王杰，茹煜，周宏平，王水金，倪佳勝，張超

（南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037）

風(fēng)送噴霧技術(shù)依靠各種形式的風(fēng)送系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)勁氣流，能夠遠(yuǎn)距離輸送霧滴，增加霧滴在冠層的穿透性和沉積量，減少霧滴飄移，實(shí)現(xiàn)低量噴霧［1-3］。噴霧機(jī)的風(fēng)送系統(tǒng)不斷向節(jié)能、環(huán)保和高效的方向發(fā)展，從半圓形氣流覆蓋整個(gè)作業(yè)區(qū)域發(fā)展到如今的對靶仿形噴霧，從單一不變的風(fēng)速和施藥量發(fā)展到現(xiàn)在可變量調(diào)節(jié)風(fēng)速和控制流量，目的是減少農(nóng)藥污染，提高噴霧效率［4-7］。由于風(fēng)送系統(tǒng)氣流場用傳統(tǒng)試驗(yàn)方法研究比較困難，存在測量環(huán)境復(fù)雜、測量結(jié)果不準(zhǔn)確等問題，國內(nèi)外學(xué)者大多采用CFD（computational fluid dynamics）數(shù)值模擬的方法對氣流場展開研究［8］。Sidahmed 等［9］將數(shù)值模擬應(yīng)用于風(fēng)送噴霧機(jī)噴嘴外部半圓形氣流場研究，發(fā)現(xiàn)在非對稱速度流場的預(yù)測比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要更準(zhǔn)確。Endalew 等［10-12］模擬風(fēng)送噴霧機(jī)對梨樹三維模型噴霧的氣流場，發(fā)現(xiàn)隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速、噴霧距離和風(fēng)向與噴嘴之間角度的增大，到達(dá)靶標(biāo)的最大風(fēng)速會(huì)減小。Salcedo 等［13］在對風(fēng)送噴霧機(jī)外部氣流場進(jìn)行二維數(shù)值模擬中采用3 種不同的湍流模型：k?ε模型、剪切應(yīng)力SSTk?ω模型、雷諾應(yīng)力RSM 模型，對比發(fā)現(xiàn)SSTk?ω模型預(yù)測結(jié)果最接近實(shí)驗(yàn)情況。Duga 等［14］和Dekeyser 等［15］對風(fēng)送噴霧機(jī)外部氣流場采用模擬分析，得出外部氣流場是影響霧滴分布和霧滴飄移的決定因素。傅澤田等［16］利用CFD 模擬對風(fēng)送噴霧機(jī)氣流場進(jìn)行分析，獲得氣流速度場的分布特性，并試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。周良富等［17］采用試驗(yàn)與模擬的方法，得出圓盤霧化器最佳工作轉(zhuǎn)速和不同轉(zhuǎn)速下圓盤霧化器的氣流速度場。王景旭等［18］用離散相粒子跟蹤法模擬流場中的霧滴運(yùn)動(dòng)軌跡，得出氣流速度與霧滴粒徑是霧滴沉積的關(guān)鍵因素。徐立章等［19］、童水光等［20］改進(jìn)了多出風(fēng)口多風(fēng)道的離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，通過對內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，提高了風(fēng)道內(nèi)氣流速度和分布均勻性。丁天航等［21］采用模擬和試驗(yàn)的方法對單雙風(fēng)道果園噴霧機(jī)氣流場對比研究，得到雙風(fēng)道氣流場在兩側(cè)對稱性和對中性上較單風(fēng)道有明顯的優(yōu)勢。

