扇吸式生物光防治灯流场分析及结构优化*

2023-09-11 09:30石炜张晓莹张国英
中国农机化学报 2023年8期
关键词:迹线进风口虫子

石炜,张晓莹,张国英

(1. 内蒙古科技大学机械工程学院,内蒙古包头,014010;2. 内蒙古中农高科科技有限公司,内蒙古鄂尔多斯,017010)

0 引言

伴随着绿色生态农业的提出,人们对于瓜果蔬菜质量的要求也是越来越高,病虫害的防治是其中的一个重要步骤。通过持续不断的摸索,在绿色发展观念深入人心的同时绿色防控的技术得到了完善[1-2]。农业农村部印发《关于加快发展农业社会化服务的指导意见》提出推动服务与科技深度融合,引导服务主体充分利用大数据、人工智能和其他信息技术使改善信息和农业智能成为可能[3]。目前,害虫的控制主要依靠杀虫剂的使用,这将使害虫对药物产生抗药性,还会造成会食用者的伤害。

何超等[4]对扇吸式杀虫灯与频振式杀虫的杀虫效果比较得出,扇吸式杀虫灯的杀虫效果明显高于频振式杀虫灯,现有的实验结果表明[5-8],经过两天的昆虫采集,有益昆虫在扇吸式杀虫灯中的存活率超过80%,所有害虫都被杀死,而频振式杀虫灯中只有少数有益昆虫存活。现使用的扇吸式生物光防治灯通过生物光将害虫引诱到灯口后,有大部分害虫会吸附在灯口附近,不能进入集虫瓶内部,从而出现扇吸式生物光防治灯对害虫吸入效率低的问题。

本文首先分析现有的扇吸式生物光防治灯集虫瓶,基于流体力学相关理论知识,以Fluent数值模拟软件[9]为平台进行流体力学分析,模拟集虫瓶内部流场现状,观察内部气流轨迹是否稳定。改变原有结构,提出进风口角度为进风口无挡板、进风口倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°的7种方案。然后将改进结构模型导入Fluent软件中利用Mesh模块对集虫瓶管道模型进行网格划分,选择合理的RNGk-ε湍流模型,设置求解参数。以集虫瓶内部流场迹线的均匀性为目标,对扇吸式生物光防治灯的原始进风口90°的结构与进风口无挡板、进风口倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°的7种优化方案设计的结构在吸入风扇1 600 r/min、1 800 r/min、2 000 r/min转速的情况下进行速度、压力、虫子迹线的对比,以此得到扇吸式生物光防治灯对虫子吸入效率最高的设计方案。

1 扇吸式生物光防治灯集虫瓶内部流场分析

1.1 基本方程

本研究中扇吸式生物光防治灯集虫瓶内部的流体为空气,而空气、水等流体都属于牛顿流体型流体,属于黏性为定值的不可压缩流体[10],故假设空气的黏性不随通风管道里旋转时温度的改变而改变。当空气在集虫瓶中流动时,流体中各质点流动具有不规则性,除了沿平行于通风管道轴向运动外,还有垂直于管道轴向方向的横向运动,完全处于无规则的乱流状态[11]。

流体在流动过程中要受物理守恒定律的支配,基本守恒规律一般包括动量守恒定律、质量守恒定律、能量守恒定律。在扇吸式生物光防治灯集虫瓶内部流场的三维数值模拟过程中,不考虑能量的变化,所以能量方程不包含在流动控制方程中[12]。

1) 质量守恒方程。质量守恒方程[13]由质量守恒定律确定,也称为连续性方程。该定律解释如下:单位时间内进入流体微元体中的质量等于在相同作用时间下流出流体微元体中的质量。根据该定律,质量守恒方程的微分形式表示如式(1)所示。

(1)

(2)

式中:ρ——流体密度;

t——时间;

u、v、w——速度矢量在x、y、z方向上的分量。

上述两个方程代表了三维可压缩流体在瞬态下的连续性方程。本文中的流体是不可压缩的,它的密度不随流动而变化,它的密度是恒定的。

(3)

2) 动量守恒方程。在流体流动中,任何流体流动系统都必须遵守动量守恒定律[14],它被定义为微元流体在任何给定时间和作用在其上的任何力的动量变化率的大小与外界作用在该微元体上的所有力的和是相等的,按照定律描述可以推导出x、y、z方向的动量守恒方程,如式(4)~式(6)所示。

