风送式果园喷雾机气流场优化及试验

张俊雄，朱祥森，刘景云，高 金，张凯飞

(中国农业大学 工学院，北京 100083)

果树在一年的生长周期内需喷洒药液8～15次，是果园中重要的作业任务，喷药效果的好坏直接影响水果的品质和产量.风送式喷雾是联合国粮农组织推荐的一种自动化程度高，防治效果好，环境污染少的先进施药技术[1].其气流场在空间的分布与扩散对雾滴在果树冠层中的穿透、沉积有显著影响[2].相关研究[3-4]表明气流速度空间分布特性的差异，在同样条件下产生的药液沉积分布特性也有很大的差异.

果园风送施药过程需要满足置换原则和末速度原则，因此风机的气流特性在风送施药过程起到重要作用[5-6].为了提升气流场对果园施药的积极作用，吕晓兰等[2]就导流板角度对气流场三维分布的影响进行了研究；宋淑然等[7]就风送式喷雾机导流器结构对旋转气流转化为轴向的气流进行了研究；邱威等[8]对喷雾机风道弯角半径和导流板弯角半径的相关性，曲峰等[9]就直线导流板对气流速度场喷雾性能的影响进行了相关研究；丁涛等[10]研究了导流罩长度对农用轴流风机性能的影响.以上相关研究集中在对风机外部导流方法进行研究，通过确定外部导流装置的参数来优化气流场，或者在外部增加其他导流装置，从结构上改变气流场，而风机内部导流装置对气流场影响的研究则相对较少.

文中通过对风机内部导流装置的优化设计，从气流场源头对气流场进行优化，解决风送式果园喷雾机现有轴流风机气流场和果树冠层喷雾要求不匹配的问题，增强气流场和果树冠层分布的相关性.以樱桃果树喷雾为例，在喷雾机作业参数不变的情况下提升气流场在果树病虫害重点防治的冠层中上部区域的气流速度，为提升喷雾效果提供参考.

1 研究平台与模型建立

以中国农业大学工学院农业机器人实验室的3WZF-400A履带自走式风送喷雾机为平台和试验载体，如图1所示.该喷雾机风机轴线距离地面高度为0.75 m，出风口宽度0.096 m，下出风口高度0.48 m，上出风口高度1.45 m.考虑到实际工况以及后续研究，将上、下导流板角度固定.

风机主体结构通过SolidWorks2016直接建模.由于扇叶结构的曲面复杂性，缺少真实模型，所以采用PolyWorks2017和Geomagic Studio12逆向工程方法[11-12]进行构建，风机部件三维图如图1b所示.

图1 3WZF-400A履带自走式风送喷雾机

2 施药过程分析

本研究以中国农业大学通州中农富通科技园樱桃果树喷施为例，该樱桃树为多主枝纺锤形树形，具有典型代表性.果园中樱桃树外形尺寸为树高3.5 m，行距5 m，冠高0.7 m，最大冠层宽度1.7 m，最大冠层高度1.5 m，冠层主要区域为离地面高度1.0～1.9 m.

果树与喷雾机相对位置如图2所示.对于中小型施药机械而言，施药机械的高度明显低于果树冠层的高度，所以从喷雾机产生的气流需要通过必要的导流方式对气流场进行适应性调整、对气流进行一定的聚集，从而使尽可能多的风携带药液吹向果树冠层，更充分地起到帮助药液落靶的作用.因为喷雾作业左右两侧基本对称，图2只标注出右侧位置.从图中可以看出，在以风机为中心的右上11°至58°的范围为气流的主要覆盖区，考虑到地面的起伏，不同果树的高度和树冠高度存在一定差异，取以风机中心为参考的右上10°至60°的范围，折算到树干处为1.0～1.9 m高度范围，作为气流应该覆盖的主要区域，也是文中要提高气流速度的目标区域.

