0.45 、0.50 和0.55 m；为探究优化后装置防飘效果，根据喷杆喷雾机作业环境风速要求（小于2 m/s），将风洞内侧风风速分别为1 、2 、3 和4 m/s；结合前文锥风风速取值，设置锥风风速分别为0 、10 、15 和20 m/s。按照试验条件分别进行单因素、多因素试验（每组试验重复3次取平均值）。

在IEA-II型风洞内（图10）布好水敏纸及收集架，其中每根收集架上的水敏纸数量=5，每根收集架上相邻两张水敏纸之间的距离=15 cm。为避免试验过程中部分雾滴从风洞底部飞溅至水敏纸表面造成试验误差，设置高度为10 cm的虚拟层，喷头高度也相应提升10 cm。

4.2 试验指标

试验将雾滴飘移量占喷头总喷出的百分比，即雾滴飘移量占比S（%）作为衡量雾滴飘移程度的评价指标，其计算公式如下：

4.3 单因素试验结果与分析

4.3.1喷头高度对雾滴飘移的影响

在侧风风速2 m/s条件下，喷头高度对雾滴飘移量占比的影响如图11所示。

由图11a可知，随着喷头高度的增加，雾滴在竖直方向上的飘移量不断减小。从总体上看，同一高度采集面上反映的雾滴飘移量，随喷头高度的增加呈现降低的趋势，但在水敏纸收集平面0.50 m处呈现相反的规律。分析原因：本试验设计的最小喷头高度为0.40 m，若考虑到试验设计的0.10 m虚拟层，则此时的喷头高度与竖直方向上0.50 m处的水敏纸采集面持平。因此，当喷头高度自0.40 m开始向上增加时，逐渐有部分易飘移雾滴附着在水敏纸收集平面上，且随高度的增加其附着量随之提升。

由图11b可知，随着喷头高度的增加，雾滴在水平方向上的飘移量并不都呈现持续增加或降低的趋势。当喷头高度为0.40 m时，在距离喷头水平方向1.5 m位置处的雾滴飘移量占比最大，且随距离的增加而不断降低。当喷头高度为0.45 m和0.50 m时，雾滴的最大飘移量占比虽然偏移至距离喷头水平方向2.5 m，但飘移量占比总体呈正态分布，且雾滴飘移相对均匀。当喷头高度为0.55 m时，雾滴飘移较为严重。

4.3.2 侧风风速对雾滴飘移的影响

在喷头高度0.50 m时，不同侧风风速对雾滴飘移量占比的影响如图12所示。

由图12a可知，随着侧风风速的增加，雾滴在竖直方向上的飘移量不断减小。从总体上看，同一高度采集面上反映的雾滴飘移量，随侧风风速的增大呈现增加的趋势。当侧风风速为1和2 m/s时，位于0.40 和0.50 m高度采集面上反映的雾滴飘移量占比近乎为0，这表明：为保证喷雾效果，当不采取任何防飘手段进行田间作业时，应尽量选择侧风风速小于2 m/s的气候条件。若将机车前进速度也考虑为雾滴飘移影响因素，则更应该选择侧风风速较低甚至是无风的天气进行施药作业。

由图12b可知，随着喷头高度的增加，雾滴在水平方向上的飘移量不呈现持续增加或降低的趋势，这一点与改变喷头高度时的变化规律相类似。当侧风风速为1 m/s时，雾滴飘移量占比集中在喷头水平距离1.5 m处且随水平距离的增加而不断降低。当侧风风速为2 m/s和3 m/s时，雾滴飘移量占比分别集中在距离喷头水平距离2.5 m和3.5 m处且均呈正态分布。当侧风风速为4 m/s时，雾滴几乎不附着在水敏纸上，这表明：一定的侧风有助于雾滴在靶标上的沉降，但当侧风风速达到4 m/s及以上时，雾滴的飘移距离过远，此时不应进行施药作业。

