果园多风机风送喷雾机聚风筒聚风特性的试验研究

边永亮 李建平 杨 欣 陈春皓 吕林硕 吕孟宽

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071000)

近年来，我国果园种植模式进行了现代化改造，大范围的推广矮砧密植种植模式。新型种植模式下的果树靶标具有枝叶稠密的特点，为了提高药液穿透力国内外广泛使用风送喷雾技术。但传统风送喷雾机的扩散送风方式会造成大量农药飘移，从而对人类健康和环境造成严重威胁，研究聚风防漂移喷雾技术具有重要意义。

国外对风送喷雾防飘移技术展开大量研究，先后开发出塔型风送喷雾机、多风管风送喷雾机，多风机风送喷雾机。其中，多风机风送喷雾机有双风机交叉流、四风机横流和六风机塔型风送喷雾机等。国内开发出轴流风机和离心风机的双风机风送喷雾机，对多风机喷雾机普遍使用的圆盘雾化器进行性能分析，钟志清等研发出四风机横流式风送喷雾机。果园风送喷雾果树冠层内外沉积分布很大程度上取决于风送系统风力的有效供给，而国内外多风机风送喷雾机采用的风送喷雾系统均为风机外缘设置一圈喷头的结构，存在风能利用率低、出风口到靶标之间喷雾四散飘移的问题。围绕风机聚风技术，已有研究将风机与一个锥形风筒和一个柱形风筒组成的聚风筒接合进行风送试验，聚风筒可提高气流在水平方向的速度，有效约束雾体、减小能量损失，显著提高风送喷雾的防飘移性能。聚风筒对喷雾机的风送系统性能改善具有重要作用。

基于以上分析，本研究拟运用计算流体力学(Computational fluid dynamics，CFD)技术，设计单因素和多因素试验研究聚风筒的气流衰减规律和喷雾沉积性能，并对风筒类型、风筒长度与风机转速等因素对聚风性能的影响进行研究，确定适合多风机施药装置搭载施药的聚风筒设计参数，以期为风送喷雾系统的改进设计提供参考。

1 聚风筒设计原理

1.1 聚风筒设计方案

聚风筒是一种使气流体压力降低而流速增加的特殊形状的管段，广泛应用于工程机械。本研究选定直筒式、渐缩式和渐开式3种风筒进行研究(图1)：直筒式风筒为圆柱管段，管壁与轴线夹角(

θ

)为0°，渐缩式风筒的

θ

=-3°，渐开式风筒

θ

=3°。忽略风机性能因素影响，选定T35型通用轴流风机，风机高度

h

为40 cm，风机轴向宽度

L

为30 cm，聚风筒长度

L

对聚风效果有显著影响，经初步研究，聚风筒管段长度≤30 cm，聚风作用不够显著。标准果园行距为4 m，果树单侧冠幅为1 m，喷雾机横向设计尺寸只能≤2 m，单侧风机加风筒应≤1 m，风机轴向宽度

L

为30 cm，故聚风筒管段最大宽度应≤70 cm，聚风筒管段长度可控制在30～70 cm。影响聚风筒聚风效果的因素为风机转速，风筒类型，风筒长度。以出风口流速大小、气流场分布情况是否满足要求和风送喷雾质量的高低评价聚风筒设计方案的优劣。

1.轴流风机;2.电机;3.扇叶;4.风筒 1.Axial fan; 2.Motor; 3.Fan blade; 4.Hair dryer h为风机高度；L1为风机轴向宽度；L2为风筒长度；θ为管壁与轴线夹角。 h is the height of the fan; L1 is the axial width of the fan; L2 is the length of the fan; θ is the angle between the tube wall and the axis.图1 风筒设计方案图(剖视图)Fig.1 Design plan of the wind duct (cross-sectional view)

1.2 聚风筒仿真分析与对标试验

为分析不同类型的聚风筒的风场特性，通过应用CFD仿真软件Solidworks flow simulation进行仿真运算。

1

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2

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1

气流场数值仿真过程1) 模型建立。建立风机与聚风筒组成的风送系统三维模型。依据矮砧密植苹果园机械作业的园艺要求：果树行距为4 m，株距1.5 m，树高约4 m，单颗果树横向最大幅宽约2 m，故设置计算域为长

