【48812】果园风送式喷雾机气流速度场模仿及实验验证PDF

  第卷第期农业工程学报年月果园风送式喷雾机气流速度场模仿及实验验证傅泽田王俊祁力钧王洪涛我国农业大学工学院北京我国农业机械化科学研讨院北京摘要为了研讨果园风送式喷雾机气流速度场速度散布特性及各要素的影响规则提醒果园风送式喷雾机的作业机理依据模仿树立了型果园风送式喷雾机气流场速度散布模型规划实验验证了模仿成果并模仿取得了其气流速度场的散布特性研讨标明进口气流速度改动对喷雾机气流速度场散布特性无显着影响与电扇中心间隔不同的截面上气流速度散布的规则有差异而喷头体对气流速度场散布特性有显着影响能使气流速度

  第25 卷 第1 期 农 业 工 程 学 报 Vol.25 No.1 2009 年 1 月 Transactions of the CSAE Jan. 2009 69 果园风送式喷雾机气流速度场模仿及实验验证 1 2 1※ 1 傅泽田 ，王 俊 ，祁力钧 ，王洪涛 （1．我国农业大学工学院，北京 100083； 2．我国农业机械化科学研讨院，北京 100083） 摘 要：为了研讨果园风送式喷雾机气流速度场速度散布特性及各要素的影响规则，提醒果园风送式喷雾机的作业机理， 依据CFD 模仿树立了Hardi LB-255 型果园风送式喷雾机气流场速度散布模型。规划实验验证了模仿成果，并模仿取得 了其气流速度场的散布特性。研讨标明，进口气流速度改动对喷雾机气流速度场散布特性无显着影响；与电扇中心间隔 不同的截面上气流速度散布的规则有差异；而喷头体对气流速度场散布特性有显着影响，能使气流速度散布发生动摇。 模仿和实验成果的比照标明，不同条件下，所建模型能较精确模仿喷雾机气流速度场的散布。 要害词：风送式喷雾机，气流速度场，CFD 模仿，施药，防漂移，果园 中图分类号：S491, TP15 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2009)-1-0069-06 傅泽田，王 俊，祁力钧，等. 果园风送式喷雾机气流速度场模仿及实验验证[J]. 农业工程学报，2009，25(1)：69－ 74. Fu Zetian, Wang Jun, Qi Lijun, et al. CFD simulation and experimental verification of air-velocity distribution of air-assisted orchard sprayer[J] . Transactions of the CSAE, 2009,25(1)：69－74.(in Chinese with English abstract) 1.1 流场区域及网格化 0 引 言 本文针对Hardi LB-255 型果园风送式喷雾机进行研 国内外研讨标明，各类风送式喷雾机药液堆积散布 究。因为电扇结构、喷雾体系对称，故取喷雾机右侧一 特性有较大差异，而电扇出口处的气流参数对散布有显 半为模仿区域 （图 1）。为较完好研讨其气流速度的散布 [1-6] 著影响 。因而，许多研讨人员对雾滴堆积进程及影响 特性，模仿区域距地上高度EF 取为5.0 m ，距电扇中心 要素进行了许多实验研讨，企图经过调整气流出口参数、 间隔OF 为4.0 m 。其间，ABC 部分为喷雾机电扇的外壳， [7,8] 喷嘴作业条件等办法削减飘移、改进药液散布 。但是， 直径为0.78 m ，电扇外壳底部距地上高度OA 为0.60 m 。 施药进程受许多要素影响，特别受不可控的温度、风速 和相对湿度等要素的影响。选用传统实验办法研讨有很 大困难,而选用 CFD 技能进行研讨，则可战胜田间实验 中不可控要素对实验成果的搅扰，完成各个参数按要求 [9,10] 改动，取得恣意条件下的实验成果 。 近年，国内外才展开对风送施药技能的CFD 模仿研 究。