劉昶希，胡 軍，李宇飛，趙勝雪，張 偉，李慶達(dá)

錐形風(fēng)場式防飄噴霧裝置內(nèi)流道優(yōu)化與防飄特性

劉昶希，胡 軍※，李宇飛，趙勝雪，張 偉，李慶達(dá)

（1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2. 黑龍江省保護(hù)性耕作工程技術(shù)研究中心，大慶 163319）

錐形風(fēng)場式防飄噴霧裝置是利用輔助氣流進(jìn)行防飄作業(yè)的一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式。為分析其防飄機(jī)理，改善防飄噴霧作業(yè)效果，對現(xiàn)有裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計與防飄特性研究?；谫|(zhì)子動力學(xué)基本定律，構(gòu)建了單個霧滴在運動空氣介質(zhì)中的受力模型，明晰了錐形風(fēng)場的防飄機(jī)理。運用流體力學(xué)理論分析內(nèi)流道氣流損失，并利用CFD數(shù)值仿真技術(shù)結(jié)合風(fēng)場測試對防飄噴霧裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明：當(dāng)內(nèi)流道彎管的曲率半徑設(shè)計為4 cm時，優(yōu)化后裝置出口處仿真試驗風(fēng)速較優(yōu)化前提高23.5%，測試試驗風(fēng)速較優(yōu)化前提高28%，風(fēng)機(jī)有效利用率提高21.2個百分點，優(yōu)化方案合理。風(fēng)洞條件下裝置防飄特性試驗結(jié)果表明：側(cè)風(fēng)風(fēng)速、噴頭高度、錐風(fēng)風(fēng)速與總霧滴飄移量占比具有相關(guān)性，通過多因素正交試驗建立的豎直和水平方向的數(shù)學(xué)模型顯著性較高（<0.05，2分別為0.934、0.945），表明錐形風(fēng)場可以抵御繞流渦旋的產(chǎn)生，具有減少霧滴在縱向高度上隨風(fēng)飄失的特性。該研究可為綜合分析霧滴飄移沉積規(guī)律提供一定參考。

風(fēng)洞；試驗；優(yōu)化；數(shù)值仿真；錐形風(fēng)場；防飄特性；霧滴飄移

0 引 言

隨著精準(zhǔn)施藥技術(shù)的推廣和防飄噴霧技術(shù)的發(fā)展，氣流輔助防飄噴霧技術(shù)已成為保障現(xiàn)代農(nóng)業(yè)植保技術(shù)體系的重要組成部分[1-5]。氣流輔助防飄噴霧技術(shù)具有明顯的減藥、增效特征，根據(jù)此項技術(shù)研制的風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)依靠沿噴頭方向形成的氣力式罩蓋，抵消或轉(zhuǎn)化自然風(fēng)，并以此增強(qiáng)霧滴穿透性大幅降低農(nóng)藥飄移量[6-8]。國內(nèi)外許多研究人員對霧滴的飄失過程及其影響因素進(jìn)行了大量的試驗研究，試圖通過調(diào)整輔助氣流形式、噴嘴工作參數(shù)等方法來減少霧滴飄失，改善藥液空間分布特性，以期更加深入地掌握霧滴的防飄機(jī)理[9-13]。

由于田間試驗結(jié)果難以重復(fù)，且易受風(fēng)速、溫度等氣象條件影響，因此國內(nèi)外學(xué)者常采用風(fēng)洞開展有關(guān)霧滴防飄特性的研究[14-18]。Gupta等[19]利用風(fēng)洞模擬了氣流特性對霧滴在植物冠層不同部位運輸和沉積的影響。Reichard[20]首次利用CFD數(shù)值仿真技術(shù)對風(fēng)洞條件下的霧滴飄移進(jìn)行了預(yù)測。茹煜等[21]利用風(fēng)洞比較不同氣流、風(fēng)速條件下的霧滴濃度，建立了霧滴飄移距離預(yù)測模型，在與實際值進(jìn)行比較后認(rèn)為該模型較為可行。曾愛軍等[22]將單個旋翼與噴頭組成的噴霧單元放置在風(fēng)洞內(nèi)模擬飛行噴霧試驗，通過改變噴頭與助劑的不同組合得出了霧滴在水平和豎直方向的變化規(guī)律，該研究為進(jìn)一步探究無人機(jī)防飄、減飄技術(shù)提供了參考。在此基礎(chǔ)上，王昌陵等[23]首次將四旋翼植保無人機(jī)噴霧單元安裝在循環(huán)風(fēng)洞中，探究了噴頭類型和型號、飛行速度、助劑種類以及氣象條件對噴霧飄移特性的影響，通過回歸分析建立了豎直和水平減飄率與霧滴體積中徑等的數(shù)學(xué)模型，該研究結(jié)論為植保無人機(jī)風(fēng)洞測試與田間作業(yè)規(guī)范的制定提供了技術(shù)支撐。