L

=4 m，宽

W

=2 m，高

H

=4 m的矩形空间，保持与在果园中实际作业的空间尺寸基本相同。本研究风机与聚风筒的外流场无需设置边界条件。聚风筒三维空间模型见图2。

1.计算域；2.旋转域；3.聚风筒；4.果树模型 1.Computational domain; 2.Rotational domain; 3.Wind collecting tube; 4.Fruit tree model H为计算域高度；W为计算域宽度；L为计算域长度；H1为风机轴线距计算域底面的距离；L3为风筒出风口距果树树干中心线的距离；L4为风筒出风口距计算域左侧面的距离；l为风场内测量点距出风口的距离。 H is the height of the calculation domain; W is the width of the calculation domain; L is the length of the calculation domain; H1 is the distance between the fan axis and the bottom of the calculation domain; L3 is the distance between the air duct outlet and the center line of the fruit tree trunk; L4 is the distance between the air outlet of the air duct and the left side of the calculation domain; l is the distance from the measurement point in the wind field to the air outlet.图2 聚风筒三维空间模型Fig.2 Three-dimensional space model of wind cconverging tube

2)网格划分。采用全局网格与局部网格划分相结合的方式对风送系统进行处理，共计生成流体网格382 189个。经细化后的网格可基本满足风送系统外流场的基本运算。

3)物理模型选取及运算。为研究风机旋转产生的风经过聚风筒后形成的风场，选取“旋转运动模块”中的“局部旋转(均值)”。旋转区域的流动参数使用稳态方法计算，在旋转区域的边界求均值，设置叶片旋转速度为1 000 r/min。选择

k

-

ε

湍流模型，可满足旋转流的紊流度、湍流强度的要求，环境温度设置为298.5 K(室温25 ℃)，压力为标准大气压101.325 kPa。默认环境风速为0.1 m/s，目标监测选取静压、总压、动压、流体密度、速度和风力。

1

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2

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2

聚风筒气流场对标试验

为验证仿真试验是否符合实际情况，进行聚风筒中心轴线风速标定试验。

1)试验仪器。YCBP4-2永磁变频岗位式变频风机，转速为600～3 000 r/min，可供风量4 000～11 000 m/h，全压范围100～350 Pa；UT363S 数字式风速计，风送测量范围为0.4～30.0 m/s，分辨率0.01 m/s，准确度±5%；水敏纸，重庆六六山下植保科技有限公司生产；激光扫描仪型号：Epson perfection 1670；温度测试仪型号：精创RC-4；UNI-T非接触式转速计。管段长度为60 cm的渐缩式、渐开式、直筒式风筒各1个。

2)试验过程。开启待测风机，风机转速调到1 000 r/min。采用风速仪点对点测量法测量取样点上的风速大小，测量点取在风机轴线上，每间隔20 cm取1个测量点。

1

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2

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3

试验结果分析

聚风筒风速标定曲线见图3：3种风筒物理与仿真试验的出口风速随距离变化的趋势基本一致，曲线基本重合，平均误差分别为4%、5%和9%，仿真模型可基本模拟轴流风机配置聚风筒风场的运行规律。经Origin非线性曲线拟合发现，3种风筒的风速随距出口距离的增大呈现指数函数衰减，拟合函数为：

y

=

y

+

A

e-

(1)

式中：

y

为风速，m/s；

y

为初速度，m/s；

A

和

t

为拟合函数系数。由指数函数的性质可知，

t

值越小，函数衰减越快。直筒式、渐缩式和渐开式聚风筒的

t

系数分别为0.23、0.35和0.31，由此可知，直筒式聚风筒风速衰减最快，渐缩式风筒衰减最慢。

图3 直筒式(a)、渐缩式(b)、渐开式(c)聚风筒风速标定曲线Fig.3 Wind speed calibration curve diagram of straight cylinder type (a), tapered type (b) and involute type (c) wind converging ducts

2 影响聚风特性的因素分析

为进一步研究聚风筒类型、聚风筒长度和风机转速因素对聚风特性的影响，设置如图4所示的试验装置，雾滴主要通过标尺上的水敏纸收集，采用水敏纸分析雾滴沉积情况。水敏纸在标尺上间隔20 cm放置1张，共放置20张。

