張俊雄，朱祥森，劉景云，高 金，張凱飛

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

果樹在一年的生長周期內(nèi)需噴灑藥液8～15次，是果園中重要的作業(yè)任務(wù)，噴藥效果的好壞直接影響水果的品質(zhì)和產(chǎn)量.風(fēng)送式噴霧是聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的一種自動化程度高，防治效果好，環(huán)境污染少的先進(jìn)施藥技術(shù)[1].其氣流場在空間的分布與擴(kuò)散對霧滴在果樹冠層中的穿透、沉積有顯著影響[2].相關(guān)研究[3-4]表明氣流速度空間分布特性的差異，在同樣條件下產(chǎn)生的藥液沉積分布特性也有很大的差異.

果園風(fēng)送施藥過程需要滿足置換原則和末速度原則，因此風(fēng)機(jī)的氣流特性在風(fēng)送施藥過程起到重要作用[5-6].為了提升氣流場對果園施藥的積極作用，呂曉蘭等[2]就導(dǎo)流板角度對氣流場三維分布的影響進(jìn)行了研究；宋淑然等[7]就風(fēng)送式噴霧機(jī)導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)對旋轉(zhuǎn)氣流轉(zhuǎn)化為軸向的氣流進(jìn)行了研究；邱威等[8]對噴霧機(jī)風(fēng)道彎角半徑和導(dǎo)流板彎角半徑的相關(guān)性，曲峰等[9]就直線導(dǎo)流板對氣流速度場噴霧性能的影響進(jìn)行了相關(guān)研究；丁濤等[10]研究了導(dǎo)流罩長度對農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)性能的影響.以上相關(guān)研究集中在對風(fēng)機(jī)外部導(dǎo)流方法進(jìn)行研究，通過確定外部導(dǎo)流裝置的參數(shù)來優(yōu)化氣流場，或者在外部增加其他導(dǎo)流裝置，從結(jié)構(gòu)上改變氣流場，而風(fēng)機(jī)內(nèi)部導(dǎo)流裝置對氣流場影響的研究則相對較少.

文中通過對風(fēng)機(jī)內(nèi)部導(dǎo)流裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從氣流場源頭對氣流場進(jìn)行優(yōu)化，解決風(fēng)送式果園噴霧機(jī)現(xiàn)有軸流風(fēng)機(jī)氣流場和果樹冠層噴霧要求不匹配的問題，增強(qiáng)氣流場和果樹冠層分布的相關(guān)性.以櫻桃果樹噴霧為例，在噴霧機(jī)作業(yè)參數(shù)不變的情況下提升氣流場在果樹病蟲害重點(diǎn)防治的冠層中上部區(qū)域的氣流速度，為提升噴霧效果提供參考.

1 研究平臺與模型建立

以中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的3WZF-400A履帶自走式風(fēng)送噴霧機(jī)為平臺和試驗(yàn)載體，如圖1所示.該噴霧機(jī)風(fēng)機(jī)軸線距離地面高度為0.75 m，出風(fēng)口寬度0.096 m，下出風(fēng)口高度0.48 m，上出風(fēng)口高度1.45 m.考慮到實(shí)際工況以及后續(xù)研究，將上、下導(dǎo)流板角度固定.

風(fēng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)通過SolidWorks2016直接建模.由于扇葉結(jié)構(gòu)的曲面復(fù)雜性，缺少真實(shí)模型，所以采用PolyWorks2017和Geomagic Studio12逆向工程方法[11-12]進(jìn)行構(gòu)建，風(fēng)機(jī)部件三維圖如圖1b所示.

圖1 3WZF-400A履帶自走式風(fēng)送噴霧機(jī)

2 施藥過程分析

本研究以中國農(nóng)業(yè)大學(xué)通州中農(nóng)富通科技園櫻桃果樹噴施為例，該櫻桃樹為多主枝紡錘形樹形，具有典型代表性.果園中櫻桃樹外形尺寸為樹高3.5 m，行距5 m，冠高0.7 m，最大冠層寬度1.7 m，最大冠層高度1.5 m，冠層主要區(qū)域?yàn)殡x地面高度1.0～1.9 m.

