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超高地隙喷杆喷雾机风幕系统试验研究与仿真分析

张铁  
【摘要】:长期以来,我国玉米、甘蔗等高秆作物生长中后期病虫害防治难的问题一直没有得到解决。因此,研究高秆作物植保作业机械和防飘移技术对发展我国农药药械与施药技术有一定的理论意义,对高秆作物生长期全程病虫害高效防治具有一定的实用价值。 本文根据国家高技术研究发展计划(863计划)项目课题“高秆作物高效施药技术研究与装备创制”(课题编号:2008AA100901)研究任务,结合项目研制的3WZC-2000型超高地隙自走式喷杆喷雾机,对高穿透性风幕系统进行了实验、设计和性能优化,对风幕式高穿透施药技术在高秆作物施药作业过程中雾滴的沉积分布特性和飘移规律进行了试验研究和CFD仿真分析。 设计了风量(风速)和气流方向可调的新型风幕系统,能够进行风幕系统作业参数的实时调整,提高农药有效利用率,减少环境污染。 建立了风幕系统的风幕结构基于k-ε标准湍流模型的气流场速度分布模拟模型,并对风幕结构进行了优化设计。改进后的风幕系统出口气流速度增加,辅助气流沿喷杆方向分布均匀性良好,风幕系统性能得到了大幅提高。 在玉米生长高度分别为0.8、1.6和2.2m时对超高地隙喷杆喷雾机风幕式高穿透施药技术进行了田间试验,研究了喷雾压力、喷雾机作业速度、风幕出口风速及植物冠层特性对雾滴沉积量和分布均匀性的影响,论证分析了风幕系统的防飘效果和农药利用率使用效果。 田间试验结果表明,超高地隙喷杆喷雾机风幕系统提供的辅助气流具有较强的穿透性,在施药作业过程中对增加高秆作物枝冠中下层的雾滴沉积特性具有显著作用;风幕系统的辅助气流速度大小与雾滴沉积分布均匀性呈正相关系,风幕出口风速越大,雾滴沉积分布均匀性越好,雾滴穿透性越强;在相同的作业条件下,增大喷雾压力使雾滴在冠层的单位面积沉积量增加,而对雾滴的分布均匀性无明显影响;在所研究的影响雾滴沉积量和分布均匀性的4个因素中,风幕出口风速是雾滴沉积分布均匀程度的决定因素,其次是植物冠层特性和喷雾压力,而喷雾机作业速度对其影响最小;超高地隙自走式喷杆喷雾机风幕系统能够有效的减少雾滴飘移,提高农药的使用效率。 结合超高地隙喷雾机实际结构,应用计算流体力学软件Ansys Fluent,采用离散相模型、标准k-ε湍流模型与Couple算法,建立了风幕式高穿透施药技术雾滴沉积飘移分布模型。利用中心组合设计法设计模拟实验,重点对飘移率及其与影响因素之间的关系进行了仿真研究,确定了不同风机转速下雾滴飘移率与其各影响因素之间的函数关系,并利用试验对模拟研究结果的准确性进行了验证。结果表明,所建模拟模型能够比较准确的反映风幕系统各作业参数对雾滴飘移率的影响规律。 基于响应曲面法对影响雾滴飘移的各参数进行了优化。确定了在风力等级为1、2、3、4级的作业条件下,获得较小雾滴飘移率时风机转速、辅助气流角度、喷头水平安装位置的合理取值范围。


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