呂林碩,李建平,陳春皓,李紹波,王 佳

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 ,河北 保定 071000)

0 引言

在現(xiàn)代化果園的管理中,噴灑農(nóng)藥已成為最有效的植保手段之一,但果園農(nóng)藥的精量化噴灑尚不完善。在現(xiàn)代化果園作業(yè)過(guò)程中,噴灑農(nóng)藥環(huán)節(jié)占到整體勞動(dòng)量的30%,現(xiàn)代矮砧密植果園中每年需施藥8～15次[1-2],大量的農(nóng)藥噴施雖然在一定程度上起到了果園植保效果,但隨著施藥量增多,所帶來(lái)的霧滴大量飄失[3-4],環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重,農(nóng)產(chǎn)品殘留、農(nóng)藥危害人體等現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生[5-6]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)精量化施藥技術(shù)的研究多從改進(jìn)風(fēng)送噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)[7-8],優(yōu)化影響噴霧機(jī)噴霧施藥質(zhì)量的參數(shù)等[9-10]方面提高果園施藥質(zhì)量;而針對(duì)仿樹(shù)形噴桿噴霧機(jī)施藥管路內(nèi)部液流不穩(wěn)定而造成的施藥壓力改變,進(jìn)而影響施藥質(zhì)量的研究還較少。一些學(xué)者主要對(duì)液壓管道內(nèi)部的液流運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了模擬分析。目前,針對(duì)管路內(nèi)部液流的研究分析主要采用理論公式計(jì)算、數(shù)值模擬仿真和實(shí)地試驗(yàn)測(cè)試[11-13]等方式。燕山大學(xué)的高殿榮對(duì)液體管網(wǎng)流道進(jìn)行分析,得到不同的管路結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部液流特性的影響,并通過(guò)對(duì)壓力、流量等云圖的分析找到集成管網(wǎng)能量損失的原因,提出了降低能耗的結(jié)構(gòu)改進(jìn)辦法[14]。謝國(guó)慶等對(duì)“Z”字型流道進(jìn)行了仿真分析,主要分析了轉(zhuǎn)彎處、工藝孔等結(jié)構(gòu)對(duì)管路內(nèi)部液流特性的影響,探究了相應(yīng)結(jié)構(gòu)對(duì)壓降的影響[15]。李強(qiáng)等運(yùn)用CFD方法對(duì)液壓管網(wǎng)的典型流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析,得出管道結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部液流的影響規(guī)律,分析了不同管道的結(jié)構(gòu)形式及液體流速對(duì)系統(tǒng)能量損失的影響[16]。胡建軍等通過(guò)構(gòu)建PIV可視化研究平臺(tái)對(duì)直角轉(zhuǎn)彎管道進(jìn)行分析,得出液流方向正對(duì)刀尖角容腔時(shí)能量損失較小;另外,研究了7種湍流模型對(duì)刀尖角直角轉(zhuǎn)角的預(yù)測(cè)性能,并對(duì)S-A模型進(jìn)行修正,提高了模型仿真精度[17-18]。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)對(duì)集成式管網(wǎng)內(nèi)流道做了充分研究,并取得一定成果,但對(duì)于仿樹(shù)形噴桿噴霧機(jī)噴桿管路內(nèi)部的液流壓力情況研究較少。由于施藥壓力的大小對(duì)施藥量質(zhì)量有著決定性影響,故采用仿真模擬的方法對(duì)施藥管路內(nèi)部的液流情況模擬分析,通過(guò)對(duì)不同管型(長(zhǎng)直管、彎管)、不同管徑及重力作用下對(duì)管路壓力影響的研究,為仿形噴桿噴霧機(jī)的研制提供一定的理論依據(jù)。

1 管路上壓力損失的計(jì)算

仿樹(shù)形噴桿噴霧機(jī)[19]的工作原理:藥液從藥箱通過(guò)液泵加壓輸送,經(jīng)高壓藥液管到達(dá)施藥噴頭,在管路液體壓力作用下藥液由噴口噴出,完成果園施藥工作。在仿樹(shù)形噴桿噴霧機(jī)施藥作業(yè)時(shí),液泵或流量裝置可保證施藥管入口處壓力或流量的恒定;然而,由于施藥管結(jié)構(gòu)及布置方式的不同,管路內(nèi)部壓力的損失也不同,致使噴口處的施藥壓力無(wú)法準(zhǔn)確控制,施藥量受到影響。為達(dá)到精量化施藥的目的,需對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的施藥管路進(jìn)行壓力損失計(jì)算。

