果园风送喷雾机气助式喷头风力性能数值模拟与试验

针对直筒型气助式喷头风力性能较弱的问题,结合单点风速测试和数值模拟,研究了一种尾部先收缩后扩张气助式喷头的尾部参数对风力性能的影响规律。首先,采用雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程及RNG(Renormalization group)k-ε湍流模型,建立了该型喷头的流场计算模型,基于风速测试验证了该模型的有效性与可靠性;其次,通过数值计算对比了两种喷头的风力性能,结果表明,在进口参数总压105 600 Pa、静压105 200 Pa时,本文所提喷头出口平均风速是直筒型喷头对应值的1.36倍。为了研究尾部参数(收敛段内缩长度、扩张段高度)对本文所提喷头风力性能的影响,以数值计算、Opt LHD(Optimal latin hypercube design)试验设计、径向基函数神经网络(Radial basis function neural network,RBFNN)为理论基础,构建了风力性能参数的代理模型,出口端流量、平均风速的代理模型R2分别为0.983 54、0.987 28,表明该模型可用于喷头风力性能预测,指导参数科学配置。基于代理模型,对喷头风力性能参数的影响因子进行了分析及单目标优化,随着扩张段高度、收敛段内缩长度的增大,出口端平均风速均呈现下降趋势,而流量均呈现先上升后下降的变化趋势;当扩张段高度、收敛段内缩长度取值为1.08、5.39 mm时,出风量达到最大值0.017 9 kg/s;而两值分别取0、0 mm时,末端平均风速达到最大值67.9 m/s。针对末端流量、平均风速相互矛盾的问题,进行了多目标优化,得到了喷射性能参数最优Pareto解集,为气助式喷头与果园间的优化匹配设计提供了参考。

Numerical Simulation and Test of Wind Performance of Gas Spray Nozzle for Orchard Air-assisted Sprayer