(4)

(5)

(6)

式中:p——流体微元体上的压力;

μ——流体动力黏度;

τxx、τxy、τxz——在分子黏度作用下作用于微元体表面上的黏性应力τ的分量;

Fx、Fy、Fz——微元体方向作用上的体积力。

1.2 扇吸式生物光防治灯整体结构及工作原理

1.2.1 整体结构

以现场应用的扇吸式生物光防治灯为基础,利用SolidWorks三维软件等比例建模,灯体总高度为415 mm,采用型号为TT-1425的风扇提供吸力,此风扇的稳定转速为1 600 r/min,扇吸式生物光防治灯整体三维模型如图1所示。

图1 扇吸式生物光防治灯三维模型

1.2.2 工作原理

扇吸式生物光防治灯根据昆虫的趋光特性通过灯光将害虫引诱到集虫瓶附近,启动电机,使风扇高速运转起来,风扇产生高速的气流将害虫吸入集虫瓶。当虫子被吸入集虫瓶后,风扇产生的气流再将害虫吹到集虫瓶底部。在集虫瓶的底部放入水,采用溺水的方式杀虫。集虫瓶底部的三维模型如图2所示。在集虫瓶下端设置栅栏,风扇产生的气流从此缝隙散发出去,经实际测量,缝隙小于虫子的实际大小,栅栏的三维模型及缝隙的局部放大图如图3所示。

图2 集虫瓶底部三维模型

(a) 栅栏三维模型

1.3 几何模型建立

扇吸式生物光防治灯集虫瓶出口直连大气,进风口高度为100 mm,集虫瓶的高度为220 mm,集虫瓶的入口直径为250 mm,集虫瓶的出口直径为66 mm。模型需要导入Fluent软件中进行数值模拟,扇吸式生物光防治灯集虫瓶内部进风口、旋转流体区[15]、吸风通道及出风口的简化模型[16]如图4所示。

图4 简化模型

1.4 边界条件及湍流模型

扇吸式生物光防治灯模型主要用到的边界条件及物理意义如表1所示。

表1 扇吸式生物光防治灯边界条件Tab. 1 Boundary conditions of fan suck-in bio-light control lamp

通过试验可发现,当湍流有强旋流或者带有弯曲壁面流动或者弯曲流线流动时,标准的k-ε两方程模型会出现失真的现象。本文的模型需要考虑流动中的旋转及旋流流动的影响,由于改进后的RNGk-ε模型[17]对湍流黏度进行了修正,所以使用改进后的RNGk-ε模型,能够更好地求解高应变率及流线弯曲程度较大的流动,湍动能k方程和湍流耗散率ε定义如式(7)、式(8)所示。

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(7)

(8)

式中:Gk——通过平均速度梯度产生湍动能k;

Gb——由于浮力引起的湍流动能k的产生项;

YM——可压缩湍流中脉动膨胀的贡献;

μt——湍流黏性系数;

Sk、Sε——用户定义源项;

C1ε、C2ε、C3ε——经验常数;

σk、σε——湍动能k和耗散率ε对应的湍流普朗特数(Prandtl)。

取C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09,湍动能k与耗散率ε的湍流普朗特数σk=1.0,σε=1.3[18]。

1.5 扇吸式生物光防治灯集虫瓶内部仿真结果

由于风扇的稳定转速为1 600 r/min,此次对原扇吸式生物光防治灯集虫瓶内部流场的模拟仿真采用风扇转速为1 600 r/min,通过模拟仿真,对仿真结果进行后处理,在后处理中用小球模拟虫子,得到虫子在扇吸式生物光防治灯集虫瓶内部的轨迹如图5所示。

图5 原扇吸式生物光防治灯集虫瓶内部虫子轨迹

对图5进行分析,虫子在被吸入扇吸式生物光防治灯集虫瓶内部后,在风扇工况1 600 r/min条件下扇吸式生物光防治灯集虫瓶内部的虫子轨迹紊乱,尤其在灯口位置会形成旋涡,一个原因是风扇的工作转速太小达不到虫子被吸入集虫瓶的最小速度,由于原扇吸式生物光防治灯集虫瓶的进风口是垂直的,当虫子被吸引到集虫瓶附近时会随着风扇产生的气流而飞到集虫瓶外部,另一个原因是扇吸式生物光防治灯集虫瓶进风口的角度问题,造成虫子在灯口的积聚。