對(duì)于施藥管路內(nèi)部液流情況,其壓降主要由直管段的沿程壓力損失和轉(zhuǎn)彎(或彎頭)處的局部壓力造成[20]。沿程壓力損失計(jì)算式為

式中λ—沿程阻力系數(shù);

ρ—液體介質(zhì)密度(kg/m3),取ρ=103kg/m3;

v—管道內(nèi)部液體流速(m/s);

l—管道長(zhǎng)度(m);

d—管道內(nèi)徑(m)。

局部壓力損失為

式中ξ—局部阻力系數(shù)。

液管總壓降為

p=p1+p2

2 噴頭模型的建立與網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

2.1 噴頭模型的建立

在仿樹(shù)形噴桿噴霧機(jī)施藥作業(yè)過(guò)程中,不同型號(hào)的噴頭對(duì)管路內(nèi)液體壓力與液體流速起著至關(guān)重要的作用,噴頭結(jié)構(gòu)與開(kāi)口的大小影響著所建立的噴頭模型的準(zhǔn)確性。為使后續(xù)管道內(nèi)部液流特性的仿真結(jié)果更為準(zhǔn)確可信,采用三維建模軟件SolidWorks仿照VP110-04型號(hào)噴頭建模。噴頭實(shí)物與噴頭模型如圖1所示。

為驗(yàn)證所建立的噴頭模型的準(zhǔn)確性,仿照蘋(píng)果園的仿樹(shù)形噴桿噴霧機(jī),繪制3.5m長(zhǎng)施藥管路,并于噴桿上端側(cè)部設(shè)置噴頭出口與所建立的噴頭模型裝配,輸入液體(用水來(lái)替代農(nóng)藥),觀測(cè)出口流量與管內(nèi)壓力是否對(duì)應(yīng),結(jié)果如圖2所示。

(a)噴頭實(shí)物

(b)噴頭模型圖1 噴頭實(shí)物及噴頭建模Fig.1 The actual nozzle and nozzle modeling

圖2 3.5m施藥管噴頭處壓力值Fig.2 Pressure value at the nozzle of the 3.5m spraying pipe

由圖2可知:在噴頭壓力為0.499 64MPa時(shí),噴頭質(zhì)量流量為0.173kg/s,與VP110-04型號(hào)噴頭的標(biāo)準(zhǔn)(噴頭壓力0.5MPa時(shí),噴頭流量0.0173kg/s)相比較,誤差為0.72‰,相差不大,噴頭模型可靠。

2.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

利用Flow simulation對(duì)管道流體仿真時(shí),劃分的網(wǎng)格質(zhì)量關(guān)系到仿真精度,對(duì)后續(xù)的管道內(nèi)部液體壓力的分析有一定影響,因此需對(duì)網(wǎng)格劃分質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析[22]。以3.5m長(zhǎng)噴桿1噴頭的噴桿模型為研究對(duì)象,在Flow simulation的全局網(wǎng)格設(shè)置中,分別設(shè)置細(xì)化網(wǎng)格級(jí)別為1、2與2、3,在兩種網(wǎng)格劃分方法下,總網(wǎng)格數(shù)量分別為65 198與311 360,將仿真結(jié)果圖的圖例最大值與最小值分別設(shè)置為顯示最大值與顯示最小值,二者壓力仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 低精度網(wǎng)格仿真Fig.3 Low-precision mesh simulation

圖4 高精度網(wǎng)格仿真Fig.4 High-precision mesh simulation

由圖3、圖4可知:高、低精度劃分的網(wǎng)格相比,二者顯示最高值差451Pa,誤差為0.84‰,顯示最低值差320Pa,誤差為2.3‰,誤差較小,6萬(wàn)多網(wǎng)格數(shù)量即可滿足精度要求,故選用低網(wǎng)格精度即可。

