摘要：為提高噴霧機(jī)施藥霧滴穿透性、出風(fēng)口風(fēng)速穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)一種噴頭與風(fēng)送裝置相組合的鴨嘴形噴霧裝置，鴨嘴形出風(fēng)口的氣流將噴頭產(chǎn)生的霧滴進(jìn)行二次霧化，氣流攜帶霧滴到達(dá)果樹冠層，擴(kuò)大噴霧幅寬，使噴頭噴射出的液流與風(fēng)機(jī)吹出的風(fēng)場(chǎng)形成固定的組合體形式。設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)，采用Fluent離散相的方法對(duì)鴨嘴形出風(fēng)口進(jìn)行CFD仿真試驗(yàn)，使用UDF編譯代碼使出風(fēng)口風(fēng)速隨著時(shí)間進(jìn)行變化。對(duì)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過響應(yīng)面優(yōu)化法分析得出：最佳的噴霧參數(shù)組合為噴頭數(shù)量為2個(gè)，噴頭安裝傾角為31.9°，噴頭安裝位置在出風(fēng)口內(nèi)側(cè)，出風(fēng)口開口角度為67.5°。在此噴霧參數(shù)組合下對(duì)鴨嘴形出風(fēng)口進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，出風(fēng)口風(fēng)速均勻，離散率不超過5%，果樹內(nèi)膛霧滴沉積密度大于70粒/cm²，著藥性良好；霧滴沉積覆蓋率大于33%，霧滴穿透性良好。

關(guān)鍵詞：多風(fēng)道噴霧機(jī)；鴨嘴形噴霧裝置；計(jì)算流體力學(xué)；離散相；響應(yīng)面優(yōu)化

中圖分類號(hào)：S491

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553（2024）12-0109-07收稿日期：2023年6月27日

修回日期：2023年9月12日

*基金項(xiàng)目：財(cái)政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部：國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)項(xiàng)目（CARS—27）；河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（HBCT2024150202）

第一作者：郭江鵬，男，1999年生，河北邢臺(tái)人，碩士研究生；研究方向?yàn)楣麍@機(jī)械裝備。E-mail：499339707@qq.com

通訊作者：王鵬飛，男，1986年生，河北平山人，碩士，講師；研究方向?yàn)楣麍@生產(chǎn)管理機(jī)械化及智能裝備。E-mail：wpf5769@126.com

Design and test of duck mouth spray device of multi duct spray machine

Guo Jiangpeng， Xu Shuo， Wang Pengfei， Yang Xin， Li Jianping

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Agricultural University， Baoding， 071000， China）

Abstract： In order to improve the penetration of spray droplets and the stability of air speed at the air outlet， a duck shaped spray device combined with a nozzle and an air delivery device was designed. The air flow at the duckbill shaped outlet atomizes the droplets generated by the nozzle for the second time. The air flow carries the droplets to the fruit tree canopy， expanding the width of the spray， so that the liquid flow from the nozzle and the wind field blown by the fan form a fixed combination form. A four factor and three level orthogonal experiment was designed， CFD simulation experiments was carried out on duckbill shaped air vents by using Fluent discrete phase method， and UDF was used to compile code to make the air velocity of the air vents change over time. Based on the analysis of simulation test data， the optimal combination of spray parameters was obtained by response surface optimization method as follows： the number of nozzles was 2， the installation angle of nozzles was 31.9°， the installation position of nozzles was inside the air outlet， and the opening angle of the air outlet was 67.5°.Under the combination of these spray parameters， the verification test was carried out on the duckbill shaped air outlet. The air velocity at the air outlet was uniform， the dispersion rate was not more than 5%， and the droplet deposition density in the fruit tree bore was more than 70 particles/cm²， with good medication application. The coverage rate of droplet deposition was greater than 33%， and the droplet penetration was good.

