基于CFD的多风道风送喷雾流场数值分析与试验研究

欧鸣雄，高天宇，吴敏敏，董 祥，贾卫东，杨学军，冉小琴

(1.江苏大学农业工程学院，江苏 镇江212013；2.农业农村部植保工程重点实验室，江苏 镇江212013；3.中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

0 引言

由于我国对鲜果需求量大，目前国内果园多采用密植化种植模式[1]。密植化种植可保证水果产量，但是果树冠层之间相互交叉，果园行距小，导致农机和农艺融合程度不高，存在人工成本高、作业污染严重、农药利用率低和对施业人员身体有害等问题[2-3]。我国引进国外先进风送喷雾技术，利用风机高速旋转产生的气流将液滴雾化并将雾滴运输至靶标。雾滴带有初始能量，在风机气流扰动靶标冠层的同时进入冠层内部，该技术可以增强雾滴的穿透性，在保证施药效果的同时实现低量喷雾，利用风送喷雾技术的农药利用率可以提升至40%[4-5]。部分学者利用计算流体力学方法，综合考虑自然风和辅助风对气流场和雾滴场分布规律和特性的影响，开展了果园风送喷雾机两相流场分布情况的研究[6-7]。相关学者采用DPM模型模拟液滴颗粒的运动来获得液滴漂移和沉积规律，并建立不同风速、压力和喷雾高度对液滴漂移的影响模型[8-10]。也有学者通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)方法建立喷雾机数值模型，并采用拉格朗日粒子法跟踪雾滴轨迹，研究喷雾压力对雾滴漂移的影响，验证了计算流体力学模型的可行性[11-12]。还有学者用数值分析和试验验证相结合的方法，针对果园风送喷雾机的气流场和雾滴沉积分布规律进行研究，研究结果显示，CFD和试验相结合的研究方法可以较为准确地获得喷雾机流场分布规律，从而为相关参数的设计提供有效参考[13-15]。

本文利用CFD方法研究一种多风道风送喷雾系统的气流场和气液两相流场分布规律，并对其气流场和雾滴沉积分布进行试验验证，结果证实，数值模型计算结果与试验结果的分布规律基本一致，其相对误差较小，证明了数值模型的合理性和准确性，为后续多风道果园风送喷雾机的设计和开发提供了有效参考。

1 多风道风送喷雾系统及数值模型

1.1 多风道风送喷雾系统组成

多风道风送喷雾系统主要由离心风机、多口分配器、柔性风管、喷射出风口、变频器、药箱、水泵、输水管和喷嘴构成。离心风机旋转产生高压气流，高压气流通过多口分配器均匀流到各个柔性风管内，再经由喷射出风口扩散至外部作物冠层。喷嘴安装在喷射出风口一侧的壁面位置，雾滴喷射方向与气流方向呈一定角度，便于喷射出风口的外部气流与雾滴群充分混合，对雾滴起到运输和二次雾化作用，增强喷雾沉积和穿透的效果。

多风道风送喷雾系统设计采用8个喷射出风口，单侧4个喷射出风口，两侧呈对称分布，本文主要研究单侧4个喷射出风口的流场分布，该多风道风送喷雾系统的结构和组成如图1所示。

喷射出风口结构如图2所示，喷射出风口分为柱形段、扩张段和压缩段共3部分[16]。其中喷射出风口的扩散角Ø=25°，出风口长度a=170 mm，宽度b=30 mm，4个喷射出风口的中心线垂直距离为0.35 m。柱形段为进气段，和风机上的多口分配器通过柔性风管相连接，高压气流在喷射出风口内部柱形段的内部流动断面保持不变，其主要扩张段和压缩段实现气流的高速喷射，该喷射出风口的出口气流均匀。

1.2 数值模型和设置参数

1.2.1 数值模型计算域

多风道风送喷雾系统的数值模型计算域如图3所示，根据喷雾系统的流动规律，其主要由喷射出风口、大气域1和大气域2组成。为了研究喷雾流场在外部空间中的流动规律，同时减少数值分析的资源，将喷雾流场的外部空间划分为2部分，分别为大气域1和大气域2，其均采用矩形结构空间。大气域1位于靠近喷射出风口的出口附近，其网格尺度较小，用于捕捉喷射出风口的高速气体流动。大气域2则位于大气域1的下游，其网格尺度略大，在保证捕捉气体和雾滴流动的同时，减少模型对于计算资源的消耗。

