风送式超低量喷雾装置内流场数值模拟研究.docx

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风送式超低量喷雾装置内流场数值模拟研究

武汉理工大学

硕士学位论文

风送式超低量喷雾装置内流场数值模拟研究

姓名：

彭军

申请学位级别：

硕士

专业：

机械制造及其自动化

指导教师：

柴苍修

20061001

武汉理工大学硕士学位论文

摘要

低容量喷雾和风送远射程喷雾技术是近年来世界植保机械领域研究的新技术。

其独特的优点是省工、省药、费用低，对农药的剂型、气象条件要求不严格等。

但我国在此领域与发达国家还有很大差距，主要体现在旌药工效低和农药有效利用率低等。

因此积极开展我国施药器械和施药技术的基础理论研究，尽快提高我国农药使用技术水平便成为当务之急。

ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ）技术发展到今天，已逐渐作为一种新手段而日益受到重视并得以广泛地应用和发展，并在诸如航空航天等高科技领域中得到了众多工程实践的证实。

ＣＦＤ技术对这些领域中流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等问题的高精度数值预测使其在越来越多的工程中得到推广和应用。

・

本文基于６ＷＣ．３０Ｙ－Ｇ型车载式超低容量喷雾机的喷雾装置，结合喷雾装置流场区域内流场的湍流特性，建立合适的湍流模型。

基于ＣＦＤ通用软件ＦＬＵＥＮＴ，确定了一套喷雾装置内流场的数值模拟方法。

首先，从理论上分析雾滴破碎的机理，找出影响雾滴尺寸和均匀性的主要因素。

其次，针对喷雾装置内流场的流动情况，建立合适的湍流模型，并寻找合理的数值求解算法。

结合喷雾区域流场的流动状态对喷雾装置内流场数值模拟的过程及关键问题进行了阐述。

第三，利用ＦＬＵＥＮＴ软件对喷雾装置内流场进行模拟分析。

通过对起涡器和喷筒选取不同的参数，分别进行模拟分析，比较模拟结果找到最优的起涡器参数，给喷雾装置的设计提供理论依据。

【关键词】喷雾机，风送喷雾，农药施用，雾滴漂移，流场模拟

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｕｌｔｒａ－ｌｏｗｖｌｏｕｍｅｓｐｒａｙｍｇａｎｄｌｏｎｇ－ｒａｎｇｅａｉｒ－ａｓｓｉｓｔｅｄｓｐｒａｙｉｎｇａｒｅｔｈｅｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃｅｓａｒｉｓｅｎｒｅｃｅｎｔｌｙｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｐｌａｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｉｔｓｓｐｅｃｉａｌｍｅｒｉｔｓ：

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ｃｕｒｉｎｇ，ａｎｄｂｅｉｎｇｎｏｔｓｔｒｉｃｔｔｏｔｈｅｓｏｒｔｓｏｆｄｒｕｇａｎｄｗｅａｔｈｅｒｅｏｎｄｉｔｉｏｎｅｔｅ．ｗｈｉｃｈｈａｖｅｍａｄｅｔｈｅｓｅｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｗａｌｋｉｎｔｈｅｆｉｒｓｔｒａｎｋｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｐｌａｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

Ｓｐｒａｙｅｒ，Ａｉｒ－ａｓｓｉｓｔｅｄｓｐｒａｙｉｎｇ，Ｃｒｏｐ—ｄｕｓｔｉｎｇ，Ｄｒｏｐｌｅｔｄｒｉｆｔ，Ｆｌｏｗｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ．Ｖ