目前我國苗木多采用低矮密植型種植模式［22］，苗木行距均在3～4 m，株距2～3 m，樹高3 m左右。苗木噴霧機(jī)通過多出口裝置將傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧機(jī)單一的大出風(fēng)口分成多個(gè)小出風(fēng)口輸送霧滴，對苗木多形態(tài)特征能靈活調(diào)整風(fēng)管支架結(jié)構(gòu)、風(fēng)管長度和出口位置，多樣的工作模式能解決噴霧距離短、藥液利用率低等問題。但是，對于矮化密植型果園，由于苗木冠層疏密、大小各異，噴霧機(jī)可通過的地形比較狹窄，在實(shí)際作業(yè)中存在氣流風(fēng)速低導(dǎo)致霧滴穿透性不足，而大型噴霧機(jī)又無法入場作業(yè)的問題。目前國內(nèi)多風(fēng)管苗木噴霧機(jī)還存在風(fēng)送距離短、機(jī)型體積與載重量大的缺點(diǎn)，難以解決以上問題。為了保證底盤承載能力和果園通過性要求，噴霧機(jī)整機(jī)輕量化和風(fēng)送系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)迫在眉睫，要求在提高出口風(fēng)速和風(fēng)速均勻性，減少風(fēng)送系統(tǒng)風(fēng)量和風(fēng)壓損失的同時(shí)，不增大噴霧機(jī)體積和載重量。目前苗木噴霧機(jī)多出口裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究還未見報(bào)道，筆者采用數(shù)值仿真和試驗(yàn)的方法，研究不同多出口裝置結(jié)構(gòu)的風(fēng)送系統(tǒng)內(nèi)部氣流場分布，獲得有利于氣流傳輸?shù)亩喑隹谘b置結(jié)構(gòu)特征，并對風(fēng)送系統(tǒng)外流場和霧滴沉積分布進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為苗木噴霧機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)性能優(yōu)化提供參考。

1 風(fēng)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究苗木噴霧機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)改裝自南通廣益機(jī)電的3WG?8B 履帶自走式果園噴霧機(jī)（圖1），整機(jī)尺寸為1 910 mm×900 mm×1 380 mm，底盤寬度為900 mm，主要應(yīng)用于低矮密植型果園的噴霧作業(yè)。風(fēng)送系統(tǒng)主要由離心風(fēng)機(jī)、多出口裝置和風(fēng)管構(gòu)成，氣流由離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，經(jīng)多出口裝置分配至各風(fēng)管流出。每個(gè)風(fēng)管固定在風(fēng)管支架上，風(fēng)管長度可伸縮調(diào)節(jié)，有利于提高噴霧射程，風(fēng)管支架可實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向調(diào)節(jié)，能根據(jù)苗木冠層形狀調(diào)節(jié)每個(gè)風(fēng)管出口的位置，提高噴霧方向的精確度。由于風(fēng)管出口面積更小，相同風(fēng)量下的風(fēng)管出口風(fēng)速更高，噴霧穿透性更好［23-24］。

圖1 苗木噴霧機(jī)Fig.1 Seedling sprayer

離心風(fēng)機(jī)在氣流射程達(dá)到5 m 的要求下，風(fēng)機(jī)在3 000 r/min 時(shí)的風(fēng)量Q＝7 000 m3/h，全壓P＝1 400 Pa，長寬高尺寸為670 mm×260 mm×580 mm。

為了減少氣流損失，多出口裝置的出口位置與入射氣流方向的偏轉(zhuǎn)角要小，內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)沿氣流方向的容積應(yīng)光滑有弧度地逐漸減小，流道內(nèi)部避免存在較大的折角、彎角，各出口管道應(yīng)布置緊湊，減少氣流流道阻擋產(chǎn)生的回流損失。根據(jù)出口裝置這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制了結(jié)構(gòu)可行的3 種多出口裝置（圖2），按出口排列方式及數(shù)量分為多排八出口、多排六出口和雙排八出口3 種樣式。多出口裝置的圓形出口與風(fēng)管配合，直徑為100 mm，風(fēng)管是可伸縮彎曲的褶皺管，多出口裝置入口與風(fēng)機(jī)矩形出口相配合。

圖2 多出口裝置Fig.2 Multi?outlet devices

2 多出口裝置特性模擬及分析

2.1 模型的建立

雖然氣流射程受風(fēng)管出口風(fēng)速直接影響，但是在各出口風(fēng)管長度相同時(shí)，風(fēng)管的影響可以不考慮，因此，為了方便分析多出口裝置結(jié)構(gòu)對氣流場的影響，忽略風(fēng)送系統(tǒng)風(fēng)管部分。風(fēng)送系統(tǒng)模型共劃分進(jìn)口集流器、葉輪、蝸殼、出口裝置4 個(gè)流動(dòng)區(qū)域，網(wǎng)格劃分采用混合四面體網(wǎng)格，離心風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域最大網(wǎng)格間距為8 mm，集流器和蝸殼區(qū)域最大網(wǎng)格間距為10 mm，多出口裝置和風(fēng)管區(qū)域最大網(wǎng)格間距為16 mm，網(wǎng)格總數(shù)為9 962 475。3 種風(fēng)送系統(tǒng)簡化模型如圖3 所示，Z＝0、Z＝55 mm、Z＝-55 mm 截面是3 種風(fēng)送系統(tǒng)的圓形出口中心截面。

