多气流协同式果园V形防飘喷雾装置设计与试验

樊桂菊 牛成强 张震明 王东伟 毛文华 姜红花

(1.山东农业大学机械与电子工程学院， 泰安 271018； 2.山东省园艺机械与装备重点实验室， 泰安 271018；3.山东农业大学信息科学与工程学院， 泰安 271018； 4.青岛农业大学机电工程学院， 青岛 266109；5.中国农业机械化科学研究院集团有限公司， 北京 100083)

0 引言

随着果园种植面积增大和农村劳动力转移，风送式喷雾机被广泛应用[1-3]，但大多喷雾机通过单一辅助气流将雾滴送向靶标，一定程度上提高了靶标内雾滴沉积量。然而相关研究表明，果树冠层尤其叶片背面雾滴覆盖率仍较低，农药飘移浪费严重[4-7]，减少雾滴靶标外飘移及非靶标区域无效沉积成为研究重点[8-10]。风幕技术通过增加雾滴能量，可以提高作物不同层次位置的雾滴沉积[11-13]。因此，研究多气流协同式果园喷雾装置及其雾滴沉积特性具有重要意义。

在风送式喷雾防飘装置与雾滴沉积特性方面，国内外学者开展了大量研究。张京等[14-15]研制了挡板导流式罩盖喷雾系统，胡军等[16]设计了一种锥形风场式防飘移装置，周良富等[17-18]提出了双气流辅助与静电喷雾结合方法，皆有效减少了雾滴漂移。BAETENS等[19]通过改变喷杆高度、风速、风向偏差和雾滴喷射速度，探究了风幕式喷杆喷雾机的雾滴飘移规律；文献[20-23]分析了喷雾辅助气流参数对雾滴沉积飘移特性的作用规律；DIETER等[24]研究了辅助气流速度和喷雾角对雾滴沉积分布均匀性的影响规律。

综上所述，果园风送式喷雾防飘效果与其装置结构形式和作业参数等有关，本文在常规气流辅助喷雾基础上设计多气流协同式V形防飘喷雾装置，并开展雾滴飘移和果树冠层沉积性能试验，探究多气流协同下雾滴冠层沉积分布规律，以期为其结构设计和作业参数优化提供理论依据。

1 结构与工作原理

1.1 整体结构

多气流协同式果园V形防飘喷雾装置结构如图1所示，该装置主要由离心风机、分配器、主风筒、副风筒、机架和输送风管等组成，F-03-80型扇形喷头安装在主风筒上，两副风筒水平方向上呈V形布置，沿高度方向开设密集细小的圆形出风口。主要技术参数如表1所示。

图1 多气流协同式果园V形防飘喷雾装置结构图Fig.1 Structure of V-shaped anti-drift spray device for orchard with multi-airflow coordination1.离心风机 2.分配器 3机架 4.输送风管 5.副风筒 6.主风筒 7.药箱 8.履带式底盘

表1 喷雾装置主要技术参数Tab.1 Main technical indicators of spray device

1.2 防飘原理

该装置防飘原理如图2所示，X、Y、Z分别表示机组行驶方向、喷雾方向和株高方向；φ表示V形开度；Qh表示果树行间自然风。当机组逆风行驶时，主风筒产生喷雾气流Q1，将雾滴送向果树冠层；前副风筒生成挠动气流Q2，分为沿前进方向的气流Q2x和沿喷雾方向的气流Q2y，翻转枝叶使背面朝上并削弱自然风对雾滴的影响；后副风筒沿株高方向形成风幕，即防飘气流Q3，减少雾滴非靶标区域飘移、提高果树冠层雾滴沉积量。当机组顺风行进时，两副风筒气流作用互换。

图2 多气流协同式喷雾防飘原理图Fig.2 Anti-drift schematic of multi-airflow collaborative spray

2 关键部件设计与仿真

2.1 风筒

(1)风筒高度

如图3所示，以4年生纺锤型苹果树株高为设计参考[25]，风筒高度H计算式为

图3 装置结构参数示意图Fig.3 Schematic of device structure parameters

H=H1-(H2+2Ltanθ)

