常温烟雾机雾滴沉积数值模拟及试验研究

发布时间：2020-06-11 23:52

【摘要】：常温烟雾机是设施园艺化学植保的有效作业机械,其所产生的30μ m左右的雾滴能在密闭空间中弥漫,在温室中具有较好的雾滴沉积均匀性。近年来随着设施种植面积的迅速扩张,常温烟雾机的研究与推广应用展现了较为广阔的前景。本文基于课题组研发的新型自走式常温烟雾机,应用计算流体动力学数值模拟技术,建立了常温烟雾机在不同作业条件下的连续相气流场速度分布模型和离散相雾滴的沉积分布模型,探讨了基于动网格技术的烟雾机行走过程中气流场分布的变化规律,并设计试验对喷雾模型及优化参数进行了验证。同时,为提高雾滴沉积质量检测精度,改善验证试验效率,开发了基于图像处理技术的雾滴沉积效果检测系统。 (1)常温烟雾机气流场分布模型建立及试验验证。前期试验表明常温烟雾机喷雾风送系统产生的气流速度场分布规律与喷雾高度及出口风速密切相关。本文建立了基于标准k-ε湍流两方程的气流连续相数值模型,在喷雾高度0.5m-2.5m、初始风送速度5m/s-25m/s下对温室密闭空间内气流速度场迭代计算,并进行了试验验证。模拟与验证结果表明,风送系统有效作业距离与初始风送速度正相关。同时,风机中心线与密闭空间壁面的垂直距离也对烟雾机风送距离有明显的影响。 (2)常温烟雾机雾滴沉积模型建立与验证分析。在气流速度场模型的基础上,基于EulerLagrange多相流模型建立了常温烟雾机定点作业模式下气雾滴沉积率分布模型。同时设计试验验证了雾滴沉积率分布模型。验证结果表明,基于CFD的雾滴沉积分布模型拟合误差在15%-35%之间,经与同类研究比较,模拟结果可信。研究还基于自行设计的雾滴检测系统分析了雾滴沉积密度、粒径分布与喷雾高度、风送速度的关系,对常温烟雾机喷雾参数的选择提出了优化方案。 (3)基于动网格技术的气流场分布规律探讨与分析。由于常温烟雾机定点喷雾风送距离有限,雾滴在烟雾机周围的沉积效果较好,但不足以使得雾滴在温室整体空间中均匀弥漫沉积。本文基于动网格技术分析了烟雾机在行走过程中风送气流速度场分布情况的变化,并研究了其对雾滴飞行轨迹的影响。模拟结果表明,自走式喷雾作业模式使气流场在密闭空间内产生不同方向的回旋涡流,对雾滴在温室空间内的弥漫有明显促进作用。 (4)基于图像处理技术的雾滴沉积效果检测系统设计。通过高分辨率便携式照片扫描仪获取水敏纸雾滴采集样本数字图像。通过对各颜色空间分量图像的比较,发现YIQ颜色空间的1分量灰度图像能突出雾滴斑点且抑制水敏纸背景纹理。通过比较基于灰度直方图阈值分割法及Ostu阈值分割法,发现Ostu阈值分割法能更好地将雾滴斑点与水敏纸背景分离。在此基础上统计雾滴个数并计算雾滴沉积参数,得出了水敏纸采集区域的雾滴沉积密度及粒径分布曲线。与雾滴沉积标准卡比较确定该系统雾滴密度识别率达95%以上,粒径分布曲线误差小于10%,且系统便于携带,可在各种工作条件下实时获取喷雾质量信息,对雾滴沉积质量检测试验有积极的辅助意义。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S49

【参考文献】