圖3 3 種風(fēng)送系統(tǒng)簡化模型Fig.3 Simplified model of three kinds of pneumatic system

2.2 求解方法及邊界條件設(shè)定

根據(jù)苗木噴霧機(jī)的工作環(huán)境，假設(shè)風(fēng)送系統(tǒng)內(nèi)空氣為不可壓縮的牛頓流體［25］。對于離心風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬，標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型應(yīng)用最為廣泛。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)和穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行求解，模擬結(jié)果的精度滿足工程應(yīng)用要求［26-27］。應(yīng)用SIMPLE 算法對風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流速度和壓力進(jìn)行耦合計(jì)算，動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流耗散率的離散格式設(shè)置為二階迎風(fēng)格式。在不影響結(jié)果精度的要求下，考慮計(jì)算機(jī)硬件性能和時(shí)間的局限，設(shè)置收斂殘差為0.001。

風(fēng)機(jī)進(jìn)口集流器、蝸殼、出口裝置表面為靜止壁面，葉輪及葉片部分設(shè)置為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 000，2 500，3 000 r/min 時(shí)進(jìn)行模擬。風(fēng)送系統(tǒng)入口和出口與外界大氣壓相通，工作壓力設(shè)置為1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，入口邊界采用壓力入口條件并給定壓力0 Pa，出口邊界采用壓力出口并給定壓力0 Pa。葉輪及葉片區(qū)域流體流動(dòng)的描述采用多重參考模型（multiple reference frame，MRF）［28-29］。

2.3 多出口裝置氣流場模擬結(jié)果與分析

2.3.1 多出口裝置型式對速度場的影響

圖4 3 種多出口裝置速度分布圖Fig.4 Velocity distribution nephogram of three kinds of multi?outlet devices

風(fēng)管圓形出口中心處的氣流對風(fēng)送噴霧起主要作用，風(fēng)管邊緣附近氣流因?yàn)橐装l(fā)生擴(kuò)散而風(fēng)速衰減較快，因而圓形出口中心風(fēng)速能反映風(fēng)管主氣流的風(fēng)送能力?，F(xiàn)場試驗(yàn)的出口風(fēng)速測量點(diǎn)在多出口裝置圓形出口中心處，根據(jù)試驗(yàn)測點(diǎn)的位置，拾取對應(yīng)圓形出口中心處的風(fēng)速模擬結(jié)果。在3 000 r/min時(shí)，對3 種多出口裝置氣流場速度分布圖進(jìn)行對比分析，如圖4 所示。由于出口面積不同，多排六出口裝置風(fēng)速較高，多排八出口和雙排八出口裝置出口風(fēng)速相近，多排六出口裝置在31.26～34.61 m/s，多排八出口裝置在26.09～30.56 m/s，雙排八出口裝置圓形出口中心點(diǎn)處的風(fēng)速范圍在26.33～33.33 m/s。以坐標(biāo)XY面為前面，多排八出口裝置右前方出口風(fēng)速較高，多排六出口裝置前面出口風(fēng)速較高，雙排八出口裝置前排中間和右側(cè)3 個(gè)出口風(fēng)速較高，原因是離心風(fēng)機(jī)出口右前側(cè)的氣流風(fēng)速較高，由于渦流影響，雙排八出口裝置渦流上方的前排左側(cè)出口風(fēng)速較低。3 種多出口裝置在前面左下方都有低速渦流區(qū)，多排六出口裝置渦流最小，雙排八出口裝置渦流最大。這是離心風(fēng)機(jī)由于自身結(jié)構(gòu)原因在蝸舌附近產(chǎn)生的渦流，由于雙排八出口裝置從風(fēng)機(jī)出風(fēng)口至風(fēng)管入口，容積先擴(kuò)大再縮小，因此渦流在空腔內(nèi)因氣流擴(kuò)張變大。

