張安鵬 羅自力 陳志剛 趙煦蘇

1.四川省先進(jìn)智能農(nóng)機(jī)裝備有限公司，四川德陽(yáng)

2.四川省丘區(qū)山區(qū)智能農(nóng)機(jī)裝備創(chuàng)新中心，四川德陽(yáng)

3.鐵牛云智（深圳）科技有限公司，廣東深圳

我國(guó)是世界上果園種植面積最大的國(guó)家[1]，隨著人民生活水平的日益提高，鮮果需求量極大。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，我國(guó)果園面積呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，2021年，我國(guó)果園種植面積達(dá)1 280.80 萬(wàn)hm2[2]，預(yù)計(jì)2023 年將達(dá)1 351.06 萬(wàn)hm2[3]。我國(guó)丘陵山區(qū)果園約占果園總面積的65%[4]，其主要種植方式為多植株密集型果園種植模型[5]。高效、精細(xì)的果園管理是水果增產(chǎn)、增收的關(guān)鍵，病蟲(chóng)害防治是當(dāng)前果園植保的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中，化學(xué)防治是果園植保病蟲(chóng)害防治的主要方法之一[6]。但過(guò)度使用化學(xué)農(nóng)藥，會(huì)造成環(huán)境污染和農(nóng)藥殘留，危害人體健康。為有效減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，提高農(nóng)藥噴灑效率，降低人工成本，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑，本文研制了新能源農(nóng)業(yè)智能植保車(chē)，并對(duì)智能植保車(chē)噴霧進(jìn)行了仿真分析，以期實(shí)現(xiàn)化學(xué)農(nóng)藥的精確噴灑，降低農(nóng)藥使用量，減少環(huán)境污染，提高生產(chǎn)效率。

在無(wú)人植保車(chē)噴霧性能方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量科學(xué)研究，主要研究方法為試驗(yàn)法和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法[7]。石河子大學(xué)李瑞敏等通過(guò)試驗(yàn)方法，分析了扇形霧噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴霧性能的影響[8]；JING D、ZREMBA M 等通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析了噴嘴霧化特性[9-10]；聶濤等分析了壓力旋流噴嘴霧化特性[11]，蔣小平等通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析了噴射參數(shù)對(duì)扇形噴嘴霧化特性的影響[7]。試驗(yàn)法周期長(zhǎng)、成本大，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法求解時(shí)間長(zhǎng)，資源消耗大。

基于以上分析，本文運(yùn)用時(shí)空守恒元/解元方法，基于LS-DYNA 對(duì)無(wú)人植保車(chē)噴霧仿真流固耦合模型進(jìn)行分析，從而獲得智能無(wú)人植保車(chē)噴霧特性，以期為研究無(wú)人植保車(chē)噴霧結(jié)構(gòu)及優(yōu)化參數(shù)提供理論支持。

1 智能植保車(chē)結(jié)構(gòu)

根據(jù)果園植保管理要求，智能植保車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮了果園種植行間距、丘陵山區(qū)地形坡度等因素，具有藥液載量大、續(xù)航久、動(dòng)力足、通過(guò)性能好以及爬坡能力強(qiáng)等特點(diǎn)。智能植保車(chē)主要由動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、噴藥機(jī)構(gòu)以及履帶式行走機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。噴霧裝置采用風(fēng)送式設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高壓噴霧。智能植保車(chē)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 智能植保車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 智能植保車(chē)

2 仿真模型的建立

智能植保車(chē)噴霧過(guò)程仿真模型的建立過(guò)程主要包括幾何建模、有限元前處理、數(shù)值仿真理論及邊界條件施加、結(jié)果后處理，如圖2所示。

圖2 仿真流程圖

LS-DYNA是一款兼具隱式和顯式求解功能的非線性求解器的軟件，能夠?qū)?fù)雜有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)、傳熱、流體以及流固耦合進(jìn)行求解[12]。LS-DYNA 求解器在設(shè)置噴霧仿真邊界條件時(shí)，同計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)求解器相比，無(wú)需設(shè)置復(fù)雜的邊界層網(wǎng)格，減小了仿真有限元模型單元數(shù)量，節(jié)約了計(jì)算資源，提高了求解效率。智能植保車(chē)噴霧仿真屬于典型的流固耦合，本文選擇LS-DYNA軟件進(jìn)行噴霧仿真分析。

2.1 噴嘴工作參數(shù)

噴嘴是智能植保車(chē)噴霧系統(tǒng)中重要組成部分，噴嘴結(jié)構(gòu)形式（如霧錐角、流量及壓力等）對(duì)噴霧特性有重要影響。噴嘴總流量公式為[13]：