图2 果树与喷雾机相对位置图

3 流体仿真与导流装置优化设计

随着计算机辅助设计、仿真、优化技术的发展，计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)与相对应的仿真软件现在越来越多的应用在果园风送施药的研究中[13-16].

本研究通过使用ANSYS Workbench 15.0中Fluid Flow(Fluent)对风机三维装配体进行流体仿真分析.根据仿真结果对设计方案不断进行调整和优化.

3.1 仿真流程

根据ANSYS Fluent的仿真流程，风机导流装置优化设计的仿真分析过程包括：几何图形建模、网格划分、边界条件设置、仿真参数设置和运行仿真得出结果.

仿真分析的范围为风机内部以及左右出风口外各50 cm范围内，如图3a所示.网格划分采用ANSYS Fluent中的Mesh进行网格划分，进行进出口与壁面设置，因为优化过程中导流装置部分结构有所变化，所以相对应的仿真模型所划分的网格数量也略有不同，Nodes数约为370 000，Elements数约为1 760 000，如图3b所示.

图3 仿真条件设置

结合喷雾机实际工作工况，风机额定转速为2 500～3 000 r·min-1，实际作业时出口风速范围15～30 m·s-1，流体基本处于湍流状态.根据流体力学理论，选择κ-ε湍流模型来描述湍流，控制方程如式(1)、(2)所示.

湍流动能方程

(1)

湍流动能耗散率方程

(2)

式中：μt为湍流黏性系数，Pa·s；xi、xj为2个方向的长度距离，m；Gκ是由平均速度梯度引起的湍动能产生项；C1ε、C2ε为经验常数；δκ和δε分别为与湍动能κ和耗散率ε对应的Prandtl数；ui为速度[17]，m·s-1.

3.2 原风机气流场仿真结果

通过对3WZF-400A履带自走式风送喷雾机使用以上仿真流程进行仿真分析，设置风机转速为2 600 r·min-1,得到出风口处中间剖面的气流仿真速度云图，如图4所示.

图4 出风口中间剖面气流仿真速度云图

通过对速度云图分析结果分析，得出原喷雾机出风口气流速度衰减数据见表1.

表1 原喷风机出风口气流速度衰减表

与上述施药过程对比可得，速度云图中气流速度衰减角度范围恰恰是施药中要求气流速度较大的位置，这不利于气流场对喷雾作业发挥作用.文中通过对原风机导流装置的优化来相对应性地改变气流场，以解决这一问题.

3.3 中、后导流板与出风口导风板优化设计

为了使经中导流板、后导流板转换的径向气流场更好地满足施药过程的实际需求，借鉴流体机械中叶轮、径向导叶和流道式导叶的设计[18-19]，结合喷雾机的结构，对中、后导流板和风机出风口进行优化设计.

由于液体的流量q与截面面积s和流速v存在如下关系：

q=sv.

(3)

因此，导风板所占据的垂直投影面积越大，则风场转移量越大.因此，优化的目标是提升导流板总面积以提升整个中导流板导流能力，同时考虑尽可能增加非喷雾区域斜面的面积来提升导流效果，此外还需要注意避让喷头以及导流板安装孔的位置.

3.3.1中导流板优化设计

针对中导流板，在上面设计出5对导风板，来实现优化流场的目的，如图5所示.其中,中1、中4和中5导风板为曲面斜导风板，中2导风板为直导风板，中3导风板为斜直导风板.

图5 中导流板优化对比图

由于左右两侧导风板相对中导流板中线对称分布，以右侧导风板为例，其主要参数包括各导风板的外缘圆周位置αi1(i=1,2,…,5),内缘圆周位置αi2(i=1,2,…,5),覆盖角度，投影面积及投影面积与中导流板右侧面积的占比，具体见表2.