綜上可知，采用樣機(jī)中的風(fēng)機(jī)，多出口裝置出口風(fēng)速分布特點(diǎn)是較高風(fēng)速出現(xiàn)在前排中部及右側(cè)出口，較低風(fēng)速出現(xiàn)在前排左側(cè)及后排右側(cè)出口。多排六出口裝置和多排八出口裝置容積逐漸縮小的結(jié)構(gòu)，對氣流的損失較小，有利于氣流均勻穩(wěn)定的流動(dòng)。

2.3.2 多出口裝置型式對壓力場的影響

對轉(zhuǎn)速3 000 r/min 時(shí)風(fēng)送系統(tǒng)的內(nèi)部氣流壓力場進(jìn)行對比分析，3 種風(fēng)送系統(tǒng)圓形出口中心截面的全壓分布如圖5 所示。

多排八出口風(fēng)送系統(tǒng)在中心截面中部偏右側(cè)形成部分低壓區(qū)，圓形出口中心點(diǎn)處的全壓范圍在478～725 Pa，多排六出口在中心截面中部形成小部分低壓區(qū)，圓形出口中心點(diǎn)處的全壓范圍在709～954 Pa，雙排八出口在Z＝55 mm 截面中部偏右側(cè)形成低壓區(qū)，在Z＝-55 mm 截面左下側(cè)（蝸舌附近）形成較大的低壓區(qū)，造成左上方出口管道內(nèi)的壓力也較小。這是離心風(fēng)機(jī)由于自身結(jié)構(gòu)原因在蝸舌附近產(chǎn)生渦流引起的，由于雙排八出口裝置容積最大，因此渦流因氣流擴(kuò)張變大，圓形出口中心點(diǎn)處的全壓范圍在581～864 Pa。綜上可知，多排六出口裝置圓形出口中心截面的壓力分布均勻性較好，出口全壓最高。

圖5 中心截面的全壓圖Fig.5 Total pressure graph of center section

3 多出口裝置氣流場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法與步驟

根據(jù)GB/T 24683—2009《植物保護(hù)機(jī)械 灌木和喬木作物用風(fēng)送式噴霧機(jī)試驗(yàn)方法》氣流速度分布測定（靜態(tài)測試）部分，采用多點(diǎn)風(fēng)速儀（型號6243，風(fēng)速測試范圍0.1～50.0 m/s，日本加野kano?max）和風(fēng)壓計(jì)（型號AS510，量程0～100 hPa，?，敚y量多出口裝置圓形出口中心處的風(fēng)速和風(fēng)壓，并測量風(fēng)送系統(tǒng)外流場風(fēng)速分布，風(fēng)機(jī)設(shè)置為2 000，2 500，3 000 r/min 3 種轉(zhuǎn)速，3 種多出口裝置各出口排列序號如圖6 所示。外流場測點(diǎn)分布如圖7 所示（圖中只畫出多排六出口一側(cè)3 個(gè)風(fēng)管測點(diǎn)分布，八出口一側(cè)4 個(gè)風(fēng)管測點(diǎn)分布以此類推），測量點(diǎn)布置在風(fēng)管豎直中間截面的一側(cè)（由于出口氣流速度分布均勻，截面另一側(cè)風(fēng)場對稱）。由于在風(fēng)管出口距離2 m 以內(nèi)的風(fēng)速會(huì)衰減較快，考慮測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性設(shè)置各測量截面距離風(fēng)管出口分別為0.6，1.2，2，3，4，5 m，使2 m 以內(nèi)風(fēng)速數(shù)據(jù)量較多，利于風(fēng)速的規(guī)律分析。每個(gè)測量截面高度為1.5 m，相鄰風(fēng)管高度間隔為0.5 m，每個(gè)截面布置兩列豎直排列的測點(diǎn)，在風(fēng)管豎直截面的中間一列點(diǎn)測試風(fēng)管出口主氣流的風(fēng)速隨噴霧距離變化的情況，外側(cè)的一列點(diǎn)測試風(fēng)管出口氣流的邊界。

