梯形果园风送静电喷雾机仿真分析及试验

李建平, 茹 煜, 倪佳胜, 陈旭阳, 夏达明

(南京林业大学 机械电子工程学院， 江苏 南京 210037)

果树病虫害会影响果树的正常生长和发育，造成果品产量减少及果品品质降低，所以需要定期向果树喷洒农药[1].目前风送式果园喷雾机是最常用的作业装备，但由于果园树冠密度较大，常规的喷雾雾滴沉积效果不理想，雾滴飘移严重[2-4]，而静电喷雾技术具有增加植物叶片背部的沉积效率、节水省药等优势[5].因此，风送式果园静电喷雾机应用静电喷雾技术可以改善传统喷雾雾滴穿透性不足、沉降效果不好的问题，提高农药的利用率[6-9].

文献[10]对果园风送静电喷雾机进行了带电雾滴和非带电雾滴的沉积研究, 研究表明带电雾滴沉积效果明显更好；
文献[11]研制出果园自动对靶静电喷雾机, 与普通的风送式果园喷雾机相比, 节省农药50%～70%，目标沉积增加两倍多；
在静电雾化理论的研究方面，文献[12]通过建立靶区和靶标沉积量随喷头水平距离变化的数学模型来探究静电喷雾雾滴的沉积特性，得出荷质比随静电电压的增加而增加，增强静电电压可以提高沉积面积；
文献[13]利用Fluent软件对单个静电喷头的静电场进行分析，选择了不同充电电压以及不同电极间距时的静电场分布情况进行分析，结果得出较高电压有利于感应充电；
文献[14]运用激光粒度分析仪和粒子图像测速(PIV)对风送式静电喷杆雾化喷头的雾滴沉积性能以及漂移性能做了研究，试验表明:增大充电电压，荷质比先增大后趋于稳定，提高喷雾压力可使雾滴粒径变小且雾滴运动速度增大；
文献[15]则利用Maxwell软件对单个喷嘴的静电场进行数值模拟，以此了解荷电喷雾中环形电极诱导的静电场分布特性.

随着人们对果品数量和质量的要求越来越高，一些大面积种植的果园，诸如葡萄园、梨园、苹果园等果品基地为了提高结果率，常采用果园支撑架使枝条定向生长，形成低矮种植模式.但是适应果树形态、工作效率高、雾滴沉积效果好的果园静电喷雾机还较为缺乏.因此，文中以适用于Y型定向生长果树的梯形果园风送静电喷雾机为研究对象，探究不同参数对果园静电喷雾机的影响，利用Fluent软件建立多喷头喷雾仿真模型，并结合样机试验研究，探究不同工作参数对雾滴荷电特性和雾化性能的影响，得到最优参数组合，为后续果园静电喷雾机的设计与参数优化提供参考.

梯形风送式果园静电喷雾机主要由履带底盘、机架、梯形喷雾装置、风送系统、静电喷雾系统、动力系统组成，其中梯形喷雾装置主要由两块相互平行的挡板，通过上下两块钢板焊接在一起组成壳体，其中一面通过螺栓固定在机架尾部，另一面是椭圆型的进风口，壳体两侧的出风口是由一排相互垂直于两侧钢板的支撑杆固定，用来安装静电喷头.风送系统采用轴流风机为主体，安装在梯形喷雾装置轴心处，并设计有导流板，可以减小风送时的阻力，增大出口风速.

静电喷雾系统由液泵、喷杆、静电喷头、高压静电发生器、蓄电池等组成.静电喷头采用2组圆锥型静电喷头，沿梯形喷雾装置两侧出风口呈弧形分布，每侧布置8个，单个喷头的喷射角是80°，蓄电池为高压发生器供电，高压静电发生器的负极输出端通过高压导线与2组静电喷头电极相连，正极与牵引机架相连并接地.整机的结构如图1所示.

图1 果园静电喷雾机整机示意图

工作时，果园静电喷雾机将药液雾化后经过充电电极使雾滴带电，并在风力的作用下二次雾化，由静电力和风力将雾滴送到植株上，从而增加雾滴附着性能、减少农药流失.具体工作过程为发动机驱动液压泵，液压泵带动高压水泵和轴流风机的转动，药箱的药液由输液管流进喷杆，最后从各自喷头中向外喷出，药液首先被液力雾化成雾滴，然后雾滴经感应荷电，在静电力的作用下沿着电力线朝着植物目标运动，到达叶片的正面和背面，保证了药液的有效利用率，减少了飘移损失量.

