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基于CFD流场模拟的传统苹果园风送喷雾机研制

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基于CFD流场模拟的传统苹果园风送喷雾机研制

作者：李守藏西北农林科技大学

学位级别：硕士

植保技术是保证果树增产增收最快速、有效的方法之一,目前高效喷雾机以大型药械为主,但大型药械很难进入传统苹果果园内部,给机械化作业带来了不便。因此我国大部分地区的传统苹果果园喷雾作业仍以人力和担架式喷雾机等大喷雾量的施药... 详细信息

植保技术是保证果树增产增收最快速、有效的方法之一,目前高效喷雾机以大型药械为主,但大型药械很难进入传统苹果果园内部,给机械化作业带来了不便。因此我国大部分地区的传统苹果果园喷雾作业仍以人力和担架式喷雾机等大喷雾量的施药方式为主,存在施药不均匀、环境污染、药物残留、高劳动强度的问题。并且传统方法研制喷雾机周期长、成本高,而CFD(计算流体动力学)技术可以为喷雾机的研制和控制提供理论依据,能大大缩短研发周期,减少生产成本。为研制适合我国传统苹果果园的喷雾装备,本着节约研发成本,缩短周期的原则,基于CFD技术设计适合我国传统苹果果园的风送喷雾机。本论文主要研究内容及结果如下:1.基于CFD的喷雾机内部流场和外部流场模拟分析。由于传统风送喷雾机的研制成本高、周期长,为缩短研发周期,减少成本,通过CFD技术对风送喷雾机风送系统进行了设计和优化,从最大限度的减小气流能量的损失和涡流、提高流场分布的均匀性的原则出发,设计了最佳的风箱结构和具体参数。模拟分析了喷雾机流场分布规律,建立了喷雾高度与喷头倾角模型:当喷头倾角大于85°或者小于40°时改变喷头的倾角对气流场的改变影响不大,在喷头倾角为40°-85°时。建立了喷头倾角与喷雾高度线性模型:随着喷头倾角的增加,喷雾高度也相应的增加。在气流场模型的基础上,模拟了风送喷雾机雾滴沉积模型,得到了雾滴沉积分布规律。2.传统苹果园风送喷雾机的设计。结合我国传统苹果果园的种植模式、喷雾机发展现状及流场模拟结果,提出了一种适合我国传统苹果果园的风送喷雾机。并对风送喷雾机的风送系统、喷雾系统、传动系统和主要零部件进行了设计,对风送喷雾机底盘、药箱支架、车轴进行了理论分析计算、优化和改进,并在保证安全、可靠、稳定的前提下对喷雾机底盘和药箱支架进行了轻便化优化设计。3.喷雾机雾滴沉积分布试验及田间通过性试验。设计了喷雾机的雾滴覆盖率和雾滴穿透性的田间试验,试验结果表明:风送喷雾机雾滴覆盖率较高,雾滴分布较均匀,达到同样的喷施效果,喷雾量仅为担架式喷雾机的15%,工作效率比担架式喷雾机提高了10.8倍。对风送喷雾机的壕沟通过性、越障通过性、爬坡通过性进行了测试,测试结果表明:在喷雾机满载的情况下,风送喷雾机具有较好的通过性。4.基于CFD模拟不同车速对流场漂移的影响。流场的分布规律受喷雾机行走速度的影响明显,为研究喷雾机在不同行走速度下流场的分布规律,基于CFD动网格技术实现了在三维模型下研究喷雾机行走速度对流场漂移的影响,分析了喷雾机在不同行走速度下的流场分布及漂移规律,建立了流场漂移距离与车速的关系模型,为喷雾机的自动化控制和高效对靶提供理依据。由模拟可知:在车速为0.5 m/s-2.0 m/s时,随着车速的增加,漂移距离也逐渐递增,漂移距离的增幅由先是递增而后逐渐递减。

关键词：果园喷雾机 CFD 气流场雾滴沉积模型风送喷雾

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果园风送喷雾机雾滴沉积状态预测研究

果园风送喷雾机雾滴沉积状态预测研究

作者：马亚坤华南农业大学

学位级别：硕士

风送喷雾作业功效与靶标特性、喷雾系统参数有关。国内外已有雾滴与靶标交互机制研究大多基于静态的大田作物叶片,具有一定的局限性。本文定位于风送喷雾雾滴粘附至动态靶标叶片后沉积状态的研究,融合风送喷雾作业参数和果树靶标特征信... 详细信息