根據(jù)大量試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，當(dāng)風(fēng)速在1.5 m/s 以下時(shí)，氣流對苗木冠層的穿透性不足，外側(cè)一列的測量點(diǎn)即氣流場邊界。測速桿支架平行放置于被測截面（垂直于氣流方向），不在測試氣流的流向截面之內(nèi)，對測試截面內(nèi)的風(fēng)場分布沒有影響。多點(diǎn)風(fēng)速儀重復(fù)測量10 次，取平均值為測量結(jié)果，出口風(fēng)速測量試驗(yàn)現(xiàn)場如圖8 所示。

圖6 3 種多出口裝置測量點(diǎn)對應(yīng)的出風(fēng)口位置Fig.6 The outlet location of the measurement points of three kinds of multi?outlet devices

圖7 多風(fēng)管測量點(diǎn)分布Fig.7 Multi?duct measuring points distribution

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.8 Testing site

3.2 多出口裝置出口風(fēng)速分析

在風(fēng)機(jī)3 000 r/min 轉(zhuǎn)速下，對比分析3 種多出口裝置出口風(fēng)速試驗(yàn)結(jié)果。從出口風(fēng)速柱狀圖9 中分析可知，多排六出口裝置出口平均風(fēng)速最高為32.01 m/s，多排八出口和雙排八出口裝置出口平均風(fēng)速相差不多，分別為26.29 和26.13 m/s。多排八出口裝置在1、4、8 號出口風(fēng)速較高，3 號出口風(fēng)速較低，風(fēng)速范圍在23.11～28.27 m/s；多排六出口在5 號出口風(fēng)速較高，2 號出口風(fēng)速較低，風(fēng)速范圍在29.52～34.85 m/s；雙排八出口在2、3 號出口風(fēng)速較低，其他出口位置速度相近，風(fēng)速范圍在23.55～28.41 m/s。按測量點(diǎn)對應(yīng)的出口位置圖7 中所給視圖方向，多排八出口下側(cè)和右上側(cè)風(fēng)速較高，中部風(fēng)速較低，多排六出口右側(cè)風(fēng)速較高，雙排八出口右側(cè)風(fēng)速較低，與模擬的出口風(fēng)速相比，分布趨勢大致相似。

圖9 多出口裝置出口風(fēng)速Fig.9 Velocity histogram of multi?outlet devices outlet

試驗(yàn)數(shù)據(jù)中多排八出口風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差為1.79 m/s，多排六出口風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差為1.36 m/s，雙排八出口風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差為1.73 m/s。多排六出口的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差比其他兩種較小，與多出口裝置出口風(fēng)速模擬結(jié)果比較可知，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果類似，多排六出口各出口風(fēng)速均勻度較好。

3.3 多出口裝置出口風(fēng)壓分析

在風(fēng)機(jī)3 000 r/min 轉(zhuǎn)速下，3 種風(fēng)送系統(tǒng)多出口裝置出口的風(fēng)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10 所示。由于六出口的總面積比八出口小，所以六出口的出口風(fēng)壓比八出口高，多排六出口平均風(fēng)壓為662 Pa，多排八出口和雙排八出口平均風(fēng)壓分別為372 和432 Pa。多排八出口裝置在6、8 號出口風(fēng)壓較高，1、2 號出口風(fēng)壓較低，風(fēng)壓范圍在312～449 Pa；多排六出口在4、5、6 號出口風(fēng)壓較高，2、3 號出口風(fēng)壓較低，風(fēng)壓范圍在503～744 Pa；雙排八出口在5、6 號出口風(fēng)壓較高，2、3、7 號出口風(fēng)壓較低，風(fēng)壓范圍在373～513 Pa。與多出口裝置出口風(fēng)速相比，風(fēng)壓與風(fēng)速高低變化趨勢基本一致。試驗(yàn)數(shù)據(jù)中多排八出口風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)差為51 Pa，多排六出口為98 Pa，雙排八出口為54 Pa。多排六出口的風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)差最大，八出口裝置各出口風(fēng)壓均勻度較好，但是多排六出口裝置的出口平均風(fēng)壓更高，有利于提高氣流的輸送距離。