(1)

式中H1——株高，为3.5 m

H2——果树第一分枝高度，为0.7 m

L——喷头到冠层距离，为0.3 m

θ——喷雾半角，为40°

将各取值代入式(1)，可得H=2.3 m。同时为适应不同果树行距和株高，机架开有宽度和高度调节孔。

(2)副风筒V形开度

V形开度指两副风筒之间的安装夹角，是影响雾滴防飘性能的重要参数，其大小与各气流速度密切相关。由图2可知V形开度φ满足

(2)

式中vQ2x——扰动气流沿机组前进方向速度分量，m/s

vQ2y——扰动气流沿喷雾方向速度分量，m/s

根据装置功能，扰动气流沿喷雾方向气流分量Q2y与喷雾气流Q1均挠动枝叶打开冠层，两者速度相同，依据末速度原则[26]得vQ1为

(3)

式中v0——气流到达树冠表层速度，m/s

K——沿程损失系数，取1.2～1.6

因出风口距冠层较近，K取1.2；针对苹果树v0为9 m/s[26]，代入式(3)得vQ1=17 m/s，即vQ2y=17 m/s；此外根据果园施药标准[27]，喷洒作业时自然风速应小于等于3.5 m/s(3级风)，所以vQ2y≥3.5 m/s，考虑自然风速峰值不定，vQ2x取4 m/s；代入式(2)得φ=27°。

2.2 风机风量和风压

依据风量置换原则[27]，随机组前进喷雾气流能够置换作业区域的全部空气，即喷雾所需风量为

Q≥(H+H1-H2)DKv

(4)

式中Q——离心风机风量，m3/h

D——喷头到果树树干距离，为0.7 m

v——机组行驶速度，为0.5～1.0 m/s

取v=1 m/s，代入式(4)得Q≥2.1 m3/s。

风机风压计算式[28]为

p=pd+pm+pj

(5)

其中

式中p——风机总压，Papd——动压损失，Pa

pm——摩擦压力损失，Pa

pj——局部压力损失，Pa

ρ——空气密度，取1.22 kg/m3

vg——风管气流速度，取30 m/s

η——摩擦因数l——风管长度，m

d——输送风管直径，取0.06 m

ξ——局部阻力系数

依据《通风设计手册》取η=0.1，l=6 m，ξ=0.3，代入式(5)得p=1 630 Pa。

2.3 分配器

依据风量分配需求设计半圆柱形分配器(图4)，其进风口与离心风机出风口匹配，直径为0.24 m，出风口直径皆为0.06 m。通过Fluent进行气流分配均匀性仿真，如图5所示。

图4 半圆柱形气流分配器Fig.4 Semi-cylindrical air distributor

图5 气流分配均匀性仿真结果Fig.5 Air distribution uniformity

由图5可知，分配器气流量分配较为平均，且出风口风速均匀，速度在29.9～32.3 m/s之间，满足气流分配需求。

2.4 防飘仿真验证

依据其结构设计与参数，在SolidWorks中绘制三维模型，将喷雾装置到果树冠层区域简化为长方体(500 mm×1 000 mm×3 000 mm)，建立 CFD 数值模型，通过ANSYS Mesh划分网格如图6所示，利用DPM方法[29]得单一气流(仅有喷雾气流)和多气流(喷雾气流、扰动气流和防飘气流)协同的雾滴群运动轨迹如图7所示，其中两侧面为雾滴逃逸面。

图6 计算区域网格划分Fig.6 Computational area meshing

图7 雾滴群轨迹Fig.7 Trajectory diagrams of fog drop group in two states

由图7及仿真结果可知，多气流协同较单一气流的雾滴沉积区域更为集中，雾滴逃逸率降低了40.3%，表明该装置具有较明显的防飘效果。

3 试验

3.1 试验仪器

主要试验仪器有：FS-75型工业风扇(风量18 900 m3/h、转速1 400 r/min)、HT9829型热敏式风速仪(东莞市鑫泰仪器仪表有限公司)、ARTS904520型垂直雾滴分布测试仪(意大利AAMS公司)、DCP-1618W型扫描仪、723N型可见分光光度计、自制集雾板(间距为20 mm的66个集雾槽粘合)、金属筛网、柠檬黄试剂、量筒、秒表等。