Keywords： multi duct spray; duckbilled spray device; computational fluid dynamics; discrete phase; response surface optimization

0 引言

病蟲害是限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，病蟲害防治不當(dāng)會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失^{［1， 2］}。目前，我國農(nóng)藥噴灑方式大多使用手動(dòng)、踏板式噴霧器和高壓噴槍，采用大霧量、雨淋式，這種方法相對(duì)落后且農(nóng)藥利用率低^［3］。在面積較大的果園生產(chǎn)管理中，常常采用風(fēng)送式噴霧機(jī)，風(fēng)送式噴霧機(jī)產(chǎn)生的高速氣流有助農(nóng)藥穿透果樹冠層噴灑在果樹各個(gè)部位^［1］。

提高霧滴的有效沉積可以提高農(nóng)藥利用率，使得作物能更好地受到藥液的作用，提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，減少環(huán)境污染。探究不同參數(shù)對(duì)霧滴沉積量的影響以及提高霧滴有效沉積對(duì)果園植保作業(yè)意義重大。近年來，國內(nèi)開展了大量的農(nóng)藥噴霧技術(shù)的研究^{［4， 5］}。何雄奎等^［6］探討了樹冠內(nèi)風(fēng)速的變化對(duì)霧滴在果樹上沉積量的影響，得到了霧滴在冠層內(nèi)的穿透性和沉積量與風(fēng)速呈正相關(guān)。呂曉蘭等^［7］發(fā)現(xiàn)噴霧壓力對(duì)霧滴沉積無明顯影響，減小行駛速度可增加枝葉正反面霧滴的沉積，增大風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速可有效增加霧滴在枝葉反面的沉積。Foqué等^［8］發(fā)現(xiàn)空氣支撐的使用提高了作物在葉片底部的滲透和沉積，減少了噴霧在葉片頂部層的沉積，從而使噴霧在作物冠層上的分布更加均勻。李杰等^［9］對(duì)其自制風(fēng)送式噴霧機(jī)霧滴沉積特性進(jìn)行研究，采用CFD計(jì)算方法分別對(duì)不同噴霧距離、送風(fēng)角度等參數(shù)進(jìn)行流場(chǎng)分析，以霧滴沉積量為分析目標(biāo)得到最優(yōu)的噴霧參數(shù)組合。賈曉曼等^［10］探究了不同噴頭數(shù)量下農(nóng)藥利用率與霧滴沉積量的變化，研究分析不同噴頭數(shù)量的施藥效果，結(jié)果表明，在16個(gè)噴頭下農(nóng)藥利用率高，霧滴沉積性強(qiáng)，32個(gè)噴頭下霧滴的穿透性強(qiáng)。Li等^［11］研究了葉片氣動(dòng)響應(yīng)速度與葉片表明霧滴沉積特性的關(guān)系，得到霧滴沉積特性收到葉片響應(yīng)速度的影響，其隨著葉片響應(yīng)速度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，且在葉片氣動(dòng)速度小于0.14 m/s的情況下霧滴沉積比例最高。

國內(nèi)外果園噴霧作業(yè)研究重點(diǎn)主要是噴施的藥量不足不能及時(shí)的消除病蟲害，不能很好地完成病蟲害的治理；噴施的藥量過大，不能按需調(diào)控，風(fēng)力過小不能使果樹冠層內(nèi)達(dá)到全面噴施，風(fēng)量過大又會(huì)造成較大的農(nóng)藥漂移量，嚴(yán)重污染果樹種植地的生態(tài)環(huán)境^［4］。本研究基于傳統(tǒng)的風(fēng)送裝置設(shè)計(jì)一種使噴出的液流與風(fēng)場(chǎng)形成固定的組合形式的鴨嘴形噴霧裝置。通過研究噴霧機(jī)風(fēng)場(chǎng)和噴霧霧場(chǎng)的規(guī)律，確定開口角度的取值范圍，與噴頭數(shù)量、噴頭安裝傾角、噴頭的安裝位置和出風(fēng)口開口角度進(jìn)行多因素試驗(yàn)進(jìn)行CFD仿真模擬試驗(yàn)，確定鴨嘴形噴霧裝置的最佳參數(shù)，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證在最優(yōu)噴霧參數(shù)組合下的鴨嘴形噴霧裝置噴霧效果。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