2.1 风筒类型对聚风特性的影响

在风机转速为1 440 r/min、风筒长度60 cm条件下，进行3种风筒和无风筒的喷雾试验和仿真模拟试验。

2

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1

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1

雾滴雾化情况

风能越大可传递给雾滴的能量越大，越有利于雾滴穿透果树冠层。采用雾化后的雾滴粒径大小表征聚风性能的优劣。不同风筒类型雾滴体积中值直径(VMD)分布见图5：4种风筒类型下VMD均值分别为185.31、154.42、268.28和369.86 μm，无风筒状态下VMD普遍大于240 μm，雾滴雾化较差，有聚风筒作用的条件下，雾滴的VMD普遍减小，雾滴的雾化作用明显，渐缩式风筒的聚风雾化作用性能尤为明显。

1.电源；2.地轮；3.支撑架；4.导线；5.轴流风机；6. 变频电机；7.扇叶；8.聚风筒；9.环形喷管；10.喷头；11.喷雾角；12.药桶；13.水管；14.电动隔膜泵；15.标尺；16.水敏纸 1.Power； 2.Ground wheel； 3.Support frame； 4.Wire； 5.Axial fan； 6.Frequency conversion motor； 7.Fan blade； 8.Wind collecting tube； 9.Ring nozzle； 10.Nozzle； 11.Spray angle； 12.Medicine barrel； 13.Water pipe； 14.Electric diaphragm pump； 15.Ruler； 16.Water sensitive paper图4 聚风特性试验装置Fig.4 Test device for wind converging characteristics

图5 4种风筒类型雾滴体积中值直径分布箱线图Fig.5 Box plot of droplet volume median diameter distribution for four types of wind ducts

2

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1

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2

风场速度流线

对4种风筒形式下的风场进行仿真，风场的速度流线见图6：在无风筒、直筒式、渐缩式和渐开式聚风筒的状态下，旋转轴线上的风场最大风速分别为2.89、3.10、4.86和8.32 m/s，最大风压分别为5.81、10.27、18.68和7.23 Pa；无风筒状态下的风速总体偏小，风场较为分散，气流集中段较短，速度衰减较快。有聚风筒的情况下，风速均经风筒加速后形成气流集中段后再向外扩散。渐开筒相对于直筒与渐缩筒的气流集中段较短，扩散性较强。气流集中性能由高到低排序为渐缩式、直筒式、渐开式、无风筒。

图6 无风筒(a)、直筒式(b)、渐开式(c)和渐缩式(d)风筒速度流线图Fig.6 Velocity streamline diagram of no wind duct type (a), straight cylinder type (b), involute type (c) and tapered type (d) wind ducts

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1

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3

不同风筒类型下的雾滴横向穿透性

将水敏纸分别粘贴在果树模型内中外3层叶子的叶面叶背上，喷雾口距果树树干的距离为1.5 m。雾滴横向穿透性试验结果见表1：加聚风筒的雾滴沉积要普遍优于无风筒，内中外3层的变异系数较小，聚风筒可有效改善雾滴沉积效果。内层叶面叶背的雾滴沉积密度由大到小呈现渐缩式、直筒式、渐开式、无风筒的规律，3种聚风筒胁迫雾滴的横向穿透性能由高到低为渐缩式、直筒式、渐开式、无风筒。

表1 不同风筒类型的果树冠层雾滴沉积密度

Table 1 Droplet deposition density of fruit tree canopy with different types of air ducts 滴/cm

冠层Canopy张贴位置Post location聚风筒类型 Concentrator type无风筒No air dryer直筒式Straight渐缩式Tapered渐开式Involute内层Inner layer叶面80.28119.33121.36118.81叶背34.1857.1463.9358.55中层Middle layer叶面212.38261.19280.00243.21叶背59.0975.2683.6772.17外层Outer layer叶面260.00290.87310.25304.67叶背125.00134.26140.99138.00

2.2 风筒长度对聚风特性的影响

2

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2

.