第一章绪论

１．１本课题的研究背景

２０世纪中叶，环境污染问题已引起国际社会的严重关注。

我国政府在全面建设小康社会的同时，也已经把治理农业生态环境、发展可持续农业作为我国农业生产发展的一项基本国策。

当前世界各国所关注的环保问题中，农药被认为是主要的污染源之一。

简陋落后的植保机械不但浪费人力和物力，而且加剧了环境污染。

随着社会环保意识的提高，植保机械也必然向减少和避免污染的方向发展。

施药技术的落后是农业生态环境恶化的一个重要污染源。

施药技术包括药械、农药、施药方法等三个重要方面，三者相辅相成ｌＩｊｌ２Ｊ。

随着我国加入ＷＴＯ，我国农业进入了一个新的发展阶段。

我国的农业增长，也将由数量型向质量、效益和安全型转变，并实现结构的战略性调整，发展无公害农业和可持续发展农业【３１。

植物保护是农业生产中最普遍的一项农事活动，而喷洒化学农药则是病、虫、草害防治中最为快速、最为经济的有效手段，在可预见的历史时期内不可替代。

全世界每年使用农药近３００万吨。

我国化学防治面积已达２．８７亿ｈｍ２次，并且还在以每年递增Ｏ．１３亿ｈｍ２次的速度增长。

每年，我国都有１００万吨农药制剂、ｌ亿吨药液喷撤到农田中。

使用农药防治农作物病虫草害，目的是要用最少量的农药取得最佳防治效果，并且不引起人畜中毒和环境污染等负面效应。

可实际上，喷撒出去的农药只有极少部分能达到要防治的靶标上，Ｍｅ，ｃａｌｆ（１９８０）做了个估算，从施药器械喷撒出去的农药只有２５＊／ｒ５０％能沉积在作物叶片上，不足１％的药剂能沉积在靶标害虫上，只有不足Ｏ．０３％的药剂能起到杀虫作用。

因而，众多学者都认为：

“化学农药是高效的，但使用手段却是低效率的”。

农药使用中的低效率，不仅浪费大量农药，还使大量农药流失到非靶标环境中，造成人畜中毒、环境污染。

如何提高农药的有效利用率，降低农药在非靶标环境中的投放量，便成为农药学科亟待解决的问题，这也构成了农药使用技术在２１世纪的主要研究内容１４Ｊ。

农药的使用离不开施药器械，目前我国施药器械的社会保有量已超过９×１０７台（架），数量居世界第一，但其中９０％以上是喷洒部件比较单一的手动背负机械。

大部分地区仍采用大雾滴、大容量的喷雾方法喷洒农药，农药的有效利用率很低，喷洒出去的农药仅有２０％～３０％能够沉积在靶标上ｐ４Ｊ，远低于发达国家５０％的平均水平，大部分农药流失、飘失到环境中，不仅影响防治效果、降低农药的利用率，而且严重影响非靶标区敏感作物的生长，污染生雍。

环境，

甚至引发人畜中毒。

农药之所以被指责为环境安全的罪魁祸首，与使用技术水平和喷雾装置的落后有着密切的关系。

正因为如此，不仅限制了农药药效的发挥，并带来了环境污染、人员中毒、残留超标等诸多负面问题，严重危害社会稳定和经济的发展，因此，积极开展我国施药器械和施药技术的基础理论研究，尽快提高我国农药使用技术水平便成为当务之急【４１。

１．２国内外喷雾机械发展现状

１．２．１国外喷雾机械发展现状

从全球喷雾机械的发展来看，法国是世界上应用喷雾机械较早的国家，十九世纪中叶，法国先用喷雾喷洒灭菌剂来防治葡萄园的病害。

美国在十九世纪五十～六十年代制造了手动喷雾器，１８８７年，出现了第一台马拉驱动的喷雾机。

１９００年，有了带汽油发动机的喷粉、喷雾机。

１９５２年以后，开始了拖拉机悬挂式喷雾机。

前苏联的航空植保应用较早，起始于１９３５年，现已广泛用于谷物、经济作物、森林、果园和葡萄园的病虫害防治［９，１０Ｊ。

世界发达国家自上世纪六、七十年代起就开始寻求高效、低污染的施药技术及其机具的研制；在化防方面，国际上农药向广谱、高效、低毒、低残留发展，品种增加，产量减少，同时大力推广和应用生物农药。

