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        基于CFD的多風(fēng)道風(fēng)送噴霧流場數(shù)值分析與試驗研究

        2021-11-18 01:32:08歐鳴雄高天宇吳敏敏賈衛(wèi)東楊學(xué)軍冉小琴
        農(nóng)業(yè)工程 2021年9期
        關(guān)鍵詞:出風(fēng)口測量點風(fēng)道

        歐鳴雄,高天宇,吳敏敏,董 祥,賈衛(wèi)東,楊學(xué)軍,冉小琴

        (1.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植保工程重點實驗室,江蘇 鎮(zhèn)江212013;3.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,北京 100083)

        0 引言

        由于我國對鮮果需求量大,目前國內(nèi)果園多采用密植化種植模式[1]。密植化種植可保證水果產(chǎn)量,但是果樹冠層之間相互交叉,果園行距小,導(dǎo)致農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝融合程度不高,存在人工成本高、作業(yè)污染嚴(yán)重、農(nóng)藥利用率低和對施業(yè)人員身體有害等問題[2-3]。我國引進(jìn)國外先進(jìn)風(fēng)送噴霧技術(shù),利用風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流將液滴霧化并將霧滴運(yùn)輸至靶標(biāo)。霧滴帶有初始能量,在風(fēng)機(jī)氣流擾動靶標(biāo)冠層的同時進(jìn)入冠層內(nèi)部,該技術(shù)可以增強(qiáng)霧滴的穿透性,在保證施藥效果的同時實現(xiàn)低量噴霧,利用風(fēng)送噴霧技術(shù)的農(nóng)藥利用率可以提升至40%[4-5]。部分學(xué)者利用計算流體力學(xué)方法,綜合考慮自然風(fēng)和輔助風(fēng)對氣流場和霧滴場分布規(guī)律和特性的影響,開展了果園風(fēng)送噴霧機(jī)兩相流場分布情況的研究[6-7]。相關(guān)學(xué)者采用DPM模型模擬液滴顆粒的運(yùn)動來獲得液滴漂移和沉積規(guī)律,并建立不同風(fēng)速、壓力和噴霧高度對液滴漂移的影響模型[8-10]。也有學(xué)者通過計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD)方法建立噴霧機(jī)數(shù)值模型,并采用拉格朗日粒子法跟蹤霧滴軌跡,研究噴霧壓力對霧滴漂移的影響,驗證了計算流體力學(xué)模型的可行性[11-12]。還有學(xué)者用數(shù)值分析和試驗驗證相結(jié)合的方法,針對果園風(fēng)送噴霧機(jī)的氣流場和霧滴沉積分布規(guī)律進(jìn)行研究,研究結(jié)果顯示,CFD和試驗相結(jié)合的研究方法可以較為準(zhǔn)確地獲得噴霧機(jī)流場分布規(guī)律,從而為相關(guān)參數(shù)的設(shè)計提供有效參考[13-15]。

        本文利用CFD方法研究一種多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的氣流場和氣液兩相流場分布規(guī)律,并對其氣流場和霧滴沉積分布進(jìn)行試驗驗證,結(jié)果證實,數(shù)值模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果的分布規(guī)律基本一致,其相對誤差較小,證明了數(shù)值模型的合理性和準(zhǔn)確性,為后續(xù)多風(fēng)道果園風(fēng)送噴霧機(jī)的設(shè)計和開發(fā)提供了有效參考。

        1 多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)及數(shù)值模型

        1.1 多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)組成

        多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)主要由離心風(fēng)機(jī)、多口分配器、柔性風(fēng)管、噴射出風(fēng)口、變頻器、藥箱、水泵、輸水管和噴嘴構(gòu)成。離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高壓氣流,高壓氣流通過多口分配器均勻流到各個柔性風(fēng)管內(nèi),再經(jīng)由噴射出風(fēng)口擴(kuò)散至外部作物冠層。噴嘴安裝在噴射出風(fēng)口一側(cè)的壁面位置,霧滴噴射方向與氣流方向呈一定角度,便于噴射出風(fēng)口的外部氣流與霧滴群充分混合,對霧滴起到運(yùn)輸和二次霧化作用,增強(qiáng)噴霧沉積和穿透的效果。