表2 中导流板右侧导风板参数

原中导流板垂直投影面积为166 652 mm2，优化后的中导流板垂直投影面积为188 417 mm2，面积提升21 765 mm2，提升13.1%.5对导风板总投影面积为49 898 mm2，所占导流板总面积比为26.48%.5对导风板从上到下在整个圆周位置起到聚集气流、改变风向的目的.改变原导流板360°无差别的导流方法，从而在不同角度有目的性地改变气流场分布.

3.3.2后导流板设计

针对后导流板，通过增设5对导风板的方案来实现优化流场的目的，如图6所示.此外还考虑到与中导流板的配合，使两者具有相关的导流参数，到达增强导流的效果.其中后2导风板为直导风板，其余为曲面导风板.

图6 后导流板优化对比图

由于左右两侧导风板相对后导流板中线对称分布，以右侧导风板为例，其主要参数包括各导风板的外缘圆周位置βi1(i=1,2,…,5),内缘圆周位置βi2(i=1,2,…,5),覆盖角度，投影面积及投影面积与后导流板右侧面积的占比，具体见表3.

表3 后导流板一侧导风板数据表

后导流板的投影面积为183 170 mm2，无对倾斜导风板总投影面积为36 260 mm2，所占导流板总面积比为19.80%.5对导风板从上到下在整个圆周位置起到聚集气流、改变风向的目的.改变原导流板360°无差别的导流方法，从而在不同角度有目的性地改变气流场分布.

3.3.3出风口导风板设计

为增强上下两端的导流的效果，在出风口处设计添加3对弧形导风板，来实现优化流场的目的，如图7所示.

图7 出风口导风板示意图

由于左右两侧导风板相对后导流板中线对称分布，以右侧出风口导风板为例，其主要参数包括各导风板的外缘圆周位置κi1(i=1,2,…,5),内缘圆周位置κi2(i=1,2,…,5),覆盖角度，具体见表4.

表4 出风口一侧导风板数据表

3对导风板采用圆弧形长板形状在出风口位置对气流进行导流，通过尽可能大的覆盖角，将尽可能多的气流导流向果树对应的角度范围.

3.3.4中、后导流板与出风口导风板综合作用分析

优化后的结构形成7个气流导流单元：由上导流板单独组成的顶部气流导流单元；由中1导风板、后1导风板和出风口导风板1共同组成的上部气流导流组合单元；由中2导风板和后2导风板共同组成的中一气流导流组合单元；由中3导风板和后3导风板共同组成的中二气流导流组合单元；由中4导风板、后4导风板和出3导风板共同组成的中三气流导流组合单元；中5导风板、后5导风板和出3导风板共同组成的下部气流导流组合单元；由下导流板单独组成的底部气流导流单元.顶部、上部、中一、中二、中三、下部、底部这7部分气流导流的组合单元，既对整个气流场进行对应性导流，又对每侧5个液滴喷头的位置，进行了气流加强，从而全面提升气流场对喷施作业的积极作用.

3.4 优化方案仿真分析

通过以上分析，对优化后的方案进行仿真分析.首先考虑只在中、后导流板上设计导风板的优化方案一，对该方案进行仿真分析，得出出风口中间剖面仿真速度云图，如图8所示.

图8 方案一出风口中间剖面仿真速度云图

通过对速度云图分析结果分析，得出方案一气流速度衰减数据，见表5.

表5 方案一气流速度衰减表

与原喷雾机出风口仿真结果对比可得，左右两侧气流较小的范围分别从40°和32°减小到23°和22°，气流衰减区域对应喷施高度左侧从0.9～1.8 m缩小到1.0～1.5 m，右侧从1.0～1.9 m缩小到1.1～1.6 m.范围有明显降低.

然后考虑在中、后导流板上设计导风板的基础上又在出风口处添加导风板的优化方案二，对该方案进行仿真分析得出出风口中间剖面仿真速度云图，如图9所示.

通过对速度云图分析结果分析，得出方案二气流速度衰减数据，见表6.