到八十年代就已经基本达到植物病、草、虫害防治的高度机械化也就是所谓的“四化”，即非常专业化、全部法律化、机具现代化和指标国际化［ＩＨ。

目前重点开发和应用的施药新技术包括对靶喷雾技术、离心喷雾技术、可控雾滴技术、低量喷雾技术等。

从目前情况来看，西欧与美国的厂家仍以生产高效的大中型拖拉机配套的喷雾机和航空喷雾为主，如ＨＡＲＤＩ（丹麦）、ＳＰ＆ＷＩＮＧＳＹＳＴＥＭ（美国）、ＭＩＣＲＯＮ（英国）等。

日本则以小型喷雾机为主，如有光公司，其使用技术不断提高，应用领域也不断扩展。

在现在和今后相当长一段时间内，很多国家向拖拉机配套的低容量、超低容量喷雾、静电喷雾、控滴喷雾以及风送式喷雾方向发展。

另外一些先进技术也将广泛应用于植保机械领域，如全密封自动混药，宽喷幅风送飘逸，微电脑信息技术以及液压控制等【１２ｊ。

国外植保机械发展的特点可综述为如下几点ｏ，１８１：

１．从采用全液压驱动向着大型多功能和航空喷雾方向发展

在大型植保机械上，尤其是喷杆喷雾机上，采用全液压系统，如转向、制动、行走及加压泵等都由液压驱动，不仅使整机结构大为简化，也使传动系统的可靠性大大增加。

有些地方还采用了液ｊＫ减震悬浮系统（Ｔ．Ｐ．Ｄ），可依据负载２

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和斜度的变化进行调整，从而保证喷杆升高和速度变化时系统保持稳定ｌ”Ｊ。

法国生产的药箱最大５０００Ｌ，工作幅宽最大达３４ｍ。

应用于果园树木的弥雾机同样向着大药箱容积，提高射程和幅宽等方向发展。

为提高拖拉机的利用率，减少下地次数，有些国家将喷雾机与其它机具联合作业。

例如西德生产的ＲＡＶ联合万能喷雾机可与中耕机联合使用，并能进行带状喷雾，喷施液体化肥等作业。

日本有光公司生产的自走式喷雾机，驱动轮上装有单向离合器，转弯性能好。

为适应大面积病虫害的经济及时防治，航空植保机械发展也相当快。

现在全世界有农用飞机２００００多架，由于直升机比固定翼飞机机动灵活，所以发展也较快。

如俄罗斯卡—２６型直升植保飞机，和日本的Ｒ．５０型无线电遥控植保直升飞机，以及神户的无人驾驶颗粒物料撒布直升机等【ｌ“ｑ。

２．植保机械的控制技术向自动化、智能化发展

计算机及单片机的广泛使用使植保机械向自动化、智能化发展。

采用电子技术和电脑对作业速度、作业面积、喷雾压力、喷雾量等进行监测和自动调整，极大的改善了机手的劳动条件，提高了作业效率和准确性。

电子显示和控制系统己成为大中型植保机械不可缺少的部分【ｌ丌。

自走式喷雾机所配的电子系统较复杂，功能也较全。

牵引式和悬挂式机型所配的系统相对简单些。

电子控制系统一般可以显示机组前进速度、喷杆倾斜度、喷量、压力、喷洒面积和药箱药液量等。

通过面板操作，控制电磁阀动作，可调整系统压力、单位面积喷洒量及几路喷杆的喷雾作业等。

系统依据机组前进速度自动调节单位时间喷洒量，使药液喷洒量随工作速度调节的自动化及远距离操纵成为可能。

计量泵可以按预定比例直接将农药注入喷雾机管路的水流中混合，控制器根据作业参数的变化调节农药泵的排量。

为避免药液的浪费和污染，英国采用选择性喷雾器ｌｌ”。

当探测器中出现绿色植被时，由微处理器控制，打开电磁阀，喷头喷雾。

荷兰的喷雾机则用人驾驶，自动导向装置由传感器控制引导机器前进，由计算机指示机器移行、行驶、喷药，除此之外，计算机特别是单片机还应用于喷杆的调整、高度的调节。

日本开发了一种使用电缆诱导式果树无人操作喷雾机，沿着作业路线，在地下深３０ｃｍ处、地表或空中（架高１５０～２００ｃｍ）铺设电缆ｌＪ州，通上交流电，诱导传感器测出所产生的磁场，机具沿感应电缆行走进行喷雾作业。