圖10 多出口裝置出口風(fēng)壓Fig.10 Wind pressure histogram of multi?outlet devices outlet

3.4 模擬與試驗(yàn)風(fēng)速比較分析

模擬值與試驗(yàn)值之間是存在誤差的，為驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，本研究采用出口風(fēng)速試驗(yàn)值與模擬值進(jìn)行對比，而不采用壓力試驗(yàn)值，主要從兩方面考慮：一方面是壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差較大。分析實(shí)際測量數(shù)據(jù)，同一測點(diǎn)壓力試驗(yàn)值的波動(dòng)范圍較大，約幾十帕；離心風(fēng)機(jī)實(shí)際工作功率不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速不能一直維持在3 000 r/min，轉(zhuǎn)速可控范圍在2 960～3 000 r/min；風(fēng)壓計(jì)的方形測量孔方向不能保證與風(fēng)速方向絕對平行，存在試驗(yàn)值偏小的測量誤差。另一方面，模擬值是在假定的理想情況下獲得的。由于網(wǎng)格劃分的質(zhì)量、計(jì)算模型和邊界條件的設(shè)置，風(fēng)壓損失會(huì)比實(shí)際情況要小；測繪的離心風(fēng)機(jī)模型與實(shí)際模型存在一些偏差，且風(fēng)機(jī)流道結(jié)構(gòu)做了簡化。由于以上原因，導(dǎo)致壓力試驗(yàn)值與模擬值的偏差要大于風(fēng)速試驗(yàn)值。因此，本研究選擇較為準(zhǔn)確的出口風(fēng)速試驗(yàn)值來驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。

在3 種風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，對3 種多出口裝置出口風(fēng)速的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行線性相關(guān)擬合分析［30］，如圖11 所示，橫坐標(biāo)為試驗(yàn)測量值，縱坐標(biāo)為模擬計(jì)算值。多排八出口風(fēng)送系統(tǒng)共24 組數(shù)據(jù)，模擬值與試驗(yàn)值的擬合方程為y＝0.829 8x＋5.164，擬合優(yōu)度R2為0.596 6；多排六出口風(fēng)送系統(tǒng)共18 組數(shù)據(jù)，模擬值與試驗(yàn)值的擬合方程為y＝1.029 0x -0.198 1，擬合優(yōu)度R2為0.968 8；雙排八出口風(fēng)送系統(tǒng)共24 組數(shù)據(jù)，模擬值與試驗(yàn)值的擬合方程為y＝0.952 5x＋2.784，擬合優(yōu)度R2為0.696 3，說明數(shù)值模擬風(fēng)送系統(tǒng)內(nèi)流場的方法可行。比較可知多排六出口模擬值與試驗(yàn)值最接近，模擬值和試驗(yàn)值顯著相關(guān)。

圖11 多出口裝置出口風(fēng)速試驗(yàn)值與模擬值分析Fig.11 Fitting analysis between test and simulation value on the multi?outlet devices

4 風(fēng)送系統(tǒng)外流場試驗(yàn)分析

4.1 外流場風(fēng)速邊界分析

分析圖8 外側(cè)風(fēng)速邊界測量點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，以風(fēng)管豎直中間截面為起始面，3 種風(fēng)送系統(tǒng)不同噴霧距離的風(fēng)速邊界如表1 所示。

由表1 可知，同一種風(fēng)送系統(tǒng)在不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，相同噴霧距離的風(fēng)速邊界是幾乎一樣的，不隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不同而改變，即與風(fēng)管出口風(fēng)速無關(guān)。在風(fēng)管高度間隔相同時(shí)，在同一噴霧距離多排八出口裝置的風(fēng)速邊界比多排六出口的大，說明風(fēng)管越多，外流場的風(fēng)速邊界范圍越大。原因是風(fēng)管越多，所有風(fēng)管的氣流流動(dòng)范圍越大，氣流在互相混合疊加下不斷向四周擴(kuò)張，帶動(dòng)更大范圍的氣流流動(dòng)，從而使流場的風(fēng)速邊界變大。

表1 3 種風(fēng)送系統(tǒng)不同噴霧距離速度分布邊界Table 1 Velocity distribution boundary of different spray distance of three kinds of pneumatic system

