王梅香，张彦斐，宫金良

(1. 山东理工大学 机械工程学院, 山东 淄博 255049；2.山东理工大学 农业工程与食品科学学院, 山东 淄博 255049)

目前，农药利用率仅为35%[1-2],农药过量施用引起的环境污染和农产品质量问题日益严重。雾滴沉积量是影响农药利用率的重要指标，其受喷嘴性能、气象条件、施药技术等影响，理想的情况是应尽量使雾滴沉积到靶标区域以减少非靶标区域的农药漂移[3-4]。近年来，国内外学者对雾滴沉积特性影响因素的研究主要集中于喷施高度[5-7]、喷施压力[8-9]、气流速度[10-12]和喷施角度[13-15]。Delele 等[16-17]对果园风送式喷雾机喷施压力进行了仿真分析，结果表明喷施压力对喷雾机的雾滴参数有一定影响。Baetens等[18]对风送式喷杆喷雾机雾滴漂移分布规律进行了模拟研究，结果显示喷杆高度和风速对雾滴漂移影响较大。Fritz[19]建立了WTDISP(wind tunnel dispersion)模型，得到不同喷嘴在风洞条件下的漂移规律。孙国祥等[20-21]对不同喷施高度和风速下的雾滴沉积特性进行了模拟，结果显示雾滴的沉积量随喷雾高度和风速的增加逐渐减小。李东红等[22]在无风条件下以喷嘴角度为实验因素，进行了喷雾沉积实验，证实了喷嘴角度对雾滴沉积影响显著。王景旭等[23]研究了靶标对雾滴运动的遮挡长度与喷雾角度的关系，结果表明随着喷雾角度的增加，进口处的喷雾有效幅宽减小。宋坚利等[24]通过实验表明，改变喷雾方向角会增加药液在水平靶标上的沉积量。综述已有研究，大多数都只是研究喷施角度、气流速度、喷施压力及喷施高度各自对沉积量的影响，并未探讨喷施角度与气流速度对沉积量的综合影响。由于在药液喷施过程中，气流速度是产生雾滴漂移的主要因素，而改变喷施角度能够有效增加雾滴在水平靶标上的沉积量；因此，研究不同气流速度下的最佳喷施角度具有重要意义。

本文采用Species Transport模型和Discrete Phase模型对农用超声雾化喷嘴在不同风速、不同喷施角度下的雾滴沉积特性进行仿真分析，研究不同工作条件对雾滴沉积量的影响，从而得到不同风速下的最佳喷施角度，以期为农用超声雾化喷嘴精量施药提供理论依据。

1 模拟区域几何模型及流体计算模型的建立

1.1 几何模型的建立

为提高喷嘴雾化效果，将超声理论应用到液体射流雾化中[25-26]，根据Hartmann哨原理，在Design Modeler中建立农用超声雾化喷嘴的几何模型，如图1所示。药液从进口管流入，经喷嘴斜壁加速后由高速喷孔喷出进入谐振腔，产生的超声波对药液产生空化作用，使药液破碎雾化成均匀的细小雾滴，从药液出口喷出。几何模型中，选取喷孔直径为1.5 mm，药液进口管直径为10 mm，高速喷孔与谐振腔之间的距离为3 mm，药液出口直径为2 mm，谐振腔直径为3 mm，谐振腔深度为4 mm。

建立雾滴沉积仿真区域几何模型，模拟计算域为长4 m、宽0.8 m、高0.8 m的长方体，如图2所示。定义雾滴沉积面几何中心为原点，风速沿x轴正方向(水平向右)进入，喷嘴位于长方体上平面的几何中心处，坐标为(0,0.8,0)。

图2 模拟区域几何模型Fig.2 Geometry model of the simulation area

通过Mesh对已建立的模拟计算域进行网格划分，如图3所示。其中网格数为9.01×107，节点数为1.69×107。

图3 模拟区域网格划分Fig.3 Meshing of simulation area

1.2 流体计算模型

根据农用超声雾化喷嘴的结构特点，为了便于分析计算，运用有限体积法来控制方程的离散，流场计算采用非结构网格的SIMPLEC算法。在ANSYS19.0软件Fluent模块中设置求解器模型为Viscous-Standardk-ε模型、Species Transport模型和Discrete Phase模型,对计算区域流场进行模拟，其中湍流模型的动能方程和扩散方程满足:

Gk+Gb-ρ-YM+Sk,

(1)

(2)

式中：ρ为流体密度；k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；μ为流体的动力粘度；μi为速度分量；xi和yi为坐标分量；Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能；Gb为由浮力产生的湍流动能；YM为湍流脉动膨胀对总耗散率影响系数；Cε为经验常数；Sk和Sε为源项；模型常量σk=1.0，C1ε=1.44，C2ε=1.92，σε=1.3。

湍流速度μt为

(3)

式中：ρ为流体密度；k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；模型常量Cμ=0.09。

在模拟喷雾过程中，离散相运动方程采用欧拉-拉格朗日方程(Euler-Lagrange equation)求解，离散相颗粒运动方程为

(4)

式中:u为连续相速度，m/s；up为颗粒速度，m/s；ρp为颗粒密度，kg/m3；dp为颗粒直径，m；gx为重力加速度，m/s2；Re为相对雷诺数；CD为曳力系数。

2 结果与分析

2.1 不同风速对雾滴沉积量的影响

基于上述模型参数,对不同风速下的雾滴沉积过程进行模拟。取喷嘴进口压力为2 MPa、喷施高度为0.8 m、喷施角度为0°，分析风速分别为v=0、1、2、3 m/s时雾滴分布图，如图4所示。图4中，从蓝色到红色表示雾滴离开喷嘴的时间越来越长。可以看出，当v=0时，喷嘴喷出的雾滴呈半锥角为30°的圆锥状分布，雾滴沉积密集区域位于喷嘴正下方，沉积效果最好；当v=1、2、3 m/s时，随着入口风速的增大，雾滴沉积密集区域逐渐偏离喷嘴正下方，且向x轴正方向移动，风速越大，雾滴漂移距离越远。