        多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)設(shè)計采用8個噴射出風(fēng)口,單側(cè)4個噴射出風(fēng)口,兩側(cè)呈對稱分布,本文主要研究單側(cè)4個噴射出風(fēng)口的流場分布,該多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成如圖1所示。

        噴射出風(fēng)口結(jié)構(gòu)如圖2所示,噴射出風(fēng)口分為柱形段、擴(kuò)張段和壓縮段共3部分[16]。其中噴射出風(fēng)口的擴(kuò)散角?=25°,出風(fēng)口長度a=170 mm,寬度b=30 mm,4個噴射出風(fēng)口的中心線垂直距離為0.35 m。柱形段為進(jìn)氣段,和風(fēng)機(jī)上的多口分配器通過柔性風(fēng)管相連接,高壓氣流在噴射出風(fēng)口內(nèi)部柱形段的內(nèi)部流動斷面保持不變,其主要擴(kuò)張段和壓縮段實現(xiàn)氣流的高速噴射,該噴射出風(fēng)口的出口氣流均勻。

        1.2 數(shù)值模型和設(shè)置參數(shù)

        1.2.1 數(shù)值模型計算域

        多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的數(shù)值模型計算域如圖3所示,根據(jù)噴霧系統(tǒng)的流動規(guī)律,其主要由噴射出風(fēng)口、大氣域1和大氣域2組成。為了研究噴霧流場在外部空間中的流動規(guī)律,同時減少數(shù)值分析的資源,將噴霧流場的外部空間劃分為2部分,分別為大氣域1和大氣域2,其均采用矩形結(jié)構(gòu)空間。大氣域1位于靠近噴射出風(fēng)口的出口附近,其網(wǎng)格尺度較小,用于捕捉噴射出風(fēng)口的高速氣體流動。大氣域2則位于大氣域1的下游,其網(wǎng)格尺度略大,在保證捕捉氣體和霧滴流動的同時,減少模型對于計算資源的消耗。

        圖3 流場計算域模型Fig.3 Computational model of airflow field

        1.2.2 邊界條件設(shè)置

        根據(jù)多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的工作狀態(tài),其數(shù)值模型入口邊界條件采用速度入口作為邊界條件,噴射出風(fēng)口出口處壓力相對外界大氣壓為0,大氣域2的出口邊界條件采用壓力出口邊界條件,噴射出風(fēng)口的內(nèi)壁面均默認(rèn)無滑移壁面邊界條件。在噴射出風(fēng)口、大氣域1和大氣域2之間采用interface邊界條件,保證3個計算域之間的數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)值計算。

        1.2.3 數(shù)值模型假設(shè)

        多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的流場采用Fluent軟件進(jìn)行模擬分析,數(shù)值模型設(shè)定空氣相為連續(xù)相模型,霧滴群則采用離散相模型進(jìn)行分析。其中連續(xù)相計算模型采用Realizable k-ε湍流模型進(jìn)行計算,并假設(shè)流動中無熱量交換,忽略分子黏度的影響,在氣液兩相流場計算過程中,根據(jù)霧滴群離散相的運(yùn)動特征,采用Lagrangian離散相模型模擬霧滴運(yùn)動。噴霧系統(tǒng)采用了扇形噴嘴,數(shù)值模型則采用平板扇型霧化模型對扇形噴嘴的霧滴群流動和分布進(jìn)行仿真,該模型的霧滴粒徑分布符合Rosin-Rammler分布規(guī)律[10]。

        2 數(shù)值分析結(jié)果及分析

        2.1 多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)外部氣流場分布

        根據(jù)上述數(shù)值模型和計算方法,獲得多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的外部氣流場分布結(jié)果如圖4所示。噴射出風(fēng)口的外部氣流場的氣流總體呈對稱分布,在距離噴射出風(fēng)口0~0.6 m的測量范圍內(nèi),每股氣流尚未完全交匯,其等速線呈現(xiàn)明顯的馬鞍狀分布特性,當(dāng)距離噴射出風(fēng)口的距離>0.9 m時,噴射出風(fēng)口的氣流開始逐漸融合,沿著噴射出風(fēng)口垂直方向的氣流速度分布趨于均勻穩(wěn)定,并最終形成較為均勻的風(fēng)送氣流。