離心風(fēng)機(jī)是果園風(fēng)送式噴霧機(jī)最常用的噴霧機(jī)之一，其產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)具有風(fēng)壓高、風(fēng)速大、氣流穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)^［12］。目前，我國的風(fēng)送式噴霧機(jī)采用的主要送風(fēng)方式為直流送風(fēng)，直流送風(fēng)存在攜帶霧滴不充分的問題，不能很好地將藥液噴施到果樹的冠層內(nèi)，導(dǎo)致果樹葉片的施藥效果差。離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流的特點(diǎn)是氣流由葉輪軸進(jìn)入風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)獲得能量后產(chǎn)生的高速氣流沿著葉輪軸的圓周切線方向流出，可以增強(qiáng)氣流的霧滴攜帶能力^［13］。因此，國內(nèi)外都把離心風(fēng)機(jī)作為多風(fēng)道仿形噴霧技術(shù)的首選送風(fēng)裝置。

鴨嘴形噴霧裝置是一種由噴頭和鴨嘴形出風(fēng)口組合而成的噴霧裝置，可以擴(kuò)大噴霧幅寬，使噴頭噴射出的液流與風(fēng)機(jī)吹出的風(fēng)場(chǎng)形成固定的組合體形式。噴管布置在噴霧裝置一側(cè)，賦予霧滴流動(dòng)的動(dòng)能，使離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流與噴頭噴出的霧滴充分接觸，可以使藥液進(jìn)行二次霧化并充分地噴灑到果樹冠層。多風(fēng)道噴霧機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與鴨嘴形噴霧裝置示意如圖1所示。其中，α表示出風(fēng)口開口角度。

2 鴨嘴形噴霧裝置設(shè)計(jì)

2.1 鴨嘴形出風(fēng)口開口角度的確定

多風(fēng)道噴霧機(jī)鴨嘴形噴霧裝置利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流對(duì)霧滴進(jìn)行二次霧化，使得霧滴能夠與靶標(biāo)充分接觸，合理的出風(fēng)口開口角可以減少藥液的浪費(fèi)和霧滴的漂移。噴霧示意如圖2所示。

王富貴等^［14］通過研究汽車空調(diào)噴霧的射流擴(kuò)散角，得出圓形出風(fēng)口的射流擴(kuò)散角的角度為26°，方形出風(fēng)口平行于葉片的射流擴(kuò)散角的角度為26°，具有傾斜角的出風(fēng)口的噴射角度等于其傾斜角和射流擴(kuò)散角之和。以河北省保定市曲陽縣河北綠陽現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)（北緯38°，東經(jīng)114°）蘋果園參數(shù)為例，蘋果園內(nèi)行距為3.5 m，樹高3.5 m，最佳噴霧距離為1.25 m。在進(jìn)行噴霧作業(yè)時(shí)，機(jī)架底部抬高距地面70 cm，測(cè)量可得下層出風(fēng)口距離地面0.94 m，如圖3所示。

由式（1）可得，α=30.11°，則出風(fēng)口開口角為60.22°，因此，出風(fēng)口開口角理論值為34.22°。當(dāng)出風(fēng)口開口角≥34.22°時(shí)，可以達(dá)到對(duì)下層果樹全覆蓋的效果。

同理，上層出風(fēng)口距地面2.3 m，樹高3.5 m，出風(fēng)口開口角為72.54°，則出風(fēng)口開口角理論值為46.54°，即當(dāng)出風(fēng)口開口角≥46.54°時(shí)，可滿足上層果樹的全覆蓋。為達(dá)到全面噴施的效果還需要考慮上中層果樹的全覆蓋，當(dāng)出風(fēng)口滿足下層果樹和上層果樹的全覆蓋時(shí)，也能將中層果樹全覆蓋。