风送喷雾作业功效与靶标特性、喷雾系统参数有关。国内外已有雾滴与靶标交互机制研究大多基于静态的大田作物叶片,具有一定的局限性。本文定位于风送喷雾雾滴粘附至动态靶标叶片后沉积状态的研究,融合风送喷雾作业参数和果树靶标特征信息,探究风送喷雾主要因素对雾滴沉积的交互影响机制,获取雾滴沉积至靶标叶面后雾滴与叶面交互各阶段行为和能量变化规律,构建融合叶片形态特征与叶片表面性质的风送喷雾叶面雾滴沉积状态预测模型及风送喷雾作业参数最优决策模型,为提出风送喷雾雾滴沉积行为研究新方法提供理论依据。1)加工制作了轴流风送喷雾机样机,搭建了轴流风送试验平台,并测试了轴流风送试验平台的轴向气流分布特性;测定了不同粒径型号喷嘴喷施雾滴粒径及风送气流场中雾滴运动速度。2)基于卷积积分法建立风送气流非周期激励下叶片气动响应方程并使用激光非接触动态测量系统进行模型验证,可由靶标叶片尺寸、叶片初始倾角、叶片气动响应刚度及靶标叶片处风送气流速度计算出靶标叶片气动响应瞬时速度。3)开展不同特征靶标叶片雾滴沉积试验,回归分析雾滴沉积试验结果,构建风送喷雾亲、疏水叶面雾滴滑动功与叶面粗糙因子、叶面接触角及叶片倾角的关系模型并基于能量守恒定律建立叶面雾滴滑动临界粒径模型。4)高速摄像法观测雾滴沉积行为,推导叶面雾滴不同沉积状态所对应的雾滴覆盖率;响应曲面分析风送变量喷雾试验数据,建立叶面雾滴滑动功与沉积雾滴动能的关系模型;构建风送喷雾雾滴沉积状态预测模型及风送喷雾作业参数最优决策模型。

关键词：风送喷雾叶片特征喷雾参数沉积预测参数决策

温室喷雾机移动式风送喷雾数值模拟与试验研究

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温室喷雾机移动式风送喷雾数值模拟与试验研究

作者：付子文江苏大学

学位级别：硕士

喷施化学农药仍是温室病虫害防治最为有效的手段,由于中国日光温室具有设施结构复杂和密植栽培的特点,导致在作物叶片上雾滴难以均匀沉积分布。目前,日光温室喷雾机的喷雾系统作业效果不佳,存在药液输送距离短、垄间地面药液沉积多等问... 详细信息