1

聚风筒长度对风速的影响在风机转速为1 440 r/min，聚风筒类型一致的条件下，5种不同聚风筒长度(

L

)下风速随距出风口距离(

l

)的变化见图7。当

L

为30～60 cm时，直筒式聚风筒出风口风速随着

L

的增大，最大风速呈增大趋势，当

L

为70 cm时出现下降；随着

L

的增加，风速峰值横坐标在0.2～0.7 m内逐渐向后移动。在距出风口1.0～1.5 m范围内，

l

相同时，

L

越长，速度越大。渐缩式聚风筒出口风速随着

L

的增加，聚风所得的最大风速呈现先减后增的趋势；随着

L

的增加，风速峰值在0.3～1.0 m 区间内逐渐向后移动。

l

在1.0～1.5 m范围内，在相同距离处，

L

越长，速度越大。渐开式出口风速变化较为复杂，存在2个峰值，喷雾作业主要应用第二峰值；随着

L

的增大，风速第二峰值呈现增大趋势，在距出风口1.0～1.5 m范围内，

l

相同时，

L

越长，速度越大。由上述分析，选取50、60和70 cm为后续多因素试验的聚风筒长度。

L2为聚风筒长度。 L2 is the length of the condenser.图7 直筒式(a)、渐缩式(b)和渐开式(c)风筒风速随距出风口距离的变化Fig.7 Straight cylinder type (a), tapered type (b) and involute type (c) wind speed change curve with the distance from the air outlet

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2

.

2

聚风筒长度对雾滴沉积的影响选取聚风筒为渐缩筒，风机转速为1 440 r/min，研究聚风筒长度

L

对雾滴沉积的影响，试验方法同2.1节，试验结果见图8：

L

为50、60和70 cm时的雾滴沉积情况较优于30和40 cm。

2.3 风机转速对聚风特性的影响

2

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3

.

1

风机转速对风速的影响在聚风筒长度为50 cm的条件下，研究3种聚风筒的风机转速对风速的影响，仿真结果见图9：3种风筒出风口风速随着转速呈倍数的增大，速度峰值也呈倍数增大；转速的改变不影响速度峰值的位置，直筒式和减缩式聚风筒的速度峰值出现在0.5 m左右，渐开式聚风筒的速度峰值出现在0.1 m左右、速度谷值出现在0.5 m左右；在距出风口0～3.0 m范围内，在

l

处，转速越大，风速越大。

图8 渐缩式风筒不同风筒长度下的 果树冠层雾滴沉积密度Fig.8 Droplet deposition density of fruit tree canopy under different lengths of tapered wind ducts

图9 直筒式(a)、渐缩式(b)和渐开式(c)风筒不同转速(n)下风速随距出风口距离的变化Fig.9 Wind speed of the straight cylinder type (a), tapered type (b) and involute type (c) air ducts at different speeds (n) varies with the distance from the air outlet

2

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3

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2

风机转速对雾滴沉积的影响

聚风筒为渐缩筒，聚风筒长度为50 cm，试验方法同2.1节，不同风机转速对雾滴沉积的影响见图10：在720～2 880 r/min转速范围内，风机转速越高，雾滴沉积效果越好。

图10 不同风机转速下果树冠层的雾滴沉积密度Fig.10 Droplet deposition density of fruit tree canopy under different fan speeds

2.4 响应面参数优化

2

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4

.

1

试验结果与方差分析为确定聚风筒的最佳设计参数，进行聚风特性试验，研究风筒类型、风筒长度和风机转速交互作用对聚风特性的影响。试验因素水平见表2。应用Design-Expert 12.0的Box-behnken design 模型进行试验设计与分析，响应指标选取距出风口1.0 m处的平均速度

Y

和风场的纵向幅宽

Y

。试验方案与结果见表3。

表2 聚风特性试验因素水平
Table 2 Test factor levels of wind converging characteristics

水平Level因素 FactorA,聚风筒类型Air ducttypeB,聚风筒长度/cmLength ofair ductC,风机转速/(r/min)Fan speed-1渐缩式507200渐开式601 4401直筒式702 880

表3 参数优化试验方案与结果
Table 3 Test scheme and results of droplet deposition

试验序号No.因素水平 Factor levelABCY1/(m/s)Y2/mm试验序号No.因素水平 Factor levelABCY1/(m/s)Y2/mm1-1-102.681 625.801001-11.451 542.2621-102.151 570.93110-110.962 439.763-1104.191 459.88120113.022 634.784-1104.062 203.73130000.981 978.525-10-13.311 465.25140000.841 858.816-10-12.521 422.43150000.761 964.917-1013.652 012.47160000.641 749.3481013.442 506.81170000.881 933.9290-1-10.251 451.67

注：为风速；为风场纵向幅宽。表4同。

Note: is wind speed; is the longitudinal width of wind field.Table 4 is the same.

