基于线性模型的管路内农药混合均匀性评价方法

针对混合试验图像所得均匀性指数计算结果难以直接匹配于被广泛认可的数值仿真参考值的问题,本文基于线性模型方法,将混合试验图像处理与数值仿真结果进行映射,在黏性水溶性农药与水在长直混合管内进行在线混合的试验条件下构建对应的线性预测模型,并采用射流混药器在线混合图像及仿真结果对上述模型进行检验。研究结果表明：不同图像方法(灰度直方图二阶矩(HSM)、改进面积加权法(OAU)、主成分分析法(PCA))对应最优线性拟合阶数不同,采用单独图像方法构建模型时最优阶次为4,决定系数R2高于0.95,采用2种图像方法组合和3种图像方法组合时最优阶次可分别降至3阶和2阶,R2则接近或高于0.98;载流流量Q为800~2000mL/min、混合比P为0.01~0.10条件下,基于HSM、OAU、PCA和线性模型,可实现实际混药器均匀性预测,所有模型预测误差均小于0.05,且采用一元和二元线性模型使得平均预测误差分别降低84.1%和79.8%,不同算法间预测结果极差分别降低31.6%和78.0%;采用基于PCA或OAU算法的一元模型进行预测时误差可控制在0.03以内,其精度高于不同算法组合预测的结果;采用基于HSM-PCA等算法组合的二元模型误差虽稍高于0.03,但也可避免单一图像指标计算不准确带来的预测风险。通过构建图像处理-数值仿真之间的映射关系,可为基于图像处理进行农药在线混合均匀性评估提供更加可行和合理的方法。     

射流混药器改进提高混药均匀性及动态浓度一致性

提高喷嘴直接注入式变量喷雾系统中混药器浓度一致性与均匀性同样重要。该文根据多孔板穿过流脉动衰减原理提出了夹层孔管式新型混药器,并以普通射流混药器为参照进行在线混合试验,基于图像进行在线混合瞬时均匀性及动态浓度一致性分析。结果表明:单视角图像误差较小,算法适用性强;载流流量及混合比的增大能提升均匀性及一致性;与射流混药器相比,夹层孔管式混药器试验条件下(800 mL/min载流流量2 000 mL/min,4:100药水混合比10:100)平均瞬时不均匀性指数从16.70降至14.76,并在药水混合比9∶100或载流流量1 400 mL/min时普遍降至约13.00,达到均混效果;其虽难以保证所有工况下混合均匀,却显著提高了脉动注入时混合液浓度一致性,平均动态浓度不一致性值从0.039降至仅0.011,试验条件下只要混合比5∶100,或注药频率5.10 Hz,动态浓度不一致性指数均低于0.020,满足浓度一致性要求;由于夹层孔管式混药器相对射流混药器在瞬时均匀性上的优化没有动态浓度一致性明显,且夹层孔管式混药器的瞬时不均匀性指数值与动态浓度不一致性值相关性仅为0.684,低于射流混药器的0.848,因此未来夹层孔管式混药器的进一步优化应以均匀性为主要目标,即使提高浓度一致性也可能提高其混合均匀性。     

动态下电磁阀控对靶喷雾流量特性及控制方法

本研究对电磁阀控对靶喷雾系统动态条件(喷头开启数、开启时间、流量大小适时变化)下各参数[系统压力(P)、电磁阀频率(f)、占空比(D)]控制下的喷雾流量(Q)特性进行试验研究,并利用BP神经网络及遗传算法(GA)优化的BP神经网络对试验数据进行拟合和测试。试验结果表明:P每增大0.05 MPa,Q的最大调节范围增加约200 ml/min;较大的P会轻微减小流量控制线性区间(I),而较高的f则显著减小线性区间(I),f=20 Hz,P为0.10～0.35 MPa时对应的I约为0.3～0.6;Q与各控制参数间均存在非线性关系,利用BP神经网络进行喷头精准流量控制误差较小,平均误差仅0.20,经GA优化的BP神经网络具有更高的精度,误差低至0.15。综合考虑系统动态条件下电磁阀各参数可以实现流量的精准调节,依靠BP神经网络,尤其是GA优化的BP神经网络,可实现电磁阀控对靶喷雾流量的精准控制。     