錐形風(fēng)場式防飄噴霧裝置是利用輔助氣流進(jìn)行防飄作業(yè)的一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式。該防飄噴霧裝置對于減少霧滴飄失、增加霧滴在靶標(biāo)區(qū)域內(nèi)的有效沉積起到了關(guān)鍵作用，但現(xiàn)有裝置內(nèi)流道存在氣流阻塞現(xiàn)象，影響裝置整體性能。本文在借鑒國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)與研究方法的基礎(chǔ)上，以探究錐形風(fēng)場的防飄特性為切入點，對錐形風(fēng)場式防飄噴霧裝置內(nèi)流道進(jìn)行優(yōu)化，提高其防飄、減飄性能。

1 裝置結(jié)構(gòu)與防飄機(jī)理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有錐形風(fēng)場式防飄噴霧裝置主要由噴頭安裝座和雙層錐形氣流罩兩部分構(gòu)成，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示[24]。

如圖2所示，錐形風(fēng)場式防飄噴霧裝置進(jìn)行噴霧作業(yè)時，雙層錐形氣流罩的中心夾層構(gòu)成錐形氣流道。由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的氣流經(jīng)錐形氣流道引導(dǎo)后，在出口位置形成一個錐形風(fēng)場籠罩在霧場周圍，抵擋了側(cè)風(fēng)對霧滴沉降的不利影響，當(dāng)側(cè)風(fēng)方向自左向右時，側(cè)風(fēng)會與A風(fēng)場形成一個合風(fēng)場，合風(fēng)場的方向指向作物，大部分霧滴在A風(fēng)場的作用下加速向作物表面沉積，少數(shù)霧滴仍會向右飄移，這時B風(fēng)場會進(jìn)一步阻擋霧滴的飄移，從而提高沉積效果。

1.2 防飄機(jī)理分析

為進(jìn)一步明晰錐形風(fēng)場的防飄機(jī)理，在不考慮霧滴群內(nèi)力的前提下，本文引入一個笛卡爾坐標(biāo)系建立單個霧滴在側(cè)風(fēng)與錐形風(fēng)場作用下的受力示意圖（圖 3），分析單個霧滴的受力情況。

根據(jù)歐拉法，霧滴在空氣介質(zhì)中運動產(chǎn)生的阻力與液滴的速度有二次關(guān)系[25-26]：

式中為霧滴上升速度的平均值，m/s。

結(jié)合式（1）～（2）得：

在笛卡爾坐標(biāo)系進(jìn)行投影，得到簡化后的單個霧滴運動微分方程組為

注：XOYZ表示笛卡爾坐標(biāo)系；表示霧滴所受重力，N；表示霧滴所受側(cè)風(fēng)力，N；表示霧滴所受錐風(fēng)風(fēng)力，N；表示霧滴所受空氣阻力，N；表示霧滴在空氣運動時的相對飄移速度，m·s-1。

2 內(nèi)流道氣流局部損失及優(yōu)化

通過防飄機(jī)理分析可知，防飄噴霧裝置的防飄、減飄效果與錐形風(fēng)場的強(qiáng)度，即風(fēng)速及風(fēng)量息息相關(guān)。但現(xiàn)有防飄噴霧裝置內(nèi)流道存在氣流阻塞現(xiàn)象，進(jìn)而影響裝置整體性能，因此需要對該裝置的內(nèi)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減少氣流的沿程損失，使之產(chǎn)生更利于抵擋側(cè)風(fēng)的輔助氣流。

2.1 內(nèi)流道氣流局部損失

根據(jù)流體力學(xué)理論，能量損失等于各管路的沿程損失h和局部損失h之和，由于現(xiàn)有裝置內(nèi)流道的尺寸較小，沿程損失可忽略不計，因此能量損失可近似為局部損失[27]，即

式中為流體平均流速，m/s；為局部阻力系數(shù)。

由式（5）可以看出，h的求解問題可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫植孔枇ο禂?shù)的求解，而是一個無量綱系數(shù)，它的大小與局部阻礙物的結(jié)構(gòu)有關(guān)。現(xiàn)有防飄噴霧裝置內(nèi)流道呈漸縮狀結(jié)構(gòu)，因此依據(jù)流體力學(xué)理論中彎管類型的劃分，將本裝置視為漸縮彎管中的局部阻力損失模型[27]，則可按公式（6）計算：

式中為彎管中線的曲率半徑，cm；為管徑，cm；為漸縮角，（°）。

表1給出了彎管在不同/時的[27]。

表1 不同R/d時彎管的值（Re=108）

注：表示彎管中線的曲率半徑，cm；表示管徑，cm；表示局部阻力系數(shù)；Re為雷諾數(shù)。

Note:represents the radius curvature of the center line of the elbow, cm;represents pipe diameter, cm;representslocal drag coefficient;/represents the ratio of the radius curvature of the tapered elbow to the pipe diameter; Re is Reynolds number.

