基于CFD的多源注入式混药器设计与优化仿真分析

石毅新，蒋　蘋，向思亮，翟世克

基于CFD的多源注入式混药器设计与优化仿真分析

石毅新，蒋蘋，向思亮，翟世克

(湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128)

目前农作物病虫害防治的方法以农药化学防治为主，具有作业效率高、见效快、使用方便、成本低等优点。为实现农药的合理利用，避免农药浪费，降低作业风险以及环境污染，在传统混药器的基础上设计了一种可以同时将多种农药与水混合的多源注入式混药器。相较于传统的预混式混药器，多源注入式混药器可将多种农药与水在混合室内进行混合后完成喷洒，能一次性实现多种农药的在线混合、喷洒，具有自动化，智能化，精准化，操作安全等特点，对于实现我国农业的可持续化发展具有重要的意义。

CFD；多源注入；混药器；优化仿真

农药与水的在线混合在农业植保工程领域具有广阔的应用前景。农药与水的混合方式可分为射流式与注入式。射流式混药器结构简单，可靠性相对较高，但受其结构限制，在控制混药比与混药量方面还存在一定不足。注入式混药器相对于射流式具有智能化、可控化等特点，可利用智能化技术操控注入阀门的开闭，以此来调配混合农药的浓度。汪福杰等[1]针对注入式混药器开展了相关研究，但所设计的注入式混药器仅用于单种农药的混合。周书娴等[2]通过采用双级射流式混药器，在一定程度上解决了射流式混药器混药比小的问题。何培杰、陈翠英等设计了两级射流式泵混合装置，实现了在线自动混合，可有效降低操作人员作业中的危险性，避免污染环境，提高了植保机械的作业效率。代祥等[4,5]、宋海潮等[6.7]设计了一种旋动式射流混药器并对其进行了优化仿真，该旋动式射流混药器可以在线混合脂溶性农药。加拿大GILLS将DIS与机器视觉结合研发了一种用于防治杂草的变量喷雾器，利用闭式循环对载流和压力进行控制，但由于注入农药的口距离喷头过远，此系统对于变量的突变并不敏感；VONDRICKA[8]对于DNIS的延时影响因素进行了研究，发现隔膜泵比齿轮泵更加适合用于作为泵的动力元件。

射流式混合器虽然存在混合比小、不可控和能量损耗大、无法实现多种农药同时在线混合等问题，但是具有结构简单、成本低、作用效果好等优点，适合被广泛应用在植保机械中。

1　多源注入式混药器的结构与工作原理

1.1　结构模型及物理原理

多源注入是指在混药器中拥有两个以上的农药入口，可以将不同的农药注入到同一个混合管中，实现不同的农药配比。其混合管相较其他不同混药器更长，以便于设置多个农药入口。

为了让混合管中的农药与水混合得更加均匀，可以通过改变农药入口的注入角度，使混合管中的农药均匀分布，本型多源注入式混药器设置了3个农药入口，共用一根混合管，将混合管段划分为不同的区，对不同的区进行分别分析。

注入式混药器的主要结构包括进水口，进药口1，进药口2，进药口3，出流管，混合管，如图1所示。其主要工作原理是利用水泵将水箱中的水泵入混药器的进水管，同时利用药泵将农药母液泵入3个进药口，并且可以根据需要调整进药口数，以达到最好的混药效果，保证混药的质量。

图1　多源注入混药器结构

1.2　混合原理控制方程

对于多源混药器出口面和进口面，其动量方程为：

伯努力方程为：

根据雷诺系数公式和平均流速公式，如下：

混合比：

式(4)中：QS、Q1、Q2为分别为药液流量、水流量、出口流量，单位(m3/s)。

2　CFD建模

2.1　模型建立与命名

本文根据混药器改变量的不同，将农药流入角度与方向作出标记，有助于区分不同混药器，便于统计仿真数据。若模型为三口农药注入，三个农药注入口均与水流方向相反，则标记成model-45°-1逆-2逆-3逆，简写为mod-45°-1n-2n- 3n，如图2所示。