3 仿真分析

3.1 豎直管液流壓力特性分析

3.1.1 十噴口3.5m長(zhǎng)噴桿

針對(duì)蘋(píng)果園仿樹(shù)形噴桿噴霧機(jī)施藥過(guò)程中不同放置傾角的噴管內(nèi)部液體壓力的損失問(wèn)題,依照果園樹(shù)形特征,建立了一側(cè)的噴桿模型,設(shè)計(jì)噴桿長(zhǎng)度為3.5m,為消除施藥噴桿進(jìn)水口對(duì)噴頭出口的擾流影響[23]及考慮到蘋(píng)果樹(shù)下端樹(shù)干長(zhǎng)度,噴口起始位置為0.8m,每間隔0.3m布置一個(gè),共10個(gè)噴口。管路網(wǎng)格劃分模型如圖5所示。

圖5 噴桿網(wǎng)格劃分圖Fig.5 Boom mesh division diagram

通過(guò)改變模型整體的傾斜角度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同傾角下重力對(duì)管道液流的影響效果的仿真。采用SolidWorks中Flow simulation插件對(duì)整體管路模型進(jìn)行仿真模擬,根據(jù)VP110-04型噴頭的工作壓力為0.2～0.5MPa、工作質(zhì)量流量為0.0108～0.0173kg/s,設(shè)置10噴口噴管模型入口質(zhì)量流量為0.125kg/s,其余噴口壓力設(shè)置為環(huán)境大氣壓。施藥管路仿真傾角設(shè)置為30°～90°,每隔10°設(shè)置一組仿真試驗(yàn),共7組。噴口由下到上編號(hào)為1～10。仿真結(jié)果如表1所示。

表1 噴桿不同傾角時(shí)噴頭各處的壓力Table 1 Pressures of nozzles at different angles of boom

續(xù)表1

由表1可知:所有的傾角仿真結(jié)果表示隨著噴頭位置的升高噴頭處液體壓力不斷降低;對(duì)不同傾角下管路上的各個(gè)噴口的壓力方差分析,在施藥管路傾角為30°～90°時(shí),10個(gè)出口的壓力標(biāo)準(zhǔn)差為8488、8353、7971、7341、6512、5482、4272Pa,隨著施藥管路的傾角變小,管路內(nèi)部壓力相差越小,各個(gè)噴口噴出液體流量越均勻;施藥管路傾角由大到小時(shí),入口與最頂端噴口的壓差分別為26 605、26 180、24 988、22 993、20 422、17 194、13 383Pa,可看出管道傾角越大壓差越大的規(guī)律。

3.1.2 三噴口豎直噴桿

為探究不同長(zhǎng)度噴桿內(nèi)部的液流情況,建立三噴口的噴桿模型,在噴桿末端以0.3m間距布置3個(gè)噴頭。噴桿長(zhǎng)度設(shè)置為1.0～3.5m,每隔0.5m進(jìn)行一組仿真試驗(yàn),三噴口噴桿模型入口質(zhì)量流量根據(jù)噴頭數(shù)量設(shè)為0.0375kg/s,噴口由下到上依次編號(hào)為1～3,噴桿始終豎直放置。噴桿內(nèi)各段壓力情況仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同豎直長(zhǎng)度噴桿噴口處壓力Table 2 Pressure at the nozzle of the boom with different vertical lengths

由表2可知:3個(gè)噴口處壓力隨噴口位置的升高而下降。施藥管路長(zhǎng)度1～3.5m時(shí),3個(gè)噴口的壓力標(biāo)準(zhǔn)差分別為2408、2403、2400、2397、2395、2394Pa,可以看到隨施藥管路長(zhǎng)度的升高,施藥噴口壓差越小。原因是施藥管道長(zhǎng)度越長(zhǎng),其內(nèi)部液流狀態(tài)越平穩(wěn),因而造成的壓力浮動(dòng)變化就越小。將入口處壓力值與噴口3處壓力值作差得出8005、12 817、17 722、22 632、27 550、32 467Pa,可知隨施藥液管長(zhǎng)度的增加,首末段壓差變大,壓力損失變大。將三噴口3.5m施藥管與十噴口3.5m施藥管對(duì)比,三噴口施藥管在同一位置高度的噴頭壓力要大于十噴口施藥管,說(shuō)明十噴口施藥管下端的7個(gè)噴口會(huì)對(duì)上端的3個(gè)噴口有“減壓”的影響,最上端的噴口壓力除受到重力的影響外,還會(huì)受到下端噴口數(shù)量及流量大小的影響,施藥管內(nèi)同一質(zhì)量流量下,下端噴口流出流量越大,則上端噴口處壓力越小。

