宋俊伟，吴 姝，魏新华

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)

0 引言

对于棉花这类矮化密植种植模式植物，普通喷杆式喷雾机无法穿透棉花冠层，施药效果不佳[1-3]。为提高施药效果，在现有普通喷杆式喷雾机的基础上，先后出现了吊杆式喷雾机和风送式喷雾机。吊杆式喷雾机虽然在药液沉积分布和施药效果上有所改善，但雾滴难以在冠层内扩散，冠层内的药液沉积分布极不均匀；风送式喷雾技术主要是利用气流将农药雾滴喷入作物冠层，该方法可大幅度增加冠层内部的药液沉积量[4-7]。

风送式喷杆喷雾机风筒结构对气流运动均匀性影响很大，进而影响雾滴的穿透能力和均匀性。Endalew等[8]利用仿真技术建立了风送式喷雾机的仿真模型，对喷雾气流速度的高低分布进行了研究。Tsay J R等[9]利用CFD仿真技术对果园风助式喷雾机的雾滴穿透及喷雾性能进行了研究。祁力钧等[10]在原有喷雾机的出风口设计安装一个锥形导风筒和一个同轴柱形导风筒，对两种结构不同的导风筒进行数值模拟，分析其运动轨迹和出风口处的气流速度分布。张晓辉等[11]在原有风筒上增加导流板装置，减小出口尺寸和出口间距。试验结果表明：改进后的风筒能实现高效和风速变异小的风囊。

本文在现有棉花施药喷杆喷雾机[12]的基础上设计了一种新型风筒，利用CFD数值模拟技术对新风筒内外流场仿真，对其内部气流场进行分析研究，并将设计的风筒安装在喷雾机上进行实际大田作业，检验风送式喷雾机的雾滴沉积分布情况。

1 风送式喷雾机风筒结构设计

风送式喷雾机风筒末端风速大小及风速均匀性是影响风送式喷雾机施药效果的关键因素。风速大小影响雾滴的穿透性，风速均匀性影响雾滴的均匀性。对于风筒的设计，应做到出风口处的风速分布保持均匀，在进风口到出风口的过程中，内流场的区域的变异系数要尽量小，且能量损失小。为了满足上述要求，本文设计了一种风送式喷雾机风筒。风送式喷雾机风筒外部结构如图1所示。

图1 风筒外部结构图Fig.1 External structure of air duct

图1中，风筒由圆筒外壳和导流板组成。圆筒侧面设计为倾斜面，使得风反弹较小，能量损失较小。

导流板结构如图2所示。其中，横向2片叶片，纵向5片叶片，将风均匀分散，不至于过度集中，同时减少了能量损失，风沿着导流板前进变异系数小，均匀性好。

图2 导流板与导流片结构图Fig.2 The structure of deflector

2 风送式喷雾机风筒计算模型仿真模拟

2.1 模型建立与计算域确定

CFD仿真模型是整个流体域模型，在仿真之前必须建立整个流道。本文采用PROE软件对风筒几何进行布尔运算，得到风筒流体域，如图3所示。

图3 风筒仿真模型Fig.3 Simulation model of air duct

考虑风筒与风筒之间气流的相互影响作用，只需研究两个风筒内外部气流场分布，即可反应出风筒之间相互影响关系。另外，为研究风筒外部流场，在现有风筒仿真模型的基础上，增加外部流场，如4所示。

2.2 网格划分

现阶段ICEM作为功能强大网格划分软件，在流体CFD仿真前处理中被广泛应用。对风筒内流场及外流场进行网格划分，由于风筒内部结构比较复杂，外流场部分相对规则，因此将分成两个部分进行网格划分。其中，风筒部分采用精细的网格，外流场部分采用粗放网格，最终网格化后的模型如图5所示。三维结构共划分网格数为3 520 321，节点数为826 305。

图4 风筒内外流场仿真模型Fig.4 Simulation model of internal and external of air duct

图5 仿真模型网格化Fig.5 Drawing grid with simulation model

2.3 数值计算与仿真结果分析

2.3.1 数值计算参数设置

风筒气流场仿真计算模型为Realizablek-ε湍流模型，进口采用速度进口边界条件，进口速度为20m/s；出口为压力出口边界条件，出口压力为大气压；壁面条件为默认的WALL壁面函数；选空气作为材料，材料密度设为1.225kg/m3,动力粘度设为1.789 4×10-5Pa·S。本文采用压力基求解器，二阶迎风格式进行求解。当各项参数设置完毕后，设置迭代步数2 000进行计算，在迭代计算1 232步后，各项残差值均低于10e-4，计算收敛。