由圖4a可知，優(yōu)化前裝置內(nèi)流道呈直角減縮結(jié)構(gòu)，曲率半徑為0，使內(nèi)流道的曲率半徑和入口管徑比值1。根據(jù)表1，當(dāng)1時局部阻力系數(shù)隨的減小而急劇增大，而的增大會使局部損失增加，導(dǎo)致現(xiàn)有裝置的內(nèi)流道產(chǎn)生氣流阻塞問題。

因此，降低氣流局部損失、減小局部阻力系數(shù)的著眼點在于推遲流體與壁面的分離與優(yōu)化漸縮角度，以此來減小渦旋區(qū)的大小和強(qiáng)度。

2.2 防飄噴霧裝置內(nèi)流道優(yōu)化

根據(jù)上述分析并結(jié)合現(xiàn)有裝置結(jié)構(gòu)可知，減小內(nèi)流道局部損失的方法有2種：

1）適當(dāng)延長氣流道進(jìn)口長度，降低紊流，理想狀態(tài)下可以使突變流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徸兞鳌?/p>

2）增大漸縮角，減緩氣流局部碰撞使流速均勻。

由式（5）～（6）可知，能量損失h與成正比，的值由決定，為降低能量損失值應(yīng)盡可能小，則可選擇的數(shù)值有0.159、0.145（表 1）。由于內(nèi)流道管徑為2 cm，若選擇的值為0.145，則彎管曲率半徑為6 cm，此種情況下由于彎管曲率半徑過大，會導(dǎo)致噴桿與防飄噴霧裝置間產(chǎn)生干涉。因此，最終選擇的值為0.159，此時彎管的曲率半徑為4 cm。優(yōu)化前后的內(nèi)流道尺寸如圖4所示。

2.3 仿真分析

為驗證內(nèi)流道優(yōu)化結(jié)果，采用CFD中ANSYS Fluent模塊對優(yōu)化前后裝置進(jìn)行流體力學(xué)分析，利用ICEM軟件進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，選擇+值為10層的非結(jié)構(gòu)邊界層網(wǎng)格，全局網(wǎng)格數(shù)量為212萬且通過無關(guān)性檢驗。為準(zhǔn)確描述本模型氣流場的湍流特點，選用K-omega SST混合湍流模型進(jìn)行求解；根據(jù)殘差標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置收斂條件為e-5。根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量及前期研究中進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速值[24]，設(shè)置入口風(fēng)速25 m/s；出口與大氣相連，壓力邊界條件為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101 325 Pa），并將其設(shè)置為自由流動出口。

根據(jù)仿真條件，對優(yōu)化后裝置進(jìn)行相同工況下的仿真分析，從優(yōu)化前、后模型剖面速度矢量圖（圖5）可以看出：裝置內(nèi)流道優(yōu)化后，其渦流擾動情況有所改善，且局部速度失常現(xiàn)象基本消失，優(yōu)化后裝置出口處風(fēng)速可達(dá)17.00 m/s，達(dá)到前期研究中霧滴最優(yōu)沉積量所需風(fēng)速值（16.53 m/s）[24]，較優(yōu)化前（13.00 m/s）提高23.5%，故模型優(yōu)化結(jié)果可行。

3 風(fēng)場測試試驗結(jié)果

3.1 試驗設(shè)備與方法

為驗證內(nèi)流道優(yōu)化效果，使用精密型熱線風(fēng)速儀VT-100分別對裝置優(yōu)化前后各采集點的風(fēng)速進(jìn)行測量與對比分析，風(fēng)速儀量程0.15～30.00 m/s，測試精度0.05 m/s，分辨率0.01 m/s，適用溫度0～50 ℃。

試驗保證風(fēng)場測試不受外界自然風(fēng)干擾，在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)植保機(jī)械實驗室進(jìn)行（圖6）。結(jié)合前文仿真條件，根據(jù)風(fēng)速儀顯示的數(shù)值合理調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使其在裝置進(jìn)口處以25 m/s的風(fēng)速穩(wěn)定供風(fēng)。測試方法：根據(jù)錐形風(fēng)場的作用區(qū)域（噴嘴下方至500 mm處），以及風(fēng)場的作用效果（風(fēng)速小于0.5 m/s效果不顯著），利用風(fēng)速儀沿氣流道延伸方向?qū)ふ绎L(fēng)場邊界（風(fēng)速小于0.5 m/s），確定測量范圍。根據(jù)測量位置（圖7），使用標(biāo)尺定位測量點，利用風(fēng)速儀對測量點風(fēng)速進(jìn)行測量。試驗設(shè)置6個測試面，每個測試面按等角度取8個測試點，共計48個測量點。每個點測量3次，結(jié)果取平均值。

整理試驗數(shù)據(jù)后，根據(jù)式（7）～（8）計算風(fēng)機(jī)有效利用率。

錐形罩進(jìn)、出口風(fēng)量：

式中為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；為進(jìn)、出風(fēng)口直徑，m；為進(jìn)、出風(fēng)口氣流速度，m/s。

本裝置出口為環(huán)形，風(fēng)機(jī)有效利用率計算公式為

式中1為環(huán)形出風(fēng)口外環(huán)直徑，m；2為環(huán)形出風(fēng)口內(nèi)環(huán)直徑，m；進(jìn)為進(jìn)風(fēng)口直徑，m；1為出風(fēng)口氣流速度，m/s；2為進(jìn)風(fēng)口氣流速度，m/s。