果樹與噴霧機(jī)相對位置如圖2所示.對于中小型施藥機(jī)械而言，施藥機(jī)械的高度明顯低于果樹冠層的高度，所以從噴霧機(jī)產(chǎn)生的氣流需要通過必要的導(dǎo)流方式對氣流場進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整、對氣流進(jìn)行一定的聚集，從而使盡可能多的風(fēng)攜帶藥液吹向果樹冠層，更充分地起到幫助藥液落靶的作用.因?yàn)閲婌F作業(yè)左右兩側(cè)基本對稱，圖2只標(biāo)注出右側(cè)位置.從圖中可以看出，在以風(fēng)機(jī)為中心的右上11°至58°的范圍為氣流的主要覆蓋區(qū)，考慮到地面的起伏，不同果樹的高度和樹冠高度存在一定差異，取以風(fēng)機(jī)中心為參考的右上10°至60°的范圍，折算到樹干處為1.0～1.9 m高度范圍，作為氣流應(yīng)該覆蓋的主要區(qū)域，也是文中要提高氣流速度的目標(biāo)區(qū)域.

圖2 果樹與噴霧機(jī)相對位置圖

3 流體仿真與導(dǎo)流裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)與相對應(yīng)的仿真軟件現(xiàn)在越來越多的應(yīng)用在果園風(fēng)送施藥的研究中[13-16].

本研究通過使用ANSYS Workbench 15.0中Fluid Flow(Fluent)對風(fēng)機(jī)三維裝配體進(jìn)行流體仿真分析.根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計(jì)方案不斷進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化.

3.1 仿真流程

根據(jù)ANSYS Fluent的仿真流程，風(fēng)機(jī)導(dǎo)流裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真分析過程包括：幾何圖形建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、仿真參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行仿真得出結(jié)果.

仿真分析的范圍為風(fēng)機(jī)內(nèi)部以及左右出風(fēng)口外各50 cm范圍內(nèi)，如圖3a所示.網(wǎng)格劃分采用ANSYS Fluent中的Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行進(jìn)出口與壁面設(shè)置，因?yàn)閮?yōu)化過程中導(dǎo)流裝置部分結(jié)構(gòu)有所變化，所以相對應(yīng)的仿真模型所劃分的網(wǎng)格數(shù)量也略有不同，Nodes數(shù)約為370 000，Elements數(shù)約為1 760 000，如圖3b所示.

圖3 仿真條件設(shè)置

結(jié)合噴霧機(jī)實(shí)際工作工況，風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 500～3 000 r·min-1，實(shí)際作業(yè)時出口風(fēng)速范圍15～30 m·s-1，流體基本處于湍流狀態(tài).根據(jù)流體力學(xué)理論，選擇κ-ε湍流模型來描述湍流，控制方程如式(1)、(2)所示.

湍流動能方程

(1)

湍流動能耗散率方程

(2)

式中：μt為湍流黏性系數(shù)，Pa·s；xi、xj為2個方向的長度距離，m；Gκ是由平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項(xiàng)；C1ε、C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；δκ和δε分別為與湍動能κ和耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)；ui為速度[17]，m·s-1.

3.2 原風(fēng)機(jī)氣流場仿真結(jié)果

通過對3WZF-400A履帶自走式風(fēng)送噴霧機(jī)使用以上仿真流程進(jìn)行仿真分析，設(shè)置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 600 r·min-1,得到出風(fēng)口處中間剖面的氣流仿真速度云圖，如圖4所示.

圖4 出風(fēng)口中間剖面氣流仿真速度云圖

通過對速度云圖分析結(jié)果分析，得出原噴霧機(jī)出風(fēng)口氣流速度衰減數(shù)據(jù)見表1.

表1 原噴風(fēng)機(jī)出風(fēng)口氣流速度衰減表

與上述施藥過程對比可得，速度云圖中氣流速度衰減角度范圍恰恰是施藥中要求氣流速度較大的位置，這不利于氣流場對噴霧作業(yè)發(fā)揮作用.文中通過對原風(fēng)機(jī)導(dǎo)流裝置的優(yōu)化來相對應(yīng)性地改變氣流場，以解決這一問題.

3.3 中、后導(dǎo)流板與出風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了使經(jīng)中導(dǎo)流板、后導(dǎo)流板轉(zhuǎn)換的徑向氣流場更好地滿足施藥過程的實(shí)際需求，借鑒流體機(jī)械中葉輪、徑向?qū)~和流道式導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)[18-19]，結(jié)合噴霧機(jī)的結(jié)構(gòu)，對中、后導(dǎo)流板和風(fēng)機(jī)出風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

由于液體的流量q與截面面積s和流速v存在如下關(guān)系：

q=sv.