2 扇吸式生物光防治灯集虫瓶参数优化研究

通过前面对原扇吸式生物光防治灯集虫瓶的仿真研究,发现目前扇吸式生物光防治灯集虫瓶结构设计不合理,针对这一问题,将从两个方面对目前扇吸式生物光防治灯进行参数优化,包括对风扇工况的优化、对扇吸式生物光防治灯集虫瓶进风口角度的优化。在合理的范围内,将风扇的转速增大为1 800 r/min、2 000 r/min。

2.1 集虫瓶进风口角度参数优化

害虫在扇吸式生物光防治灯聚集的位置图如图6所示,害虫聚集的位置高度为20 mm。针对扇吸式生物光防治灯虫子在灯口聚集的问题,进风口的位置是进行优化的位置。

图6 害虫聚集位置及进风口角度

将入口处进风口进风方向与水平方向夹角定义为进风口倾角,原始的进风口形状的倾角为90°,如图6所示。考虑到使风扇产生的气流能够扩散到集虫瓶的各个部位,以便减小出风管道与出风管道内壁碰撞产生的能量损失和旋转涡流。通过进风口角度的改变,达到集虫瓶内部稳定的气流及虫子在集虫瓶内部运动稳定的目的。

对扇吸式生物光防治灯进风口的优化有7种,分别是进风口无挡板和进风口倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°的不同倾角条件,研究进风口倾角对虫子吸入效果的影响。不同进风口角度变化工程图如图7所示。不同进风口角度变化二维图如图8所示。

(a) 原始90

(a) 原始90°

2.2 害虫被吸入集虫瓶速度与压力计算

1) 害虫被吸入集虫瓶速度。害虫在被集虫瓶吸入的过程中,由于气流或重力的影响,害虫可以被吸进集虫瓶,其速度计算如式(9)所示。

(9)

式中:mmax——害虫最大质量,取0.001 kg;

Cd——阻力常数,取0.6;

ρ空——空气密度,取1.205 kg/m3;

Si——害虫运动方向最大投影面积,取0.002 m2。

计算可得空气的流速为3.6 m/s,即虫子被吸入集虫瓶的速度为3.6 m/s。

2) 害虫被吸入集虫瓶压力。虫子被吸入集虫瓶的压力计算如式(10)所示。

WP=0.5ρ空vt2

(10)

式中:WP——风压,kN/m2;

经计算,虫子被吸入集虫瓶压力为8.25 kN/m2。

3 扇吸式生物光防治灯的流体仿真模拟

3.1 压力分析

3.1.1 风扇工况1 600 r/min各个截面的压力云图

为了更好地展示出风扇转动时集虫瓶内部的压力变化[19],分别作了进风口、距离进风口0.5R、1.0R、1.5R、2.0R、2.5R(R表示流体区域的半径)的截面。压力是吸进害虫的关键因素,集虫瓶不同角度进风口截面的压力变化如图9所示。原始进风口90°时,在进风口截面与0.5R截面是负压,在1.0R→1.5R→2.0R这三个截面的过程中出现一定程度的正压,在集虫瓶的内部气流中是不稳定的,气压的不稳定会导致气流的不均匀,易产生紊乱的气流。进风口无遮挡结构的集虫瓶内部气压是基本稳定的状态,气压比较稳定。进风口75°时集虫瓶内部的压力与其他角度集虫瓶内部的压力相比,进风口75°时集虫瓶内部的压力是比较稳定的,气流不易产生紊乱。综合分析,在风扇1 600 r/min工况进风口75°结构是可以选择的结构。

图9 风扇工况1 600 r/min条件不同角度进风口各截面压力云图

3.1.2 风扇工况1 800 r/min各个截面的压力云图

风扇工况1 800 r/min下,原始进风口90°各截面的压力变化如图10所示,7种进风口角度的各截面压力变化如图11所示。

图10 风扇工况1 800 r/min条件进风口90°的各个截面的压力云图

图11 风扇工况1 800 r/min条件不同角度进风口各截面压力云图

原始进风口为90°时,各个截面压力值有一部分为正数,而负压是吸进害虫的关键,所以这是导致害虫不能被吸入的一个原因。进风口60°压力云图表现出比较平稳的状态,各处压力较均匀,因此进风口60°的结构可以考虑采纳。进风口75°时,整体压力是最小的,所以吸力是最小的,不能有效吸入害虫。进风口45°时,整体压力大,但进风口60°的结构压力更平稳,适合稳定作业。