表6 方案二气流速度衰减表

与方案一的仿真结果对比可得，左右两侧气流较小范围分别从23°和22°减小到13°和0°，左侧气流衰减区域对应喷施高度从1.0～1.5 m缩小到1.1～1.3 m，右侧气流衰减区几乎不存在.方案二气流衰减区域显著缩小.

4 气流场分布试验验证

4.1 试验设计

为了验证仿真分析的准确性，以及检验优化设计的实际效果，试制了样机进行试验.

考虑到优化设计后的导流板形状比较复杂，优化后中、后导流板采用树脂光固化的加工方式进行加工[20]，如图10a所示.出风口导风板采用3D打印的加工方式进行加工，如图10b所示.

图10 导流装置实物图

按照国家标准GB/T 24683—2009/ISO 9898:2000《植物保护机械 灌木和乔木作物用风送式喷雾机 试验方法》，根据其中气流速度分布测定(静态测试)的方法，测量距离出风口50 cm处，从地面至200 cm高度，每升高10 cm取一个采样点.采用香港希玛仪表集团有限公司的AR866A热线式风速风量计进行测量，并配套使用软件Anemometer，实时显示和记录气流速度数据.

在对每个测量位置进行气流速度测量时，采用将风速传感器固定在规定位置，然后测量20 s以上数据，取平均值作为该点气流速度.为了避免室外自然风对测量结果产生的不利影响,测量地点选择在空旷的地下室.

4.2 气流场试验结果与分析

将原导流方案和优化方案一、优化方案二所述的优化后导流装置分别安装在3WZF-400A履带自走式风送喷雾机，设定风机转速为2 600 r·min-1，采用上述测量方法进行气流速度测量，根据测量数据，绘制如图11所示的气流速度折线图.

图11 气流速度折线图

右侧气流速度在3种导流方案作用下，在果树树冠不稠密的40～90 cm范围内平均气流速度分别为14.86、12.74和10.08 m·s-1.优化方案一和优化方案二的气流速度相对于原导流板分别降低14.3%和32.2%.在果树树冠最稠密的100～190 cm范围内平均气流速度分别为8.48、9.60和11.24 m·s-1，气流速度相对于未优化前分别提升13.2%和32.5%.

左侧气流速度在3种导流方案作用下，在果树树冠不稠密的40～90 cm范围内平均气流速度分别为13.42、11.72和9.45 m·s-1.优化方案一和优化方案二的气流速度相对于原导流板分别降低12.7%和29.6%.在果树树冠最稠密的100～190 m范围内平均气流速度分别为8.24、9.50和10.64 m·s-1，气流速度相对于未优化前分别提升15.3%和29.1%.

从图9和图11中可见，仿真的气流场和实测的气流场分布特点基本相符.经方案二优化后，弧形的中1导风板和后1导风板配合出1导风板及风机外的上导流板，对风机输出的气流起到既起到改变风向的目的，又起到将原本吹上风机上方的气流向下部聚集的作用，使树冠顶部的气流速度得以提升.弧度较大的中4导风板、中5导风板、后3导风板、后4导风板、后5导风板配合出风口的中5导风板及风机外的下导流板，对风机输出吹向风机下方的气流向上部聚集，减小树冠下部的气流速度.而中2导风板、中3导风板和后2导风板，采用较短的直导风板形式，主要使上部和下部汇聚过来的气流起到一个匀化的作用，直接吹向树冠最需要风量的中上部.

5 结 论

1)通过优化轴流风机内部的导流装置，较传统的仅依靠外部导流板的方式可更有效地对喷雾机气流场进行整流，改善目标区域气流速度.

2)为解决风送式果园喷雾机现有轴流风机气流场在果树冠层中部区域气流速度较小的问题,在风机内部的中、后导流板上设计导风板，并在出风口处添加导风板的方法可使气流场在果树冠层中上部枝叶最稠密区域的气流速度提升29.1%～32.5%.