3.2 試驗結(jié)果與分析

裝置化前后風(fēng)速測試結(jié)果如表2所示。由表2可知，優(yōu)化后測試面1（即出口處）風(fēng)速最大值可達(dá)18.70 m/s，較優(yōu)化前（13.44 m/s）提高28%，與仿真分析結(jié)果（23.5%）較為一致，驗證了優(yōu)化方案的可行性。在距離裝置出口處500 mm位置處，優(yōu)化前裝置的風(fēng)速最大值為3.12 m/s，優(yōu)化后該位置處的風(fēng)速最大值仍可達(dá)5.21 m/s。結(jié)合上述數(shù)據(jù)，則可計算出裝置優(yōu)化后風(fēng)機(jī)有效利用率為74.8%，較優(yōu)化前的53.6%提高了21.2個百分點。

表2 裝置優(yōu)化前后風(fēng)速測試數(shù)據(jù)

4 風(fēng)洞試驗

錐形風(fēng)場通過持續(xù)的氣流夾帶作用，降低了霧滴飄移的“空域”[13]，具體表現(xiàn)為：當(dāng)有側(cè)風(fēng)侵入噴霧扇面形成繞流渦旋時，本文施加的錐形風(fēng)與側(cè)風(fēng)形成的合風(fēng)場可降低渦旋產(chǎn)生位置的縱向高度甚至是抵御繞流渦旋的產(chǎn)生、減少空間范圍內(nèi)的霧滴飄失（圖8）。為明晰裝置防飄規(guī)律，以優(yōu)化后的防飄噴霧裝置為研究對象，在風(fēng)洞條件下探究其防飄特性。

4.1 試驗設(shè)備與方法

試驗在國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心（北京）進(jìn)行，使用IEA-II型常規(guī)風(fēng)速風(fēng)洞完成（圖9）。試驗用噴霧系統(tǒng)包括HARDI F-03-110型扇形噴頭、儲水罐、氣壓泵、穩(wěn)壓罐、減壓閥、流量計、壓力表。測試裝置包括優(yōu)化后錐形風(fēng)場式防飄噴霧裝置（圖13）、KOMAX型風(fēng)機(jī)（峰值風(fēng)量10 m3/min，負(fù)載峰值2 700 W，轉(zhuǎn)速范圍0～19 000 r/min，電池容量298 000 h）、風(fēng)管。采集裝置由收集架、25 mm×25 mm水敏紙、便攜式大疆MG-1型霧滴分析儀（功率1.5 W）組成。

根據(jù)HARDI噴霧手冊，在0.3 MPa噴霧壓力下標(biāo)定HARDI F-03-110型噴頭流量，獲得風(fēng)洞飄移試驗規(guī)定噴霧時間內(nèi)的噴頭噴量。噴施液體為自來水，測試指標(biāo)為霧滴沉積量，噴霧時間5 s，噴頭噴出總量99 200L。根據(jù)扇形噴頭常規(guī)作業(yè)安裝高度要求，調(diào)節(jié)噴頭高度分別為0.40 、0.45 、0.50 和0.55 m；為探究優(yōu)化后裝置防飄效果，根據(jù)噴桿噴霧機(jī)作業(yè)環(huán)境風(fēng)速要求（小于2 m/s），將風(fēng)洞內(nèi)側(cè)風(fēng)風(fēng)速分別為1 、2 、3 和4 m/s；結(jié)合前文錐風(fēng)風(fēng)速取值，設(shè)置錐風(fēng)風(fēng)速分別為0 、10 、15 和20 m/s。按照試驗條件分別進(jìn)行單因素、多因素試驗（每組試驗重復(fù)3次取平均值）。

在IEA-II型風(fēng)洞內(nèi)（圖10）布好水敏紙及收集架，其中每根收集架上的水敏紙數(shù)量=5，每根收集架上相鄰兩張水敏紙之間的距離=15 cm。為避免試驗過程中部分霧滴從風(fēng)洞底部飛濺至水敏紙表面造成試驗誤差，設(shè)置高度為10 cm的虛擬層，噴頭高度也相應(yīng)提升10 cm。

4.2 試驗指標(biāo)

試驗將霧滴飄移量占噴頭總噴出的百分比，即霧滴飄移量占比S（%）作為衡量霧滴飄移程度的評價指標(biāo)，其計算公式如下：

4.3 單因素試驗結(jié)果與分析

4.3.1噴頭高度對霧滴飄移的影響

在側(cè)風(fēng)風(fēng)速2 m/s條件下，噴頭高度對霧滴飄移量占比的影響如圖11所示。

由圖11a可知，隨著噴頭高度的增加，霧滴在豎直方向上的飄移量不斷減小。從總體上看，同一高度采集面上反映的霧滴飄移量，隨噴頭高度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢，但在水敏紙收集平面0.50 m處呈現(xiàn)相反的規(guī)律。分析原因：本試驗設(shè)計的最小噴頭高度為0.40 m，若考慮到試驗設(shè)計的0.10 m虛擬層，則此時的噴頭高度與豎直方向上0.50 m處的水敏紙采集面持平。因此，當(dāng)噴頭高度自0.40 m開始向上增加時，逐漸有部分易飄移霧滴附著在水敏紙收集平面上，且隨高度的增加其附著量隨之提升。