將三噴頭施藥管的入口處壓力值與噴頭3～1處壓力值分別作差得出32 467、29 534、26 594Pa,十噴頭施藥管的入口處壓力值與噴頭10～8處壓力值作差得出32 888、29 948、26 993Pa,可知噴口數(shù)量較少的施藥管路上,其入口壓力與出口壓力相差更小一點(diǎn),液流更為均勻。

3.2 水平管液流壓力特性分析

3.2.1 不同數(shù)量、不同位置施藥噴口的影響

針對(duì)現(xiàn)代化果園中仿形噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)水平施藥管內(nèi)部液流情況,為探究不同位置、不同數(shù)量的施藥噴口對(duì)果園仿形噴霧機(jī)水平施藥管段的影響,設(shè)計(jì)水平施藥管路長(zhǎng)度分別為1、2、3m,施藥管路上均勻分布噴頭數(shù)量分別是1、2、3個(gè),共9組仿真試驗(yàn)。設(shè)置單噴口的質(zhì)量流量為0.011 33kg/s,設(shè)計(jì)噴頭開(kāi)口向下,重力沿噴口開(kāi)口方向向下。水平噴管模型如圖6所示。

1.噴口1 2.噴口2 3.噴口3圖6 三噴頭水平噴管模型Fig.6 Three-nozzle horizontal nozzle model

通過(guò)對(duì)建立的水平施藥管段的入口及出口處壓力的檢測(cè),得出各水平施藥管段的壓力值如表3～表5所示。

表3 一噴口不同長(zhǎng)度水平施藥管Table 3 Horizontal spray pipes with different lengths of nozzles

表4 二噴口不同長(zhǎng)度水平施藥管Table 4 Two nozzles with different lengths of horizontal spray pipes

表5 三噴口不同長(zhǎng)度水平施藥管Table 5 Horizontal spray pipes with different lengths of three nozzles

表3、表4、表5分別為一、二、三噴口不同長(zhǎng)度水平施藥管路內(nèi)部液流壓力的情況。由圖7可知,在噴管上分布一個(gè)噴頭時(shí),隨著水平施藥噴管長(zhǎng)度的增加,入口與噴口壓差變大,且噴管長(zhǎng)度越長(zhǎng),入口處液體壓力便會(huì)越大。原因是設(shè)置的參數(shù)為質(zhì)量流量,為保證噴口處流量與壓力的恒定,管路越長(zhǎng),入口液壓需增大來(lái)克服管路內(nèi)沿程阻力的損失。

圖7 一噴口不同長(zhǎng)度水平施藥管Fig.7 Horizontal spray pipes with different lengths of a nozzle

對(duì)表5中不同長(zhǎng)度施藥液管下的噴口作方差分析,得管路長(zhǎng)度為1～3m時(shí),各噴管上3個(gè)噴口壓力標(biāo)準(zhǔn)差為59、94、137Pa,管路長(zhǎng)度越長(zhǎng),3個(gè)噴口的標(biāo)準(zhǔn)差越大。由圖8可知:三噴口水平施藥管隨長(zhǎng)度的增加,入口處液壓增大,末端噴口處液壓減小。由此表明施藥管長(zhǎng)度越長(zhǎng),其上均布的噴口液流壓力相差越大,在施藥試驗(yàn)中,距離入口越近的噴口噴量越大,故而噴桿噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)縮小噴口之間的距離。長(zhǎng)施藥管上均布10個(gè)噴頭與同等長(zhǎng)度施藥管末端均布3個(gè)噴頭相比,施藥管末端均布3個(gè)噴頭的管路壓降及壓力變動(dòng)較小,故而仿樹(shù)形噴桿噴霧機(jī)應(yīng)采用多段管路的結(jié)構(gòu)代替一根施藥管多開(kāi)口的管路結(jié)構(gòu)。