喷施化学农药仍是温室病虫害防治最为有效的手段,由于中国日光温室具有设施结构复杂和密植栽培的特点,导致在作物叶片上雾滴难以均匀沉积分布。目前,日光温室喷雾机的喷雾系统作业效果不佳,存在药液输送距离短、垄间地面药液沉积多等问题。因此,本文针对日光温室的结构和植株栽培特点,对风送喷雾系统结构进行选型,采用现场试验和数值模拟的方式,得到风送系统在移动状态下的外部气流场分布规律和雾滴沉积特性,为温室风送喷雾机移动喷雾进行指导。研究内容与结果如下:（1）针对风送系统模型,分析不同结构的风送系统内外部气流场的速度分布情况。风送系统包括风机、出口装置和风路管道,提出了一种基于气流流域内动量守恒的送风量计算方法,基于该原则计算了喷杆单向有效射程6 m,升降行程1.5 m的送风量为0.178 m·s,根据风量和风压确定了离心风机的型号。为了减少气流的沿程损失,对单筒、两筒和四筒等不同特征的出口装置进行选型,内部流道入口矩形为88×98 mm,其对应的风路管道的直径分别为85 mm、63 mm和45 mm,分别用A～J来命名。选用了叠加式风送喷杆,以满足喷雾装置深入作物行间实施喷雾的需求。通过网格无关性检验确定了模型网格的划分尺寸,并测得喷雾机风送系统升降的速度大小,为气流场和雾滴场研究提供变量参数。针对植株栽培特点,保证气流射程和气流扩散（向垄间两侧植株）,筛选出符合需求的三种风送系统,最后选取喷雾机工作参数风机转速和上升速度作为研究对象,分析三种风送系统外部气流场影响规律研究,结果发现:（a）随着风机转速的增加,风场风速分布的区域也随之增加,风送距离的增加,会提高雾滴的输送距离。（b）风送系统上升速度从0.1 m/s上升到0.5m/s时,气流分布趋势由水平到有弧度,且出口速度越快,气流下降的趋势就越明显。对三种风送系统气流场进行试验验证,结果表明三种风送系统相对误差都在15.85%以内。（2）针对风送喷雾模型,分析不同结构的风送喷雾系统在移动状态下雾滴沉积分布规律。风送喷雾模型进行雾滴数值模拟时,需要得到离散相参数,离散相参数包括雾滴粒径、流量、喷雾角、雾化角等,通过DP-02激光粒度分析仪得到雾滴粒径分布趋势,根据扇形喷嘴喷雾有明显的边界,利用高速摄像拍摄得到喷雾边界的照片,经过二值化处理得到喷雾角和雾化角。选取喷雾机工作参上升速度、风机转速和移动行程作为研究对象,分析三种风送喷雾系统在移动状态下雾滴沉积分布规律,结果发现:（a）A-Ⅰ-0型风送系统喷雾沉积受上升速度的影响较小,对应的沉积区域雾滴百分比变化量小;然而,在沉积区域3-5 m处,E-Ⅱ-40型和J-Ⅳ-40型风送喷雾系统受上升速度影响较大,最大在3 m处,差值为分别为7.4%和8.1%。（b）雾滴沉积量随着风机转速的提高而输送距离越远,但也导致大量的雾滴发生漂移。尤其是A型风送系统随着风机转速的增加,明显增加5-7 m处的沉积量。E型增加了3-5 m出的沉积量;J型增加了3-4 m处的沉积量。J型风送系统气流发生交汇,随着转速增加,导致在垄间地面的雾滴分布区域增大,形成药液的浪费,因此E型比J型向两侧扩散效果更好。（c）移动行程与风机转速呈现出相似的移动喷雾雾滴沉积规律。通过集液法得到风送系统雾滴沉积量,分析风送喷雾系统雾滴沉积系数的试验值和仿真值,总体看来,三种风送系统的雾滴沉积量百分比的试验值与仿真值基本趋于一致。（3）在移动喷雾试验场景下,喷雾机工作参数分别与在叶片上的雾滴沉积覆盖率、在地面上的雾滴沉积覆盖率建立了相对应的回归模型。结果表明,预测值和试验值相对误差在14.27%以内。结果表明:（a）A-Ⅰ-0型风送系统的风机转速对叶片雾滴覆盖率影响非常显著,移动行程和两因素之间的交互作用对叶片雾滴覆盖率影响显著,其风机转速和两因素之间的交互作用对地面雾滴覆盖率影响非常显著,移动行程对地面雾滴覆盖率影响显著;（b）E-Ⅱ-40型风送系统的风机转速、移动行程以及两者的交互作用对叶片雾滴覆盖率非常显著,其风机转速对地面雾滴覆盖率影响显著,移动行程对地面雾滴覆盖率影响非常显著,两者的交互作用对地面雾滴覆盖率影响不大。

关键词：风送喷雾数值模拟出口装置气流分布雾滴沉积分布

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江苏研制成功遥控履带自走式果园风送喷雾机

农药市场信息 2017年第16期 50-51页

作者：张金平

果树生病了,如何又快又有效地给果树上药?一直以来困扰着果农。现在好了,南京林业大学机电学院教授许林云团队与江苏省南通市广益机电有限公司研制的遥控履带自走式果园风送喷雾机,不但能又快又准地给果树喷药,而且还能遥控操作,工作效... 详细信息

果树生病了,如何又快又有效地给果树上药?一直以来困扰着果农。现在好了,南京林业大学机电学院教授许林云团队与江苏省南通市广益机电有限公司研制的遥控履带自走式果园风送喷雾机,不但能又快又准地给果树喷药,而且还能遥控操作,工作效率可达普通喷药机的10倍。近日,该成果获教育部高等学校科学研究优秀成果二等