4.2 外流場風(fēng)管出口中心截面風(fēng)速分析

在風(fēng)送噴霧作業(yè)中，風(fēng)管的主氣流是主要的風(fēng)送動(dòng)力，選取風(fēng)管出口中心截面的主氣流為研究對象，比較3 種風(fēng)送系統(tǒng)3 000 r/min 轉(zhuǎn)速下的外流場，利用MATLAB 軟件處理風(fēng)管出口中心截面的風(fēng)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制如圖12 所示的風(fēng)速云圖。從圖12 中可知，3 種風(fēng)送系統(tǒng)風(fēng)管出口風(fēng)速從風(fēng)管出口至噴霧距離5 m 處呈不斷衰減的趨勢，速度衰減由劇烈變?yōu)榫徛?，各風(fēng)管的氣流都在0.5～1.0 m噴霧范圍內(nèi)開始互相混合形成連續(xù)的外流場。多排六出口風(fēng)送系統(tǒng)風(fēng)管出口風(fēng)速最高，所以氣流場整體風(fēng)速比八出口風(fēng)送系統(tǒng)高。在相同的風(fēng)管高度間隔和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，八出口風(fēng)送系統(tǒng)的氣流場覆蓋高度比六出口大，這表明八出口風(fēng)送系統(tǒng)雖然整體風(fēng)速比六出口低，但是氣流場覆蓋的范圍更廣。

圖12 3 種風(fēng)送系統(tǒng)外流場速度分布云圖Fig.12 External flow filed velocity nephogram of three kinds of pneumatic systems

由于該苗木噴霧機(jī)主要應(yīng)用于矮化密植果園，防治高度要求不高，因此離心風(fēng)機(jī)功率能滿足作業(yè)要求即可。從風(fēng)速均勻性、風(fēng)速大小和風(fēng)速邊界范圍分析，八出口和六出口裝置要求的離心風(fēng)機(jī)功率都不高，離心風(fēng)機(jī)體積不大，滿足輕量化設(shè)計(jì)要求。在相同的風(fēng)管高度間隔和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，雖然六出口氣流場覆蓋范圍沒有八出口風(fēng)送系統(tǒng)廣，但是多排六出口裝置出口風(fēng)速更均勻，風(fēng)管出口風(fēng)速比八出口裝置高，氣流射程更遠(yuǎn)，風(fēng)機(jī)體積也不大，在噴霧機(jī)可承載范圍內(nèi)。因此，比較本研究3 種出口裝置的出口風(fēng)速大小和均勻性，采用多排六出口風(fēng)送系統(tǒng)更合理。

多排六出口風(fēng)送系統(tǒng)一側(cè)3 個(gè)風(fēng)管離地面高度分別為0.75，1.25，1.75 m，在不同風(fēng)管高度處風(fēng)速隨噴霧距離變化曲線圖如圖13 所示。在噴霧距離0～1.5 m 范圍風(fēng)速較高，在5 m/s 以上，在1.5～3.0 m 范圍風(fēng)速在3 m/s 以上，在3～5 m 范圍風(fēng)速衰減到1.5 m/s 左右，表明氣流風(fēng)送距離能達(dá)到5 m 的射程要求。不同高度的氣流在同一噴霧距離處速度相差不大，且不同高度風(fēng)速之間的差距隨噴霧距離增加呈現(xiàn)縮小的趨勢，有利于均勻覆蓋整個(gè)作業(yè)區(qū)域，提高工作效率。

圖13 多排六出口風(fēng)送系統(tǒng)不同高度處風(fēng)速曲線圖Fig.13 Velocity graph of pneumatic system of multi?row and six outlets at different heights

4.3 外流場霧滴沉積分布試驗(yàn)分析

4.3.1 試驗(yàn)方法

采用多排八出口風(fēng)送系統(tǒng)進(jìn)行外流場霧滴分布研究，即一側(cè)4 個(gè)風(fēng)管出口的氣流場（3 個(gè)風(fēng)管氣流場相似）。本試驗(yàn)在風(fēng)速小于1 m/s 的室外環(huán)境進(jìn)行，試驗(yàn)前將收集霧滴的水敏紙固定在支架上，分別在距離噴頭3，4，5 m 處測試風(fēng)場垂直面的霧滴分布情況。支架上有7 處霧滴收集點(diǎn)，均勻分布在垂直高度0.5，0.8，1.1，1.4，1.7，2.0，2.3 m 上，高度間隔0.3 m。霧滴分布試驗(yàn)現(xiàn)場如圖14 所示。