(3)

因此，導(dǎo)風(fēng)板所占據(jù)的垂直投影面積越大，則風(fēng)場轉(zhuǎn)移量越大.因此，優(yōu)化的目標(biāo)是提升導(dǎo)流板總面積以提升整個中導(dǎo)流板導(dǎo)流能力，同時考慮盡可能增加非噴霧區(qū)域斜面的面積來提升導(dǎo)流效果，此外還需要注意避讓噴頭以及導(dǎo)流板安裝孔的位置.

3.3.1中導(dǎo)流板優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對中導(dǎo)流板，在上面設(shè)計(jì)出5對導(dǎo)風(fēng)板，來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化流場的目的，如圖5所示.其中,中1、中4和中5導(dǎo)風(fēng)板為曲面斜導(dǎo)風(fēng)板，中2導(dǎo)風(fēng)板為直導(dǎo)風(fēng)板，中3導(dǎo)風(fēng)板為斜直導(dǎo)風(fēng)板.

圖5 中導(dǎo)流板優(yōu)化對比圖

由于左右兩側(cè)導(dǎo)風(fēng)板相對中導(dǎo)流板中線對稱分布，以右側(cè)導(dǎo)風(fēng)板為例，其主要參數(shù)包括各導(dǎo)風(fēng)板的外緣圓周位置αi1(i=1,2,…,5),內(nèi)緣圓周位置αi2(i=1,2,…,5),覆蓋角度，投影面積及投影面積與中導(dǎo)流板右側(cè)面積的占比，具體見表2.

表2 中導(dǎo)流板右側(cè)導(dǎo)風(fēng)板參數(shù)

原中導(dǎo)流板垂直投影面積為166 652 mm2，優(yōu)化后的中導(dǎo)流板垂直投影面積為188 417 mm2，面積提升21 765 mm2，提升13.1%.5對導(dǎo)風(fēng)板總投影面積為49 898 mm2，所占導(dǎo)流板總面積比為26.48%.5對導(dǎo)風(fēng)板從上到下在整個圓周位置起到聚集氣流、改變風(fēng)向的目的.改變原導(dǎo)流板360°無差別的導(dǎo)流方法，從而在不同角度有目的性地改變氣流場分布.

3.3.2后導(dǎo)流板設(shè)計(jì)

針對后導(dǎo)流板，通過增設(shè)5對導(dǎo)風(fēng)板的方案來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化流場的目的，如圖6所示.此外還考慮到與中導(dǎo)流板的配合，使兩者具有相關(guān)的導(dǎo)流參數(shù)，到達(dá)增強(qiáng)導(dǎo)流的效果.其中后2導(dǎo)風(fēng)板為直導(dǎo)風(fēng)板，其余為曲面導(dǎo)風(fēng)板.

圖6 后導(dǎo)流板優(yōu)化對比圖

由于左右兩側(cè)導(dǎo)風(fēng)板相對后導(dǎo)流板中線對稱分布，以右側(cè)導(dǎo)風(fēng)板為例，其主要參數(shù)包括各導(dǎo)風(fēng)板的外緣圓周位置βi1(i=1,2,…,5),內(nèi)緣圓周位置βi2(i=1,2,…,5),覆蓋角度，投影面積及投影面積與后導(dǎo)流板右側(cè)面積的占比，具體見表3.

表3 后導(dǎo)流板一側(cè)導(dǎo)風(fēng)板數(shù)據(jù)表

后導(dǎo)流板的投影面積為183 170 mm2，無對傾斜導(dǎo)風(fēng)板總投影面積為36 260 mm2，所占導(dǎo)流板總面積比為19.80%.5對導(dǎo)風(fēng)板從上到下在整個圓周位置起到聚集氣流、改變風(fēng)向的目的.改變原導(dǎo)流板360°無差別的導(dǎo)流方法，從而在不同角度有目的性地改變氣流場分布.

3.3.3出風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)上下兩端的導(dǎo)流的效果，在出風(fēng)口處設(shè)計(jì)添加3對弧形導(dǎo)風(fēng)板，來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化流場的目的，如圖7所示.

圖7 出風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板示意圖

由于左右兩側(cè)導(dǎo)風(fēng)板相對后導(dǎo)流板中線對稱分布，以右側(cè)出風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板為例，其主要參數(shù)包括各導(dǎo)風(fēng)板的外緣圓周位置κi1(i=1,2,…,5),內(nèi)緣圓周位置κi2(i=1,2,…,5),覆蓋角度，具體見表4.