旋动射流混药器螺旋弯曲收缩管螺距和分流器位置的模拟优化分析

螺旋弯曲收缩管、混合管和分流器是脂溶性农药旋动射流混药器的主要组成部分。而螺旋弯曲收缩管的螺距、分流器在混合管中的位置直接影响旋动射流混药器的结构。为了分析收缩管螺距和分流器在混合管中的位置对旋动射流混药器混合均匀性的影响程度,采用两因素三水平对比试验,通过有限元软件FLUENT模拟仿真,引入面积加权平均均匀性指数(γa)判断药水混合均匀性,其越接近1,混药器内药水混合越均匀。试验结果表明:螺旋弯曲收缩管能够提高旋动射流混药器的混合均匀性,但不显著;分流器分别位于混合管入口、中间和出口三处位置时,对脂溶性农药的混合影响不大,混合均匀性基本一致;螺距为3倍的螺旋弯曲收缩管长度、分流器在混合管中间位置的旋动射流混药器对脂溶性农药的混合均匀性较好。     

脂溶性农药旋动射流混药器结构分析与混合均匀性试验

以研究乳油、悬乳剂等脂溶性农药在线混药均匀性为目的,基于产品结构分析旋动射流混药器的混合机理,并提出提高混药器混合效率的措施:继旋器起旋、螺旋收缩管、分流器切向径流和在扩散管中增加导叶等方式提高混合液旋动效率。研究了这些措施对在线射流混药器混合效果的影响。为了提高旋转效率,减少阻力损失,继旋器内设有3个导叶,导叶高度6.5 mm,导叶包角15°;扩散管内导叶高度由0逐渐增加到6.5 mm,导叶包角15°;分流器进药采用切向进入,切向角β根据农药黏度、浓度等不同而改变;收缩管收缩度为0.095,收缩管螺距128 mm,收缩角16°。经过数值仿真,水和农药能够实现螺旋状流动,喷头处药液容积分数分布均匀性指数为0.999 5,药液分布一致。试验结果发现:旋动射流混药器出口与喷头直接连接时,农药需要药泵注药才能实现在线混合;混药器出口最大混合比为99.442 5%,旋动射流混药器能够实现脂溶性农药和水均匀混合。     

基于减小有效长度的旋动射流混药器结构参数优化

旋动射流混药器的主要组成部件是收缩管和扩散管,当收缩度和扩散度确定后,混药器有效长度的影响因素即为收缩管的收缩角、混合管长度和扩散管的扩散角。该文采用三因素三水平正交试验分析收缩角(19?、22?和25?)、混合管长度(20、12和8 mm)和扩散角(10?、14?和18?)对旋动射流混药器有效长度的影响。结果发现:3因素的P值分别为0.206、0.004和0.025,混合管长度对旋动射流混药器混合均匀性影响最显著,其次是扩散管扩散角,而收缩管收缩角对混药器混合均匀性没有显著影响;通过对测试的混药器在线混合采集图像均方根误差分析,发现在保证对脂溶性农药均匀混合的前提下,旋动射流混药器有效长度值可为69 mm,此时收缩角为25?,混合管长度为20 mm,扩散角为18?,分流器采用切向进流。     