由圖11b可知，隨著噴頭高度的增加，霧滴在水平方向上的飄移量并不都呈現(xiàn)持續(xù)增加或降低的趨勢。當(dāng)噴頭高度為0.40 m時，在距離噴頭水平方向1.5 m位置處的霧滴飄移量占比最大，且隨距離的增加而不斷降低。當(dāng)噴頭高度為0.45 m和0.50 m時，霧滴的最大飄移量占比雖然偏移至距離噴頭水平方向2.5 m，但飄移量占比總體呈正態(tài)分布，且霧滴飄移相對均勻。當(dāng)噴頭高度為0.55 m時，霧滴飄移較為嚴(yán)重。

4.3.2 側(cè)風(fēng)風(fēng)速對霧滴飄移的影響

在噴頭高度0.50 m時，不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速對霧滴飄移量占比的影響如圖12所示。

由圖12a可知，隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加，霧滴在豎直方向上的飄移量不斷減小。從總體上看，同一高度采集面上反映的霧滴飄移量，隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增大呈現(xiàn)增加的趨勢。當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為1和2 m/s時，位于0.40 和0.50 m高度采集面上反映的霧滴飄移量占比近乎為0，這表明：為保證噴霧效果，當(dāng)不采取任何防飄手段進(jìn)行田間作業(yè)時，應(yīng)盡量選擇側(cè)風(fēng)風(fēng)速小于2 m/s的氣候條件。若將機(jī)車前進(jìn)速度也考慮為霧滴飄移影響因素，則更應(yīng)該選擇側(cè)風(fēng)風(fēng)速較低甚至是無風(fēng)的天氣進(jìn)行施藥作業(yè)。

由圖12b可知，隨著噴頭高度的增加，霧滴在水平方向上的飄移量不呈現(xiàn)持續(xù)增加或降低的趨勢，這一點與改變噴頭高度時的變化規(guī)律相類似。當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為1 m/s時，霧滴飄移量占比集中在噴頭水平距離1.5 m處且隨水平距離的增加而不斷降低。當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為2 m/s和3 m/s時，霧滴飄移量占比分別集中在距離噴頭水平距離2.5 m和3.5 m處且均呈正態(tài)分布。當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為4 m/s時，霧滴幾乎不附著在水敏紙上，這表明：一定的側(cè)風(fēng)有助于霧滴在靶標(biāo)上的沉降，但當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速達(dá)到4 m/s及以上時，霧滴的飄移距離過遠(yuǎn)，此時不應(yīng)進(jìn)行施藥作業(yè)。

4.3.3 錐風(fēng)風(fēng)速對霧滴飄移的影響

在噴頭高度0.50 m、側(cè)風(fēng)風(fēng)速2 m/s時，不同錐風(fēng)風(fēng)速對霧滴飄移量占比的影響如圖13所示。

由圖13a可知，同一高度采集面上反映的霧滴飄移量占比并不隨著錐風(fēng)風(fēng)速的增大呈現(xiàn)持續(xù)增加或減少的趨勢。當(dāng)水敏紙采集面高度為0.1 和0.2 m時，霧滴飄移量占比隨著錐風(fēng)風(fēng)速的增大而增加，這是由于錐形風(fēng)場與側(cè)風(fēng)形成的合風(fēng)場降低了霧滴易飄失區(qū)域的縱向高度，使本應(yīng)繼續(xù)隨風(fēng)飄失的霧滴沉降在低一級的水敏紙采集面內(nèi)。因此，位于高度0.3～0.5 m的水敏紙采集面采集到的霧滴隨著錐風(fēng)風(fēng)速的增加而減少，霧滴飄移量占比也隨之降低。

由圖13b可知，霧滴飄移量占比總體呈正態(tài)分布，且飄移量最大值均出現(xiàn)在距噴頭水平方向2.5 m的位置。隨著錐風(fēng)風(fēng)速的增加，距離噴頭各水平位置的霧滴飄移量占比均呈下降趨勢。當(dāng)錐風(fēng)風(fēng)速達(dá)到20 m/s時，位于水平方向3.5 m采集面上的霧滴最少，其飄移量占比與常規(guī)噴霧相比降低6.3%。

4.4 多因素試驗結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選擇各因素影響顯著的取值作為多因素正交試驗的各指標(biāo)水平進(jìn)行三因素三水平正交試驗。試驗因素水平設(shè)置如表6所示。按照L9（34）的HARDI F-03-110型噴頭霧滴飄移量占比正交試驗方案和結(jié)果如表7所示。

表6 試驗因素水平

通過多因素正交試驗得到各試驗水平所對應(yīng)的試驗值，將試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS分析軟件中，得出有關(guān)總霧滴飄移量的多元線性回歸數(shù)學(xué)模型為