关键词：风送喷雾自走式果树园履带链轨果园江苏

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果园风送喷雾机应用技术

农业知识 2018年第8期 17-19页

作者：李建平王利源汪强王鹏飞杨欣刘俊峰河北农业大学机电工程学院

一、适宜范围适于矮砧密植栽培模式或经间伐改造乔砧稀植的苹果园,地势平坦,有通行机耕道路。二、结构和工作原理1.结构组成。风送式喷雾机一般由机架、风机、液泵、喷头、药箱、导流罩及传动系统等零部件组成,风机可采用轴流风机或离... 详细信息

一、适宜范围适于矮砧密植栽培模式或经间伐改造乔砧稀植的苹果园,地势平坦,有通行机耕道路。二、结构和工作原理1.结构组成。风送式喷雾机一般由机架、风机、液泵、喷头、药箱、导流罩及传动系统等零部件组成,风机可采用轴流风机或离心风机,液泵可采用隔膜泵或柱塞泵。喷嘴产生的雾滴分布在风扇形成的空气流之中,并由气流将雾滴送到树冠的各个部位。2.药液雾化原理。果园风送

关键词：风送喷雾拖拉机自走式喷雾机具

圆盘风扇风送喷雾气流速度场的CFD模拟及试验验证

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江西农业学报 2009年第11期21卷 87-89,101页

作者：陈发元汪小旵傅锡敏吕晓兰南京农业大学工学院江苏南京210031 农业部南京农业机械化研究所江苏南京210014

为了研究圆盘风扇气流速度场分布特性及各因素的影响规律,建立了基于CFD模拟的沈力SF-4型风机气流速度场分布模型,并且设计实验验证了模拟结果。研究表明,进口气流速度变化对气流场分布特性无明显影响,但与风扇轴中心距离不同的截面上... 详细信息

为了研究圆盘风扇气流速度场分布特性及各因素的影响规律,建立了基于CFD模拟的沈力SF-4型风机气流速度场分布模型,并且设计实验验证了模拟结果。研究表明,进口气流速度变化对气流场分布特性无明显影响,但与风扇轴中心距离不同的截面上气流场速度分布规律有较大差异。双风扇同时送风时,对彼此气流场影响显著,且双风扇气流场气流速度分布均匀。模拟值与试验值对比表明,所建模型可以比较准确地模拟圆盘风扇气流场的分布。

关键词：圆盘风扇 CFD模拟气流速度场风送喷雾

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我国果园风送式喷雾装备与技术研究进展

中国农机化学报 2023年第7期44卷 69-77页

作者：徐陶吕晓兰祁雁楠曾锦雷哓晖袁全春江苏省农业科学院农业设施与装备研究所南京市210014 农业农村部园艺作物农业装备重点实验室南京市210014

风送式喷雾机是目前我国果园喷雾装备的主流,针对我国现阶段果园风送式喷雾装备起步晚、装备落后,存在用药量大、雾滴飘失严重等施药现状,从施药原理、作业特点等分别介绍不同机型风送式喷雾装备研究现状,并结合当前先进静电喷雾技术、... 详细信息

风送式喷雾机是目前我国果园喷雾装备的主流,针对我国现阶段果园风送式喷雾装备起步晚、装备落后,存在用药量大、雾滴飘失严重等施药现状,从施药原理、作业特点等分别介绍不同机型风送式喷雾装备研究现状,并结合当前先进静电喷雾技术、循环喷雾技术、精准变量施药技术及CFD流体仿真模拟技术,重点阐述目前我国风送式喷雾装备与先进施药技术融合的最新研究进展,分析不同作业方式下风送式喷雾机在果园喷药应用中存在的问题,提出未来我国风送式喷雾机械装备发展的几点建议:深化推进平原及丘陵山地的标准化、宜机化建园;融合先进施药技术及智能探测手段,实现果园风送式喷雾机智能化、精准化施药;针对丘陵山地,研发推广具有体积小、适用性强的适用于丘陵等地小型果园喷雾机型。

关键词：风送喷雾果园施药技术靶标探测精准施药 CFD仿真

基于Android的果园自动对靶风送式喷雾试验台的研制

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基于Android的果园自动对靶风送式喷雾试验台的研制

作者：白鹏山东农业大学

学位级别：硕士

当前,使用化学农药保护农作物免受病虫害的侵蚀仍然是最快捷和最为经济的有效措施,但我国果园植保机械落后导致农药施药量超标,传统的连续施药方式不适合现代农业的发展。现有的自动对靶喷药设备大多以工控机为上位机控制端,无形中增加... 详细信息