2.1 仿真模型

仿真模型如图2所示，长、宽、高分别为2 000、800、1 000 mm，感应电极为大侧半径30 mm、小侧半径18 mm、锥角40°的圆锥形电极(见图3)，距喷头轴向1 200 mm处布置圆柱面靶标，中间喷头中心位于坐标原点，其余喷头与中间喷头间距为100、150和200 mm，模型建立完之后导入ICEM CFD16.0中进行网格划分，根据全局网格尺寸控制网格数量，在电极与圆柱体处进行网格加密处理.

图2 计算域模型

图3 圆锥形电极模型简化图

2.2 边界条件

文中以充电电压6 kV和喷雾水压0.5 MPa时作为边界条件，采用k-epsilon中的Realizable模型，启动Fluent中Energy和Species模块，喷雾口设置为液体速度入口，出口选择outflow，出口流速8 m·s-1.启动Fluent中DPM模块，选择泰勒破碎模型，材料为water，喷雾角为80°，喷雾压力为0.5 MPa，流量为0.6 L·min-1，颗粒流数量设置为50，采用Eulerian-Lagrangian耦合算法.利用UDF来加载电场力，充电电压设置为8 kV，雾滴的电荷量密度设置为0.2 C·m-3，环形电极材料设置为 steel.

2.3 仿真结果分析

2.3.1静电喷头间距对电场强度的影响

在充电电压为8 kV、出口风速为20 m·s-1的条件下，仿真研究了喷头间距为100、150和200 mm 3种不同条件下对电场强度的影响.图4是距喷头轴向距离50 mm平面上的电场强度E分布云图，此截面上的喷头间距100、150和200 mm的平均电场强度分别为770.60、959.29和726.97 V·m-1.

图4 距喷头轴向距离50 mm平面上的电场强度分布

图5是不同喷头间距沿径向(z)电场强度分布曲线.

图5 不同喷头间距沿径向电场强度分布

从图5中可以看出，距离喷嘴电极越近电场强度越大，距喷嘴20 mm范围内是最佳荷电区域，离喷嘴越远，电场强度衰减速度越快，因此雾滴充电过程主要集中在喷嘴电极附近.当喷头间距从200 mm减小到150 mm时，喷嘴10 mm范围内电场强度升高，说明电极间距越小，空间电场强度叠加得越均匀.喷头间距进一步减小到100 mm时，可以看出电场强度反而降低，说明过近的电极间距会造成喷头与电极之间绝缘程度的下降，从而导致电场强度的降低.因此在这3种喷头间距条件下，150 mm的静电喷头间距荷电效果最好.

2.3.2充电电压对喷雾沉积的影响

通过靶标圆柱体表面的液膜沉积厚度来探究不同充电电压对喷雾沉积的影响.在喷雾压力0.5 MPa，喷雾流量0.6 L·min-1，流速20 m·s-1气流辅助的条件下，设定0、6、8和10 kV 4组电压，获得靶标圆柱体表面的液膜图，如图6所示.充电电压0、6、8和10 kV在靶标上的最大沉积厚度分别为7.87×10-6、1.40×10-5、2.10×10-5和1.90×10-5m，可以发现，带电喷雾的沉积效率大于非带电喷雾，带电喷雾的沉积图案更分散，喷洒更为均匀，适当增加电压，可以强化电场强度，进而提高雾滴的荷电效果，当电压为8 kV时，沉积量最大，喷雾沉积效果最好.

图6 靶标圆柱面液膜图

2.3.3充电电压对喷雾轨迹的影响

在喷雾压力0.5 MPa、喷雾角80°、喷雾流量0.6 L·min-1的条件下，设计充电电压为0、6、8和10 kV，探究充电电压对喷头喷雾轨迹的影响.喷雾器周围的边界被视为入口，提供20 m·s-1的空气气流流入，目标圆柱体被视为吸收液滴的靶标，且电势为0的接地导体.图7是不同充电电压下的雾滴轨迹云图，由图可以看出：不带电的液滴对气流的跟随性强，形成一条狭窄的羽流，该羽流撞击目标圆柱体的中心，并围绕圆柱体流动，靶标捕捉率较低；
而当增大充电电压后，雾滴荷电能力增强，荷电能力强的液滴由于同种电荷相互排斥而形成更宽的羽状，流经圆柱体靶标时，向目标弯曲，靶标捕捉率明显提高.