回归方程方差分析见表4。剔除不显著项，风速

Y

、风场纵向幅宽

Y

分别与聚风筒类型

A

、聚风筒长度

B

、风机转速

C

的二次多项式回归方程为：

Y

=0

.

82-0

.

21

A

+0

.

84

B

+0

.

44

C

+0

.

22

BC

+ 2

.

13

A

+0

.

32

B

+0

.

28

C

(2)

Y

=1897

.

10+142

.

56

A

+94

.

06

B

+ 464

.

03

C

+199

.

68

AB

+134

.

29

AC

- 173

.

70

A

+128

.

34

C

(3)

风速回归模型显著性检验

P

<0.000 1，失拟项

P

=0.158 0，说明模型极显著，失拟不显著，拟合统计

R

=0.992 6，试验误差较小，模型的拟合程度高。对风速的影响，

B

、

C

、

A

、

B

极显著，

A

、

BC

、

C

显著，影响显著顺序为聚风筒长度>风机转速>聚风筒类型>聚风筒长度与风机转速交互作用。聚风筒长度与风机转速交互项对风速影响显著。风场纵向幅宽回归模型显著性检验

P

=0.000 2<0.01，失拟项

P

=0.376 9>0.05，说明模型极显著，失拟不显著，拟合统计

R

=0.970 5，试验误差较小，模型的拟合程度高。对风场纵向幅宽的影响，

A

、

C

、

AB

、

A

极显著，

B

、

AC

、

C

显著，影响显著的顺序为风机转速>聚风筒类型>聚风筒类型与聚风筒长度交互作用>聚风筒长度>聚风筒类型与风机转速的交互作用。聚风筒类型与聚风筒长度的交互作用对风场纵向幅宽有极显著影响，聚风筒类型与风机转速的交互作用对风场纵向幅宽有显著影响。

表4 风速和风场纵向幅宽试验回归方程方差分析
Table 4 Analysis of variance for regression equations of wind speed and the longitudinal width of wind field

因素FactorY1Y2F1P1F2P2模型Model103.64<0.000 125.600.000 2 A11.300.012 015.760.005 4 B183.050.000 16.860.034 5 C51.410.000 2166.92<0.000 1 AB1.310.289 615.450.005 7 AC2.760.140 66.990.033 2 BC6.070.043 30.260.623 1 A2626.91<0.000 112.310.009 9 B214.500.007 10.030.871 3 C210.830.013 36.720.035 8失拟项 Lack of fit3.000.158 01.350.376 9

试验因素交互作用对风场风速的影响：在聚风筒类型不变时，随着聚风筒长度的增大，风速呈现先上升后下降趋势；在聚风筒长度一定时，风速随着聚风筒类型的变化呈现先下降后上升的趋势，渐缩筒、直筒式风筒比渐开式风筒聚风性能更优；在聚风筒长度不变时，风场风速随着风机转速的增加呈现上升趋势；在风机转速一定的情况下，风场风速随着聚风筒长度的增加呈现增长的趋势。在聚风筒类型一定的情况下，风场风速随着风机转速的增加呈现增长趋势；在风机转速一定的情况下，随着风筒类型的变化，风速呈现先下降后增加趋势。

试验因素交互作用对风场纵向幅宽的影响：在风筒类型不变时，随着风筒长度的增大，风场纵向幅宽呈现上升趋势；在风筒长度一定时，风速随着聚风筒类型的变化呈现先上升后下降的趋势，渐开式风筒风场纵向幅宽较大；在风筒长度不变时，风场纵向幅宽随着风机转速的增加呈现上升趋势；在风机转速一定的情况下，风场纵向幅宽随着风筒长度的增加呈现缓慢增长的趋势。在风筒类型一定的情况下，风场纵向幅宽随着风机转速的增加呈现增长趋势；在风机转速一定的情况下，随着聚风筒类型的变化，风场纵向幅宽呈现先下降后增加趋势。

2

.