表4 出風(fēng)口一側(cè)導(dǎo)風(fēng)板數(shù)據(jù)表

3對導(dǎo)風(fēng)板采用圓弧形長板形狀在出風(fēng)口位置對氣流進(jìn)行導(dǎo)流，通過盡可能大的覆蓋角，將盡可能多的氣流導(dǎo)流向果樹對應(yīng)的角度范圍.

3.3.4中、后導(dǎo)流板與出風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板綜合作用分析

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形成7個氣流導(dǎo)流單元：由上導(dǎo)流板單獨(dú)組成的頂部氣流導(dǎo)流單元；由中1導(dǎo)風(fēng)板、后1導(dǎo)風(fēng)板和出風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板1共同組成的上部氣流導(dǎo)流組合單元；由中2導(dǎo)風(fēng)板和后2導(dǎo)風(fēng)板共同組成的中一氣流導(dǎo)流組合單元；由中3導(dǎo)風(fēng)板和后3導(dǎo)風(fēng)板共同組成的中二氣流導(dǎo)流組合單元；由中4導(dǎo)風(fēng)板、后4導(dǎo)風(fēng)板和出3導(dǎo)風(fēng)板共同組成的中三氣流導(dǎo)流組合單元；中5導(dǎo)風(fēng)板、后5導(dǎo)風(fēng)板和出3導(dǎo)風(fēng)板共同組成的下部氣流導(dǎo)流組合單元；由下導(dǎo)流板單獨(dú)組成的底部氣流導(dǎo)流單元.頂部、上部、中一、中二、中三、下部、底部這7部分氣流導(dǎo)流的組合單元，既對整個氣流場進(jìn)行對應(yīng)性導(dǎo)流，又對每側(cè)5個液滴噴頭的位置，進(jìn)行了氣流加強(qiáng)，從而全面提升氣流場對噴施作業(yè)的積極作用.

3.4 優(yōu)化方案仿真分析

通過以上分析，對優(yōu)化后的方案進(jìn)行仿真分析.首先考慮只在中、后導(dǎo)流板上設(shè)計(jì)導(dǎo)風(fēng)板的優(yōu)化方案一，對該方案進(jìn)行仿真分析，得出出風(fēng)口中間剖面仿真速度云圖，如圖8所示.

圖8 方案一出風(fēng)口中間剖面仿真速度云圖

通過對速度云圖分析結(jié)果分析，得出方案一氣流速度衰減數(shù)據(jù)，見表5.

表5 方案一氣流速度衰減表

與原噴霧機(jī)出風(fēng)口仿真結(jié)果對比可得，左右兩側(cè)氣流較小的范圍分別從40°和32°減小到23°和22°，氣流衰減區(qū)域?qū)?yīng)噴施高度左側(cè)從0.9～1.8 m縮小到1.0～1.5 m，右側(cè)從1.0～1.9 m縮小到1.1～1.6 m.范圍有明顯降低.

然后考慮在中、后導(dǎo)流板上設(shè)計(jì)導(dǎo)風(fēng)板的基礎(chǔ)上又在出風(fēng)口處添加導(dǎo)風(fēng)板的優(yōu)化方案二，對該方案進(jìn)行仿真分析得出出風(fēng)口中間剖面仿真速度云圖，如圖9所示.

通過對速度云圖分析結(jié)果分析，得出方案二氣流速度衰減數(shù)據(jù)，見表6.

表6 方案二氣流速度衰減表

與方案一的仿真結(jié)果對比可得，左右兩側(cè)氣流較小范圍分別從23°和22°減小到13°和0°，左側(cè)氣流衰減區(qū)域?qū)?yīng)噴施高度從1.0～1.5 m縮小到1.1～1.3 m，右側(cè)氣流衰減區(qū)幾乎不存在.方案二氣流衰減區(qū)域顯著縮小.

4 氣流場分布試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性，以及檢驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，試制了樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn).

考慮到優(yōu)化設(shè)計(jì)后的導(dǎo)流板形狀比較復(fù)雜，優(yōu)化后中、后導(dǎo)流板采用樹脂光固化的加工方式進(jìn)行加工[20]，如圖10a所示.出風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板采用3D打印的加工方式進(jìn)行加工，如圖10b所示.