查閱相關(guān)資料可知^［15］，噴霧機(jī)氣流在到達(dá)果樹內(nèi)膛時(shí)，末速度應(yīng)滿足9～10 m/s，根據(jù)式（2）求得，出風(fēng)口出口處風(fēng)速V應(yīng)滿足12.75～30.58 m/s。當(dāng)出風(fēng)口開口角度＞98.58°時(shí)，出風(fēng)口出口處風(fēng)速小于要求的最小風(fēng)速值，因此，出風(fēng)口開口角最大值為98.58°。

Q=HFVK （2）

式中：Q——單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量，取Q=3.61 m³/s；

H——上出風(fēng)口距地面垂直高度，H=2.5～3.0 m；

F——噴霧機(jī)行駛速度，取F=1.25 m/s；

K——由噴霧機(jī)吹出的氣流到果樹冠層的過程中衰減和損失而確定的系數(shù)，K的取值范圍與作物品種、果樹冠層厚度等因素有關(guān)，一般來說，K=1.3～1.8。

2.2 鴨嘴形出風(fēng)口仿真試驗(yàn)

將多風(fēng)道噴霧機(jī)在Autodesk Inventor Professional軟件中進(jìn)行等比例建模，進(jìn)行CFD仿真試驗(yàn)，在Ansys 2021 R1 Fluent軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、物理湍流模型的選擇，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 160 r/min，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，得出噴霧機(jī)一側(cè)由上到下三個(gè)風(fēng)口的平均風(fēng)速依次為15.68 m/s、26.29 m/s、28.26 m/s。

從45.64°～98.58°之間取3個(gè)水平，分別為46.54°、72.56°、98.58°。在Autodesk Inventor Professional軟件中進(jìn)行建模，采用CFD軟件Ansys 2021 R1 Fluent網(wǎng)格劃分，物理模型選用湍流模型。設(shè)置入風(fēng)口為速度入口，入口風(fēng)速自上而下設(shè)置為15.68 m/s、26.29 m/s、28.26 m/s；出風(fēng)口出口為壓力出口，為0 Pa，根據(jù)仿真計(jì)算得到三種開口角度下上、中、下三個(gè)出風(fēng)口的平均風(fēng)速，如表1所示。

3 多因素試驗(yàn)

3.1 多因素仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

鴨嘴形出風(fēng)口的開口角度影響整個(gè)裝置的噴幅，決定噴霧裝置的幅寬是否能將果樹冠層全覆蓋；噴頭的安裝位置與傾角影響噴霧裝置噴霧過程中空氣與霧滴之間相互耦合的作用，會(huì)直接影響最終噴霧效果；噴頭的安裝數(shù)量過多會(huì)導(dǎo)致藥液浪費(fèi)，反之則達(dá)不到噴霧要求；因此，影響鴨嘴形噴霧裝置噴霧效果的主要因素為出風(fēng)口的開口角度、噴頭的安裝位置、噴頭安裝數(shù)量與噴頭的安裝傾角。為確定鴨嘴形噴霧裝置的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)組合，設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)進(jìn)行仿真，如表2所示，其中，-1、0、1分別表示噴頭安裝在出風(fēng)口內(nèi)側(cè)、內(nèi)部和外側(cè)，示意如圖4所示。

3.2 仿真模型的建立

為確定最佳參數(shù)組合，選取霧滴沉積率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)Design-Export 12中各試驗(yàn)組的數(shù)據(jù)在Autodesk Inventor Professional軟件對(duì)鴨嘴形出風(fēng)口進(jìn)行建模，模擬噴霧過程。將建好的流體域模型導(dǎo)入Ansys 2021 R1 Fluent中，在Ansys Fluent中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、物理模型定義以及后處理分析各個(gè)試驗(yàn)中的噴霧效果，得出最優(yōu)的噴頭安裝數(shù)量、噴頭安裝傾角、噴頭安裝位置及出風(fēng)口開口角度。

3.3 仿真試驗(yàn)