4.3.3 锥风风速对雾滴飘移的影响

在喷头高度0.50 m、侧风风速2 m/s时，不同锥风风速对雾滴飘移量占比的影响如图13所示。

由图13a可知，同一高度采集面上反映的雾滴飘移量占比并不随着锥风风速的增大呈现持续增加或减少的趋势。当水敏纸采集面高度为0.1 和0.2 m时，雾滴飘移量占比随着锥风风速的增大而增加，这是由于锥形风场与侧风形成的合风场降低了雾滴易飘失区域的纵向高度，使本应继续随风飘失的雾滴沉降在低一级的水敏纸采集面内。因此，位于高度0.3～0.5 m的水敏纸采集面采集到的雾滴随着锥风风速的增加而减少，雾滴飘移量占比也随之降低。

由图13b可知，雾滴飘移量占比总体呈正态分布，且飘移量最大值均出现在距喷头水平方向2.5 m的位置。随着锥风风速的增加，距离喷头各水平位置的雾滴飘移量占比均呈下降趋势。当锥风风速达到20 m/s时，位于水平方向3.5 m采集面上的雾滴最少，其飘移量占比与常规喷雾相比降低6.3%。

4.4 多因素试验结果与分析

根据单因素试验结果，选择各因素影响显著的取值作为多因素正交试验的各指标水平进行三因素三水平正交试验。试验因素水平设置如表6所示。按照L9（34）的HARDI F-03-110型喷头雾滴飘移量占比正交试验方案和结果如表7所示。

表6 试验因素水平

通过多因素正交试验得到各试验水平所对应的试验值，将试验数据导入SPSS分析软件中，得出有关总雾滴飘移量的多元线性回归数学模型为

竖直方向：

式中为竖直方向总雾滴飘移量占比，%；1为侧风风速，m/s；2为喷头高度，m；3为锥风风速，m/s。

表7 正交试验方案与结果

水平方向：

式中为水平方向总雾滴飘移量占比，%；1为侧风风速，m/s；2为喷头高度，m；3为锥风风速，m/s。

综合分析表8～表10可知：在竖直和水平2个方向上，侧风风速都是决定雾滴飘移的最主要因素，且总雾滴飘移量占比随着侧风风速的增加而增大。锥风风速与总雾滴飘移量占比呈负相关关系，随着锥风风速的增加，总雾滴飘移量占比呈下降趋势，侧风对雾滴沉积的不利影响逐渐降低，证明锥形风场具有降低雾滴在空间范围内随风飘失的特性。而喷头高度这一变量在水平与竖直方向均与总雾滴飘移量占比的相关性较差，原因可能是本次试验选择的喷雾高度过低，因素彼此之间并未显现较大差异所致。

对上述两回归模型拟合度进行检验，沿竖直和水平方向的方程调整判定系数2分别为0.934和0.945，且显著性<0.05，其拟合度较好。因此，通过逐步回归分析得出的总雾滴飘移量占比的数学模型可以很好地描述因变量与各自变量间的线性依存关系，对选择防飘手段、明晰雾滴飘移空间分布，确定喷施参数以及综合分析雾滴飘移沉积规律有一定参考作用。

表8 拟合方程的显著性分析

表9 拟合方程的方差分析

表10 拟合方程系数表

5 结 论

1）基于质子动力学基本定律，构建了单个雾滴在运动空气介质中的受力模型，明晰了锥形风场式防飘喷雾装置防飘机理，研究表明：通过增加锥形风场的强度，可提高雾滴沿靶标方向的速度矢量值，进而提高其抵御侧风的能力，实现防飘喷雾作业。

2）利用CFD数值仿真及风速、风量验证试验，优化了防飘喷雾装置内流道结构参数。当进风口以25 m/s稳定供风时，仿真结果表明，优化后装置出口处风速可达17.00 m/s，较优化前（13.00 m/s）提高23.5%，风速测试试验结果表明，优化后装置出口处风速最大值为 18.70 m/s，较优化前（13.44 m/s）提高28%，仿真与风速试验结果较为一致。优化后装置的风机有效利用率提高21.2个百分点，内流道涡流扰动情况改善，局部速度失常现象基本消失。