图7 充电电压对雾滴轨迹的影响

3.1 试验装置及参数

试验对象采用如图8所示的自主研发设计的梯形风送果园喷雾机，主要技术参数为整机外形尺寸(长×宽×高) 2 550 mm×1 200 mm×1 390 mm，油箱容积30 L，药箱容积500 L，输出功率12 kW，转速3 600 r·min-1，行走速度1～6 km·h-1，倾侧能力<18°，爬坡能力<25°，蓄电池80 Ah 12 V.

图8 试验所用喷雾机

雾滴沉积测试系统由电脑、USB无线连接器、数据接收节点及天线、传感器节点及天线共同组成，测试装置选用北京农业智能装备工程技术研究中心开发的iDAS雾滴沉积传感器，传感器根据电容变化来分析沉积量，利用风速仪(Testo 416)测量出口风速.

在作业过程中，影响果园喷雾机喷雾效果的主要因素有出口风速、充电电压和行驶速度3个因素.根据树苗的高度和喷雾机雾化装置到达叶片的距离，试验方案中出口风速设计为10、20和30 m·s-13个水平；
充电电压设计为6 000、8 000和10 000 V 3个水平；
行驶速度设计为0.3和0.5 m·s-12个水平.

3.2 采样点布置

进行采样点布置时，随机选择两棵相邻树苗A和B作为试验对象，果树高度在3.5 m，树枝成Y字形生长，将Y形梨树等分成6份，根据树叶靠近喷雾机的距离分成前枝和后枝，每棵树布置6个传感器，共布置12个传感器节点，采样点各区域传感器布置情况如图9所示.

图9 喷雾试验示意图

3.3 试验数据处理方法

试验采用无线传感法，在试验前运行雾滴沉积监测传感器软件，记录并显示雾滴沉积量数据，利用iDAS雾滴沉积传感器来检测喷雾雾滴的沉积量.根据传感器收集到的数据，每个传感器共有蓝、黄、红3条变化曲线，分别为沉积量实时变化曲线、累积沉积量变化曲线和累积蒸发量变化曲线.文中通过提取在试验结束时传感器叶片上的累积沉积量的数据，绘制点线图，对比分析各个变量对果园静电喷雾雾滴沉积的影响规律.

3.4 结果分析

3.4.1雾滴沉积试验分析

行驶速度0.3 m·s-1、3种出口风速条件下的雾滴沉积量变化折线图如图10所示.从图10a中可见，在相同车速和出口风速时，充电电压增大可以增加雾滴在叶片的总体沉积量，提高雾滴穿透性.在充电电压为6 kV时，前3个测量点(即前枝)的雾滴沉积量远高于后3个测量点(即后枝)，造成雾滴在前枝大量沉积的现象，随着充电电压增加到8 kV时，前枝雾滴沉积量逐渐增加，总体变化不大，但后枝叶片雾滴沉积量明显提高，以第4个测量点为例，该点的雾滴沉积量由5 422.85 μg增加到7 685.17 μg，沉积量提高了41.7%，说明雾滴经圆锥管状电极产生的高压静电场后, 被感应荷电, 通过适当增加电压, 可以强化电场强度, 提高雾滴的荷电效果，增加雾滴穿透性能.但当电压大于8 kV时，可以看出雾滴总体沉积量反而下降，主要是由于雾滴荷电饱和，雾滴的荷电效果也被削弱.从图10b、c可以看出，在出口风速20和30 m·s-1的条件下，沉积量随电压的变化规律是相近的，电压为8 kV时，雾滴荷电效果最好，雾滴穿透性强，沉积量最大.

图10 不同出口风速下雾滴沉积量变化情况

在保持充电电压和行驶速度不变时，通过比较3幅折线图可以看出，随着出口风速的增大，在同一电压条件下，6个测量点的雾滴沉积量都是呈先增大后减小的趋势，以电压6 kV、第1个测量点为例，出口风速10 m·s-1时，该点的雾滴沉积量为20 037.00 μg，雾滴的沉积量随喷雾距离的增大而减小，且减小幅度较为明显，后枝的沉积显著不足，随着出口风速增加到20 m·s-1时，该点的雾滴沉积量提高到24 774.00 μg，雾滴的沉积量明显增加，且后枝的沉积效果也有所改善，当出口风速增加到30 m·s-1时，雾滴沉积量减少到了22 133.00 μg，原本沉积在叶片上的雾滴被吹落到地面，导致雾滴总体的沉积量反而减少.同样在电压8、10 kV条件下，每个测量点雾滴沉积量趋势也是相似的，呈先增后减.因此，出口风速在20 m·s-1左右时，雾滴沉积效果最好，风速大于20 m·s-1会导致雾滴吹落，降低沉积量.