利用CFD軟件Ansys Fluent進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元尺寸為40 mm，并對(duì)出風(fēng)口處進(jìn)行局部尺寸調(diào)整處理，求解器類型選擇密度基，進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，考慮y方向的重力加速度為-9.8 m²/s，物理模型選用k-ε Realizable標(biāo)準(zhǔn)壁面湍流模型。在噴霧結(jié)束時(shí)，風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，但霧滴本身仍然具有速度，出風(fēng)口處不再給予霧滴風(fēng)速，霧滴主要受其自身風(fēng)速與環(huán)境風(fēng)速的影響。因此，仿真時(shí)噴霧時(shí)間設(shè)置為2 s，計(jì)算時(shí)間設(shè)置為4 s，對(duì)DEFINE_PROFILE函數(shù)進(jìn)行了自定義，在Fluent中插入U(xiǎn)DF編譯代碼使上、中、下三個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)速隨著時(shí)間變化，即在0～2 s時(shí)，風(fēng)速為一定值；在2～4 s時(shí)，風(fēng)速為0。

設(shè)置不同的出風(fēng)口開口角度的上、中、下出風(fēng)口處風(fēng)速使其隨著時(shí)間變化，環(huán)境側(cè)風(fēng)風(fēng)速設(shè)置為1 m/s，監(jiān)測(cè)面類型為wall-film，打開離散相，設(shè)置噴射源類型為pressure-swirl-atomizer，材料為water-liquid，根據(jù)不同的建模設(shè)置噴頭坐標(biāo)位置，求解方法選擇Implicit，求解類型為Fix，在求解過程中收集顆粒歷史數(shù)據(jù)用于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

3.5 結(jié)果分析

模擬仿真試驗(yàn)結(jié)束后，將Ansys Fluent軟件中得到的模擬噴霧效果圖導(dǎo)出，將仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行匯總并分析。模擬噴霧結(jié)果如圖5所示，可以明顯看出霧滴的沉積效果。仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

采用響應(yīng)面參數(shù)優(yōu)化法進(jìn)行鴨嘴形出風(fēng)口最優(yōu)參數(shù)的選取，霧滴沉積率響應(yīng)值記作Y，因素噴頭數(shù)量記作A，噴頭安裝傾角記作B，噴頭安裝位置記作C，出風(fēng)口開口角度記作D，進(jìn)行回歸分析，得出回歸方程式（3）。

Y=47.28-4.99A-13.2B-5.71C-6.07D+8.99AB-4.57AC-5.33AD-4.57BC-3.13BD-14.8A²-2.73B²+4.62C² （3）

利用Design-Export 12對(duì)上述仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得到模型方差分析表如表4所示。由表4中Y顯著性及方差分析可知，模型P值lt;0.01，失擬項(xiàng)P值0.082 4，說明模型極顯著，失擬項(xiàng)不顯著，擬合統(tǒng)計(jì)R²=0.995 8，表明模型擬合程度高，可用來分析預(yù)測(cè)響應(yīng)值。該模型一次項(xiàng)A、B、C、D極顯著；AB、BC、AD、BC極顯著，BD顯著；二次項(xiàng)A²、C²極顯著，B²顯著。

圖6（a）為噴頭安裝位置在內(nèi)部，出風(fēng)口開口角度D為72.56°時(shí)，噴頭安裝數(shù)量與噴頭安裝傾角交互響應(yīng)面。當(dāng)噴頭安裝數(shù)量A一定時(shí)，霧滴沉積率隨著噴頭安裝傾角的增大呈下降趨勢(shì)，當(dāng)噴頭安裝傾角B一定時(shí)，霧滴沉積率隨著噴頭安裝數(shù)量的增加呈下降趨勢(shì)。圖6（b）為噴頭安裝傾角B為60°，出風(fēng)口開口角度為72.56°時(shí)，噴頭安裝數(shù)量與噴頭安裝位置交互響應(yīng)面。當(dāng)噴頭安裝數(shù)量A一定時(shí)，霧滴沉積率隨著噴頭安裝位置由里到外的變化而呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)噴頭安裝位置C一定時(shí)，霧滴沉積率隨著噴頭安裝數(shù)量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。圖6（c）為噴頭安裝傾角B為60°，噴頭安裝位置為0，即在內(nèi)部時(shí)噴頭安裝數(shù)量與出風(fēng)口開口角度交互響應(yīng)面。當(dāng)噴頭安裝數(shù)量A一定時(shí)，霧滴沉積率隨著出風(fēng)口開口角度的增大呈緩慢增大的趨勢(shì)，當(dāng)出風(fēng)口開口角度D一定時(shí)，霧滴沉積率隨著噴頭安裝數(shù)量的增加呈先增大而后緩慢減小的趨勢(shì)。圖6（d）為噴頭安裝數(shù)量A為3個(gè)，出風(fēng)口開口角度D為72.56°時(shí)，噴頭安裝傾角與噴頭安裝位置交互響應(yīng)面。

