风幕式喷杆喷雾气液两相流动特性研究及参数优化

摘要

风幕式喷杆喷雾施药是农业植保作业中的重要技术，能够大幅度提高农药使用效率、减少雾滴飘移量。对风幕式喷杆喷雾气液两相流特性进行研究与参数优化，为喷雾参数的设计优化提供理论依据，将能实现以最低的成本、最快的速度促进喷杆喷雾施药质量的提高。为此，本文在阅读大量国内外文献的基础上，对风幕式喷杆喷雾气液两相流动特性进行了实验研究、仿真模拟和参数优化，并开展了多工况优化及田间试验验证工作。本文的主要成果如下:
　　建立了风幕式喷杆喷雾气液两相流测试系统，系统由风幕、喷杆喷雾调节装置、PDPA等部分组成，能够对风幕风机转速、喷雾压力、风幕出口与喷头的相对位置和辅助气流角等工况进行调节，实验得到喷雾雾滴群的平均粒径、喷雾雾化角以及雾滴速度分布等特征参数。通过实验获得以下结果:在相同条件下，风机转速的增加，雾滴离开喷头后在x方向的分速度不受影响，y方向的分速度分量减少，z方向的速度分量增加;随着喷雾压力的增加，雾滴在x方向的分速度不受影响，y方向的分速度分量增加，z方向雾滴的速度分量增加;随着风机转速的增加，雾滴的平均粒径增大、数量减少，雾滴粒径分布的变异系数减小;喷雾压力的增加，雾滴平均粒径减少，数量增多，在喷雾压力为0.5MPa时，风机转速对雾滴z方向速度分量及雾滴数量的影响非常显著;随着风幕出风口与喷头的垂直距离增大，雾滴在z方向的分速度均分量减小，雾滴平均粒径减小;随着风幕出风口与喷头的水平距离的增加，雾滴在z方向的分速度分量及雾滴平均粒径先增大后减小;随着辅助气流角的增大，雾滴在x方向和z方向的分速度分量均减小，当辅助气流角在45°时，雾滴在x方向的分速度出现负值，即雾滴沿着自然风相反的方向运动，随着辅助气流角的增大，雾滴的平均粒径在增大。
　　应用Ansys Fluent流体力学软件，采用离散相模型、k-ε RNG模型，对风幕式喷杆喷雾气液两相流场动态仿真，并与PDPA测量结果进行了比较分析，构建合理化模型。计算结果显示，空气的阻力使雾滴向下运动的速度减小，雾滴离开喷头移动时，雾滴向下运动速度为0m/s，完全被自然风控制并沿顺风方向运动而不再下降，即发生飘移。在雾滴下降过程中，粒径分布具有层次性，迎风面处雾滴的粒径较大，由于其自身的质量较大而得到较早沉积;靠近流场上部雾滴粒径较小，易受到自然风的影响而飘浮于流场上部，难以沉积。从风幕气囊流出的气流产生的高速流场，其速度方向是由风幕气流方向和自然风方向的矢量和决定的。高速气流场组成一道风帘覆盖于雾滴群上部，对雾滴群形成一个整体向下的压制作用，迫使位于气相流场上部的雾滴向下运动，从而能够抑制部分雾滴的飘移。
　　基于响应曲面法，定义抗飘移系数(f)、雾滴沉积量分布变异系数(CV)两个目标函数，对风幕式喷杆喷雾进行多工况目标优化分析，获得函数与优化变量的关联式及最优工况点，并通过田间试验验证。优化结果显示:单因素条件下，抗飘移系数随着风机转速增加而提高，随喷雾压力和风幕出口和喷头垂直相对位置的增加而降低，随风幕出口和喷头水平相对位置和风幕出口安装角度的增加先升高、后降低;雾滴沉积量分布变异系数随着风机转速、水平相对位置、垂直相对位置的增大，呈现先增大、后减小的趋势，随着喷雾压力和风幕出口安装角度增加而减少。多因素交互影响的结果与单因素影响趋势相同。利用优化算法，同时求解抗飘移性函数的最大值与雾滴沉积量分布变异系数的最小值，获得在风机转速为3000r/min，喷雾压力为0.3MPa，风幕出口和喷头水平相对位置为90mm，风幕出口和喷头垂直相对位置为140mm，风幕出口和辅助气流角为23.53°，此时f=81.4％，CV=11.54％为最优喷雾工况，此工况点同样为田间试验的最优工况点。
　　通过风幕式喷杆喷雾气液两相流动特性研究及参数优化，表明优化后风幕式喷杆喷雾系统能够有效的提高喷雾作业过程中的药液沉积率，减少雾滴飘移，提高雾滴沉积量分布均匀性。建立风幕式喷杆喷雾的气液两相流场动态计算模型，应用响应曲面法多工况目标优化，构建施药操作工况与药液施用指标的函数关系，为田间施药作业提供最佳的操作参数。

目录

声明

摘要

符号表

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景、目的和意义

1．2 国内外罩盖喷雾施药技术研究现状与存在问题

1．3 风幕式喷杆喷雾气液两相流场的研究现状

1．3．1 喷雾气液两相流场的实验研究方法

1．3．2 喷雾气液两相流场的数值计算

1．4 风幕式喷杆喷雾系统研究现状

1．5 本文的研究工作

1．6 本章小结

第2章 风幕式喷杆喷雾气液两相流动模型

2．1 两相流模型及颗粒轨道模型

2．2 气相湍流模型

2．2．1 控制方程

2．2．2 气相湍流模型

2．3 颗粒模型

2．3．1 雾化喷嘴模型

2．3．2 颗粒受力模型

2．3．3 液滴二次雾化模型

2．3．4 液滴的碰撞模型

2．3．5 离散相与连续相间的耦合

2．4 计算流程

2．5 本章小结

第3章 风幕式喷杆喷雾气液两相流场的实验研究

3．1 实验测试系统

3．2 实验测试内容及方法

3．2．1 风幕气流速度分布的测试

3．2．2 变工况下雾滴特性测量

3．3 实验结果及讨论

3．3．1 风机转速对风幕出口风速的影响

3．3．2 风幕风速对喷雾流场的影响

3．3．3 风幕出风口与喷头垂直相对位置变化对喷雾流场的影响

3．3．4 喷头水平相对位置变化对喷雾流场的影响

3．3．5 辅助气流角对喷雾流场的影响

3．4 本章小结

第4章 风幕式喷杆喷雾的数值模拟及实验验证

4．1 计算模型的建立

4．2 计算模型及边界条件

4．2．1 计算模型

4．2．2 连续相设定

4．2．3 离散相设定

4．2．4 边界条件设定

4．3 网格划分及计算求解

4．4 模拟结果与实验结果的对比

4．5 模拟计算结果

4．6 本章小结

第5章 风幕式喷杆喷雾的多工况优化

5．1 响应曲面法优化

5．2 多工况优化目标建立

5．2．1 抗飘移系数

5．2．2 雾滴沉积量分布变异系数

5．3 多工况模拟试验

5．3．1 各单因素对抗飘移系数及变异系数的影响

5．3．2 响应曲面法拟合模型的结果分析

5．4 喷雾工况优化

5．5 风幕式喷杆喷雾模拟结果的验证

5．5．1 试验方案

5．5．2 试验结果

5．6 本章小结

第6章 结论

6．1 研究结论

6．2 本研究的创新点

6．3 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的学术论文及其他科研成果