3）采取水敏纸检测方法测定下风向喷头竖直与水平方向的雾滴沉积量，结果表明：锥风风速与总雾滴飘移量占比呈负相关关系，随着锥风风速的增加，总雾滴飘移量占比呈下降趋势，侧风对雾滴沉积的不利影响逐渐降低。通过多因素正交试验建立的竖直和水平方向总雾滴飘移量占比的数学模型显著性较高（<0.05，2分别为0.934、0.945），明确了锥形风场具有降低雾滴在空间范围内随风飘失的特性，可为综合分析雾滴飘移沉积规律提供一定参考。

[1] 翟长远，赵春江，Ning Wang，等. 果园风送喷雾精准控制方法研究进展[J]. 农业工程学报，2018，34(10)：1-15.

Zhai Changyuan, Zhao Chunjiang, Ning Wang, et al. Research progress on precision control methods of air-assisted spraying in orchards[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(10): 1-15. (in Chinese with English abstract)

[2] 吴亚垒，祁力钧，张豪，等. 基于嵌入式互联网的远程智能喷雾控制系统设计[J]. 农业工程学报，2018，34(20)：28-35.

Wu Yalei, Qi Lijun, Zhang Hao, et al. Design and experiment of remote intelligent spray control system based on embedded internet[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 28-35. (in Chinese with English abstract)

[3] 何雄奎. 改变我国植保机械和施药技术严重落后的现状[J].农业工程学报，2004，20(1)：13-15.

He Xiongkui. Improving severe draggling actuality of plant protection machinery and its application techniques[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2004, 20(1): 13-15. (in Chinese with English abstract)

[4] 周良富，薛新宇，周立新，等. 果园变量喷雾技术研究现状与前景分析[J]. 农业工程学报，2017，33(23)：80-92.

Zhou Liangfu, Xue Xinyu, Zhou Lixin, et al. Research situation and progress analysis on orchard variable rate spraying technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 80-92. (in Chinese with English abstract)

[5] 何雄奎. 药械与施药技术[M]. 北京：中国农业大学出版社，2012.

[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.

Zhang Tie, Yang Xuejun, Yan Herong, et al. Anti-drift technology of super-high clearance boom sprayer with air-assisted system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(12): 77 - 86. (in Chinese with English abstract)

[7] 贾卫东，胡化超，陈龙，等. 风幕式静电喷杆喷雾喷头雾化与雾滴沉积性能试验[J]. 农业工程学报，2015，31(7)：53-59.

Jia Weidong, Hu Huachao, Chen Long, et al. Performance experiment on spray atomization and droplets deposition of wind-curtain electrostatic boom spray[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(7): 53-59. (in Chinese with English abstract)

[8] 宋淑然，洪添胜，孙道宗，等. 风机电源频率对风送式喷雾机喷雾沉积的影响[J]. 农业工程学报，2011，27(1)：153-159.

Song Shuran, Hong Tiansheng, Sun Daozong, et al. Effect of fan power supply frequency on deposition of air-assisted sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 153-159. (in Chinese with English abstract)

[9] 顾家冰. 风送式变量喷雾机气液两相流及雾化的试验研究[D].南京：南京农业大学，2012.

Gu Jiabing. Atomization and Air-droplet Flow Fields of an Air-assisted Variable-rate Sprayer for Tree Crop Application[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[10] 吕晓兰，傅锡敏，吴萍，等. 喷雾技术参数对雾滴沉积分布影响试验[J]. 农业机械学报，2011，42(6)：70-75.

Lü Xiaolan, Fu Ximin, Wu Ping, et al. Influence of spray operating parameters on droplet deposition[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(6): 70-75. (in Chinese with English abstract)

[11] 刘雪美，苑进，张晓辉，等. 气流辅助式喷雾工况参数对雾滴飘移特性的影响[J]. 农业机械学报，2012，43（S1）：67-72.

Liu Xuemei, Yuan Jin, Zhang Xiaohui, et al. Effect of air-assisted spraying condition parameters on boom spray drift characteristics[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(S1): 67-72. (in Chinese with English abstract)

[12] 杨希娃，周继中，何雄奎，等. 喷头类型对药液沉积和麦蚜防效的影响[J]. 农业工程学报，2012，28(7)：46-50.