3.2 试验设计

3.2.1防飘试验

在FS-75型工业风扇上加装蜂窝整流装置模拟果园行间自然风(与喷雾方向垂直，下文以横风描述)，以纯净水为喷雾介质，开展装置防飘试验，如图8所示。试验条件为：横风风速3 m/s、喷雾气流速度15 m/s、V形风场风速(扰动气流速度)分别为0、20 m/s、喷雾压力为0.5 MPa、喷雾距离30 cm、喷雾时间10 s，每组试验进行3次取平均值。

图8 防飘试验装置示意图Fig.8 Anti-drift verification experiment1.试管 2.多气流协同式V形防飘喷雾装置 3.蜂窝整流装置 4.FS-75型工业风扇 5.集雾槽

3.2.2雾滴垂直沉积均匀性试验

利用垂直雾滴分布测试仪对装置进行单一气流和多气流协同下雾滴垂直沉积均匀性试验，试验条件为：无风、喷雾气流速度15 m/s、V形风场风速分别为0、20 m/s、喷雾压力0.5 MPa，每组试验进行3次取平均值。

3.2.3雾滴沉积特性综合试验

于2021年5月23日在山东农业大学园艺实验基地标准化种植果园内进行田间试验，试验对象为纺锤形苹果树，树高3.5 m(修剪后)，冠径1.7 m，行距4 m，株距2 m。

(1)果树冠层雾滴沉积测试

将果树冠层自上而下、由内而外进行分区，如图9所示，即5个水平面(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)、4个垂面(1、2、3、4)和3个曲面(G1、G2、G3)，各截面间距分别为0.7、0.6、0.35 m。每两截面交点为采样点，各放置水敏纸一张(规格110 mm×35 mm)。

图9 采样点布置示意图Fig.9 Schematic of sampling point layout

(2)雾滴果园空中飘移测试

距果树树干0.3 m处立一直杆(图9，高5 m)，由下到上间隔0.5 m放置长方形金属筛网(2.5 cm×7.5 cm，400目)收集飘移雾滴。以2.5 g/L柠檬黄溶液为示踪剂，洗脱处理后通过723N型可见分光光度计(设定波长426 nm)测定其吸光度，相应冠层高度的单位面积雾滴飘移量计算式为[8]

(6)

其中

式中Vc——金属筛网飘移量，μL

VX——洗脱液体积，mL

AX——洗脱液吸光度

AB——标定液吸光度

N——柠檬黄母液稀释倍数

S——金属筛网面积，cm2

w——单位面积飘移量，μL/cm2

根据上述试验方法，分别进行V形风场风速和喷雾压力单因素试验(图10)。试验条件为：机组行驶速度1 m/s，横风风速3 m/s，喷雾压力0.5 MPa，V形风场风速0～25 m/s、间隔2.5 m/s；V形风场风速为20 m/s，喷雾压力0.4～0.6 MPa、间隔0.02 MPa。每组试验进行3次取平均值。

图10 雾滴沉积特性田间试验Fig.10 Field test of droplet deposition characteristics

依据单因素试验结果，开展横风风速、V形风场风速及喷雾压力多因素试验，分析各因素对冠层雾滴沉积分布的交互影响规律。

4 结果与分析

4.1 防飘分析

依据3.2.1节分别进行单一气流与多气流协同的喷雾作业，收集各试管内液体体积，将数据导入Origin得雾滴沉积分布如图11所示。

图11 单一气流和多气流的雾滴沉积水平分布Fig.11 Horizontal distribution of droplet deposition in two states

由图11可知，多气流协同时雾滴沉积较单一气流更为集中，主要分布于序号为33～51试管中，以雾滴飘移率与雾滴质量中心距[30]衡量其防飘性能，计算式分别为

(7)

(8)