豎直方向：

式中為豎直方向總霧滴飄移量占比，%；1為側(cè)風(fēng)風(fēng)速，m/s；2為噴頭高度，m；3為錐風(fēng)風(fēng)速，m/s。

表7 正交試驗方案與結(jié)果

水平方向：

式中為水平方向總霧滴飄移量占比，%；1為側(cè)風(fēng)風(fēng)速，m/s；2為噴頭高度，m；3為錐風(fēng)風(fēng)速，m/s。

綜合分析表8～表10可知：在豎直和水平2個方向上，側(cè)風(fēng)風(fēng)速都是決定霧滴飄移的最主要因素，且總霧滴飄移量占比隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加而增大。錐風(fēng)風(fēng)速與總霧滴飄移量占比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著錐風(fēng)風(fēng)速的增加，總霧滴飄移量占比呈下降趨勢，側(cè)風(fēng)對霧滴沉積的不利影響逐漸降低，證明錐形風(fēng)場具有降低霧滴在空間范圍內(nèi)隨風(fēng)飄失的特性。而噴頭高度這一變量在水平與豎直方向均與總霧滴飄移量占比的相關(guān)性較差，原因可能是本次試驗選擇的噴霧高度過低，因素彼此之間并未顯現(xiàn)較大差異所致。

對上述兩回歸模型擬合度進(jìn)行檢驗，沿豎直和水平方向的方程調(diào)整判定系數(shù)2分別為0.934和0.945，且顯著性<0.05，其擬合度較好。因此，通過逐步回歸分析得出的總霧滴飄移量占比的數(shù)學(xué)模型可以很好地描述因變量與各自變量間的線性依存關(guān)系，對選擇防飄手段、明晰霧滴飄移空間分布，確定噴施參數(shù)以及綜合分析霧滴飄移沉積規(guī)律有一定參考作用。

表8 擬合方程的顯著性分析

表9 擬合方程的方差分析

表10 擬合方程系數(shù)表

5 結(jié) 論

1）基于質(zhì)子動力學(xué)基本定律，構(gòu)建了單個霧滴在運動空氣介質(zhì)中的受力模型，明晰了錐形風(fēng)場式防飄噴霧裝置防飄機(jī)理，研究表明：通過增加錐形風(fēng)場的強(qiáng)度，可提高霧滴沿靶標(biāo)方向的速度矢量值，進(jìn)而提高其抵御側(cè)風(fēng)的能力，實現(xiàn)防飄噴霧作業(yè)。

2）利用CFD數(shù)值仿真及風(fēng)速、風(fēng)量驗證試驗，優(yōu)化了防飄噴霧裝置內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)進(jìn)風(fēng)口以25 m/s穩(wěn)定供風(fēng)時，仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后裝置出口處風(fēng)速可達(dá)17.00 m/s，較優(yōu)化前（13.00 m/s）提高23.5%，風(fēng)速測試試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后裝置出口處風(fēng)速最大值為 18.70 m/s，較優(yōu)化前（13.44 m/s）提高28%，仿真與風(fēng)速試驗結(jié)果較為一致。優(yōu)化后裝置的風(fēng)機(jī)有效利用率提高21.2個百分點，內(nèi)流道渦流擾動情況改善，局部速度失?，F(xiàn)象基本消失。

3）采取水敏紙檢測方法測定下風(fēng)向噴頭豎直與水平方向的霧滴沉積量，結(jié)果表明：錐風(fēng)風(fēng)速與總霧滴飄移量占比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著錐風(fēng)風(fēng)速的增加，總霧滴飄移量占比呈下降趨勢，側(cè)風(fēng)對霧滴沉積的不利影響逐漸降低。通過多因素正交試驗建立的豎直和水平方向總霧滴飄移量占比的數(shù)學(xué)模型顯著性較高（<0.05，2分別為0.934、0.945），明確了錐形風(fēng)場具有降低霧滴在空間范圍內(nèi)隨風(fēng)飄失的特性，可為綜合分析霧滴飄移沉積規(guī)律提供一定參考。

[1] 翟長遠(yuǎn)，趙春江，Ning Wang，等. 果園風(fēng)送噴霧精準(zhǔn)控制方法研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(10)：1-15.

Zhai Changyuan, Zhao Chunjiang, Ning Wang, et al. Research progress on precision control methods of air-assisted spraying in orchards[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(10): 1-15. (in Chinese with English abstract)

[2] 吳亞壘，祁力鈞，張豪，等. 基于嵌入式互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程智能噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(20)：28-35.

Wu Yalei, Qi Lijun, Zhang Hao, et al. Design and experiment of remote intelligent spray control system based on embedded internet[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 28-35. (in Chinese with English abstract)

[3] 何雄奎. 改變我國植保機(jī)械和施藥技術(shù)嚴(yán)重落后的現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20(1)：13-15.

He Xiongkui. Improving severe draggling actuality of plant protection machinery and its application techniques[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2004, 20(1): 13-15. (in Chinese with English abstract)

[4] 周良富，薛新宇，周立新，等. 果園變量噴霧技術(shù)研究現(xiàn)狀與前景分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(23)：80-92.

Zhou Liangfu, Xue Xinyu, Zhou Lixin, et al. Research situation and progress analysis on orchard variable rate spraying technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 80-92. (in Chinese with English abstract)

[5] 何雄奎. 藥械與施藥技術(shù)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[6] 張鐵，楊學(xué)軍，嚴(yán)荷榮，等. 超高地隙噴桿噴霧機(jī)風(fēng)幕式防飄移技術(shù)研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2012，43(12)：77-86.