對(duì)表4中噴口壓力值作方差分析,得管路長(zhǎng)度為1～3m時(shí),各噴管上2個(gè)噴口壓力標(biāo)準(zhǔn)差為35、66、95Pa,與表5的三噴頭壓力標(biāo)準(zhǔn)差相比較可知,管路上噴頭數(shù)量越少,管路內(nèi)部液流壓力越平穩(wěn)。因此,噴桿噴霧機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少單個(gè)噴管上噴頭的數(shù)量。

3.2.2 不同質(zhì)量流量的影響

仿形噴霧機(jī)在果園作業(yè)過(guò)程中,常常需要根據(jù)樹(shù)形特征及樹(shù)枝稠密度等調(diào)節(jié)噴量的大小,因而設(shè)計(jì)了不同質(zhì)量流量下液管內(nèi)部的液流情況仿真試驗(yàn)。選取3m三噴口的噴管模型,3個(gè)噴頭均布在施藥管上,根據(jù)該型號(hào)噴頭的壓力-流量范圍,設(shè)置入口質(zhì)量流量分別為0.034、0.042、0.05kg/s。入口與各噴口壓力情況如表6所示。

表6 不同質(zhì)量流量3m三噴口施藥管Table 6 Three-meter three-nozzle spraying pipes with different mass flow rates

由表6可知:3m三噴口水平施藥液管作業(yè)過(guò)程中,液管內(nèi)藥液質(zhì)量流量越高,管內(nèi)部壓力便會(huì)越大。求3種質(zhì)量流量下的4個(gè)開(kāi)口的標(biāo)準(zhǔn)差,得263、315、333Pa。由數(shù)據(jù)可見(jiàn),同一水平施藥管內(nèi)部質(zhì)量流量越大時(shí),各開(kāi)口之間壓降越大,故減小仿形噴桿噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)的液流質(zhì)量流量,可以減小多開(kāi)口施藥管內(nèi)部的壓降。

圖9為3種入口質(zhì)量流量下各噴口間的標(biāo)準(zhǔn)差?？梢?jiàn),質(zhì)量流量(液體流速)對(duì)各開(kāi)口之間壓降的影響隨管內(nèi)質(zhì)量流量(液體流速)的增大而減弱。

圖9 不同質(zhì)量流量下噴口間的標(biāo)準(zhǔn)差Fig.9 Standard deviation between nozzles at different mass flow rates

3.2.3 不同管徑的影響

針對(duì)不同施藥管內(nèi)徑對(duì)管內(nèi)液壓情況的影響,分別設(shè)計(jì)了施藥管內(nèi)徑為12、16、20mm,液體入口質(zhì)量流量為0.034kg/s的3m三噴口施藥管,進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如表7所示。

表7 不同質(zhì)量流量3m三噴口施藥管Table 7 Three-meter three-nozzle spraying pipes with different mass flow rates

由表7可知:對(duì)于三噴口施藥管,在管內(nèi)液體質(zhì)量流量一定時(shí),施藥管內(nèi)徑越大,管路內(nèi)部壓力也就越大。對(duì)表7中3種管徑下的各開(kāi)口分別求標(biāo)準(zhǔn)差,得334、263、154Pa,將入口與噴口3壓力值作差,得897、667、418Pa。由此可見(jiàn),施藥管路內(nèi)徑越大,其內(nèi)部液流壓力損失越小,原因是在質(zhì)量流量一定時(shí),當(dāng)管徑增大時(shí),管路內(nèi)部液體流速降低,壓損降低。因此,在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下,果園仿形噴桿噴霧機(jī)盡量選取內(nèi)徑較大的施藥管。

3.3 多因素仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

為探究果園仿形噴霧機(jī)施藥過(guò)程中,施藥管轉(zhuǎn)角對(duì)管內(nèi)液體壓力的影響,利用SolidWorks構(gòu)建出轉(zhuǎn)角模型,如圖10所示。設(shè)置入口輸入液體質(zhì)量流量為0.14kg/s,出口設(shè)置為大氣壓,施藥管內(nèi)壁粗糙度設(shè)為20μm,觀測(cè)管內(nèi)液流情況。設(shè)計(jì)3因素3水平試驗(yàn),選取施藥管管路內(nèi)徑、轉(zhuǎn)角角度、轉(zhuǎn)角半徑為自變量,記為A、B、C;仿真結(jié)束后,測(cè)量入口與出口的壓力值,求壓差,將壓差作為響應(yīng)值,記為Y;采用響應(yīng)面分析法,建立自變量與響應(yīng)值的回歸方程,求出響應(yīng)值的最優(yōu)解。仿真施藥因素水平編碼表如表8所示。采用Design Expert 12.0的Box-Design進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與分析,共17組仿真試驗(yàn),仿真試驗(yàn)方案及結(jié)果如表9所示。