式中α——雾滴飘移率，%

Dc——雾滴质量中心距，mm

i——集雾槽序号

n——集雾槽总数，个

Vi——第i个集雾槽中收集液体体积，mL

V1Z——实际喷雾总体积，mL

di——第i个集雾槽中心到集雾板中线距离，mm

代入数据得多气流协同的雾滴飘移率、质量中心距分别为13.6%、172 mm，较单一气流分别降低了29.2%和25.2%，表明多气流协同能有效限定雾滴沉积范围，雾滴飘移潜力降低，该装置防飘效果较好。

4.2 雾滴垂直沉积均匀性分析

分别收集垂直雾滴分布测试仪两种喷雾作业下不同高度的雾滴，结果如图12所示。

图12 单一气流和多气流协同的雾滴垂直沉积分布Fig.12 Vertical deposition of droplet deposition in two states

由图12可知，多气流协同时，距离地面高度大于2.3 m区域雾滴沉积量明显增加。雾滴沉积量分布变异系数cv[30]计算式为

(9)

式中t——集液板量筒序号

m——沉积分布量筒总数，个

V2t——第t个量筒中收集的液体体积，mL

由此得多气流协同时雾滴沉积分布变异系数为25.1%，较单一气流降低了30.2%，表明雾滴垂直分布均匀性提高，有效减少，冠层高度方向漏喷、过喷问题。

4.3 单因素试验

4.3.1V形风场风速

利用DCP-1618W型扫描仪将收集的喷雾水敏纸依据采样点分类处理，通过重庆六六山下植保有限公司雾滴分析软件得不同冠层高度处的雾滴沉积密度和沉积量，结果分别如图13、14所示；根据空中飘移测试方法测得雾滴飘移量如图15所示。

图13 不同V形风场风速下雾滴沉积密度变化曲线Fig.13 Variation curves of droplet deposition density at different wind speeds of V-shaped wind field

图14 不同V形风场风速下雾滴沉积量变化曲线Fig.14 Variation curves of droplet deposition at different wind speeds of V-shaped wind field

图15 不同V形风场风速下飘移量变化曲线Fig.15 Variation curves of drift at different wind speed of V-shaped wind field

由图13～15可知，雾滴沉积密度和沉积量随V形风场风速增大先缓慢增加后急剧减小，雾滴空中飘移量则呈先平缓下降后缓慢增加的趋势。横风风速为3 m/s时，多气流协同时雾滴沉积密度、沉积量较单一气流分别提高了28.7%、17.4%，飘移量则降低了21.8%；V形风场风速为20 m/s时，果树冠层高度2.0 m处沉积量最大，为4.93 μL/cm2，3.5～5 m区段的飘移量最小，为0.11 μL/cm2；V形风场风速为15～25 m/s时，对雾滴沉积效果影响较大，因此以该区间为多因素试验时的V形风场风速取值。

4.3.2喷雾压力

设定V形风场风速为20 m/s，改变喷雾压力，不同冠层高度的雾滴沉积量如图16所示。

图16 不同喷雾压力下雾滴沉积量变化曲线Fig.16 Variation curves of droplet deposition under different spray pressures

由图16可知，V形风场风速不变，雾滴沉积量随喷雾压力增大而增加，当喷雾压力为0.5 MPa时，果树冠层高度为2.0 m处的雾滴沉积量最大值为4.45 μL/cm2；喷雾压力继续增大，雾滴沉积量则减小。主要原因为：喷头雾化能力随喷雾压力增大而增强，使雾滴初速度变大，利于雾滴向冠层沉积；但喷雾压力过大，雾滴粒径减小导致雾滴飘移潜力增大。

4.4 多因素试验

4.4.1试验结果

以横风风速、喷雾压力及V形风场风速为雾滴沉积分布影响因素，根据Box-Behnken试验方案设计三因素三水平响应面分析试验，各水平编码如表2所示。试验方案与雾滴冠层沉积量如表3所示，其中X1、X2、X3为因素编码值。

表2 试验因素编码Tab.2 Test factor and coding

表3 雾滴沉积试验方案与结果Tab.3 Test scheme and results of droplet deposition

4.4.2数学模型与显著性分析

利用Design-Expert 8.0.6软件对试验数据进行回归处理分析，得到雾滴沉积量回归方程为

(10)