Delele 等模仿了风帘型果园风送式喷雾机气流速度场 [11,12] 散布、雾滴堆积散布及影响要素 ；Baetens 等模仿了 风送式喷杆喷雾机雾滴飘移散布及各要素对雾滴堆积分 [13] 布的影响 。国内，刘财兴等运用实验数据树立了果树 [14] 喷雾的数学模型 ，但还未见对果园风送式喷雾机进行 CFD 模仿研讨的文献。本文旨在树立果园风送式喷雾机 气流速度场散布的模仿模型，研讨其速度散布特性及各 图1 模仿实验的流场区域示意图 （长度单位：m ） 要素的影响规则，全面提醒果园风送式喷雾机的作业机 Fig.1 Structure and size of simulation zone 理，为改进其防飘移功能和参数优化供给理论依照。 1.2 模仿模型条件假定 1 气流场速度散布模仿模型 为使模仿条件与实验条件共同，一起节省模仿核算 收稿日期：2008-03-15 修订日期：2008-12-28 时刻，依据文献[15-17]对模仿模型做如下假定：（1）壁 基金项目：国家科技支撑项目赞助：农田循环出产配套要害机械技能集成与 面无滑移假定：电扇结构外表及模仿区域鸿沟壁面的风 使用研讨(2007BAD89B04) 速均为0 ；（2 ）气流源垂直于电扇出口假定：假定模仿区 作者简介：傅泽田，博士，教授，博士生导师，首要是做农业机械化工程研 域进口气流垂直于电扇圆弧型外表，无其它方向重量； 究。北京 我国农业大学工学院 （209 信箱），100083。 （3 ）气流源安稳假定：假定Hardi LB-255 喷雾机的电扇 Email: caufzt@ ※通讯作者：祁力钧，博士，教授，博士生导师，研讨方向：农药运用技能。 滚动均匀，模仿区域进口气流速度巨细坚持不变。 北京 我国农业大学工学院，100083。Email ：qilijun@ 1.3 模仿求解理论模型 70 农业工程学报 2009 年 气流速度场的模仿首要依据N-S 方程中质量守恒方 的动摇起伏显着增大，跟着与地上间隔的增大，气流速 程和动量守恒方程，在此基础上使用k  湍流模型对气 度改动已不再悉数契合前面提出的散布规则。 流场进行迭代求解，各模型的通用数学描绘方法为 () div(u) div( grad) S （1） t    式中 ——通用变量，表明u、v、w、T 为求解变量； S  ——广义扩散系数； ——广义源项。   规范k- ε湍流模型的数学描绘为 k  ku      k t  x i  t   x  x i j  k  j t ui uj ui CD k 3 2  （2 ） xj xi xj l       ui ui  （3 ）     x k x k    式中  、C 、C ——经历常数；µ——湍流黏度； k D  [18] 其它参数可参阅Fluent 用户手册 。 1.4 接连相参数和鸿沟条件设置 经丈量，电扇出口气流速度调理规模为0～24 m/s ， 大气温度设定为30℃，相对湿度为45%，对应的气体黏 度为 1.87×10-5 Pa·s 。鸿沟条件设置为，流场进口ABC 为 速度进口，AO 和CD 为对称中心，DE 、EF 为自在出口， 其他鸿沟设置为壁面条件。 2 气流速度场模仿成果及散布特性 2.1 气流速度场模仿成果 模仿依据成果得出，进口气流速度别离为4 、8、12、16、 20 、24 m/s 时，所得气流场速度散布特性根本相同，此处 只列出进口速度为12 m/s 时的速度场、x 向速度场、y 向速 度场，别离如图2a 、2b和2c所示。 由模仿成果可见，随进口气流速度的增大，气流速 度的整体散布特性根本坚持不变。即速度的等高线根本 散布在以电扇外壳圆弧为圆心的同心圆上，仅仅在间隔 电扇中心较远处有所不同。一起，从不同进口气流速度 时的模仿成果还可以精确的看出，整个流场区域中x 向和y 向速 度场的散布特色也根本相同，即以电扇中心为起点、以 与水平成45°方向的射线为分界线，射线以上区域y 向速 度重量较大，较大的y 向气流速度能将雾滴吹送到果树 冠层的较高区域，改进喷雾作业中药液的覆盖率和散布 均匀性；射线以下区域x 向速度较大，较大的x 向气流速 度有助于雾滴穿透较大的底部枝冠层区域。 