圖10 導(dǎo)流裝置實(shí)物圖

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24683—2009/ISO 9898:2000《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》，根據(jù)其中氣流速度分布測定(靜態(tài)測試)的方法，測量距離出風(fēng)口50 cm處，從地面至200 cm高度，每升高10 cm取一個采樣點(diǎn).采用香港?，攦x表集團(tuán)有限公司的AR866A熱線式風(fēng)速風(fēng)量計(jì)進(jìn)行測量，并配套使用軟件Anemometer，實(shí)時顯示和記錄氣流速度數(shù)據(jù).

在對每個測量位置進(jìn)行氣流速度測量時，采用將風(fēng)速傳感器固定在規(guī)定位置，然后測量20 s以上數(shù)據(jù)，取平均值作為該點(diǎn)氣流速度.為了避免室外自然風(fēng)對測量結(jié)果產(chǎn)生的不利影響,測量地點(diǎn)選擇在空曠的地下室.

4.2 氣流場試驗(yàn)結(jié)果與分析

將原導(dǎo)流方案和優(yōu)化方案一、優(yōu)化方案二所述的優(yōu)化后導(dǎo)流裝置分別安裝在3WZF-400A履帶自走式風(fēng)送噴霧機(jī)，設(shè)定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 600 r·min-1，采用上述測量方法進(jìn)行氣流速度測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，繪制如圖11所示的氣流速度折線圖.

圖11 氣流速度折線圖

右側(cè)氣流速度在3種導(dǎo)流方案作用下，在果樹樹冠不稠密的40～90 cm范圍內(nèi)平均氣流速度分別為14.86、12.74和10.08 m·s-1.優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二的氣流速度相對于原導(dǎo)流板分別降低14.3%和32.2%.在果樹樹冠最稠密的100～190 cm范圍內(nèi)平均氣流速度分別為8.48、9.60和11.24 m·s-1，氣流速度相對于未優(yōu)化前分別提升13.2%和32.5%.

左側(cè)氣流速度在3種導(dǎo)流方案作用下，在果樹樹冠不稠密的40～90 cm范圍內(nèi)平均氣流速度分別為13.42、11.72和9.45 m·s-1.優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二的氣流速度相對于原導(dǎo)流板分別降低12.7%和29.6%.在果樹樹冠最稠密的100～190 m范圍內(nèi)平均氣流速度分別為8.24、9.50和10.64 m·s-1，氣流速度相對于未優(yōu)化前分別提升15.3%和29.1%.

從圖9和圖11中可見，仿真的氣流場和實(shí)測的氣流場分布特點(diǎn)基本相符.經(jīng)方案二優(yōu)化后，弧形的中1導(dǎo)風(fēng)板和后1導(dǎo)風(fēng)板配合出1導(dǎo)風(fēng)板及風(fēng)機(jī)外的上導(dǎo)流板，對風(fēng)機(jī)輸出的氣流起到既起到改變風(fēng)向的目的，又起到將原本吹上風(fēng)機(jī)上方的氣流向下部聚集的作用，使樹冠頂部的氣流速度得以提升.弧度較大的中4導(dǎo)風(fēng)板、中5導(dǎo)風(fēng)板、后3導(dǎo)風(fēng)板、后4導(dǎo)風(fēng)板、后5導(dǎo)風(fēng)板配合出風(fēng)口的中5導(dǎo)風(fēng)板及風(fēng)機(jī)外的下導(dǎo)流板，對風(fēng)機(jī)輸出吹向風(fēng)機(jī)下方的氣流向上部聚集，減小樹冠下部的氣流速度.而中2導(dǎo)風(fēng)板、中3導(dǎo)風(fēng)板和后2導(dǎo)風(fēng)板，采用較短的直導(dǎo)風(fēng)板形式，主要使上部和下部匯聚過來的氣流起到一個勻化的作用，直接吹向樹冠最需要風(fēng)量的中上部.

5 結(jié) 論

1)通過優(yōu)化軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)部的導(dǎo)流裝置，較傳統(tǒng)的僅依靠外部導(dǎo)流板的方式可更有效地對噴霧機(jī)氣流場進(jìn)行整流，改善目標(biāo)區(qū)域氣流速度.

2)為解決風(fēng)送式果園噴霧機(jī)現(xiàn)有軸流風(fēng)機(jī)氣流場在果樹冠層中部區(qū)域氣流速度較小的問題,在風(fēng)機(jī)內(nèi)部的中、后導(dǎo)流板上設(shè)計(jì)導(dǎo)風(fēng)板，并在出風(fēng)口處添加導(dǎo)風(fēng)板的方法可使氣流場在果樹冠層中上部枝葉最稠密區(qū)域的氣流速度提升29.1%～32.5%.