式中，Qn為噴嘴流量；M為藥液總量；VF為智能植保車(chē)行走速度；B為作業(yè)寬度。

根據(jù)智能植保車(chē)技術(shù)參數(shù)M=230 L，VF=6 km/h，B=4 m，噴嘴總流量為Qn=9.2 L/min，噴嘴壓力為0.15 MPa，霧錐角α=80 °。

2.2 數(shù)值仿真理論

智能植保車(chē)噴霧仿真為典型流固耦合作用過(guò)程仿真。霧滴的噴灑過(guò)程遵循質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律。其中，質(zhì)量守恒方程也稱為連續(xù)相方程，公式為[14]：

式中，ρ為空氣密度，t為時(shí)間，u、v、w為速度在x、y、z三個(gè)方向上的分量。

動(dòng)量守恒方程公式為：

式中，ρ為流體微元靜壓，τxx、τyx、τzx為流體微元粘性應(yīng)力分量，F(xiàn)x、Fy、Fz為流體微元體積力。

2.3 仿真模型建立

在SPACECLAIM 中建立流場(chǎng)的三維模型，長(zhǎng)、寬、高的尺寸分別為30.0 mm、10.0 mm、10.0 mm。將建立的流場(chǎng)三維模型導(dǎo)入HYPERMESH 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證求解精度，對(duì)流場(chǎng)三維模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，定義單元網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。建立的流場(chǎng)有限元模型如圖3所示。

圖3 三維流場(chǎng)有限元模型

2.4 邊界條件

將建立的流場(chǎng)有限元模型導(dǎo)入到LS-PREPOST 軟件中進(jìn)行邊界條件的加載。對(duì)流場(chǎng)有限元模型的6 個(gè)側(cè)面使用關(guān)鍵字BOUNDARY_NON_REFLECTIVE_SET 進(jìn)行無(wú)反射邊界條件的加載，使用關(guān)鍵字CESE_EOS_IDEAL_GAS定義理想氣體狀態(tài)方程。設(shè)定流體壓力為0.15 MPa，使用關(guān)鍵字STOCHASTIC_SPRAY_PARTICLES 設(shè)定噴霧模型。

邊界條件設(shè)定完成后，將包含求解模型單元信息、接觸方式等要素的k 文件導(dǎo)入非線性動(dòng)力學(xué)程序LS-DYNA進(jìn)行求解，求解器采用非線性隱式動(dòng)力學(xué)雙精度求解器。

3 結(jié)果分析

求解完成后，將求解結(jié)果文件d3plot 導(dǎo)入LSPREPOST 中進(jìn)行后處理分析。圖4～7 為0.15 MPa 流體壓力條件下噴霧噴射過(guò)程。在t=0.01 ms時(shí)刻，噴霧噴射口形成扇形噴霧，霧滴數(shù)量較少。在t=0.03 ms時(shí)刻，形成扇形簇狀噴霧，產(chǎn)生大量霧滴。隨著仿真的進(jìn)行，在t=0.50 ms 時(shí)刻，大量霧滴不斷生成，在流體壓力驅(qū)動(dòng)下，霧滴沿著流體壓力推動(dòng)方向進(jìn)行噴射。由于對(duì)三維流場(chǎng)有限元模型的6 個(gè)側(cè)面施加了無(wú)反射邊界條件，在t=1.20 ms 時(shí)刻，當(dāng)噴霧形成的扇形簇狀的截面直徑尺寸等于三維流場(chǎng)有限元壁面尺寸時(shí)，噴霧與流場(chǎng)壁面進(jìn)行接觸并沿著壓力推動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。智能植保車(chē)噴霧仿真與實(shí)際噴霧工作過(guò)程一致，驗(yàn)真了仿真的有效性。

圖4 t=0.01 ms時(shí)，少量霧滴初步形成扇形

圖5 t=0.03 ms時(shí)，大量霧滴形成扇形

圖7 t=1.20 ms時(shí)，噴霧接觸流場(chǎng)壁面并沿著壓力推動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)

4 結(jié)論

基于LS-DYNA 對(duì)智能植保車(chē)噴霧過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，在使用LS-DYNA 軟件求解器完成的智能植保車(chē)噴霧過(guò)程仿真下，霧滴連續(xù)生成，在流體壓力驅(qū)動(dòng)下，沿流體壓力推動(dòng)方向噴射，其扇面直徑與三維流場(chǎng)有限元壁面直徑相等，與物理試驗(yàn)結(jié)果相一致，驗(yàn)證了仿真的有效性，從而為進(jìn)一步研究智能植保車(chē)的噴霧機(jī)理以及優(yōu)化噴霧參數(shù)提供了理論支持。