混药器混合均匀性分析方法与在线混合变工况试验

直接注入式变量喷雾系统中药水混合均匀性是衡量系统性能的重要指标。为了评价混药器在线混合农药的能力,提出了混药器混合均匀性分析方法,并进行了旋动射流混合装置混合脂溶性农药的变工况(不同载流流量Q以及不同药水混合比P)在线混合试验。以基于像素的变异系数α值和均匀性指数γ值作为均匀性评价指标,对混药器的药水混合图像进行处理,定量分析均匀性。采用人工预混的方法,通过和无混药器混合图像及静置图像对比,验证了评价指标的准确性。变工况试验结果表明:旋动射流混药器混合脂溶性农药时在药水比例P一定的情况下,载流流量Q越大则混合均匀性越高;不同混合比P条件下,均在载流流量Q=2400 ml/min(试验条件下最大载流流量)时均匀性达最大,Q过小会造成混合均匀性明显下降;在Q一定时,混合比P越大则混合均匀性越高,混合比P较低时,需要有较高的载流流量Q才能取得良好的混合均匀性。综合分析知:2000ml/min≤Q≤2400ml/min时可以完成不同混合比P下的药水均匀混合;800ml/minQ2000ml/min时可完成高混合比P下的在线均匀混合;Q≤800ml/min时基本无法完成各混合比P下的在线均匀混合。     

混药器混合均匀性分析方法与在线混合变工况试验

直接注入式变量喷雾系统中药水混合均匀性是衡量系统性能的重要指标。为了评价混药器在线混合农药的能力,提出了混药器混合均匀性分析方法,并进行了旋动射流混合装置混合脂溶性农药的变工况(不同载流流量Q以及不同药水混合比P)在线混合试验。以基于像素的变异系数α和均匀性指数γ作为均匀性评价指标,对混药器的药水混合图像进行处理,定量分析混合均匀性。采用人工预混的方法,通过和无混药器混合图像及静置图像进行对比,验证了评价指标的准确性。变工况试验结果表明:旋动射流混药器混合脂溶性农药时,在混合比P一定的条件下,载流流量Q越大,则混合均匀性越高;不同P条件下,均在Q=2 400 mL/min(试验条件下最大载流流量)时混合均匀性达最高,Q过小,会造成混合均匀性明显下降;Q一定时,P越大,则混合均匀性越高,P较低时,需要有较高的Q才能取得良好的混合均匀性。综合分析知:2 000 mL/min≤Q≤2 400 mL/min时,可以完成不同混合比P下的药水均匀混合;800 mL/minQ2 000 mL/min时,可完成较高混合比P下的在线均匀混合;Q≤800 mL/min时,基本无法完成各种混合比P下的在线均匀混合。     

脂溶性农药旋动射流混合机理与混药器流场数值模拟

以研究脂溶性农药和水的混合均匀性为目的,试验验证了传统射流混药器结构对脂溶性农药在线混合的局限,提出旋动射流混合机理以增加工作液和混合液的旋度,根据该机理设计的旋动射流混药器采用螺旋弯曲收缩管、起旋器和在扩散管中加入固定导叶等方式,增加工作液的卷吸能力、掺混作用。经过数值仿真,采用容积分数分布均匀性评判指标来判断混合效果,结果表明,喷嘴出口处面积加权平均均匀性指数γa为0.998 9,截面上药液容积分数最大值与最小值的差值很小,整个截面上的药液分布一致,旋动射流混药器结构设计能够保证出口位置处脂溶性农药与水的均匀混合。     

旋动射流混药器扩散角对脂溶性农药混合效果的影响

旋动射流混药器扩散管的扩散角是混药器的重要结构参数之一,当给定扩散管扩散度后,扩散角和扩散管长度成反比,因此为了减小扩散管的长度,只有通过增大扩散角来实现。根据扩散角增大和扩散管长度减小的比例,选择扩散角为10°、14°、18°来研究其对脂溶性农药的混合性能。经过试验验证,通过均方根误差(root-mean-square error,简称RMSE)和灰度值分布图对试验提取图像进行数据处理。结果表明,扩散角为10°时的RMSE最小,为1. 106 3,灰度值分布图分布均匀,而扩散角为14°、18°时的RMSE分别为1. 595 1、1. 833 1,灰度值分布图不均匀。因此,扩散角为10°的旋动射流混药器能够实现脂溶性农药和水的均匀混合,此时,扩散管长51. 44 mm,混药器有效长度为98 mm。