2.2 气流速度散布特性剖析 图3a、3b 、3c和3d别离是不同进口气流速度时，距风 扇中心别离为0.5 、1.0、2.0和3.0 m的各截面上气流速度 散布曲线 m的区域内，在间隔电扇中心小 图2 进口速度v=12 m/s时喷雾机的气流速度场 于1.0 m的截面上，气流速度散布规则根本相同，气流速 Fig.2 Velocity field at inlet velocity of 12 m/s with nozzles 度随进口气流速度的增大而增大、随与地上间隔的增大 而减小；在间隔电扇中心大于1.0 m的截面上，速度曲线 期 傅泽田等：果园风送式喷雾机气流速度场模仿及实验验证 71 图3 不同进口气流速度时，与电扇中心不同间隔截面上的速度改动 Fig.3 Velocity distribution at different distances from the sprayer center at different inlet air-velocities 3 模仿成果的验证及影响要素剖析 的各个截面上，从距地上0.50 m 处开端，每隔0.50 m 布 置一个丈量点，丈量其气流速度巨细，一共45 个丈量点。 3.1 实验计划 实验时，封闭喷头控制阀，翻开迁延机动力输出轴， 为确认气流速度场模仿成果的精度，丈量了不同条 动力输出轴转速凹凸决议了电扇出口气流速度，把电扇 件下区域内不同点的气流速度，并与同条件下的模仿结 出口气流速度别离调理到 （9.7 ±0.2 ）、（15.0±0.2 ）和 果作比照，详细实验计划如图4 所示，在4.0 m ×5.0 m （20.0 ±0.2 ）m/s ，即别离选取高、中、低三个转速。然 的模仿区域内，距电扇中心别离为0.50、1.0、2.0 和3.0 m 后用KANOMAX Model A531 型气候丈量仪对图4 所示 各点的气流速度进行测定 （精度 2% ），一起丈量实验中 的气温文相对湿度，每个丈量点丈量 3 次，均匀值作为 终究丈量成果。而模仿研讨中设置与实验相同的条件。 3.2 点评目标和验证成果 本研讨用相对差错E （% ）作为各丈量点模仿成果精 度的衡量目标，核算方法如式 （4 ）所示。 1 vm vs E N  v 100 % （4 ） m 式中 N ——是每个丈量点丈量的次数；vm ——实验测 量的各点气流速度，m/s ；vs ——模仿得到的各点气流速 度，m/s 。 不同进口气流速度时，模仿成果的精度挨近。受篇 幅所限，文中只列出进口气流速度为 （15.0±0.2 ）m/s 时 图4 气流速度场实验丈量点安置示意图 丈量和模仿成果的比照，如表1 所示。距地上5.0 m 的测 Fig.4 Experimental setup for validation of simulated results 量点气流速度与风速挨近，不予记载。 72 农业工程学报 2009 年 表1 v =15.0 m/s 气流场速度散布丈量成果和模仿成果比照 Table 1 Comparison of simulated and experimental results at v =15 m/s m ·s-1 各丈量点气流速度的模仿、丈量及相对差错 与地上的 A 组 （0.5 m ） B 组 （1.0 m ） C 组 （2.0 m ） D 组 （3.0 m ） E 组 （4.0 m ） 间隔/m 丈量 模仿 E/% 丈量 模仿 E/% 丈量 模仿 E/% 丈量 模仿 E/% 丈量 模仿 E/% 0.5 3.16 3.95 24.74 6.05 6.80 12.33 5.40 6.04 11.82 4.05 4.79 18.07 3.88 5.41 39.29 1.0 12.46 11.17 10.36 5.61 6.51 15.98 4.21 3.51 16.64 3.69 3.19 