當(dāng)噴頭安裝傾角一定時(shí)，霧滴沉積率隨著噴頭安裝位置由里到外的變化呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)噴頭安裝位置一定時(shí)，霧滴沉積率隨著噴頭安裝傾角的增大呈減小的趨勢(shì)。圖6（e）為噴頭安裝數(shù)量為3個(gè)，出風(fēng)口開口角度為72.56°時(shí)，噴頭安裝傾角與出風(fēng)口開口角度交互響應(yīng)面。當(dāng)噴頭安裝傾角C一定時(shí)，霧滴沉積率隨著出風(fēng)口開口角度的增大呈緩慢減小的趨勢(shì)，當(dāng)出風(fēng)口開口角度D一定時(shí)，霧滴沉積率隨著噴頭安裝傾角的增大呈減小的趨勢(shì)。

綜上所述，為得到鴨嘴形出風(fēng)口最佳設(shè)計(jì)參數(shù)及噴霧參數(shù)組合，使用Design-Export 12軟件Optimization模塊，以Y為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化鴨嘴形出風(fēng)口噴霧參數(shù)，得到最優(yōu)組合為A=2、B=31.9°、C=-1、D=67.5°，即噴頭安裝數(shù)量為2個(gè)，噴頭安裝傾角為31.90°，噴頭安裝在出風(fēng)口內(nèi)側(cè)，出風(fēng)口開口角度為67.5°，霧滴沉積率為66.86%。建立最優(yōu)參數(shù)組合模型進(jìn)行CFD仿真分析，在最優(yōu)參數(shù)組合下做三次平行仿真試驗(yàn)，得出霧滴沉積率分別為64.89%、66.58%、67.32%、，平均值為66.26%，結(jié)果與預(yù)測(cè)值接近，相對(duì)誤差為0.90%，表明該模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)仿真結(jié)果。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 出風(fēng)口風(fēng)速試驗(yàn)

為研究出風(fēng)口風(fēng)速變化情況，以2 160 r/min下離心風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量作為參考，待離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，使用風(fēng)速測(cè)量?jī)x測(cè)量鴨嘴形出風(fēng)口風(fēng)速，每個(gè)出風(fēng)口測(cè)量時(shí)間為10 s，每隔2 s記錄一次風(fēng)速值，記錄這10 s中出風(fēng)口風(fēng)速的最大值與最小值，并計(jì)算出平均值，以離散率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，離散率可以評(píng)價(jià)出風(fēng)口風(fēng)速隨時(shí)間變化的均勻性^［16］，離散率越低出風(fēng)口風(fēng)速穩(wěn)定性越高，反之越低。

式中：X——出風(fēng)口的離散率；

V_max——出風(fēng)口風(fēng)速最大值；

V_min——出風(fēng)口風(fēng)速最小值；

V_m——出風(fēng)口風(fēng)速平均值。

4.2 噴霧驗(yàn)證試驗(yàn)