圖14 霧滴分布試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.14 Fog distribution test site

在2 000，2 500，3 000 r/min 3 種轉(zhuǎn)速下測試霧滴分布。提前開啟噴霧，使噴霧機(jī)以4.8 km/h的行駛速度勻速經(jīng)過水敏紙支架，當(dāng)噴霧機(jī)氣流場完全經(jīng)過支架時(shí)，霧滴采集完畢，待水敏紙干燥后放入塑封袋中保存。霧滴沉積的覆蓋率通過專用軟件iDAS Pro 檢測。

4.3.2 風(fēng)送系統(tǒng)的霧滴沉積分布分析

在3 種風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，風(fēng)場垂直面的霧滴沉積分布的覆蓋率試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖15 所示。

圖15 3 種風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下風(fēng)場垂直面霧滴沉積覆蓋率柱狀圖Fig.15 Histogram of vertical droplet deposition coverage of wind field under three fan speeds

對比分析可知，在2 000 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)，距離噴頭4 和5 m 處的覆蓋率平均在30%以下，轉(zhuǎn)速增加到3 000 r/min 時(shí)，距離噴頭4 m 處的覆蓋率平均約70%，距離噴頭5 m 處的覆蓋率平均約40%。隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，在氣流場風(fēng)速增加的帶動(dòng)下，霧滴在距噴頭相同位置處的沉積覆蓋率隨之提高，表明霧滴的穿透性也更好。

在相同轉(zhuǎn)速下，隨著距離噴頭的位置越遠(yuǎn)，霧滴沉積覆蓋率越低。從風(fēng)場垂直面不同高度的霧滴沉積覆蓋率分析，在3 種轉(zhuǎn)速下，3 和4 m 處的風(fēng)場垂直面霧滴沉積分布均勻性較好，5 m 處的風(fēng)場垂直面在第1～5 測點(diǎn)的霧滴沉積分布均勻性較好，第6、7 測點(diǎn)的覆蓋率較低，即在0.8 m 高度以下的霧滴沉積較少。原因是霧滴在氣流帶動(dòng)的過程中，粒徑較大的霧滴在漂移至5 m 遠(yuǎn)之前已經(jīng)由于自身重力而散落在地上，粒徑較小的霧滴會(huì)飄移至更遠(yuǎn)處。因此，4 m 距離內(nèi)的風(fēng)場垂直面霧滴沉積分布均勻性較好，5 m 處的風(fēng)場垂直面在0.8 m以上高度霧滴沉積分布均勻性較好，能夠滿足5 m的作業(yè)要求。

5 結(jié)論

1）出口裝置容積逐漸縮小的結(jié)構(gòu)，對氣流損失較小，有利于氣流均勻穩(wěn)定的流動(dòng)。在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，多排六出口裝置比多排八出口、雙排八出口裝置出口風(fēng)速更大，風(fēng)速分布更均勻。

2）風(fēng)管出口外流場在同一距離的邊界范圍，不會(huì)隨著出口風(fēng)速的改變發(fā)生變化，而是受多出口裝置出口數(shù)量影響，多排八出口的風(fēng)速邊界范圍比多排六出口的大。

3）多排六出口風(fēng)送系統(tǒng)氣流場邊界范圍雖然沒有八出口廣，但是出口風(fēng)速比八出口風(fēng)送系統(tǒng)高，氣流場分布更均勻，射程更遠(yuǎn)，需要的離心風(fēng)機(jī)體積不大，適合低矮密植型果園的作業(yè)環(huán)境，符合輕量化設(shè)計(jì)要求。

4）氣流場風(fēng)速越高，霧滴的穿透性越好。本研究苗木噴霧機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)外流場在4 m 距離內(nèi)風(fēng)場垂直面的霧滴沉積分布均勻性較好，5 m 距離以上霧滴沉積分布均勻性較差。