航空低量窄雾滴谱旋转离心喷嘴雾化性能研究

摘要

植保无人机在我国发展迅速，但是由于喷洒部件技术落后，造成雾滴沉积分布不均匀、飘移风险高等问题。喷嘴的雾化性能尤其是雾滴粒径和雾滴谱宽度，直接影响药液的喷洒质量。离心喷嘴由于运行可靠、雾滴谱窄、喷幅宽在航空施药领域有广阔的应用前景。研究离心喷嘴的雾化机理，为改进喷嘴结构、优化转杯参数提供理论支撑和试验依据，以期获得满足航空施药高空、高速、大流量喷洒条件的窄雾滴谱离心喷嘴。
　　本文主要采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法，分析了离心喷嘴的雾化过程以及雾滴运行轨迹，模拟了离心喷嘴内部和外部的流场分布，确定了喷嘴工作参数，优化了转杯结构参数。主要研究内容如下：
　　（1）通过对比液力喷嘴和离心喷嘴的雾化原理，选择更适合航空喷洒的离心喷嘴作为研究对象。喷嘴的雾化性能直接影响施药作业的喷洒质量，设计了离心喷嘴雾化机理的研究方法与实施方案。
　　（2）为获得窄雾滴谱的离心喷嘴，提出了把喷嘴的雾滴体积中径和雾滴谱宽度作为衡量转杯离心雾化喷嘴雾化性能的评价指标。在确定了试验的工作条件和采样点位置的基础上，采用方差分析和均值比较的统计方法，得到转杯的最佳沟槽形状为方形。转杯直径和齿数对雾滴体积中径和雾滴谱宽度影响显著，正确组合直径和齿数，能够获得窄雾滴谱的离心喷嘴。根据二次回归正交旋转设计以及SAS软件响应面分析，得到雾滴体积中径和雾滴谱宽度的二次回归模型。决定系数R2分别为0.803和0.834，回归模型拟合良好。优化后的转杯结构形状是：直径为65mm，齿数为168个。雾滴体积中径和雾滴谱宽度的模拟值分别为165.6μm和102.1μm，满足航空低量喷雾对雾滴粒径的要求。
　　（3）在明确离心喷嘴的结构、工作原理的基础上，使用四阶标准 Runge-Kutta算法，基于Matlab平台数值求解雾滴运动微分方程，得到雾滴在空气中的运动轨迹，以及雾滴水平速度和竖直速度的变化规律。数值求解的方法解决了复杂微分方程难以获得解析解的问题。
　　（4）采用RNG k-ε模型算法，基于CFD平台模拟了转杯内部流场的分布规律和外部流场的沉积分布规律。转杯内部液体流场的分布以及雾滴沉积量分布范围的边缘半径随着旋转角度的增加而先增大后减小。
　　（5）采用变频器调整电机转速，采用回水阀稳定喷洒液体的流量和压力，设计并搭建了离心雾化试验台。试验研究了喷嘴的雾化形状、雾滴沉积量分布规律。由于入水口偏置，以入水口为起点，雾化半径、雾滴沉积量及雾滴粒径随着转杯的旋转方向逐渐增加，当到达一定方位后又逐渐减小。雾滴水平位移的理论值、沉积分布边界的模拟值与有效落点试验值的相对误差分别在5.31％和14.49%以内，表明雾滴运动方程解析、沉积分布边界模拟基本正确。

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英文缩略表

第一章 引 言

1.1研究目的和意义

1.2 航空植保的现状与趋势

1.3 离心喷嘴雾化机理研究现状

1.4研究内容与方法

1.5本章小结

第二章 转杯离心喷嘴结构优化试验

2.1 转杯离心喷嘴结构与工作原理

2.2 液膜厚度计算

2.3试验设备与工作条件

2.4本章小结

第三章 雾滴轨迹方程的建立与求解

3.1 雾滴离开转杯边缘的初始速度

3.2 雾滴运动轨迹方程建立

3.3 雾滴运动轨迹方程求解

3.4 本章小结

第四章 流场数值模拟

4.1控制方程

4.2计算域网格划分

4.3边界条件与流场计算

4.4流场分析

4.5 本章小结

第五章 雾滴沉积边界试验

5.1 转杯离心喷嘴雾化形状

5.2雾滴沉积量分布均匀性

5.3雾滴沉积分布外边界的验证

5.4结构改进方案

5.5本章小结

第六章 全文结论

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

作者简历