Yang Xiwa, Zhou Jizhong, He Xiongkui, et al. Influences of nozzle types on pesticide deposition and insecticidal effect to wheat aphids[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(7): 46-50. (in Chinese with English abstract)

[13] 唐青，陈立平，张瑞瑞，等. 高速气流条件下标准扇形喷头和空气诱导喷头雾化特性[J]. 农业工程学报，2016，32(22)：121-128.

Tang Qing, Chen Liping, Zhang Ruirui, et al. Atomization characteristics of normal flat fan nozzle and air induction nozzle under high speed airflow conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(22): 121-128. (in Chinese with English abstract)

[14] Hoffmann W C, Fritz B K, Lan Y. Evaluation of a proposed drift reduction technology high-speed wind tunnel testing protocol[J]. Journal of ASTM International, 2009, 6(4): 212-223.

[15] 张慧春，Dorr Gary，郑加强，等. 扇形喷头雾滴粒径分布风洞试验[J]. 农业机械学报，2012，43(6)：53-57.

Zhang Huichun, Dorr Gary, Zheng Jiaqiang, et al. Wind tunnel experiment of influence on droplet size distribution of flat fan fozzles [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(6): 53-57. (in Chinese with English abstract)

[16] Nuyttens D, Taylor W A, Schampheleire M D, et al. Influence of nozzle type and size on drift potential by means of different wind tunnel evaluation methods[J]. Biosystems Engineering, 2009, 103(3): 271-280.

[17] 王潇楠，何雄奎，宋坚利，等. 助剂类型及浓度对不同喷头雾滴飘移的影响[J]. 农业工程学报，2015，31(22)：49-55.

Wang Xiaonan, He Xiongkui, Song Jianli, et al. Effect of adjuvant types and concentration on spray drift potential of different nozzles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(22): 49-55. (in Chinese with English abstract)

[18] 张瑞瑞，李龙龙，付旺，等. 脉宽调制变量控制喷头雾化性能及风洞环境雾滴沉积特性[J]. 农业工程学报，2019，35(3)：42-51.

Zhang Ruirui, Li Longlong, Fu Wang, et al. Sprayingatomization performance by pulse width modulated variableand droplet deposition characteristics in wind tunnel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 42-51. (in Chinese with English abstract)

[19] Gupta P, Sirohi N P, Mishra O I. Air flow characteristics of an air-assisted sprayer through horizontal crop canopy[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2012, 5(1): 1-6.

[20] Reichard D. Wind tunnel evaluation of a computer program to model spray drift[J]. Transactions of the ASAE, 1992, 35(3): 755-758.

[21] 茹煜，朱传银，包瑞. 风洞条件下雾滴飘移模型与其影响因素分析[J]. 农业机械学报，2014，45(10)：66-72.

Ru Yu, Zhu Chuanyin, Bao Rui. Spray drift model of droplets and analysis of influencing factors based on wind tunnel[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(10): 66-72. (in Chinese with English abstract)

[22] 曾爱军，王昌陵，宋坚利，等. 风洞环境下喷头及助剂对植保无人飞机喷雾飘移性的影响[J]. 农药学学报，2020，22(2)：135-143.

Zeng Aijun, Wang Changling, Song Jianli, et al. Effects of nozzle types, adjuvants and environmental conditions on spray drift potential of unmanned aerial vehicles in a wind tunnel[J]. Chinese Journal of Pesticide Science, 2020, 22(2): 135-143. (in Chinese with English abstract)

[23] 王昌陵，曾爱军，何雄奎，等. 风洞条件下植保无人机喷雾单元雾滴飘移特性试验[J]. 农业工程技术，2020，40(33)：85.

[24] 胡军，刘昶希，初鑫，等. 锥形风场式防飘移装置雾滴沉积特性研究[J]. 农业机械学报，2020，51(12)：142-149, 174.