图3 流场计算域模型Fig.3 Computational model of airflow field

1.2.2 边界条件设置

根据多风道风送喷雾系统的工作状态，其数值模型入口边界条件采用速度入口作为边界条件，喷射出风口出口处压力相对外界大气压为0，大气域2的出口边界条件采用压力出口边界条件，喷射出风口的内壁面均默认无滑移壁面边界条件。在喷射出风口、大气域1和大气域2之间采用interface边界条件，保证3个计算域之间的数据传递和数值计算。

1.2.3 数值模型假设

多风道风送喷雾系统的流场采用Fluent软件进行模拟分析，数值模型设定空气相为连续相模型，雾滴群则采用离散相模型进行分析。其中连续相计算模型采用Realizable k-ε湍流模型进行计算，并假设流动中无热量交换，忽略分子黏度的影响，在气液两相流场计算过程中，根据雾滴群离散相的运动特征，采用Lagrangian离散相模型模拟雾滴运动。喷雾系统采用了扇形喷嘴，数值模型则采用平板扇型雾化模型对扇形喷嘴的雾滴群流动和分布进行仿真，该模型的雾滴粒径分布符合Rosin-Rammler分布规律[10]。

2 数值分析结果及分析

2.1 多风道风送喷雾系统外部气流场分布

根据上述数值模型和计算方法，获得多风道风送喷雾系统的外部气流场分布结果如图4所示。喷射出风口的外部气流场的气流总体呈对称分布，在距离喷射出风口0～0.6 m的测量范围内，每股气流尚未完全交汇，其等速线呈现明显的马鞍状分布特性，当距离喷射出风口的距离>0.9 m时，喷射出风口的气流开始逐渐融合，沿着喷射出风口垂直方向的气流速度分布趋于均匀稳定，并最终形成较为均匀的风送气流。

图4 喷射出风口速度分布云图Fig.4 Jet vent velocity distribution contour

2.2 气液两相流场分布规律

多风道风送喷雾流场的气液两相流场雾滴轨迹和速度分布如图5所示，雾滴最大速度出现在喷射出风口对应的轴线附近，雾滴速度在运动过程中受到阻力影响，其速度值持续衰减，并随着高速气流和雾滴的扩散运动，雾滴群的分布随着喷雾距离而发生变化，总体而言，随着喷雾距离的增大，雾滴群的分布更为均匀。

图5 雾滴轨迹和速度分布Fig.5 Droplet trajectories and velocity

3 试验结果与分析

3.1 气流场速度测量点布置

为了验证多风道风送喷雾流场气流场的数值分析结果，开展了气流场的试验研究。气流场的测量点分布如图6所示，为了解喷射出风口的出口处气流速度分布，沿4个喷射出风口(图中简称为Cfk1、Cfk2、Cfk3和Cfk4)出口处均匀选择7个测量点进行气流速度测量。此外，在距离喷射出风口0.6、0.9和1.2 m的外部流场进行气流速度测量，以4个喷射出风口的中线为中间基准，每间隔5 cm取一个测量点，上下各选择15个测量点进行气流速度测量，测量点编号从上至下分别为1至30。试验采用Testo405i热线风速计进行测量，其速度分辨率为0.01 m/s，测量速度范围为0～30 m/s，可满足试验测试要求。

图6 气流场速度测量点位置Fig.6 Position of velocity measurement points in airflow field

3.2 试验结果分析与验证

3.2.1 风送喷雾系统气流速度分布

(1)喷射出风口出口气流分布。

喷射出风口出口处测量点气流速度试验值和仿真值如表1所示，喷射出风口出口处的速度沿其轴线对称分布，从测量点1至7，气流速度分布较为均匀，气流速度的试验值和仿真值分布基本一致，各测量点的气流速度试验值均略小于仿真值。除了个别测量点以外，喷射出风口出口处气流速度仿真值和试验值的绝对误差<2.5 m/s，相对误差<13.7%。

表1 喷射出风口出口处速度试验值与仿真值Tab.1 Experiment and simulation results of air velocity of vent outlet 单位：m/s