图2　流体仿真模型

2.2　边界条件设定

载流系统采用普兰迪(PLD)系列水泵直流电隔膜泵，该水泵最大可以达到1 MPa可以完成绝大多数的田地及果园的喷雾作业，混药的混合液出口到喷枪形成喷雾所需要的压力根据混药器不同的使用场景有所区别：在田地作业时，混药器的出口压力一般为0.5 MPa；在果园作业时，混药器的压力一般为1 MPa，可以达到良好的喷雾效果。本文所选用的水泵最大压力达到1 MPa，计算水泵到混药器的压力损失大致为0.15 MPa，故选定混药器压力入口为0.85 MPa，将混合液出口的压力设置为0.8 MPa，这样可以满足绝大多数场地的喷雾需求。药液注入装置为Kamoer 公司生产的蠕动泵，可以精确计算农药的用量，以此来确定农药与水的配比，最高输出压力为0.5 Mpa，同时可以利用公式来计算出农药入口的流速。药泵的最低流量为5 mL/min，最高流量为440 mL/min。为了方便计算，取流量的中值222.5 mL/min，利用上述公式求出农药母液的3个入口流速分别为1.19427 m/s，0.524 887 89 m/s，0.295 249 443 m/s，即入口流速。

2.3　仿真组次的设计

仿真模型的入药管角度分为30°和45°两组；入药管工作情况分为单口注入、双口组合注入、三口注入。为了方便模型的设计，本文只在三口均注入时设计顺逆的入药口，可以根据变量设计出多组模型，如表1所示。

表1　模型注入三口的编号

当有两个入药管工作时，即双口组合注入，有1-2，1-3，2-3三种情况。当只有一个入药管工作时，即单口注入，共三组分别为1，2，3。以上为45°角的所有仿真模型，加上30°的所有仿真模型，一共16组。

3　数值模拟

3.1　FLUENT的设置以及解法步骤

(1)利用solidwork建立模型并进行网格划分，将网格大小设置为0.5 mm，用check功能检查网格，确定是否有负的网格面积。

(2)将时态设置为Steady，总体(general)参数设置参照压力求解器Pressure-Based，在模型(models)设置为上述的方程模型。

(3)在FLUENT的材质库中选择water-liquid(液态水)作为工作液体，并将操作环境设置为标准大气压。

(4)设置边界条件(Boundary Conditons)，当农药入口为3个时，将入口标记为压力入口1号、速度入口2号、速度入口3号、速度入口4号。将高压水入口压力设置为0.85 MPa，标记为inlet-1；将农药入口1的速度设置为0.295 249 443 m/s，标记为inlet-2；将农药入口2的速度设置为0.524 887 89 m/s，标记为inlet-3；将农药入口3的速度设置1.194 27 m/s，标记为inlet-4；将混合液的出口压力设置为0.8 MPa，标记为outlet。

(5)运用SIMPLEC算法进行压力速度耦合求解运算。

(6)为了方便收敛，应将连续性残差收敛值设置为0.005，可使混药器在更少的次数内收敛。

(7)初始化的设定，将流体初始化标记为Hybird Initialization。

(8)在Run Calculation中进行2000次迭代模拟计算。

(9)对结果进行检查。

3.2　仿真结果分析

本仿真模型设计了角度、入药口的顺逆、入药管的通断三个变量，由此可设置不同的仿真，根据不同的变量选择5个模型作为仿真结果的示例表示出来，观察其速度，压力，湍流动能3种结果。图3为mod45-1s-2s-3s即三口注入，角度为45°，且入药管全部为顺的流体模型的仿真结果。图4为1号和3号入药管注入农药顺逆改变，即模型mod45-1s- 2n-3n的模型仿真结果。

图3　模型mod45-1s-2s-3s的仿真结果

图4　模型mod45-1s-2n-3n的仿真结果

由图3(a)可知在混合管阶段，压力相较于入水口和出流口较小，农药通过入药管进入混合管时受到的阻力较小，故能量损失更小，可使作业更加绿色环保。由图3(b)可知在混合管阶段，水流会加速。由伯努利方程可以知道，在高度不变的情况下，流速变大使得压力变小，以此原理来设计较小口径的混合管，可以让混合管内压力变小，减小农药进入混合管中的阻力。图3(c)显示为混药时的湍流动能分布，湍流动能表示流体中的湍流强度，湍流越强湍流动能越大，农药和水的混合效果也会越好，故湍流动能可以作为农药和水混合优劣程度的评价指标之一。