3.1.3 风扇工况2 000 r/min各个截面的压力云图

风扇工况2 000 r/min下,集虫瓶不同角度进风口截面的压力变化如图12所示。

图12 风扇工况2 000 r/min条件不同角度进风口各截面压力云图

原始进风口90°时,在进风口截面、0.5R、1.0R截面是负压,在1.5R→2.0R这两个截面的过程中出现一定程度的正压,在集虫瓶的内部气流中是不稳定的,气压的不稳定会导致气流的不均匀,易产生紊乱的气流。进风口60°的各个截面的压力是负的,气压是8种结构中最稳定的。

对扇吸式生物光防治灯集虫瓶进行流体分析,在风扇工况1 600 r/min、1 800 r/min、2 000 r/min的条件下,从压力的角度分析,进风口60°可以满足要求。

3.2 集虫瓶出口速度均匀性研究

3.2.1 集虫瓶出口速度均匀性评价指标

为了研究风扇工况,以集虫瓶出口速度均匀性作为评价指标,在害虫被吸入集虫瓶的过程中,在保证害虫被吸入集虫瓶所允许的最小速度下,以集虫瓶出口速度不均匀度最小为原则,为了定量分析不同风扇工况下不同角度进风口出风口速度分布的均匀性,应用其均方差E作为评价指标。

集虫瓶出口速度不均匀系数

(11)

式中:N——原始方案与优化方案数;

Vi——第i个方案出口速度;

Va——各个方案的出口速度平均值。

集虫瓶出口速度不均匀系数E表明集虫瓶出口速度的变化幅度大小。当不均匀度E越大,各集虫瓶出口速度分布越不均匀,说明了各集虫瓶出口速度一致性越差。当不均匀度E越小,各集虫瓶出口速度分布越均匀,说明了各集虫瓶出口速度一致性越好。

3.2.2 不同风扇工况下各方案集虫瓶出口速度

通过Fluent软件进行数值模拟,对数据进行选择和处理,处理后可得到不同风扇工况下原始方案与优化方案各集虫瓶出口的速度数据,结果如表2所示。

对试验结果进行数据处理后,可以得到不同风扇工况的各方案集虫瓶出口速度的不均匀度,1 600 r/min风扇工况各方案集虫瓶出口速度的不均匀度为1.99%,1 800 r/min风扇工况各方案集虫瓶出口速度的不均匀度为1.26%,2 000 r/min风扇工况各方案集虫瓶出口速度的不均匀度为1.32%,随着风扇转速的增大,集虫瓶出口风速不均匀系数先减小后增大,当风扇工况1 600 r/min时,集虫瓶出口速度不均匀系数达到最大,当风扇工况1 800 r/min时,集虫瓶出口速度不均匀系数最小,由此选用1 800 r/min风扇工况。

3.3 涡流黏度的分析

涡流黏度是表征流体流动的一个重要物理量,通过Fluent软件数值模拟,经过后处理,得到风扇工况1 600 r/min、1 800 r/min、2 000 r/min条件下各截面的涡流黏度数据如图13所示。

(a) 风扇工况1 600 r/min各截面涡流黏度

进风口60°的结构涡流黏度均匀,涡流黏度小,速度扩散的速率大,速度变化的时间短,不会有旋涡的产生,能满足工程的需要,从涡流黏度的角度分析,在风扇1 600 r/min、1 800 r/min、2 000 r/min的工况下进风口60°可以选择考虑。