(2)喷射出风口外部流场气流速度分布。

外部流场各测量点的气流速度试验值和仿真值如图7所示，各测量点的气流速度试验值与仿真值分布规律基本一致，总体呈上下对称分布。在距离喷射出风口0.6 m处，大多数测量点试验值与仿真值之间的差值在0～2 m/s，大多数测量点的相对误差<25%，其中上、下边缘区域的测量点气流速度值较为接近。在距离喷射出风口0.9 m处，各测量点气流速度的试验值和仿真值较为吻合，大多数测量点气流速度的相对误差<9%，相对误差最大为31%。在距离喷射出风口1.2 m处，大多数测量点的气流速度试验值和仿真值相对误差<10%。

图7 外部流场气流速度试验值和仿真值Fig.7 Experiment and simulation values of air velocity of outside air field

3.2.2 雾滴沉积分布试验验证

在室内无风环境下，通过垂直雾量仪进行多风道风送喷雾系统的雾滴沉积分布试验。试验布置如图8所示，以4个喷射出风口的中线高度为基准，测量中线上下各0.8 m高度范围内的雾滴沉积分布，沉积分布的雾滴收集区间宽度为20 cm，上下共8个雾滴收集区间，每个区间对应一个雾滴收集装置，用于收集该区间内的雾滴沉积量。

图8 风送喷雾系统雾滴沉积试验Fig.8 Droplet deposition experiment of sprayer system

为了对雾滴沉积分布试验与数值分析结果进行对比，按照式(1)所示对试验与数值分析结果进行无量纲处理，将雾滴收集区间内的雾滴沉积量转换为雾滴沉积系数C，并对距离出风口0.6、0.9和1.2 m处的雾滴沉积分布结果进行分析。

(1)

式中C——雾滴沉积系数，%

W——单个雾滴收集区间的雾滴沉积量，mL

WT——雾滴沉积分布试验中所有雾滴收集区间的总雾滴沉积量，mL

距离喷射出风口0.6 m处，雾滴沉积系数C的试验值和仿真值对比如图9所示，在高度-0.8～0.8 m范围内，雾滴沉积系数试验值和仿真值变化基本一致，其呈现中间沉积量较大，两侧沉积量较小的趋势。在-0.6～0.6 m范围内的雾滴沉积系数试验值和仿真值的相对误差<14%，其中在高度为0.6 m和-0.4 m处，两者相对误差<4%。

图9 雾滴沉积量系数试验值与仿真值(0.6 m)Fig.9 Experiment and simulation droplet deposition amount(0.6 m)

距离喷射出风口0.9 m处，雾滴沉积系数C的试验值和仿真值对比如图10所示，雾滴沉积系数试验值和仿真值的变化趋势也基本一致，雾滴沉积量总体呈现中间多、两侧少的特点。在高度-0.4～0.6 m范围内，雾滴沉积系数相对误差<12%，在高度为-0.6 m处，其相对误差约19%。

图10 雾滴沉积量系数试验值与仿真值(0.9 m)Fig.10 Experiment and simulation droplet deposition amount(0.9 m)

距离喷射出风口1.2 m处，雾滴沉积系数C的试验值和仿真值对比如图11所示，与距离0.6和0.9 m相比，中间区域的雾滴沉积量更为均匀，尤其在高度为-0.4～0.4 m时，雾滴沉积分布均匀。在高度-0.4～0.6 m范围内，雾滴沉积系数的试验值和仿真值相对误差<7%。

图11 雾滴沉积量系数试验值与仿真值(1.2 m)Fig.11 Experiment and simulation droplet deposition amount(1.2 m)

根据上述分析可知，在高度-0.6～0.6 m范围内，该喷雾系统的雾滴沉积系数试验值和仿真值相对误差较小，并且分布趋势基本一致。该数值模型能够较为准确地描述多风道风送喷雾系统的气流场和气液两相流场分布规律，上述试验结果验证了该数值模型的合理性和准确性。

4 结论

(1)以多风道风送喷雾系统为研究对象，基于CFD数值分析方法构建了风送喷雾系统的数值模型，开展了风送喷雾系统气流场和气液两相流场的稳态数值分析研究。

(2)喷射出风口出口和外部流场的研究结果表明，气流速度试验值和仿真值差值基本<2 m/s，其测量点的气流速度相对误差总体<10%，基于CFD的数值分析方法能较为准确地描述多风道风送喷雾系统的气体流动规律。

(3)多风道风送喷雾系统的气液两相流研究结果显示，在距离喷射出风口0.6、0.9和1.2 m处，雾滴沉积系数的试验结果与数值分析结果基本一致，尤其在-0.4～0.4 m高度范围内，其相对误差<14%，该结果可为果园多风道风送喷雾机的设计开发提供有效参考。