Zhang Tie, Yang Xuejun, Yan Herong, et al. Anti-drift technology of super-high clearance boom sprayer with air-assisted system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(12): 77 - 86. (in Chinese with English abstract)

[7] 賈衛(wèi)東，胡化超，陳龍，等. 風(fēng)幕式靜電噴桿噴霧噴頭霧化與霧滴沉積性能試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(7)：53-59.

Jia Weidong, Hu Huachao, Chen Long, et al. Performance experiment on spray atomization and droplets deposition of wind-curtain electrostatic boom spray[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(7): 53-59. (in Chinese with English abstract)

[8] 宋淑然，洪添勝，孫道宗，等. 風(fēng)機(jī)電源頻率對風(fēng)送式噴霧機(jī)噴霧沉積的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(1)：153-159.

Song Shuran, Hong Tiansheng, Sun Daozong, et al. Effect of fan power supply frequency on deposition of air-assisted sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 153-159. (in Chinese with English abstract)

[9] 顧家冰. 風(fēng)送式變量噴霧機(jī)氣液兩相流及霧化的試驗研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

Gu Jiabing. Atomization and Air-droplet Flow Fields of an Air-assisted Variable-rate Sprayer for Tree Crop Application[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[10] 呂曉蘭，傅錫敏，吳萍，等. 噴霧技術(shù)參數(shù)對霧滴沉積分布影響試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42(6)：70-75.

Lü Xiaolan, Fu Ximin, Wu Ping, et al. Influence of spray operating parameters on droplet deposition[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(6): 70-75. (in Chinese with English abstract)

[11] 劉雪美，苑進(jìn)，張曉輝，等. 氣流輔助式噴霧工況參數(shù)對霧滴飄移特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2012，43（S1）：67-72.

Liu Xuemei, Yuan Jin, Zhang Xiaohui, et al. Effect of air-assisted spraying condition parameters on boom spray drift characteristics[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(S1): 67-72. (in Chinese with English abstract)

[12] 楊希娃，周繼中，何雄奎，等. 噴頭類型對藥液沉積和麥蚜防效的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(7)：46-50.

Yang Xiwa, Zhou Jizhong, He Xiongkui, et al. Influences of nozzle types on pesticide deposition and insecticidal effect to wheat aphids[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(7): 46-50. (in Chinese with English abstract)

[13] 唐青，陳立平，張瑞瑞，等. 高速氣流條件下標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭和空氣誘導(dǎo)噴頭霧化特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(22)：121-128.

Tang Qing, Chen Liping, Zhang Ruirui, et al. Atomization characteristics of normal flat fan nozzle and air induction nozzle under high speed airflow conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(22): 121-128. (in Chinese with English abstract)

[14] Hoffmann W C, Fritz B K, Lan Y. Evaluation of a proposed drift reduction technology high-speed wind tunnel testing protocol[J]. Journal of ASTM International, 2009, 6(4): 212-223.

[15] 張慧春，Dorr Gary，鄭加強(qiáng)，等. 扇形噴頭霧滴粒徑分布風(fēng)洞試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2012，43(6)：53-57.

Zhang Huichun, Dorr Gary, Zheng Jiaqiang, et al. Wind tunnel experiment of influence on droplet size distribution of flat fan fozzles [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(6): 53-57. (in Chinese with English abstract)

[16] Nuyttens D, Taylor W A, Schampheleire M D, et al. Influence of nozzle type and size on drift potential by means of different wind tunnel evaluation methods[J]. Biosystems Engineering, 2009, 103(3): 271-280.

[17] 王瀟楠，何雄奎，宋堅利，等. 助劑類型及濃度對不同噴頭霧滴飄移的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(22)：49-55.

Wang Xiaonan, He Xiongkui, Song Jianli, et al. Effect of adjuvant types and concentration on spray drift potential of different nozzles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(22): 49-55. (in Chinese with English abstract)

[18] 張瑞瑞，李龍龍，付旺，等. 脈寬調(diào)制變量控制噴頭霧化性能及風(fēng)洞環(huán)境霧滴沉積特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(3)：42-51.

Zhang Ruirui, Li Longlong, Fu Wang, et al. Sprayingatomization performance by pulse width modulated variableand droplet deposition characteristics in wind tunnel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 42-51. (in Chinese with English abstract)

[19] Gupta P, Sirohi N P, Mishra O I. Air flow characteristics of an air-assisted sprayer through horizontal crop canopy[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2012, 5(1): 1-6.

[20] Reichard D. Wind tunnel evaluation of a computer program to model spray drift[J]. Transactions of the ASAE, 1992, 35(3): 755-758.

[21] 茹煜，朱傳銀，包瑞. 風(fēng)洞條件下霧滴飄移模型與其影響因素分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2014，45(10)：66-72.