此外，把常温烟雾机用于无人操作的温室大棚进行喷雾作业和利用无线电遥控小型飞机对小块种植复杂的田块喷洒农药，也是安全旌药的一种发展。

如日本久保田公司生产的ＫＧ．２００无人驾驶农用飞机，最大功率为１３２Ｋｗ，药箱装载量为１ｌＬ，控制范围为１００～１５０ｍ。

３．采用药液雾滴飘逸控制技术提高了施药的精确性在施药过程中控制雾滴的飘逸、提高施药的附着率是减少农药流失、降低

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对土壤及环境污染的一个重要措施【２０】。

国外在这方面采用了多项技术，如采用防飘喷头、风幕技术。

静电喷雾技术及雾滴回收技术等。

使用静电喷雾技术可减少药液损失６５％以上，但由于该项技术应用到产品上尚未完全成熟，成本过高。

目前，只在少量的植保机械上采用。

风幕于２０世纪在欧洲兴起，即在喷杆喷雾机的喷杆上增加了风筒和风机，喷雾时，在喷头上方沿喷雾方向强制送风，形成风幕【２ｌｌ。

这样不仅增大了雾滴的穿透力，而且在有风（小于４级风）的天气下工作，也不会发生雾滴飘逸现象，可节省施药量２０％～６０％。

但由于风幕技术增加的成本较多，而且喷杆的悬挂和折叠机构更加复杂和庞大，所以一些植保机械厂家开发了新型防飘逸喷头。

该喷头在３００～４００ＫＰａ压力下工作，由喷头体两侧小孔进气，在喷头体内形成混合体颗粒，喷出后，由于颗粒较粗不易飘逸且穿透性好，击中靶标后，气液颗粒发生爆炸可形成更多、更小的液体颗粒覆盖于靶标表面。

在雾滴飘逸和提高附着率方面，使用这种喷头的喷杆喷雾机同样可以达到风幕式喷杆喷雾机的效果。

４．采用自动对靶施药技术和精密施药技术提高农药的附着率

加强精密施药技术研究。

根据信息数据对喷雾作业按最大效益进行优化，根据外界作业条件的变化动态来改变作业参数。

包括流量控制和空间喷雾模型、激光成像雾滴测试系统、用于喷雾分析的高速运动测试系统、图像分析雾滴测试系统等知识体系。

精准施药技术的核心是地理信息系统（ＧＩＳ），利用它可根据信息数据对作业按最大效益进行优化。

这种技术的一个重要方面就是能根据要求动态改变作业参数。

其数据流可表现为：

田间数据采集（航空成像、杂草检测识别系统）一图像数据处理一形成数据地图一数据文件拷贝一智能喷雾机，在全球定位系统ＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）的支持下根据数据地图进行防治作业∞ｌ。

该技术是气象知识、计算机信息技术以及智能施药技术的融合，也是未来病草虫害防治技术的发展趋势。

目前，主要有两种方法可以实现对靶施药：

（１）图像识别技术［２３１。

该系统由摄像头、图像采集卡和计算机组成。

计算机把采集的数据进行处理，并与图像库中的资料进行对比，确定对象是草还是庄稼，何种草等，以控制系统是否喷药。

（２）采用叶色素光学传感系统（或超声波传感系统）。

该系统主要由一个独特的叶色素光学传感器、控制电路和一个阀体组成，阀体内含有喷头和电磁阀。

当传感器通过测试叶色素判别有草存在时，控制喷头对准目标喷洒除草剂。

目前只能在裸地上探测目标，可依据需要确定传感器的数量，组成喷洒系统，用于果园的行间护道、沟旁和道路两旁喷洒除草剂。

使用该系统，能节省用药６０％～８０％。

但是由于成本和技术等多方面的原因，以上两种方法还处于试验和少量产品推广阶段。

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５．采用农药注入（ＤＩＳ）和自清洗系统改善施药的安全性保护生态环境