Hu Jun, Liu Changxi, Chu Xin, et al. Droplet deposition characteristics of conical wind field anti-drift device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(12): 142-149, 174. (in Chinese with English abstract)

[25] Pascuzzi S. The effects of the forward speed and air volume of an air-assisted sprayer on spray deposition in “tendone” trained vineyards[J]. Agricultural Engineering. 2013, 3(12): 125–132.

[26] Bulgakov V, Pascuzzi S, Nadykto V. A mathematical model of the plane-parallel movement of an asymmetric machine and tractor aggregate[J]. Agriculture, 2018, 8(151): 44-59.

[27] 张影也. 流体力学[M]. 北京：高等教育出版社，1999.

Optimization of the inner flow channel of conical wind field anti-drift spray device and anti-drift characteristics

Liu Changxi, Hu Jun※, Li Yufei, Zhao Shengxue, Zhang Wei, Li Qingda

(1.,,163319,; 2.,163319,)

An anti-drift sprayer with a conical wind field has emerged as an innovative structural device for the auxiliary airflow in plant protection operations during crop production. There is also a significant reduction of droplet loss for the effective deposition of fine particles in the target areas. However, an airflow obstruction can be found in the flow channel of the current sprayers, leading to the lower overall performance of the device. In this study, a systematic optimization was made on the inner flow channel in an anti-drift spray device under a conical wind field, thereby clarifying the anti-drift mechanism for better performance of the device. A force model of a single droplet was also constructed for the moving air medium, according to proton dynamics. After that, the CFD numerical simulation and wind field test were utilized to optimize the airflow loss in the inner runner for the better design of the device. The simulation result showed that the disturbance of eddy current was improved without the abnormality of local speed after optimization. Specifically, the conical wind speed at the outlet of the device still reached 17.00 m/s, increasing by 23.5%, compared with that before the optimization. The wind speed test showed that the effective utilization rate of the auxiliary airflow at the outlet of the device was 21.2 percentage points higher than that before the optimization, when the radius of curvature of the inner flow channel elbow was designed to be 4 cm, indicating that the optimization plan was feasible. Furthermore, there were significant correlations between the cross wind speed, nozzle height, conical wind speed, and the proportion of total droplet drift under wind tunnel conditions. By contrast, there was a negative correlation between the conical wind speed and the proportion of total droplet drift. More importantly, the proportion of the total droplet drift presented a downward trend, whereas, the adverse effect of the crosswind on the droplet deposition gradually decreased, with the increase of conical wind speed. Additionally, a multi-factor orthogonal experiment was carried out to establish the mathematical model of the total droplet drift ratio in the vertical/horizontal direction. It was found that the cone-shaped wind field significantly reduced the droplet loss in the space with the wind. There was also a higher significance of the vertical/horizontal mathematical model (<0.05,2was 0.934 in vertical and 0.945 in horizontal, respectively). Consequently, the conical wind field can be widely expected to effectively resist the generation of vortexes, thereby reducing the droplet loss with the wind in the vertical height. This finding can also provide a sound reference for the comprehensive analysis of droplet migration and deposition in protected agriculture.

wind tunnel; experiments; optimization; numerical simulation; conical wind field; anti-drift characteristics; droplet drift

2021-07-13

2021-11-04

国家大豆产业技术体系岗位专家项目（CARS-04-PS30）；国家重点研发计划项目（2017YFC1601905-04）；黑龙江省自然科学优秀青年项目（YQ2019E032）；黑龙江省应用技术研究与开发计划项目（GA21B003）和黑龙江八一农垦大学学成引进项目（XDB2013-08）

刘昶希，博士生，研究方向为植保机械与高效施药技术。Email：504924356@qq.com

胡军，教授，博士生导师，研究方向为植保机械设计研究。Email：gcxykj@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.002

S491

A

1002-6819(2021)-22-0011-10

刘昶希，胡军，李宇飞，等. 锥形风场式防飘喷雾装置内流道优化与防飘特性[J]. 农业工程学报，2021，37(22)：11-20. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.002 http://www.tcsae.org

Liu Changxi, Hu Jun, Li Yufei, et al. Optimization of the inner flow channel of conical wind field anti-drift spray device and anti-drift characteristics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 11-20. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.002 http://www.tcsae.org