R.轉(zhuǎn)角半徑(mm) θ.轉(zhuǎn)角角度(°) Φ.施藥管內(nèi)徑(mm)圖10 轉(zhuǎn)角模型Fig.10 Corner model

表8 因素水平編碼表Table 8 Factor level coding table

表9 施藥管轉(zhuǎn)角仿真設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Table 9 Simulation design scheme and results of spraying pipe corner

采用Design Expert 12.0軟件通過(guò)方差分析法對(duì)仿真后數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,基于Box-Behnken Design仿真數(shù)據(jù)建模,結(jié)果如表10所示。

表10 壓降回歸方程顯著性及方差分析Table 10 Significance and variance analysis of pressure drop regression equation

續(xù)表10

由表10方差分析結(jié)果知:模型顯著性檢驗(yàn)值P=0.0003<0.01,表明模型極為顯著;施藥管內(nèi)徑A的Pvalue<0.0001,轉(zhuǎn)角角度B、轉(zhuǎn)角半徑C的Pvalue<0.05,故施藥管內(nèi)徑A對(duì)轉(zhuǎn)角處壓降的影響極為顯著;而轉(zhuǎn)角角度B、轉(zhuǎn)角半徑C對(duì)轉(zhuǎn)角處壓降的影響較為顯著;在二次項(xiàng)中,A2、C2影響極為顯著。交互作用項(xiàng)中AC、BC影響顯著,AB影響不顯著。各因素對(duì)響應(yīng)值的影響順序?yàn)锳>C2>A2>B>C>BC>AC。失擬項(xiàng)的Pvalue>0.05,說(shuō)明所建立的模型可以很好地表達(dá)轉(zhuǎn)角處各參數(shù)對(duì)施藥管轉(zhuǎn)角壓降的影響關(guān)系。模型決定系數(shù)R2=0.9624,極為接近1,說(shuō)明施藥管轉(zhuǎn)角處各參數(shù)與壓降的預(yù)測(cè)擬合模型精度高,模型可靠。

最終計(jì)算得出壓降多項(xiàng)式擬合回歸方程,即

Y=237505-11638.99375A-343.77889B-

820.83350C-10.67917AB-22.74AC+

2.12033BC+554.23125A2+

1.13035B2+4.62608C2

兩因素交互作用對(duì)轉(zhuǎn)角壓降影響的響應(yīng)面如圖11所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)角半徑位于中心水平(C=0)時(shí),即100mm時(shí),由圖11(a)可知:在施藥管內(nèi)徑一定時(shí),隨著轉(zhuǎn)角角度的上升,施藥管轉(zhuǎn)角處造成的壓降逐漸降低;當(dāng)施藥管內(nèi)徑較大(A=1)時(shí),轉(zhuǎn)角角度對(duì)壓降的影響較大。因此,為避免施藥管壓力損失過(guò)大,在采用大管徑施藥管時(shí)應(yīng)盡量保持管路平滑,避免出現(xiàn)較大彎轉(zhuǎn)。

在轉(zhuǎn)角角度位于中心水平(B=0)時(shí),即90°時(shí),由圖11(b)可知:在施藥管內(nèi)徑不變時(shí),轉(zhuǎn)角壓降隨轉(zhuǎn)角半徑的增加呈先減小后增加的趨勢(shì)。原因是轉(zhuǎn)角半徑較小時(shí),其轉(zhuǎn)角處轉(zhuǎn)彎角度過(guò)大,液流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)急劇改變,壓降較大,當(dāng)轉(zhuǎn)角半徑增大液流運(yùn)行平穩(wěn),壓降降低;但當(dāng)轉(zhuǎn)角半徑繼續(xù)增大時(shí),管路會(huì)變長(zhǎng),沿程壓力損失變大,壓降升高;在轉(zhuǎn)角半徑不變時(shí),轉(zhuǎn)角壓降隨施藥管內(nèi)徑的增大而升高。當(dāng)施藥管內(nèi)徑最大、轉(zhuǎn)角半徑最小時(shí),轉(zhuǎn)角壓降最大,故而仿形噴霧機(jī)管路的轉(zhuǎn)角半徑數(shù)值應(yīng)設(shè)計(jì)在一個(gè)合適的中間位置。

