摘要:为提高果园风送式喷雾机喷幅及整体施药效果，在课题组前期研究基础上设计了一种新型五指式喷筒。通过CFD仿真模拟对五指式喷筒内部的流场进行数值分析，对不同风机转速下喷筒进出口风速和Z=0截面上速度、压力展开对比分析。仿真结果表明:在风机3个转速下(1450、1080、960r/min)，喷筒进口风量随风机转速的增大随之增加;各个转速下喷筒进出口流量差值很小，从而确定仿真结果可靠;五指式喷筒各个出风口风量相等;五指式的喷筒中气流出现紊流的区域较小，风速分布均匀，五指式喷筒内部压强分布均匀，各出风口之间变异较小。减少了风机能量损失，扩大喷雾机喷幅，满足了果园风送喷雾机的设计要求。
关键词:风送式喷雾机;喷筒;数值模拟;流场分析
0引言
作为水果生产大国，我国在果树病虫害防治上面临严峻的问题，以农药过量使用和水果农药残留过多为主[1-2]。目前，国内对农业、林业、园艺和果园的病虫害防治主要采用手动踏板式/背负式喷雾机高压喷枪﹑背负式喷雾喷粉机及担架式喷雾机等设备，这些设备自动化程度较低，在果园病虫害方面只能完成对低矮果树和果苗的防治及除草工作，综合防治效率偏低[3-4]。在我国，果园的种植模式较为单一，主要为低矮密种植型，行距4～5m，树高3～3.5m，冠厚1.5～3m，行间距大小与冠厚相近，相邻的两行果树近似交叉，果园形成密闭状，使得常规农用果园喷雾机防治作业较为困难。此外，果树的树冠较高，枝繁叶茂，喷雾机作业时的雾滴容易被果树冠层遮挡，难以穿透，不能达到均匀沉积。由于果树外层密集叶片的遮挡，雾滴易于聚成液滴洒落，从而使得果树冠层内部病虫害防治效果不能达到预期[5-7]。
风送式喷雾机通过气流将雾滴送达靶标，从而使得喷雾的穿透性能提高，雾滴不易飘移，附着率增大，主要针对果树及高秆作物的喷施作业[8]。喷筒作为风送式喷雾机的重要部件，其机构将影响流场的分布喷幅[9]。立管风送辅助喷雾技术可使雾滴飘失情况大大减少[10]，与圆形出风口相比，设计成槽型则更有效[11]。祁力钧等[12]在出风口处安装了锥形导风筒和同轴柱形导风筒，通过导风筒进行运动轨迹和气流速度的仿真分析。本文针对果园风送式喷雾机设计了新型五指式喷筒，利用CFD数值模拟技术对风机转速1450、1080、960r/min时喷筒流场进行仿真，得到各个情况下喷筒内部流场和出口风速分布。
1风送式喷雾机喷筒结构设计
目前，市场上所用的果园风送式喷雾机，喷筒主体与扩幅喷筒被设计在一起。在喷筒主体的收缩段和出风口之间安装扩幅喷筒，收缩段喷筒先直接外扩再收缩[13]。在该结构的扩幅段出风口附近，其管道断面发生变大变小型的重复突变，而此时管道内的气流在惯性作用下，是不会因管道变化而立刻产生突变的，容易造成风机能量损失严重。
为增加果园喷雾机的喷幅、减少风机能量损失，同时保证各出风口风速的均匀，本文设计了一种新型喷雾机喷筒，如图1所示。五指式喷筒二维图如图2所示。其中，柱形段直径为460mm，与风机刚性连接，故口径大小相等。因为风机风速存在漩涡，柱形段长度取400mm，起到稳定气流的作用;5个出风口均匀分布在半径为1080mm的圆弧上，各出风口之间夹角为13°，半径为150mm;扩幅段由柱形段圆截面渐变成矩形截面，矩形截面均匀分成5部分，类似于人体手指5指。五指式喷筒，起到了扩幅作用，同时保证了各出风口均匀。
2五指式喷筒计算模型仿真模拟
2.1模型建立与计算域确定
通过前期设计，本文利用Workbench完成五指式风筒的仿真模型，如图3所示。
2.2网格划分
利用流体前处理软件对五指式喷筒网格划分，采用四面体网格划分，喷筒中界面突变部位进行加密网格处理。对423625和302079两套网格计算进行网格无关性检验，发现两者风机转速相同情况下仿真进口流量的相对差值在2%以内，因此选择423625网格对流场进行数值模拟，网格单元数为423625、节点数79562，如图4所示。
