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喷杆喷雾机风助风筒多目标优化设计

刘雪美

  目前我国常用的大田喷杆喷雾机在施药过程中存在农药飘失严重,雾滴在冠层中的穿透性较差、作物中下部沉积少、分布均匀性差、雾滴减飘效果受自然风速影响较大等问题,在借鉴国内外对气流辅助式防飘喷雾技术的研究基础上,本文从风助风筒结构参数优化、设计安装新型结构导流器和优化多工况控制参数的角度,减少农药飘失,提高药物沉积率,研制了基于新型导流器的风助风筒型喷杆喷雾机,防飘效果显著,并进行了试验研究和性能测试。具体完成的研究工作如下: 1、从理论上分析了气流辅助式喷杆喷雾机防止雾滴飘失的机理。 2、采用计算流体力学(CFD)技术对风助风筒内流场及工作外流场组成的三维区域进行了建模和仿真。并对原型风筒流场仿真结果进行了分析,分析表明:原型风筒内流场存在强旋流、流道窄的缺点,导致工作外流场风速变异系数大。 3、针对气流辅助式喷杆喷雾机的风助风筒原始设计的缺陷,提出了一种集成相关向量机、多目标遗传算法和模糊推理技术的多目标优化设计方法。首先为了增加辅助气流的减飘和穿透能力,构造出风助风筒的设计优化目标函数。利用均匀设计安排试验方案,并通过流体动力学仿真完成训练样本采集。选定相关向量机作为优化设计的评估函数。结合多目标遗传算法,求解出问题的Pareto最优解集,建立模糊推理系统获取问题的最终解。应用CFD验证经圆整后的最终解,其流速分布均匀性指标得到显著提高。改进的样机试验证明出口平均风速较改进前增加了25.26%,0.5m处平均风速较原始设计提高13.11%,0.5m处风速变异系数提高了35.6%。 4、为彻底克服内流场强旋流、流道窄的不足,在结构参数多目标优化设计的基础上,增加导流器装置,更进一步优化了流场结构,减小损耗,提高效率,使流场在风筒长度方向上具有良好的风速一致性。本文还对两种不同结构的导流器对风筒的内流场和外流场的影响效果进行对比分析,仿真结果表明圆孔式导流器可大幅提高工作效率但出风口下方0.5米处风速变异系数较大;槽式导流器可小幅提高效率,更能很大程度的减小0.5m处风速变异系数。增加槽式导流器后,样机试验风速变异系数5.5%,相比未加导流器风速变异系数降低52.6%。 5、在有风大田作业时,优化的喷雾机工作参数对于减小喷雾机功耗、减少雾滴漂移、提高植物表面的药物沉积非常重要。为进一步提高农药利用率、减少农药施用量,面向喷雾效果的施药技术应能得到足够重视。本文采用计算流体力学(CFD)技术,研究喷雾机在自然风影响下,风助风筒气流流场与离散雾滴在三维区域内的交互耦合作用,进行了综合仿真。结果表明:增大风筒气流出口速度,可以胁迫雾滴向靶标运动,增加雾滴沉积率。为了建立优化的喷雾机控制参数,建立了不同自然风速下减飘模型,运用多目标优化方法进行了工作参数的优化,并通过建立模糊决策支持系统对模型未考虑变量进行工作参数修正。 6、对优化设计有导流器的气流辅助式喷杆喷雾机进行了样机设计和加工,并通过气流辅助喷雾和常规喷雾两种作业方式的室内试验、样机试验的对比,评价了有导流器的气流辅助式喷雾机的风幕风速均匀性、防飘性能和二次雾化性能。实验结果证明,有导流器的气流辅助式喷杆喷雾机与常规喷雾相比雾滴密度提高了29.5%,分布变异系数降低了78.5%。雾滴穿透性试验,在作物上层,雾滴密度提高52.5%,分布变异系数降低37.4%;在作物中层,雾滴密度提高18.72%,分布变异系数降低15.05%;在作物下层,雾滴密度提高61.7%,分布变异系数降低18.3%。二次雾化性能测试,DR值提高13.115%。在防飘测试中,飘失量减少达66.7172%。……