        圖4 噴射出風(fēng)口速度分布云圖Fig.4 Jet vent velocity distribution contour

        2.2 氣液兩相流場分布規(guī)律

        多風(fēng)道風(fēng)送噴霧流場的氣液兩相流場霧滴軌跡和速度分布如圖5所示,霧滴最大速度出現(xiàn)在噴射出風(fēng)口對應(yīng)的軸線附近,霧滴速度在運(yùn)動過程中受到阻力影響,其速度值持續(xù)衰減,并隨著高速氣流和霧滴的擴(kuò)散運(yùn)動,霧滴群的分布隨著噴霧距離而發(fā)生變化,總體而言,隨著噴霧距離的增大,霧滴群的分布更為均勻。

        圖5 霧滴軌跡和速度分布Fig.5 Droplet trajectories and velocity

        3 試驗結(jié)果與分析

        3.1 氣流場速度測量點布置

        為了驗證多風(fēng)道風(fēng)送噴霧流場氣流場的數(shù)值分析結(jié)果,開展了氣流場的試驗研究。氣流場的測量點分布如圖6所示,為了解噴射出風(fēng)口的出口處氣流速度分布,沿4個噴射出風(fēng)口(圖中簡稱為Cfk1、Cfk2、Cfk3和Cfk4)出口處均勻選擇7個測量點進(jìn)行氣流速度測量。此外,在距離噴射出風(fēng)口0.6、0.9和1.2 m的外部流場進(jìn)行氣流速度測量,以4個噴射出風(fēng)口的中線為中間基準(zhǔn),每間隔5 cm取一個測量點,上下各選擇15個測量點進(jìn)行氣流速度測量,測量點編號從上至下分別為1至30。試驗采用Testo405i熱線風(fēng)速計進(jìn)行測量,其速度分辨率為0.01 m/s,測量速度范圍為0~30 m/s,可滿足試驗測試要求。

        圖6 氣流場速度測量點位置Fig.6 Position of velocity measurement points in airflow field

        3.2 試驗結(jié)果分析與驗證

        3.2.1 風(fēng)送噴霧系統(tǒng)氣流速度分布

        (1)噴射出風(fēng)口出口氣流分布。

        噴射出風(fēng)口出口處測量點氣流速度試驗值和仿真值如表1所示,噴射出風(fēng)口出口處的速度沿其軸線對稱分布,從測量點1至7,氣流速度分布較為均勻,氣流速度的試驗值和仿真值分布基本一致,各測量點的氣流速度試驗值均略小于仿真值。除了個別測量點以外,噴射出風(fēng)口出口處氣流速度仿真值和試驗值的絕對誤差<2.5 m/s,相對誤差<13.7%。

        表1 噴射出風(fēng)口出口處速度試驗值與仿真值Tab.1 Experiment and simulation results of air velocity of vent outlet 單位:m/s

        (2)噴射出風(fēng)口外部流場氣流速度分布。

        外部流場各測量點的氣流速度試驗值和仿真值如圖7所示,各測量點的氣流速度試驗值與仿真值分布規(guī)律基本一致,總體呈上下對稱分布。在距離噴射出風(fēng)口0.6 m處,大多數(shù)測量點試驗值與仿真值之間的差值在0~2 m/s,大多數(shù)測量點的相對誤差<25%,其中上、下邊緣區(qū)域的測量點氣流速度值較為接近。在距離噴射出風(fēng)口0.9 m處,各測量點氣流速度的試驗值和仿真值較為吻合,大多數(shù)測量點氣流速度的相對誤差<9%,相對誤差最大為31%。在距離噴射出風(fēng)口1.2 m處,大多數(shù)測量點的氣流速度試驗值和仿真值相對誤差<10%。

        圖7 外部流場氣流速度試驗值和仿真值Fig.7 Experiment and simulation values of air velocity of outside air field

        3.2.2 霧滴沉積分布試驗驗證

        在室內(nèi)無風(fēng)環(huán)境下,通過垂直霧量儀進(jìn)行多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的霧滴沉積分布試驗。試驗布置如圖8所示,以4個噴射出風(fēng)口的中線高度為基準(zhǔn),測量中線上下各0.8 m高度范圍內(nèi)的霧滴沉積分布,沉積分布的霧滴收集區(qū)間寬度為20 cm,上下共8個霧滴收集區(qū)間,每個區(qū)間對應(yīng)一個霧滴收集裝置,用于收集該區(qū)間內(nèi)的霧滴沉積量。