3.4 迹线的分析

3.4.1 风扇工况1 600 r/min中心位置截面的迹线云图

通过流体仿真得出的迹线图可以清晰地描述虫子进入集虫瓶的轨迹变化,不同角度进风口结构时中心截面的虫子迹线图如图14所示。

图14 风扇工况1 600 r/min条件中心截面虫子轨迹迹线图

涡流的存在会导致能量的浪费,降低空气的吸收效率[20]。原始进风口90°时在集虫瓶内部出现两个旋涡,尤其在进风口处的旋涡是比较大的,影响虫子的吸入,是导致虫子积聚的最大问题。进风口30°时在集虫瓶内部贴近壁面的位置有旋涡,但风扇正下方位置的迹线是均匀的。进风口0°、进风口15°、进风口45°、进风口60°结构的旋涡较大。进风口75°的迹线云图在进风口的位置旋涡是最小的,在1 600 r/min的工况下,进风口75°的结构是最佳的结构。

3.4.2 风扇工况1 800 r/min中心位置截面的迹线云图

通过流体仿真得出的迹线图可以清晰地描述虫子进入集虫瓶的轨迹变化,不同角度进风口结构时中心截面的虫子迹线图如图15所示。

图15 风扇工况1 800 r/min条件中心截面虫子轨迹迹线图

原始进风口90°时在迹线云图的两侧位置出现两个旋涡,两个旋涡是对称的,即表示在实体模型进风口的一圈位置处都有旋涡,产生的压力会将虫子卷出实体模型的进风口外侧(即虫子在进风口的聚集处)。进风口60°的模型在截面上的迹线所表征的特征是没有涡流,此结构的气流仿真没有涡流的产生,对迹线的解释为:虫子随风扇所带动的气流被吸入集虫瓶,没有涡流的产生,虫子顺势被吸入集虫瓶的底部,随后溺水而亡。进风口60°的结构是理想结构。

3.4.3 风扇工况2 000 r/min中心位置截面的迹线云图

通过流体仿真得出的迹线图可以清晰地描述虫子进入集虫瓶的轨迹变化,不同角度进风口结构时中心截面的虫子迹线图如图16所示。

图16 风扇工况2 000 r/min条件中心截面虫子轨迹迹线图

原始进风口90°时在迹线云图的两侧位置出现两个旋涡,两个旋涡是对称的,即表示在实体模型进风口的一圈位置处都有旋涡,产生的压力会将虫子卷出实体模型的进风口外侧(即虫子在进风口的聚集处)。进风口60°的模型在截面上的迹线所表征的特征是没有涡流,此结构的气流仿真没有涡流的产生,对迹线的解释为:虫子随风扇所带动的气流被吸入集虫瓶,没有涡流的产生,虫子顺势被吸入集虫瓶的底部,随后溺水而亡。从迹线的角度分析,进风口60°是比较好的选择。综合分析风扇工况1 800 r/min且进风口角度为60°作为最终的优化方案。

4 结论

1) 根据扇吸式生物光防治灯虫子聚集在灯口从而导致扇吸式生物光防治灯对虫子吸入效率低的问题,通过Fluent软件对扇吸式生物光防治灯原始进风口90°的集虫瓶内部管道进行流场模拟,分析了原始进风口90°的扇吸式生物光防治灯虫子聚集灯口的原因:结构不合理产生的旋涡、风扇工况,因此在结构方面对进风口角度的设计进行了进风口无挡板和进风口倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°的7种方案设计,在风扇工况方面采用增大风扇转速的方法进行优化。

2) 提出的进风口无挡板和进风口倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°的7种优化设计方案的集虫瓶管道内部流场的压力、速度、虫子迹线图与原始进风口90°的集虫瓶管道内部流场的压力、速度、虫子迹线图进行对比,以集虫瓶管道内部流场压力为负值、速度均匀、虫子迹线稳定为标准,得出最终优化方案。

3) 对集虫瓶出口速度的不均匀度研究,1 600 r/min风扇工况各方案集虫瓶出口速度的不均匀度为1.99%,1 800 r/min风扇工况各方案集虫瓶出口速度的不均匀度为1.26%,2 000 r/min风扇工况各方案集虫瓶出口速度的不均匀度为1.32%,1 800 r/min风扇工况各方案集虫瓶出口速度的不均匀度系数最小,选择风扇工况为1 800 r/min,且在风扇工况1 800 r/min的条件下,进风口60°的结构迹线稳定,速度、压力、湍流分布是均匀的,集虫瓶没有旋涡,集虫瓶内部的压力为负值。因此风扇工况1 800 r/min的进风口60°为最终的优化方案,能够满足预期的结果。

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