風(fēng)幕式噴桿噴霧氣液兩相流動(dòng)特性研究及參數(shù)優(yōu)化.pdf

1、風(fēng)幕式噴桿噴霧施藥是農(nóng)業(yè)植保作業(yè)中的重要技術(shù)，能夠大幅度提高農(nóng)藥使用效率、減少霧滴飄移量。對(duì)風(fēng)幕式噴桿噴霧氣液兩相流特性進(jìn)行研究與參數(shù)優(yōu)化，為噴霧參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)，將能實(shí)現(xiàn)以最低的成本、最快的速度促進(jìn)噴桿噴霧施藥質(zhì)量的提高。為此，本文在閱讀大量國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)幕式噴桿噴霧氣液兩相流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究、仿真模擬和參數(shù)優(yōu)化，并開展了多工況優(yōu)化及田間試驗(yàn)驗(yàn)證工作。本文的主要成果如下:
　　建立了風(fēng)幕式噴桿噴霧氣液兩相

2、流測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)由風(fēng)幕、噴桿噴霧調(diào)節(jié)裝置、PDPA等部分組成，能夠?qū)︼L(fēng)幕風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、噴霧壓力、風(fēng)幕出口與噴頭的相對(duì)位置和輔助氣流角等工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)得到噴霧霧滴群的平均粒徑、噴霧霧化角以及霧滴速度分布等特征參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)獲得以下結(jié)果:在相同條件下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，霧滴離開噴頭后在x方向的分速度不受影響，y方向的分速度分量減少，z方向的速度分量增加;隨著噴霧壓力的增加，霧滴在x方向的分速度不受影響，y方向的分速度分量增加，z方向霧滴的速度

3、分量增加;隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，霧滴的平均粒徑增大、數(shù)量減少，霧滴粒徑分布的變異系數(shù)減小;噴霧壓力的增加，霧滴平均粒徑減少，數(shù)量增多，在噴霧壓力為0.5MPa時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)霧滴z方向速度分量及霧滴數(shù)量的影響非常顯著;隨著風(fēng)幕出風(fēng)口與噴頭的垂直距離增大，霧滴在z方向的分速度均分量減小，霧滴平均粒徑減小;隨著風(fēng)幕出風(fēng)口與噴頭的水平距離的增加，霧滴在z方向的分速度分量及霧滴平均粒徑先增大后減小;隨著輔助氣流角的增大，霧滴在x方向和z方向的分速度

4、分量均減小，當(dāng)輔助氣流角在45°時(shí)，霧滴在x方向的分速度出現(xiàn)負(fù)值，即霧滴沿著自然風(fēng)相反的方向運(yùn)動(dòng)，隨著輔助氣流角的增大，霧滴的平均粒徑在增大。
　　應(yīng)用Ansys Fluent流體力學(xué)軟件，采用離散相模型、k-ε RNG模型，對(duì)風(fēng)幕式噴桿噴霧氣液兩相流場(chǎng)動(dòng)態(tài)仿真，并與PDPA測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較分析，構(gòu)建合理化模型。計(jì)算結(jié)果顯示，空氣的阻力使霧滴向下運(yùn)動(dòng)的速度減小，霧滴離開噴頭移動(dòng)時(shí)，霧滴向下運(yùn)動(dòng)速度為0m/s，完全被自然風(fēng)控制并沿

5、順風(fēng)方向運(yùn)動(dòng)而不再下降，即發(fā)生飄移。在霧滴下降過程中，粒徑分布具有層次性，迎風(fēng)面處霧滴的粒徑較大，由于其自身的質(zhì)量較大而得到較早沉積;靠近流場(chǎng)上部霧滴粒徑較小，易受到自然風(fēng)的影響而飄浮于流場(chǎng)上部，難以沉積。從風(fēng)幕氣囊流出的氣流產(chǎn)生的高速流場(chǎng)，其速度方向是由風(fēng)幕氣流方向和自然風(fēng)方向的矢量和決定的。高速氣流場(chǎng)組成一道風(fēng)簾覆蓋于霧滴群上部，對(duì)霧滴群形成一個(gè)整體向下的壓制作用，迫使位于氣相流場(chǎng)上部的霧滴向下運(yùn)動(dòng)，從而能夠抑制部分霧滴的飄移。

6、r>　　基于響應(yīng)曲面法，定義抗飄移系數(shù)(f)、霧滴沉積量分布變異系數(shù)(CV)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，對(duì)風(fēng)幕式噴桿噴霧進(jìn)行多工況目標(biāo)優(yōu)化分析，獲得函數(shù)與優(yōu)化變量的關(guān)聯(lián)式及最優(yōu)工況點(diǎn)，并通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證。優(yōu)化結(jié)果顯示:單因素條件下，抗飄移系數(shù)隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加而提高，隨噴霧壓力和風(fēng)幕出口和噴頭垂直相對(duì)位置的增加而降低，隨風(fēng)幕出口和噴頭水平相對(duì)位置和風(fēng)幕出口安裝角度的增加先升高、后降低;霧滴沉積量分布變異系數(shù)隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水平相對(duì)位置、垂直相對(duì)位置的增大

7、，呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì)，隨著噴霧壓力和風(fēng)幕出口安裝角度增加而減少。多因素交互影響的結(jié)果與單因素影響趨勢(shì)相同。利用優(yōu)化算法，同時(shí)求解抗飄移性函數(shù)的最大值與霧滴沉積量分布變異系數(shù)的最小值，獲得在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min，噴霧壓力為0.3MPa，風(fēng)幕出口和噴頭水平相對(duì)位置為90mm，風(fēng)幕出口和噴頭垂直相對(duì)位置為140mm，風(fēng)幕出口和輔助氣流角為23.53°，此時(shí)f=81.4％，CV=11.54％為最優(yōu)噴霧工況，此工況點(diǎn)同樣為田間試驗(yàn)的