2.3计算方法
为减少计算成本，考虑喷雾机的实际工作环境，进行相应的假设:忽略粘度和温度的变化产生的影响，湍流模型使用k-e模型;采用标准壁面函数和分离隐式求解器，采用SIMPLEC算法，设置收敛残差为10e-4。
2.4边界条件
喷筒进口风速来源于风机，因此边界条件设置为“intake-fan”，并给定相应的Pressurejump(DZ轴流-6#风机转速1450、1080、960r/min时对应的全压280、150、123Pa);出口设定为大气压。
3五指式喷筒仿真模拟结果分析
3.1喷筒进出口速度分析
喷筒不同工况下(风机转速1450、1080、960r/min)进出口速度云图如图5所示。
由图5可看出:3个转速下，喷筒每个出风口风速分布均匀;每个转速下5个出风口风速大小相同，变异系数小;风机转速越大，出风口风速越大，与之成正比。
监测喷筒进出口流量，得到如图6所示风机各个转速下流量值。
由图6(a)可得:喷筒进口流量1.4799kg/s，5个出口流量和值与进口流量差值为3.7551e-6kg/s;5个出风口流量非常接近，各出风口流量最大差值0.00213kg/s。
由图6(b)可得:喷筒进口流量1.6682kg/s，5个出口流量和值与进口流量差值为5.8115e-6kg/s;5个出风口流量非常接近，各出风口流量最大差值0.00485kg/s。
由图6(c)可得:喷筒进口流量2.2547kg/s，5个出口流量和值与进口流量差值为-1.7762e-5kg/s;5个出风口流量非常接近，各出风口流量最大差值0.00724kg/s。
由图6可看出:3个转速下，喷筒进口风量随风机转速的增大随之增加;各个转速下喷筒进出口流量差值很小，从而确定仿真结果可靠，收敛;五指式喷筒各个出风口风量相等，符合设计要求。
3.2喷筒内部速度场分析
喷筒不同工况下(风机转速1450、1080、960r/min)，Z=0截面处喷筒内部速度的分布如图7所示。速度矢量图如图8所示。
由图7和图8可得:椭圆形线界定的范围表示该区域内存在湍流，由于柱形段稳流作用，有利于风轴向运动，降低旋流。因此，得出在扩福阶段以轴向运动为主，局部区域存在湍流。五指式喷筒的扩幅段先按圆柱形式收缩，接着以轴截面为矩形的梯台扩幅，喷筒的扩幅段会同时发生水平收缩与垂直扩张，气流在该类型扩幅段不会出现单一的收缩和扩张，气流管道的断面不会发生突变。因此，本设计风筒出现紊流的区域较小。
3.3喷筒内部压力场分析
喷筒不同工况下(风机转速1450、1080、960r/min)，Z=0截面处喷筒内部压力场云图如图9所示。
由图9可得:五指式喷筒内部压强分布均匀，在扩幅段存在极少部分的压力集中区域，这是由于流道由小变大再变小造成的，不可避免压力损失;在由扩幅段变为5指时，截面突变，各个出风口之间存在一定夹角导致，对喷筒整体影响较小;五指式喷筒出风口压强分布均匀，各出风口之间变异较小。
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4结论
1)根据果园风送式喷雾机设计需求，为增加果园喷雾机的喷幅、减少风机能量损失，同时保证各出风口风速的均匀，设计了一种新型风送式喷雾机五指式喷筒。
2)利用CFD仿真技术对五指式喷筒内部流场进行数值模拟，结果表明:在风机3个转速下，喷筒进口风量随风机转速的增大随之增加;各个转速下喷筒进出口流量差值很小，从而确定仿真结果可靠、收敛;五指式喷筒各个出风口风量相等，符合设计要求。3)仿真结果表明:五指式的喷筒中气流出现紊流的区域较小，风速分布均匀，且喷筒内部压强分布均匀，各出风口之间变异较小。