13.56 3.26 3.01 7.65 1.5 5.57 6.19 11.20 5.38 4.87 9.38 2.78 1.97 29.09 2.93 2.44 16.81 2.56 3.64 41.86 2.0 4.86 4.38 9.79 3.51 2.58 26.44 2.64 3.04 15.43 2.85 3.72 30.32 3.67 6.57 79.06 2.5 2.58 2.91 12.45 2.33 2.86 23.01 2.43 2.09 13.82 2.35 2.53 7.77 0.65 0.31 51.78 3.0 1.64 1.88 14.74 2.26 1.88 16.59 1.77 1.59 10.41 2.03 1.86 8.49 0.56 0.85 49.94 3.5 1.26 1.48 17.43 1.16 1.41 21.05 1.10 1.24 13.00 1.09 1.33 21.77 0.29 0.41 42.92 4.0 1.13 1.02 10.03 0.82 1.07 30.70 0.79 1.04 32.37 0.63 0.83 31.01 0.38 0.22 42.75 4.5 0.60 0.79 31.69 0.66 0.91 36.44 0.62 0.85 36.97 0.38 0.50 33.46 0.24 0.30 25.66 由表 1 可见，此条件下模仿成果与实验丈量成果基 本符合，所丈量 45 个点中，有 30 个点模仿成果的相对 差错小于 30%，占 66.7% 。而在模仿成果相对差错大于 30% 的 15 个丈量点中，简直悉数散布在间隔电扇中心 4.0 m 的模仿区域出口鸿沟，以及模仿区域的上鸿沟和地 面邻近的下鸿沟。剖析其原因，首要是因为这些区域气 流速度现已衰减到比较小，受风速的影响比较显着，干 扰了丈量成果。而在整个4.0 m ×5.0 m 模仿区域中模仿 成果的均匀相对差错为23.91% ，在3.0 m ×5.0 m 的模仿 区域内（设出口鸿沟距电扇中心3.0 m 时）模仿成果的平 均相对差错为 19.31% ，模仿成果的相对差错进一步减 小。 进口气流速度为 （15.0±0.2 ）m/s 和 （20.0 ±0.2 ）m/s 时，比照成果附近，仅仅随进口气流速度的增大，模仿 成果相对差错稍微减小。进口气流速度为 （9.7 ±0.2 ）m/s 时，在 （4.0 ±5.0 ）m 模仿区域中模仿成果的均匀相对误 差为24.72%，而 （3.0 ±5.0 ）m 模仿区域内模仿成果的平 均相对差错为 19.65 %；气流速度为 （20.0 ±0.2 ）m/s ， 整个4.0 m ×5.0 m 模仿区域中模仿成果的均匀相对差错 为23.91%，而在3.0 m ×5.0 m 的模仿区域内模仿成果的 均匀相对差错为 15.45 % 。稍优于M.A.Delete 等对风帘型 [12] 风送式喷雾机模仿成果中30.7 %的相对差错 。 3.3 气流截面离电扇中心的间隔对其速度散布的影响 为剖析从电扇中心起的间隔对气流场速度散布的影 响，别离导出不同进口气流速度条件下，与电扇中心距 离为0.50、1.0、2.0和3.0 m截面处沿垂直于地上方向的速 图5 v=12 m/s时与电扇中心不同间隔截面上的速度散布 和x 向速度散布 度散布、x 向速度的散布成果。受篇幅所限，以下仅列出 Fig.5 Velocity and x-velocity distribution at different distances 进口气流速度为12 m/s 时的速度和x 向速度散布曲线 （图 from fan center at inlet velocity of 12 m/s 5a和5b所示）。 从图5中可以精确的看出，在间隔电扇中心0.50～3.0 m的区

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