传统的喷药技术广泛采用人力混药，然后用机器喷雾，增加了操作人员中毒的可能性。

为了减少人药接触中毒事件，国外植保机械己采用自动混药技术，由于母液制备量比药液少的多，不但减少了原药与水源、人体接触的机会，而且方便、灵活，可根据需要调节混药比例。

农药不直接加到大水箱中，而是倒入专用加药箱，用非计量泵抽入水箱中，抽尽为止，或把药放入一个专门的加药箱内，加水时利用一个混药器按一定比例自动把药吸入水中和水混合，再通过液体搅拌系统把药液搅匀。

喷杆喷雾机上一般还配有两个清水箱。

一个用于洗手，另一个用于药液箱和加药箱及机具外部，人体基本上不与药液接触

【１３’２４，朔。

丹麦ＡＬＰＨＡ２０００等大型喷杆喷雾机，均采用自动混药技术，配有加药箱、主药箱、清水箱和洗手水箱。

配药时，先把母液倒入配药箱中，通过转换开关从清水水箱中吸水稀释，再通过转换开关将药液吸入主药箱中配成所需药液。

英国ＡｇｒｉＦｕｔｕｒａＤｏｓｅ２０００型机具配有一个３０Ｌ的农药容器，计量泵从容器中吸取农药。

根据作业参数确定计量泵的活塞行程，使农药增加或减少。

农药在混合室与来自水箱的水混合稀释后流向喷杆。

这种方法在环境保护、人身安全和经济效益上有着突出的优点，消除了配药时操作人员与农药的接触，同时用药量可随时调节，防止过量旌药。

有些国家在手动喷雾机上也发展与推广了类似的技术。

如部分喷雾器可将农药瓶直接连接到喷杆的混药器上，利用液体的抽吸作用在雾化前自动混药，完全避免了农药原液与操作者接触的危险【２５Ｊ。

６．采用先进的设计手段，缩短了设计周期

随着发达国家工业化技术水平的全面提高，植保机械技术也获得了较大的发展。

采用计算机辅助设计，尤其是对喷头和喷杆喷雾机的喷杆悬挂系统等一些关键部件或装置，利用计算机数值动态仿真方法，可动态模拟在各种工况下药液的雾化和喷杆的展开及折叠情况，以此未确定合理的参数，设计快速、准确、可靠‘１３１。

７．化学防治为主体，重视综合防治技求发展

世界农业发展的实践证明，化学防治是当前农业病虫害防治的主要手段，是综合防治技术的重要组成部分。

从提高效率、节省能源和保护生态环境的目标出发，各国都在积极发展农业病虫草害的综合防治技术：

（１）大力培育抗病力强甚至抵抗某种虫害的农作物新品种，我国也已取得瞩目的成果。

（２）积极推广利用天敌和生物农药防治病虫害，国外已经开发出赤眼蜂投放机，应用于蔬菜、谷类、豆类、甜菜、玉米的生物防治，获得成功。

（３）研究丌发利用光、电、热杀灭害虫和杂草的物理防治技术。

利用黑光灯诱杀害虫的方法，在我国已经获得了广泛应用。

Ｒ本萨在进行利用小容量高电压脉冲电火花放电防治杂草的试

验，它是利用放电时的冲击波机械地破坏细胞壁、细胞膜杀伤杂草。

另一种物理方法是，利用液化石油气燃烧时产生红外辐射，其波长是植物组织吸收率最高的波长，达到杀灭杂草的目的｛２６１。

相信在不久的将来，各种低污染的病虫草害防治方法和植保机械将逐步推广，广泛应用。

１．２．２国内赜雾机械发展现状

我国植保机械的产品结构组成包括手动背负式喷雾器、手动压缩式喷雾器、手动踏板式喷雾器、背负式喷粉喷雾机、担架式机动喷雾机、小型机动喷烟机、拖拉机悬挂或牵引的喷杆式及风送式喷雾机、航空喷雾喷粉设备等。