当前,使用化学农药保护农作物免受病虫害的侵蚀仍然是最快捷和最为经济的有效措施,但我国果园植保机械落后导致农药施药量超标,传统的连续施药方式不适合现代农业的发展。现有的自动对靶喷药设备大多以工控机为上位机控制端,无形中增加了设备成本不利于推广。为了提高果园植保机械的自动化水平,改变传统连续施药的作业方式,降低自动对靶喷雾设备的造价,采用Android手机控制技术研制了一款基于Android的果园自动对靶风送式喷雾试验台。通过调查分析现有的自动对靶喷雾技术参数及研究现状,确定了果园自动对靶风送式试验台的整体设计方案和工作原理。基于Solid Works进行了实体建模设计,同时对关键零部件进行设计与计算,利用ANSYS软件对传动系统中的传动轴进行了分析校核,结果显示传动轴的设计满足使用要求。构建了果园自动对靶控制系统的硬件结构。从系统的稳定性,性价比、实用性、推广性等方面考虑,选用数据采集装置,执行元器件及控制芯片,并设计了相关的硬件电路。程序软件的设计。根据喷雾控制逻辑以C语言为基础编写了下位机软件,主要包括各模块驱动程序、滤波程序以及通讯信号解码处理程序。开发了基于安卓SDK对靶控制软件。该软件可以安装在任何一部具有安卓系统的手机上,通过该软件可以实现6种喷洒模式的控制。同时还具有记录储存下位机上传的状态信息的功能,作业者可以通过查找界面进行数据的浏览。整机测试结果表明,果园自动对靶喷雾试验台能准确的进行对靶喷雾,系统响应迅速有效。下位机能准确的通过Wi-Fi网络传递状态数据到手机控制端,手机控制软件运行稳定可靠。与传统连续施药作业方式相比,对靶喷药综合省药率大于26%。

关键词： Android 手机控制果园弥雾机风送喷雾对靶喷雾

叶片风振响应空间运动姿态及雾滴沉积效果分析

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农业工程学报 2024年第17期40卷 71-81页

作者：许林云武玉柱周宏平张健张超南京林业大学机械电子工程学院南京210037 南京林业大学林业资源高效加工利用协同创新中心南京210037

风送喷雾技术可有效提升雾滴向冠层内部的输送能力,增强雾滴在树冠各处的覆盖均匀性,但气流对单一叶片的动态响应及雾滴沉积的细观作用效果还不清楚。该研究通过风洞内的稳定气流对单一梨树叶片进行风振响应试验,追踪叶片表面代表叶片... 详细信息

风送喷雾技术可有效提升雾滴向冠层内部的输送能力,增强雾滴在树冠各处的覆盖均匀性,但气流对单一叶片的动态响应及雾滴沉积的细观作用效果还不清楚。该研究通过风洞内的稳定气流对单一梨树叶片进行风振响应试验,追踪叶片表面代表叶片形态的4个特征点,构建模拟叶片的三维空间运动模型,分析研究特征点的空间运动轨迹及叶面雾滴沉积效果。研究结果表明:低于临界风振响应速度,叶片基本稳定于一定抬升角位置,大于等于临界风振响应速度,叶片的稳定状态才会破坏,出现大幅度的摆动与翻转的复合运动响应,且运动响应具有周期性特征。对应5、7和9 m/s风速下,在一个周期内叶尖的空间运动总行程分别为180.61、1140.77、766.33 mm,叶片总扭转角分别为290.7°、896.8°、716.2°。雾滴沉积试验中,风速低于5m/s,雾滴主要沉积于面向气流方向的叶面,随着气流速度增大,正面雾滴沉积覆盖率由43.2%逐渐减小为10.3%;大于等于风速5m/s时,叶片正反两表面均有雾滴沉积,但雾滴主要沉积亲水性较好的叶片反面上。提出了应用叶片的空间运动瞬时位置的实际坐标构建模拟叶片位姿,可清晰体现叶片的空间位姿及运动过程。研究结果可进一步揭示风送喷雾过程中载雾气流与动态叶片的沉积作用机理。

关键词：叶片风送喷雾运动姿态雾滴尺寸雾滴沉积

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