果园风送式喷雾机流场数值模拟及试验研究

论文摘要

我国是世界最大的水果生产国和消费国,而病虫害防治是保证水果丰产丰收的重要环节,施药机械和施药技术对实现这一目标必不可少。近年来,风送喷雾技术在果园植保领域已显示出其优越性,它不仅可以二次雾化雾滴,还可以减少雾滴漂移,增加药液在靶标上的沉积和附着性能,提高施药工效和农药的有效利用率,减少农药浪费和环境污染,降低生产成本。但我国在此领域与发达国家相比仍有较大的差距。以国家863项目“密植型果园仿形定向施药技术研究与装备创制”（2008AA100903）中的3WZ-700型自走式果园风送仿形定向喷雾机风送喷雾系统为研究对象,利用数值模拟工具CFD（计算流体力学）对风机气流速度场进行了数值模拟,得到气流速度场的分布特性,并通过试验进行验证。同时,在风送喷雾试验台上进行风机试验以及喷雾试验研究,用以描述喷雾机的风机及喷雾性能。本文的主要研究内容及相关结论如下：（1）对风机气流速度场进行模拟研究。使用前处理器GAMBIT软件建立风机的物理模型,选用标准k-ε湍流模型,利用CFD软件FLUENT,结合适宜的边界条件和初始条件,对风机气流速度场的分布特性进行数值模拟。结果表明,三种风机出口风速17.94m/s,18.94 m/s,20.84 m/s对气流速度场的分布特性无明显影响。流场区域中,下方区域的气流受导流板影响明显,沿着导流板方向的气流速度最大。由于导流板改变了水平方向的分速度,增加了垂直方向的分速度,使得雾滴穿透底部枝冠层的同时,无法到达底部冠层而沉降到地面的雾滴量减少。上方区域的气流受导流板影响不大,垂直方向的气流分速度较大,可以将雾滴输送到果树冠层的顶部,改善喷雾作业中药液的分布均匀性和雾滴覆盖率。这种气流速度场的分布特性与靶标特性相一致,可以实现喷雾的有效定向沉积。（2）在风机试验台上利用风速计测量风机气流速度场,对其分布特性的模拟结果进行验证。结果表明,流场区域中,试验值与模拟值变化趋势一致,三种风机出口风速17.94m/s,18.94 m/s,20.84 m/s条件下的气流速度场分布特性一致,离风机不同距离的垂直截面上的最大风速分布有差异。这种分布特性与实际果园的果树冠形相匹配,更利于果园风送定向喷雾机将农药雾滴送至树冠内部,同时降低农药雾滴的漂移率,提高农药有效利用率。（3）喷雾压力、出口风速、导流板角度等是影响喷雾性能的重要因素。为研究各因素对喷雾性能的影响,在风送喷雾试验台上进行雾滴直径分布、喷头流量测定以及垂直面内雾量分布试验。结果表明,喷雾压力越大,其出口雾滴直径越小,不同的喷雾压力对雾滴直径沿射程分布有显著影响。有风送时的雾滴直径明显小于无风送条件下的雾滴直径。在沿射程1-4m范围内,三种出口风速17.94m/s,18.94 m/s,20.84 m/s条件下的雾滴直径无明显差异。喷头具有很好的均一性,不同喷雾压力下,各喷头差异性均不超过5%。有无风送对垂直面内雾量沉积有明显的影响。不同的导流板角度在垂直截面上雾量沉积不一样。不同垂直截面上的雾量分布曲线与风速分布曲线一致,均呈树冠形,更利于提高喷雾质量。（4）风送条件下,对不同作业速度下果树冠层雾滴沉积分布进行了试验研究。试验结果表明,雾滴沉积随着作业速度的增大而减少,树叶正面雾滴沉积远远大于树叶反面雾滴沉积。靠近喷雾装置一侧（冠层前）的雾滴沉积远远大于与喷雾相背一侧（冠层后）雾滴沉积。不同的采样高度上,雾滴沉积呈“上层>中层>下层”的规律。通过对不同作业速度雾滴沉积分布回归分析得到,冠层前雾滴沉积随着作业速度的增大显著降低,采样高度1.2m树叶正面雾滴沉积与作业速度呈反比,作业速度对其他位置的雾滴沉积无显著影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外果园植保机械的研究现状
• 1.2.1 国外果园植保机械的研究现状
• 1.2.2 国内果园植保机械的研究现状
• 1.3 我国果园植保机械发展中存在的主要问题
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 风送喷雾气流速度场数值模拟
• 2.1 计算流体力学（CFD）基础
• 2.1.1 CFD简介
• 2.1.2 CFD数值模拟过程
• 2.2 模型的建立
• 2.2.1 模型区域划分
• 2.2.2 模型条件假设
• 2.2.3 数学模型的选用
• 2.2.3.1 湍流概述
• 2.2.3.2 控制方程
• 2.2.3.3 湍流数学模型
• 2.2.4 网格划分
• 2.2.5 边界条件及初始条件的设定
• 2.3 求解过程
• 2.4 气流速度场模拟结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 风机气流速度场模拟结果的验证与分析
• 3.1 试验装置及器材
• 3.2 不同转速风机出口风速的测定
• 3.3 风机气流速度场的测定
• 3.4 试验结果与分析
• 3.4.1 模拟结果验证
• 3.4.2 不同风机出口风速对垂直截面速度分布的影响
• 3.4.3 距风机中心距离不同的垂直截面速度分布特性分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 果园风送喷雾机风送喷雾性能的试验研究
• 4.1 试验系统介绍
• 4.2 雾滴直径分布试验
• 4.2.1 试验方案
• 4.2.2 试验结果与分析
• 4.3 喷头流量的测定
• 4.3.1 试验方案
• 4.3.2 试验结果与分析
• 4.4 垂直面内雾量分布试验
• 4.4.1 试验方案
• 4.4.2 试验结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 果树冠层雾滴沉积分布试验
• 5.1 采样卡及采样点的布置
• 5.2 试验方法
• 5.3 试验结果与分析
• 5.3.1 不同作业速度下雾滴沉积分布规律分析
• 5.3.2 不同作业速度雾滴沉积分布回归分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文