2.3.2 仿真结果分析

将Fluent仿真结果导入到CFD-POST后处理，风筒内外流场气流的速度云图如图6所示，气流流线图如图7所示。

图6 内外流场速度分布云图Fig.6 Flow velocity distribution inside and outside flow chart

图7 风筒流线图Fig.7 Hairdryer streamline

对风送式系统而言，风筒外流场风速分布为研究重点。为研究本设计风筒距出风口不同距离平面风速分布，在后处理软件中，选取距离出风口L为300、400、500、600、700mm平面分析风速分布。其中，距离出风口L=400mm平面的速度云图如图8所示。

图8 距离出风口L=400mm平面速度分布图Fig.8 Hairdryer streamline

由图8可知：平面两侧风速大，中间部位风速小，这是由于两个风筒在安装位置上存在一定距离，平面中间风速较小部位刚好对应棉花行间，其风速小并不影响喷雾机整体的施药效果，相反能减小不必要的能量损失。图8还表明：距离出风口L=400mm平面处，最大风速达到了3.5m/s，完全满足风送式棉花施药机末速度要求；风速分布均匀，变异系数小。将距离出风口L为300、400、500、600、700mm平面风速仿真数据提出来，沿Y轴作出曲线，如图9所示。

图9 距离出风口不同距离L平面流速分布图Fig.9 Distance from the outlet of different distance L plane velocity distribution map

由图9可知：距离出风口700mm和600mm平面风速v=08m/s左右，这是由于距离太远、风发散速度减小；距离出风口500、400、 300mm平面均出现两个波峰，这是由于距离出风口越近，两个风筒之间交汇区域不明显，靠近风筒的部位相比其他位置风速要大。距离出风口500mm平面的风速最大速度1.2m/s，距离出风口400mm和300mm平面最大速度风速分别为v=3.5m/s和v=8.5m/s，完全满足末速度要求。

3 大田试验效果

3.1 试验方法

为进一步验证仿真结果的准确性，从而验证设计风筒的实际效果，在现有喷雾机上安装新风筒测试的雾量沉积分布情况，进行喷雾机实际作业，效果图如图10所示。

图10 实际作业图Fig.10 The figure of the actual operation

田间试验在新疆建设兵团进行，在每行的棉株上选择不同的测试点，分别在棉株冠层上部正面、冠层上部反面、冠层中部正面、冠层中部反面、冠层下部正面和冠层下部反面位置布置相应的水敏纸，并用曲别针固定在测试点上。

将设计风筒安装在喷杆喷雾机上，使喷雾机以5km/h的作业速度进行施药；完成施药后，等待水敏纸晾干，从棉花叶片上取下并放入密封袋；回到实验室对每张水敏纸进行扫描并进行相关的图像处理，计算雾滴的有效沉积率。

3.2 试验结果

应用MatLab软件对扫描完成的水敏纸图像进行处理，将灰度图像转化成二值化图像，根据二值化图像的像素点统计计算每个测试点叶片的雾滴沉积率。水敏纸图像的处理过程如图11所示。

图11 图像处理Fig.11 Image processing

雾量沉积分布试验结果表明：棉花冠层内部叶片正面雾滴平均覆盖率达到88.30% ，叶片反面达到42.83% ，上、中、下部冠层叶片正面雾滴平均覆盖率最大相差 7.25% ，叶片反面最大相差9.75% ，整个冠层雾量沉积分布均匀性较好，冠内组合风送施药效果明显提高。

4 结论

1)设计了一种新型风送式喷雾机风筒，利用CFD仿真技术对风筒内外流场进行分析，结果表明：在距出风口400m位置风速达到3.5m/s，完全满足棉花施药机末速度要求，且风速分布均匀、变异系数小。

2)将该风筒实际运用到大田试验中，对棉花上的雾量沉积分布特性进行试验研究，结果表明：棉花冠层内部叶片正面雾滴平均覆盖率达到88.30% ，叶片反面达到 42.83% ，上、中、下部冠层叶片正面雾滴平均覆盖率最大相差 7.25% ，叶片反面最大相差9.75% ，整个冠层雾量沉积分布均匀性较好，冠内组合风送施药效果明显提高。