3.4.2行驶速度对雾滴沉积的影响

电压和出口风速相同时，不同行驶速度下雾滴沉积量变化如图11所示.在车速0.3和0.5 m·s-1时，可以看出，充电电压和出口风速相同时，改变行驶速度对于沉积量的影响不明显，3幅图的轨迹基本相同，以图11a的第1个测量点为例，车速0.3和0.5 m·s-1时雾滴沉积量分别为20 037.17和19 625.81 μg，沉积量差距不大，基本受风速与电压影响，作业速度上没有体现出有规律性特征，因此可选择0.5 m·s-1的作业速度来提高工作效率.

图11 不同行驶速度下雾滴沉积量变化情况

3.4.3多因素方差分析

利用SPSS软件进行果园静电喷雾机的多因素方差分析，表1是不同因素对雾滴沉积影响分析表.从表中可以看出，出口风速、充电电压和喷雾距离3个因素P值均远小于0.05，说明对雾滴沉积有显著影响，且为正相关；
行驶速度的P=0.079>0.05，说明行驶速度对雾滴沉积无显著影响，行驶速度与雾滴沉积为负相关.通过对比偏Eta方可以得出各因素对雾滴沉积量的影响程度，综上分析可知，试验中设置的参数对雾滴沉积量的影响大小顺序为喷雾距离、出口风速、充电电压、行驶速度.

表1 不同因素对雾滴沉积影响分析表

1) 利用Fluent软件建立了静电喷雾流场、离散场和电场耦合模型，分析了喷头间距、充电电压对于感应电场和喷雾流场的影响，结果表明：带电喷雾的沉积图案更分散，喷洒更为均匀，并且增大充电电压后，喷雾流经圆柱体靶标时向目标弯曲，靶标捕捉率明显提高；
雾滴充电过程主要集中在喷嘴电极附近，喷嘴20 mm范围内是最佳荷电区域，电极间距越小，空间电场强度叠加的越均匀，但过近的电极间距会造成喷头与电极之间绝缘程度的下降，充电电压8 kV、喷头间距150 mm时雾滴荷电效果最好，沉积量最大.

2) 沉积性试验结果表明：充电电压增大可以增加雾滴在叶片的总体沉积量，提高雾滴穿透性，并且随着充电电压的增加，前枝雾滴沉积量逐渐增加，总体变化不大，但后枝叶片雾滴沉积量明显得到提高，增大出口风速时，雾滴沉积量总体呈先增大后减小的趋势，出口风速20 m·s-1时沉积效果最好，田间试验结果与仿真结果基本一致.结合仿真试验得出静电喷雾的最佳作业参数组合为充电电压8 kV、喷头间距150 mm和出口风速20 m·s-1，通过多因素方差分析得出试验中设置的参数对雾滴沉积量的影响大小顺序为喷雾距离、出口风速、充电电压、行驶速度.

3) 影响喷雾机施药效果的主要变量有出口风速、作业速度以及喷头间距，由于果园施药时环境比较复杂，除上述主要影响变量外还存在其他未知因素，需要进一步研究.

猜你喜欢荷电喷雾机静电浅析玉米栽培的喷雾机选型与施药技术规范农业开发与装备(2022年7期)2023-01-05噼里啪啦，闹静电啦小哥白尼(趣味科学)(2022年2期)2022-05-25静电孩子(2020年11期)2020-11-17超级英雄静电侠趣味(数学)(2019年6期)2019-10-17水田自走式喷杆喷雾机的现状与发展趋势中小企业管理与科技(2019年3期)2019-03-07基于双扩展卡尔曼滤波的电池荷电状态估计测控技术(2018年11期)2018-12-07电动汽车锂离子电池荷电状态估计方法研究通信电源技术(2018年3期)2018-06-26锂电池荷电状态(SOC)预测方法综述通信电源技术(2018年3期)2018-06-26以3WX—650型为例谈喷杆式喷雾机的使用农机使用与维修(2018年3期)2018-03-23森林病虫害防治喷雾机的种类、特点及应用条件林业机械与木工设备(2017年3期)2017-03-08