4

.

2

参数优化与验证为获得对聚风筒设计的最佳参数组合，运用Design-Expert 12.0软件的优化分析功能，以评价聚风性能的2个指标

Y

、

Y

为目标函数，对聚风筒设计参数进行优化。较大风速可起到翻动树叶增加叶背雾滴沉积量的，风场纵向幅宽是满足喷雾覆盖到整颗果树的必要参数，但太大的幅宽会造成喷雾的飘移。由于树高为4.0～4.5 m，一侧果树采用3套风送喷雾装置，经计算，适宜幅宽范围为1 300～1 500 mm，故目标函数为：

Y

[max];

Y

[1 400,1 600];约束条件为：

A

的水平值∈[-1,1];

B

的水平值∈[-1,1];

C

的水平值∈[-1,1]。通过软件选出满意度最高的编码值组合：

A

的水平值为-0.960;

B

的水平值为1.000;

C

的水平值为0.254。此参数组合下，风速为4.191 m/s，风场纵向幅宽为1 594.47 mm。为了检验优化后所得数据，选取聚风筒类型为渐缩筒，风筒长度为70 cm，风机转速1 440 r/min，在曲阳绿阳农业产业园区进行3组平行试验，试验时间为上午9：00，环境湿度为31%，环境最大风速约0.2 m/s，风力等级对试验影响可以忽略不计。试验数据取均值，风速

Y

为4.115 m/s，风场纵向幅宽

Y

为1 547.92 mm(表5)。预测值与实际试验值误差小于5%，说明预测模型可靠。

表5 风速和风场纵向幅宽优化模型预测值与试验值
Table 5 Predicted value and experimental value of wind speed and wind field longitudinal width optimization model

试验序号No.因素Factor风速Y1Wind speed风场纵向幅宽Y2Wind field longitudinal width聚风筒类型Hair dryertype聚风筒长度/cmLength ofair duct风机转速/(r/min)Fan speed预测值/(m/s)Predictivevalue试验值/(m/s)Actualvalue相对误差/%Relativeerror预测值/mmPredictivevalue试验值/mmActualvalue相对误差/%Relativeerror14.0563.221 555.322.462渐缩式701 4404.1914.2782.081 594.471 538.463.5134.0124.271 549.982.79

由上述参数优化与验证试验，确定聚风筒的设计运行参数为：渐缩筒，风筒长度70 cm，风机转速1 440 r/min。

3 结 论

本研究设计了一种将轴流风机与聚风筒直接配合的风送系统，运用计算流体力学技术与对标试验研究3种聚风筒的气流衰减规律，设计单因素与多因素试验对风筒类型、风筒长度与风机转速等因素对聚风性能的影响进行研究。主要结论如下：

1)与轴流风机直接配合的直筒式、渐缩式、渐开式3种聚风筒，可将风力集中，减少风能耗散，用于多风机风送喷雾机的设计。3种风筒的风速随距出口距离的增大呈现指数性衰减。直筒式的聚风筒风速衰减最快，渐缩式风筒的衰减最慢。

2)聚风筒对雾滴的胁迫作用明显，有风筒的条件下，雾滴体积中值直径分布较无风筒的偏低，渐缩式风筒的聚风性能尤为明显；气流集中性能由高到低排序为渐缩式、直筒式、渐开式、无风筒；3种聚风筒胁迫雾滴的横向穿透性能由高到低为渐缩式、直筒式、渐开式；聚风筒长度越长，聚风性能越好；随着转速呈倍数的增加，速度峰值也呈倍数增加，转速的改变不影响速度峰值的位置，距出风口的距离相同时，转速越大，风速越大。

3)影响风场风速的显著顺序为：聚风筒长度>风机转速>聚风筒类型>聚风筒长度与风机转速交互作用。对风场纵向幅宽的影响显著顺序为风机转速>聚风筒类型>聚风筒类型与聚风筒长度交互作用>聚风筒长度>风筒类型与风机转速的交互作用。聚风筒最优参数设计组合为，风筒类型为渐缩筒、聚风筒长度为70 cm、风机转速1 440 r/min，此参数组合下，距出风口1 m处的风场风速均值为4.115 m/s，纵向幅宽为1 547.92 mm。