在施藥管內(nèi)徑位于中心水平(A=0)時(shí),即16mm時(shí),由圖11(c)可知:在轉(zhuǎn)角角度不變時(shí),轉(zhuǎn)角半徑增大,轉(zhuǎn)角處壓降會(huì)先降低后上升;在轉(zhuǎn)角半徑不變時(shí),壓降隨轉(zhuǎn)角角度的增大而減小。由圖12可見(jiàn):當(dāng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)角角度較小、轉(zhuǎn)角半徑也較小時(shí),在轉(zhuǎn)角處液體會(huì)產(chǎn)生渦流現(xiàn)象,并造成壓力損失[24];轉(zhuǎn)角半徑取值較小時(shí),轉(zhuǎn)角角度對(duì)壓降的影響更為顯著,當(dāng)轉(zhuǎn)角角度取45°、轉(zhuǎn)角半徑取50mm時(shí),轉(zhuǎn)角處壓降最大。

由表9可知,在轉(zhuǎn)角各因素參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)角壓降的響應(yīng)面中,壓降最小的組別是第13組,其施藥管內(nèi)徑為16mm,轉(zhuǎn)角角度為90°,轉(zhuǎn)角半徑為100mm,轉(zhuǎn)角壓降為100 505Pa。為求取最優(yōu)的參數(shù)組合,在Design-Expert軟件的Optimization-Numerical模塊中,設(shè)置轉(zhuǎn)角壓降最小為優(yōu)化目標(biāo),其余各因素取值在仿真試驗(yàn)范圍中,得出仿樹(shù)形施藥管路轉(zhuǎn)角處各參數(shù)對(duì)壓降的最優(yōu)組合為施藥管內(nèi)徑13.2mm,轉(zhuǎn)角角度98.6°,轉(zhuǎn)角半徑101.2mm,此時(shí)施藥管轉(zhuǎn)角處壓降最低,為98 713Pa,略低于響應(yīng)面試驗(yàn)中的第13組的最低值。

圖12 小轉(zhuǎn)角管路內(nèi)部液流圖Fig.12 Internal liquid flow diagram of small corner pipeline

4 結(jié)論

1)通過(guò)改變施藥管傾角進(jìn)行多次仿真試驗(yàn),結(jié)果表明:施藥管越傾斜,管內(nèi)壓降越大。通過(guò)對(duì)豎直管多開(kāi)口管路的仿真分析,得出當(dāng)施藥管越長(zhǎng)時(shí),管末端均布的3個(gè)噴頭液體壓力越穩(wěn)定,但入口與出口壓降會(huì)變大,且增大噴口數(shù)量,壓力損失會(huì)更大。

通過(guò)對(duì)水平施藥管的研究,得出在入口質(zhì)量流量一定時(shí),管道長(zhǎng)度越長(zhǎng),入口處壓力越大,且入口與出口處壓差越大。通過(guò)與十噴口的液管對(duì)比,三噴口液管內(nèi)部壓降更小,液流更平穩(wěn),故而仿樹(shù)形噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)選取多段管路結(jié)構(gòu)。同時(shí),研究發(fā)現(xiàn),噴桿入口流量越小,施藥管內(nèi)徑越大時(shí),管內(nèi)液流壓降越小。

2)通過(guò)多因素仿真試驗(yàn),各因素對(duì)施藥管轉(zhuǎn)角處的壓降影響主次關(guān)系為:施藥管內(nèi)徑>轉(zhuǎn)角角度>轉(zhuǎn)角半徑,且施藥管內(nèi)徑的影響呈極顯著(P<0.01),其余兩因素對(duì)轉(zhuǎn)角壓降呈顯著影響(0.01