        圖8 風(fēng)送噴霧系統(tǒng)霧滴沉積試驗Fig.8 Droplet deposition experiment of sprayer system

        為了對霧滴沉積分布試驗與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對比,按照式(1)所示對試驗與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行無量綱處理,將霧滴收集區(qū)間內(nèi)的霧滴沉積量轉(zhuǎn)換為霧滴沉積系數(shù)C,并對距離出風(fēng)口0.6、0.9和1.2 m處的霧滴沉積分布結(jié)果進(jìn)行分析。

        (1)

        式中C——霧滴沉積系數(shù),%

        W——單個霧滴收集區(qū)間的霧滴沉積量,mL

        WT——霧滴沉積分布試驗中所有霧滴收集區(qū)間的總霧滴沉積量,mL

        距離噴射出風(fēng)口0.6 m處,霧滴沉積系數(shù)C的試驗值和仿真值對比如圖9所示,在高度-0.8~0.8 m范圍內(nèi),霧滴沉積系數(shù)試驗值和仿真值變化基本一致,其呈現(xiàn)中間沉積量較大,兩側(cè)沉積量較小的趨勢。在-0.6~0.6 m范圍內(nèi)的霧滴沉積系數(shù)試驗值和仿真值的相對誤差<14%,其中在高度為0.6 m和-0.4 m處,兩者相對誤差<4%。

        圖9 霧滴沉積量系數(shù)試驗值與仿真值(0.6 m)Fig.9 Experiment and simulation droplet deposition amount(0.6 m)

        距離噴射出風(fēng)口0.9 m處,霧滴沉積系數(shù)C的試驗值和仿真值對比如圖10所示,霧滴沉積系數(shù)試驗值和仿真值的變化趨勢也基本一致,霧滴沉積量總體呈現(xiàn)中間多、兩側(cè)少的特點。在高度-0.4~0.6 m范圍內(nèi),霧滴沉積系數(shù)相對誤差<12%,在高度為-0.6 m處,其相對誤差約19%。

        圖10 霧滴沉積量系數(shù)試驗值與仿真值(0.9 m)Fig.10 Experiment and simulation droplet deposition amount(0.9 m)

        距離噴射出風(fēng)口1.2 m處,霧滴沉積系數(shù)C的試驗值和仿真值對比如圖11所示,與距離0.6和0.9 m相比,中間區(qū)域的霧滴沉積量更為均勻,尤其在高度為-0.4~0.4 m時,霧滴沉積分布均勻。在高度-0.4~0.6 m范圍內(nèi),霧滴沉積系數(shù)的試驗值和仿真值相對誤差<7%。

        圖11 霧滴沉積量系數(shù)試驗值與仿真值(1.2 m)Fig.11 Experiment and simulation droplet deposition amount(1.2 m)

        根據(jù)上述分析可知,在高度-0.6~0.6 m范圍內(nèi),該噴霧系統(tǒng)的霧滴沉積系數(shù)試驗值和仿真值相對誤差較小,并且分布趨勢基本一致。該數(shù)值模型能夠較為準(zhǔn)確地描述多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的氣流場和氣液兩相流場分布規(guī)律,上述試驗結(jié)果驗證了該數(shù)值模型的合理性和準(zhǔn)確性。

        4 結(jié)論

        (1)以多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)為研究對象,基于CFD數(shù)值分析方法構(gòu)建了風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的數(shù)值模型,開展了風(fēng)送噴霧系統(tǒng)氣流場和氣液兩相流場的穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析研究。

        (2)噴射出風(fēng)口出口和外部流場的研究結(jié)果表明,氣流速度試驗值和仿真值差值基本<2 m/s,其測量點的氣流速度相對誤差總體<10%,基于CFD的數(shù)值分析方法能較為準(zhǔn)確地描述多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的氣體流動規(guī)律。

        (3)多風(fēng)道風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的氣液兩相流研究結(jié)果顯示,在距離噴射出風(fēng)口0.6、0.9和1.2 m處,霧滴沉積系數(shù)的試驗結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果基本一致,尤其在-0.4~0.4 m高度范圍內(nèi),其相對誤差<14%,該結(jié)果可為果園多風(fēng)道風(fēng)送噴霧機(jī)的設(shè)計開發(fā)提供有效參考。

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