為研究最優(yōu)鴨嘴形出風(fēng)口噴霧參數(shù)的噴霧作業(yè)效果，選用鴨嘴形出風(fēng)口結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)、清水、盒尺、水敏紙、雙面膠、一次性手套、鑷子、A4紙、密封袋、溫濕度測(cè)量?jī)x、AS856S風(fēng)速測(cè)量?jī)x等進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法：將試驗(yàn)果樹與鴨嘴形出風(fēng)口距離設(shè)置為1.25 m，如圖7所示，布置水敏紙（20 mm×20 mm），在試驗(yàn)果樹的葉片使用雙面膠固定水敏紙，下層每一個(gè)方向分外中內(nèi)進(jìn)行布置，中層分外內(nèi)進(jìn)行布置。固定過程中，佩戴一次性手套，保證手套不沾水，防止試驗(yàn)外水滴碰到水敏紙影響試驗(yàn)結(jié)果。將水敏紙固定好位置后，將風(fēng)機(jī)與鴨嘴形出風(fēng)口安裝就緒，開始施藥，按照風(fēng)送噴霧機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)方法^［17］進(jìn)行。

施藥完成后，將水敏紙分類收集，按照上中下內(nèi)中外的分類回收，使用Image master霧滴分析軟件^{［18， 19］}處理。將得到試驗(yàn)的每個(gè)位置上的霧滴沉積量、霧滴沉積覆蓋率與霧滴沉積密度等，霧滴沉積量、霧滴沉積覆蓋率與霧滴沉積密度衡量霧滴沉積情況^［20］，將軟件中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.3 結(jié)果分析

4.3.1 風(fēng)速穩(wěn)定性分析

在監(jiān)測(cè)的10 s內(nèi)，出風(fēng)口風(fēng)速變化如圖8所示。由此可計(jì)算出風(fēng)口風(fēng)速離散率為4.71%，小于5%，說明該出風(fēng)口風(fēng)速隨時(shí)間變化程度較小，穩(wěn)定程度高。

4.3.2 霧滴沉積特性分析

為分析優(yōu)化后鴨嘴形出風(fēng)口霧滴沉積特性的情況，經(jīng)Image-master霧滴分析軟件處理得出果樹內(nèi)中外層霧滴沉積密度分布情況如圖9所示。外層霧滴沉積密度均值為113.70粒/cm²，內(nèi)層霧滴沉積密度均值為76.18粒/cm²，霧滴沉積密度均高于作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)70粒/cm²；內(nèi)膛霧滴沉積覆蓋率如圖10所示，均值為35.60%，高于作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)33%，表明鴨嘴形出風(fēng)口在最優(yōu)設(shè)計(jì)方案下，霧滴沉積效果良好且噴霧機(jī)能夠使霧滴穿透冠層到達(dá)果樹內(nèi)膛，穿透性良好。

5 結(jié)論

1）對(duì)影響鴨嘴形出風(fēng)口噴霧效果因素進(jìn)行分析并通過多因素仿真試驗(yàn)對(duì)鴨嘴形出風(fēng)口噴霧效果進(jìn)行CFD仿真，確定最佳設(shè)計(jì)參數(shù)為噴頭安裝數(shù)量為2個(gè)，噴頭安裝傾角為31.90°，噴頭安裝在出風(fēng)口內(nèi)側(cè)，出風(fēng)口開口角度為67.5°，在最佳設(shè)計(jì)參數(shù)下，霧滴沉積率為66.86%。

2）為驗(yàn)證鴨嘴形出風(fēng)口風(fēng)速穩(wěn)定性，對(duì)多風(fēng)道噴霧機(jī)鴨嘴形出風(fēng)口風(fēng)速進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。結(jié)果表明，出風(fēng)口風(fēng)速變化離散率為4.71%，小于5%，出風(fēng)口風(fēng)速離散率低，鴨嘴形出風(fēng)口風(fēng)速均勻性穩(wěn)定性高。

3）對(duì)仿真結(jié)果分析得到的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行噴霧驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，鴨嘴形出風(fēng)口在最佳設(shè)計(jì)參數(shù)下進(jìn)行噴霧，外層霧滴沉積密度均值為113.70粒/cm²，內(nèi)層霧滴沉積密度均值為76.18粒/cm²，內(nèi)膛霧滴沉積覆蓋率均值為35.60%，滿足風(fēng)送式果園噴霧機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，能夠使霧滴穿透果樹冠層，穿透性良好。

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