风送式喷雾机喷筒及喷雾效果优化机理

风送式喷雾机具有喷幅大、雾滴细且均匀性好、农药使用效率高和受环境制约少等优点，是联合国粮农组织推荐的一种先进施药技术。目前风送式喷雾机存在的主要问题有：（1）缺乏对喷雾机的作业机理和设计理论的研究，产品开发停留在经验或半经验设计阶段；（2）喷雾机喷筒结构固定，无法灵活调节各喷雾参数以实现最优化的喷雾效果。因此，研究风送式喷雾机的作业机理，探索减少药液损失、实现最优化喷雾效果的途径，对风送式喷雾机设计的标准化、系列化及提高风送式喷雾技术具有重要意义。本项目研究内容：（1）应用计算流体力学、实验流体力学、气体动力学的原理与方法对喷筒结构、气流运动、气流对雾滴的作用进行建模和仿真，研究其力学特性；（2）设计制作喷雾机样机，进行实验并考虑环境因素，对模型进行修正；（3）研究不同喷雾参数组合下雾滴初始直径、传输特性和沉积特性的变化规律；（4）建立喷雾效果的最优模型，为风送式喷雾机研发提供依据。

风送式喷雾机利用气流把农药雾滴强制喷入作物冠层，该方法可大幅度降低农药飘失量，常用于高秆作物和果树、林木的病虫害防治中。利用CFD（Computational Fluid Dynamics，即计算流体动力学）对风送式喷雾机喷筒结构进行研究，可以准确预测产品的整体性能，使产品设计或优化周期显著缩短，降低费用。本项目研究内容包括：（1）利用数值试验及正交试验的方法，对风送式喷雾机的喷筒结构进行优化设计；（2）建立喷筒的力学模型，仿真分析喷筒出口处的速度，并通过试验测定评价模型的可信性；（3）优化导流器，试制试验样机，利用数值试验及实际测量，测量优化后风送式喷雾机的流场、气流运动分布及功率消耗；（4）研究气流对雾滴的作用及雾滴初始直径、传输特性、沉积特性和雾滴谱变化规律；（5）宽喷幅风送式喷雾机喷口形式优化研究；（6）优化雾滴沉积分布。本项目研究的重要结果包括：（1）影响喷筒压力损失及喷筒出口风速值的因素依次均为：出风口直径、柱形喷筒长度、锥形喷筒长度；（2）在喷筒出口采样点上，仿真计算出的风速值区间覆盖实测风速值的概率为95%；χ2 检验表明在水平0.05下，喷筒出风口风速的仿真值均服从其实际测量值的分布，表明研究所选定的模型是可信的；（3）导流片的安装既有利于将喷筒内的旋转气流转化为轴向的气流，同时又产生压力损失，导流片数目一般以4~5片为宜，安装半椭球形导流器的喷筒与安装柱形导流器的喷筒的出风口速度基本相同，而前者的工作效率高，具有节约电能的作用，额定工况下，可节约电功率4.88%；（4）风送式喷雾机的雾滴传输经历3个过程：近出风口处高速气流对雾滴的破碎使得雾滴直径变小；中速气流对雾滴的传输中存在的碰撞与聚合使雾滴直径变大；低速气流使雾滴在扩散弥漫中因蒸发作用而使雾滴直径变小；（5）优化的宽喷幅风送式喷雾机的喷幅扩大了55.46%；（6）采用优化的喷头安装方式及开启方法后，风送式喷雾机的雾滴沉积均匀性显著提高，雾滴沉积分布的变异系数由111.3%下降为27.41%；（7）将风机的转速作为仿真的初始值，用MRF模型对风送式喷雾机喷筒出口的风速进行仿真计算，为风送式喷雾机喷筒结构的优化提供一种更接近实际工况的仿真方法。