依据该模型，通过F检验计算得到P值，进而分析各因素对雾滴沉积量的影响显著性，如表4所示。

表4 方差分析Tab.4 Equation analysis result

(11)

相同喷雾条件下，雾滴沉积量预测值与试验值的相关性如图17所示。

图17 预测值与试验值相关性曲线Fig.17 Correlation curve of predicted value and test value

由图17可知，二者相关系数为0.994 3，相关性较高，表明该预测模型可分析各因素对雾滴沉积分布的影响规律。

4.4.3三因素交互作用

根据雾滴沉积量预测模型绘制三因素交互作用的雾滴沉积量响应面，如图18所示。

图18 各因素交互作用的雾滴沉积量响应面Fig.18 Response surfaces of droplet deposition interacting with various factors

由图18可知，随横风风速增大，雾滴沿横风方向飘移增加，雾滴冠层沉积量减小；同一横风风速时，沉积量随喷雾压力增大而增加，V形风场风速为20 m/s、喷雾压力为0.5 MPa、横风风速为2 m/s时，沉积量最大为4.71 μL/cm2，而后由于喷雾压力继续增加使得雾滴粒径减小，导致雾滴自身飘移潜力增大而沉积量减小；同一喷雾压力时，随V形风场风速增大，雾滴沉积量增加，喷雾压力为0.5 MPa、V形风场风速为22.5 m/s、横风风速为2 m/s时，沉积量最大值为4.64 μL/cm2，但当V形风场风速继续增大时沉积量则减少，主要原因为V形风场风速持续增大时，部分雾滴穿透冠层，还有部分雾滴破碎加快使得飘移增加。

综上所述，3种因素对雾滴沉积量的影响由大到小为V形风场风速、横风风速、喷雾压力，且适当增加喷雾压力和V形风场风速有利于提高雾滴沉积量。

4.4.4最优参数及试验验证

为确定喷雾压力、V形风场风速及横风风速的最优参数，以雾滴沉积量最大为目标，以前述试验得到的3种因素作业范围为约束条件，建立雾滴沉积量预测优化模型为

maxY=f(X1,X2,X3)

(12)

其中

优化求解得3种因素的交互影响曲面如图19所示。当横风风速为2 m/s、喷雾压力为0.52 MPa、V形风场风速为21.8 m/s时，可得最大雾滴沉积量4.81 μL/cm2；当横风风速大于2 m/s时，需适当增大V形风场风速与喷雾压力，以提高冠层雾滴沉积。

图19 模型优化后各因素交互作用的雾滴沉积量响应面Fig.19 Response surfaces of droplet deposition of interaction of various factors after model optimization

依据最优作业参数组合，进行5次果园田间试验，雾滴沉积量取平均值为4.72 μL/cm2，与响应面优化结果差异率仅为1.87%，表明优化模型可靠。

5 结论

(1)针对现有风送式喷雾多采用单一辅助气流存在非靶标区域飘移，设计了一种多气流协同式V形防飘喷雾装置，通过CFD仿真验证V形风场防飘效果，并开展防飘可行性和雾滴均匀性试验，结果表明雾滴飘移率、质量中心距、雾滴沉积分布变异系数较单一气流分别降低了29.2%、25.2%、30.2%。

(2)进行单因素和多因素果园喷雾性能试验，结果表明，当横风风速为3 m/s时，多气流协同作用的雾滴沉积密度、沉积量较单一气流分别提高了28.7%、17.4%；对雾滴沉积特性有显著影响的因素由大到小依次为：V形风场风速、横风风速、喷雾压力。

(3)通过响应面建立了雾滴沉积量预测模型并优化，当横风风速为2 m/s、喷雾压力为0.52 MPa、V形风场风速为21.8 m/s时，雾滴沉积量最优值为4.81 μL/cm2；当横风风速大于2 m/s时，应适当增大V形风场风速与喷雾压力，以提高冠层雾滴沉积。以最优作业参数进行田间试验，雾滴沉积量为4.72 μL/cm2，与预测模型差异率仅为1.87%，为其结构设计和作业参数进一步优化提供依据。