图5与图6分别为注入角度为30°的模型，其中图5为3口注入全部为顺流注入，即模型mod30-1s-2s-3s的仿真结果。图6为1口为30°、2口为150°、3口为150°的注入情况，即模型mod30-1s-2n-3n的仿真结果。

图5　模型mod30-1s-2s-3s的仿真结果

图6　模型mod30-1s-2n-3n的仿真结果

将所有仿真数据提取进行统计,统计结果见表2。从表2中可知Mod45-1s-2s-3s的仿真压力相对适中，湍流动能最高，且混合管内的速度最高，最利于多源农药的混合，可认定该模型为最优结构。

表2　仿真结果数据统计

在上表中速度结果的单位为m/s，压力结果的单位为MPa，湍流动能的单位为103m2/s2。

4　讨论

本多源注入式混合器的设计基于CFD软件对不同结构形式进行对比仿真，通过观察压力、速度、湍流动能分布云图与对比数据最终得出关键的设计参数。通过对比仿真分析可以得出，三口均工作的模型Mod45-1s-2s-3s，混合管压力为0.776 Mpa，且湍流动能的结果有8.75，为16组模型中第二大，既能确保较大的湍流强度，又能保证混合管压力不超标，可以认定为最优模型，为后续的混药试验与植保喷雾，特别是多源农药混药与喷雾提供一定技术参考。

[1] 汪福杰,蒋蘋,石毅新,等.植保机在线混药系统的设计及混药性能试验[J].湖南农业大学学报:自然科学版,2020, 46(2):3-6.

[2] 周书娴,石毅新,蒋蘋.基于CFD两级注入式射流混合器设计与试验研究[J].中国农业科技导报,2021,23(6): 86-96.

[3] 何培杰,陈翠英,吴春笃,李雪辉.两级射流泵混药装置试验研究[J].农业机械学报,2003,34(1):57-60,75.

[4] 代祥,徐幼林,陈骏阳,等.射流混药器改进提高混药均匀性及动态浓度一致性[J].农业工程学报,2019,35(8): 65-74.

[5] 代祥,徐幼林,宋海潮,等.混药器混合均匀性分析方法与在线混合变工况试验[J].农业机械学报,2018,49(10): 172-179.

[6] 宋海潮,徐幼林,郑加强,等.旋动射流混药器扩散角对脂溶性农药混合效果的影响[J].江苏农业科学,2018,46 (18):234-238.

[7] 宋海潮,徐幼林,郑加强,等.脂溶性农药旋动射流混药器结构分析与混合均匀性试验[J].农业工程学报,2016,32 (23):86-92.

[8] VONDRICKA J, SCHULZE LAMMERS P. Real-time controlled direct injection system for precision farming[J]. Precision Agriculture, 2009, 10(5): 421-430.

Design and optimization analysis of multi-source inmixer based on CFD

SHI Yixin, JIANG Ping, XIANG Siliang, ZHAI Shike

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128,China)

At present, the method of agricultural pest control is mainly chemical control, which is the method of using pesticides to control animal and plant diseases. Pesticides have the advantages of high efficiency, quick efficiency, convenient use, and high economic benefits. How to realize the rational use of pesticides and prevent pesticide waste, the danger of human medicine contact, and environmental pollution has sufficient research value. Multi-source injection mixer is a mixture of multiple pesticides that are mixed with water in the mixing room and then sprayed with it. Relative to the traditional premixed drug mixer, a multi-source injection mixer can achieve the online mixing of multiple pesticides at a time, with automation, intelligentialize, precision, and operational safety characteristics. In this paper, a multi-source injection mixer that can mix multiple pesticides with water simultaneously is designed, It is of great significance to the sustainable development of agriculture in China today.

CFD; multi-source injection; drug mixer; optimization simulation

S226.6

A

2096–8736(2022)05–0006–05

湖南省教育厅优秀青年项目(21B0207)，湖南省科技成果转化及产业化计划项目(2020GK4075)。

石毅新（1986—），男，湖南长沙人，博士研究生，讲师，主要研究方向为农业机械结构设计与开发。

责任编辑：张亦弛

英文编辑：吴志立