Ru Yu, Zhu Chuanyin, Bao Rui. Spray drift model of droplets and analysis of influencing factors based on wind tunnel[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(10): 66-72. (in Chinese with English abstract)

[22] 曾愛軍，王昌陵，宋堅利，等. 風(fēng)洞環(huán)境下噴頭及助劑對植保無人飛機(jī)噴霧飄移性的影響[J]. 農(nóng)藥學(xué)學(xué)報，2020，22(2)：135-143.

Zeng Aijun, Wang Changling, Song Jianli, et al. Effects of nozzle types, adjuvants and environmental conditions on spray drift potential of unmanned aerial vehicles in a wind tunnel[J]. Chinese Journal of Pesticide Science, 2020, 22(2): 135-143. (in Chinese with English abstract)

[23] 王昌陵，曾愛軍，何雄奎，等. 風(fēng)洞條件下植保無人機(jī)噴霧單元霧滴飄移特性試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40(33)：85.

[24] 胡軍，劉昶希，初鑫，等. 錐形風(fēng)場式防飄移裝置霧滴沉積特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2020，51(12)：142-149, 174.

Hu Jun, Liu Changxi, Chu Xin, et al. Droplet deposition characteristics of conical wind field anti-drift device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(12): 142-149, 174. (in Chinese with English abstract)

[25] Pascuzzi S. The effects of the forward speed and air volume of an air-assisted sprayer on spray deposition in “tendone” trained vineyards[J]. Agricultural Engineering. 2013, 3(12): 125–132.

[26] Bulgakov V, Pascuzzi S, Nadykto V. A mathematical model of the plane-parallel movement of an asymmetric machine and tractor aggregate[J]. Agriculture, 2018, 8(151): 44-59.

[27] 張影也. 流體力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1999.

Optimization of the inner flow channel of conical wind field anti-drift spray device and anti-drift characteristics

Liu Changxi, Hu Jun※, Li Yufei, Zhao Shengxue, Zhang Wei, Li Qingda

(1.,,163319,; 2.,163319,)

An anti-drift sprayer with a conical wind field has emerged as an innovative structural device for the auxiliary airflow in plant protection operations during crop production. There is also a significant reduction of droplet loss for the effective deposition of fine particles in the target areas. However, an airflow obstruction can be found in the flow channel of the current sprayers, leading to the lower overall performance of the device. In this study, a systematic optimization was made on the inner flow channel in an anti-drift spray device under a conical wind field, thereby clarifying the anti-drift mechanism for better performance of the device. A force model of a single droplet was also constructed for the moving air medium, according to proton dynamics. After that, the CFD numerical simulation and wind field test were utilized to optimize the airflow loss in the inner runner for the better design of the device. The simulation result showed that the disturbance of eddy current was improved without the abnormality of local speed after optimization. Specifically, the conical wind speed at the outlet of the device still reached 17.00 m/s, increasing by 23.5%, compared with that before the optimization. The wind speed test showed that the effective utilization rate of the auxiliary airflow at the outlet of the device was 21.2 percentage points higher than that before the optimization, when the radius of curvature of the inner flow channel elbow was designed to be 4 cm, indicating that the optimization plan was feasible. Furthermore, there were significant correlations between the cross wind speed, nozzle height, conical wind speed, and the proportion of total droplet drift under wind tunnel conditions. By contrast, there was a negative correlation between the conical wind speed and the proportion of total droplet drift. More importantly, the proportion of the total droplet drift presented a downward trend, whereas, the adverse effect of the crosswind on the droplet deposition gradually decreased, with the increase of conical wind speed. Additionally, a multi-factor orthogonal experiment was carried out to establish the mathematical model of the total droplet drift ratio in the vertical/horizontal direction. It was found that the cone-shaped wind field significantly reduced the droplet loss in the space with the wind. There was also a higher significance of the vertical/horizontal mathematical model (<0.05,2was 0.934 in vertical and 0.945 in horizontal, respectively). Consequently, the conical wind field can be widely expected to effectively resist the generation of vortexes, thereby reducing the droplet loss with the wind in the vertical height. This finding can also provide a sound reference for the comprehensive analysis of droplet migration and deposition in protected agriculture.

wind tunnel; experiments; optimization; numerical simulation; conical wind field; anti-drift characteristics; droplet drift

2021-07-13

2021-11-04

國家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位專家項目（CARS-04-PS30）；國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFC1601905-04）；黑龍江省自然科學(xué)優(yōu)秀青年項目（YQ2019E032）；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃項目（GA21B003）和黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)成引進(jìn)項目（XDB2013-08）

劉昶希，博士生，研究方向為植保機(jī)械與高效施藥技術(shù)。Email：504924356@qq.com

胡軍，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為植保機(jī)械設(shè)計研究。Email：gcxykj@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.002

S491

A

1002-6819(2021)-22-0011-10

劉昶希，胡軍，李宇飛，等. 錐形風(fēng)場式防飄噴霧裝置內(nèi)流道優(yōu)化與防飄特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(22)：11-20. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.002 http://www.tcsae.org

Liu Changxi, Hu Jun, Li Yufei, et al. Optimization of the inner flow channel of conical wind field anti-drift spray device and anti-drift characteristics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 11-20. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.002 http://www.tcsae.org