(a)v=0

(b)v=1 m/s

(c)v=2 m/s

(d)v=3 m/s图4 不同风速下雾滴分布云图Fig.4 Distribution of fog droplets at different wind speeds

通过CFD-Post后处理得到喷施角度为0°时不同风速下雾滴沉积分布曲线，如图5所示。当风速v=0时，雾滴沉积高峰区主要集中在喷嘴正下方，雾滴沉积量峰值为2.65×10-3μL/cm2；当风速v=1 m/s时，雾滴沉积量高峰区移动到0.5 m处，雾滴沉积量峰值为1.92×10-3μL/cm2；当风速v=2 m/s时，雾滴沉积量高峰区移动到1.25 m处，雾滴沉积量峰值为1.25×10-3μL/cm2；当风速v=3 m/s时，雾滴沉积量高峰区移动到1.75 m处，雾滴沉积量峰值为0.81×10-3μL/cm2。

图5 不同风速下雾滴沉积分布曲线Fig.5 Distribution curve of droplet deposition under different wind speeds

2.2 不同喷施角度对雾滴沉积量的影响

将喷嘴中心轴线与竖直方向的夹角定义为喷施角度α。在喷施高度为0.8 m、入口压力2 MPa、风速为1 m/s的条件下，分析不同喷施角度对雾滴沉积特性的影响，图6所示为不同喷施角度下的雾滴沉积云图。由图6可知，随着喷施角度从5°～20°不断增加，雾滴沉积密集区域逐渐向x轴负方向移动。图7为不同喷施角度下雾滴沉积分布曲线。在喷施角度分别为5°、10°、15°、20°时，雾滴沉积高峰区分别位于0.25 m、0 m、-0.25 m、-0.5 m。当喷施角α=10°时，雾滴沉积密集区域位于喷嘴正下方，沉积量峰值为2.15×10-3μL/cm2，较喷施角度为0°时增加了 11.98%，为最佳喷施角度。

图8所示为风速v=2 m/s时不同喷施角度下雾滴分布云图。由图8可知，随着喷施角度从10°～25°不断增加，雾滴沉积密集区域逐渐移动到喷嘴正下方靶标区域后继续向x轴负方向移动，漂移量减少。图9为不同喷施角度下雾滴沉积分布曲线。在喷施角度分别为10°、15°、20°、25°时，雾滴沉积高峰区分别位于0.5 m、0.25 m、0 m、-0.25 m。当喷施角α=20°时，雾滴沉积密集区域位于喷嘴正下方，沉积量峰值为1.58×10-3μL/cm2，较喷施角度为0°时增加了26.4%，为最佳喷施角度。

(a)α=5°

(b)α=10°

(c)α=15°

(d)α=20°

图7 v=1 m/s时不同喷施角度下雾滴沉积分布曲线Fig.7 Distribution curve of droplet deposition at different spraying angles at v = 1 m/s

(a)α=10°

(b)α=15°

(c)α=20°

(d)α=25°

图9 v=2 m/s时不同喷施角度下雾滴沉积分布曲线Fig.9 Distribution curve of droplet deposition at different spraying angles at v = 2 m/s

图10所示为风速v=3 m/s时不同喷施角度下雾滴分布云图。由图10可知，随着喷施角度从15°～30°逐渐增加，雾滴沉积密集区域不断向x轴负方向移动，沉积量增加、漂移量减少。图11为不同喷施角度下雾滴沉积分布曲线。在喷施角度分别为15°、20°、25°、30°时，雾滴沉积高峰区分别位于0.75 m、0.25 m、0 m、-0.25 m。当喷施角α=25°时，雾滴沉积密集区域位于喷嘴正下方，沉积量峰值为1.15×10-3μL/cm2，较喷施角度为0°时增加了41.97%，为最佳喷施角度。

(a)α=15°

(b)α=20°

(c)α=25°

(d)α=30°

图11 v=3 m/s时不同喷施角度下雾滴沉积分布曲线Fig.11 Distribution curve of droplet deposition at differentspraying angles at v = 3 m/s

3 结论

采用Species Transport模型和Discrete Phase模型对农用超声雾化喷嘴的雾滴沉积分布特性进行了仿真分析，通过对比不同风速和喷施角度下的仿真结果得到如下结论：

1)雾滴沉积量以抛物线形式分布，随着风速的增加，雾滴沉积密集区域不断远离喷嘴正下方，沉积量逐渐减少。在喷施角度为0°、喷施高度为0.8 m、入口压力为2 MPa的条件下，风速为0 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s时，雾滴沉积密集区域分别位于0 m、0.5 m、1.25 m、1.75 m，雾滴沉积量峰值分别为2.65×10-3μL/cm2、1.92×10-3μL/cm2、1.25×10-3μL/cm2、0.81×10-3μL/cm2。

2)一定的喷施角度能够减小风速对雾滴漂移的影响，增大沉积量并使沉积密集区域保持在喷嘴正下方。在喷施高度为0.8 m、入口压力为2 MPa的条件下，风速为1 m/s、2 m/s、3 m/s时，最佳喷施角度分别为10°、20°、25°，沉积量峰值分别为2.15×10-3μL/cm2、1.58×10-3μL/cm2、1.15×10-3μL/cm2，较喷施角度为0°时分别增加了 11.98%、26.4%和41.97% 。