其中，各种手动喷雾器的年生产能力约１４００万架，年生产量８００．１０００万架；背负式喷粉喷雾机的年生产量１５００．２０００台。

各种手动喷雾机由于其结构简单，价格便宜，适合当前我国广大农村的购买力，因而目前市场覆盖面很大，约占整个植保机械市场的８０％左右，担负着全国农作物病、虫、草害施药防治面积的７０％以上，是当前我国“虫口夺粮”和“虫口夺棉”的主力军。

近十年来，随着我国农村经济的不断发展，背负式喷粉喷雾机、担架式机动喷雾机及喷杆式喷雾机的年需求量不断增加。

我国航空植保由于受国情及气候、环境等多种因素制约，发展速度比较缓慢，目前仅有运一５、运一“型农用飞机及云雀直升机配有喷雾及喷粉装置及小型蜜蜂一３型伞翼机上配装超低容量喷雾机装置，总保有量不足２００架，主要用于草原灭蝗、森林治虫及个别突发性、大面积的病虫害防治作业【３】。

我国进行离心雾化喷雾技术的研究比较晚。

１９７３年，英国Ｍｉｃｒｏｎ设备公司来华座谈时，通过获得英国“额娃牌”手持电动微量喷雾器的信息后，国内才开始进行地面离心雾化喷雾技术的试验研究。

１９７４年以来，国内许多单位研制了以东方红一１８型为代表离心雾化装置进行低量或超低量喷雾，用于农业防治病虫害和卫生防疫，其工作原理就是用离心风机产生的高速气流使离心雾化喷头高速旋转，来自风机的高速气流使带齿的转盘以９０００转／分的速度转动，前后齿盘外缘圆周上１８０个齿尖，以１３５米／秒线速度将药液抛出，雾化成直径１５—７５微米的雾滴。

这种装置可依转盘的转速变化来控制雾滴大小，现在国内仍以这类机型为主。

与此同时，以微电机驱动离心雾化盘的手持电动超低量喷雾器在国内发展较快，但这类机型只限于飘逸性喷雾，受风力、风向和上升气流的影响比较大，其效率和效果受外界自然条件的限制，同时使用干电池，作业时问短、成本高，制约了手持式超低量喷雾器的推广，目前基本已淘汰。

在离心雾化技术应用于大中型喷雾机方面，由于受到农业、应用领域等诸多条件限制，长期以来发展缓慢。

近年来随着防护林带和喊市绿化的迅猛发展，爆６

发性蝗虫灾害的日益加剧，采用离心雾化技术研制大中型喷雾机对林木病虫害及大面积蝗灾进行快速、有效地防治，已引起有关部门高度重视。

南京农机化研究所根据市场的需求，开展了该领域的试验研究和产品开发，并且已经取得了显著的成绩，先后开发研制了３ＷＰ－－３５０型、３ＷＰ－－８００型炮塔式离心雾化风送远射程喷雾机，其中前者已经通过江苏省科技厅鉴定，该项目在我国植保机械化技术中居领先水平，其各种技术指标已经接近或达到国外同类相关产品。

我国的航空植保开始于１９５１年，当时是利用安—２型飞机来防治蝗虫，１９５９年起，林业上开始使用飞机灭虫，那时的飞机灭虫以喷粉为主。

１９７４年，我国开始把离心雾化技术应用于飞机超低量喷雾的研究。

１９７５年和１９７６年分别用于农业和林业生产。

我国航空植保有一定程度的发展，但是喷洒技术、农药剂型、喷雾设备尚待进一步研究和完善【ｌｑ。

１．３我国喷雾机械发展中存在的主要问题

长期以来，我国在植物病虫害防治中普遍采用常量喷雾技术，农药的有效利用率只有２０％～３０％。

如果在植保机械中采用低量喷雾技术，农药的有效利用率可提高到３５％～４５％。

节省农药使用量４０％，而且可以明显减少对环境的污染，具有显著的经济效益和社会效益。

我国目前的单位面积平均施药量约为美国施药量的３．５倍、欧洲平均施药量的２倍。

由于施药技术落后使药效不高，年施药量有增无减，加大了农业成本和环境保护的压力。

国内外在这方面的研究主要集中