农业机械学报第51卷增刊2 2020年12月
doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2020.S2.030
固定管道式常温烟雾系统雾滴沉积仿真与试验
李雪2陆岱鹏・2王士林・2范道全1周浩1吕晓兰・2
（1.江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，南京210014；2.农业部长江中下游设施农业工程重点实验室，南京210014）
摘要：为了进一步研究固定管道式常温烟雾系统的风场分布特性和雾滴沉积分布特性，基于计算流体力学（CFD）非稳态模拟，通过建立固定管道式常温烟雾系统在温室内作业的气流速度场仿真模型及雾滴沉积分布仿真模型，分析了该系统在3组作业参数（液压为0.05MPa，气压为0.2、0.3、0.4MPa,3组作业参数分别对应的喷头岀口截面平均气流速度为200、400、600m/s）下的气流速度分布特征及在3组作业参数、4组高度水平（0、40、60、80cm）和2个雾滴沉积区域（喷头正下方区域和喷头中间区域）下的常温烟雾系统的雾滴沉积分布特性，并对雾滴沉积分布特性进行了试验验证。研究结果表明：固定管道式常温烟雾系统作业时可在棚室内形成涡旋气流，有益于雾滴在整个棚室内的漂浮、弥散和沉积，根据仿真和试验结果得岀本系统的最优作业参数为气压0.3MPa、液压0.05MPa。喷头正下
方和喷头中间区域的雾滴最大沉积量分布在喷头喷射方向前方1m区域（采样点5），且沿喷头喷射方向呈逐渐降低趋势。相同试验条件下，雾滴沉积量随着气流速度的增加呈降低趋势。喷头正下方的雾滴地面沉积量低于中间区域的雾滴地面沉积量，而在高度水平40、60、80cm下，喷头正下方相应的雾滴沉积量高于中间区域。正下方区域的雾滴主要沉积分布在60~80cm的高度区间，中间区域的雾滴主要沉积分布在高度40,80cm区域。不同作业参数下雾滴在不同高度的仿真和实测沉积量相关系数范围为0.990~0.924。雾滴沉积量仿真值和实测值的相对误差范围为0.008~0.374，说明CFD仿真可较准确地预测模拟常温烟雾系统气流速度场与雾滴沉积分布特性，指导实际作业参数优化。
关键词：温室；常温烟雾系统；固定管道式；二相流；雾滴沉积；仿真
中图分类号：S491；S625.5文献标识码：A文章编号：1000-1298（2020）S2-0261-07
Simulation and Test on Droplet Distribution and Deposition of
Fixed-pipe Cold Fogging System in Greenhouse
LI Xue1,2LU Daipeng1,2WANG Shilin1,2FAN Daoquan1ZHOU Hao1LU Xiaolan1,2（1.Institute of Agricultural Facilities and Equipment,Jiangsu Academy of Agricultural Science,Nanking210014,China
2.Key Laboratory of Agricultural Engineering in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River,Nan
king210014,China）
Abstract:Based on CFD unsteady simulation,the airflow velocity field and droplet deposition model of the fixed-pipe cold fogging system in greenhouse were established，and the airflow velocity and droplet deposition characteristics of the fogging system under different operating parameters were analyzed.At the same time，the experimental verification of the droplet deposition characteristics was implemented.
Results showed that the fogging system formed vortex flows in greenhouse，which was beneficial to the floating，dispersion and deposition of droplets.The optimal operating parameter of the system was
0.3MPa with air pressure and0.05MPa with hydraulic pressure.The maximum deposition amount of
droplets directly below the nozzle and between the nozzles was distributed in the area of1m in front of the nozzle spray direction（sampling point5），decreasing along the nozzle spray direction.The amount of ground droplets deposited directly below the nozzle was lower than that in the middle area，while at the height of40cm，60cm and80cm，the corresponding amount of droplet deposition directly below the nozzle was higher than that in the middle area.The droplets in the area directly bel
ow were mainly deposited in the height range of60~80cm，and the droplets in the middle area were mainly distributed 收稿日期：20200810修回日期：20200920
基金项目：国家自然科学基金项目（31901419）、江苏省农业自主创新资金项目（CX（19）3070）和国家公派留学项目（201903820138）作者简介：李雪（1987—），女，助理研究员，博士，主要从事设施作物环境互作机理、设施施药技术研究，E-mail：************* 通信作者：吕晓兰（1980—），女，研究员，主要从事植保机械与施药技术研究，E-mail：lxla””y@126•c。m
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农业机械学报2 0 2 0 年
in the height area of 40 cm and 80 cm. The correlation coefficients of the simulated and measured droplet deposition amount at different heights under different operating parameters were ranged from 0・ 990 to 0・ 924 ・ The relative error range between the simulated and measured droplet deposition amount was 0. 008 ~0・ 374 - indicating that the CFD simulation can accurately predict the airflow velocity field and droplet deposition characteristics of the fogging system - and guide its operating parameters optimization. Key words : greenhouse ； cold fogging system ； fixed-pipe ； twin fluid ； droplets deposition ； simulation
0引言
设施降温系统是一种广泛用于温室生产，避免
作物受到夏季高温胁迫的喷雾系统，该系统主要分 为高压喷雾系统、低压喷雾系统和气液两相喷雾系
统三类，系统作业功能相对单一［1-3］。为了扩展设 施降温系统的应用范围，国外学者利用不同的降温
系统进行了施药技术研究，结果表明气液两相喷雾
deposition系统是最适宜进行植物保护作业的喷雾系统［4一5］- 但是由于并未对喷雾方式和喷头管路布局等进行优
化，所得到的试验结果并不理想［6］，但也为设施施 药技术的创新提供了思路。
与国外规范的设施栽培模式相比，国内的设施
栽培普遍存在中小拱棚占比高、管理落后、作物栽培 密集、植保人员作业暴露风险高等问题［7一11］，急需 探寻一种即可降低作业人员暴露风险，又可以不受
设施栽培环境限制且施药效果优异的技术和方法。 因此，文献［12-14］基于国外前期研究基础，结合
我国设施栽培植保作业环节现状和其面临的主要问
题，通过喷雾方式优化、喷头结构优化、管路布局优
化、规范施药方法等手段设计了设施固定管道式二 相流常温烟雾系统。
利用传统试验方法对设施固定管道式二相流常
温烟雾系统的喷雾性能测试研究存在重复性低、成 本高和效率低等问题。而CFD 仿真技术能有效避 免田间试验中不可控环境因素对试验结果的干扰,
可精确设定试验条件，快速、准确地对不同作业参数
下的机具作业效果进行模拟试验，模拟过程可重复
性强。在施药技术方面，有学者利用CFD 仿真对车 载式弥雾机、森林用炮塔式风送喷雾机和不同型号
果园风送喷雾机的喷雾流场特性进行了仿真分析并 根据试验对象的不同给出了各机具的适宜作业参
数［15一17］。文献［18-19］利用CFD 仿真技术对田间
喷杆喷雾机和果园风送喷雾机的雾滴飘移进行了模 拟和预测，预测精度大于90%，可有效指导实际田
间作业。文献［20 -22］分别针对罩盖防飘效果、果
园风送喷雾机流场特性进行了仿真，优化了罩盖设 计结构-给出了对应果园风送喷雾机包括送风量、导 流板角度在内的适宜作业参数。以上研究均说明
CFD 仿真能较好地模拟分析施药机具喷雾作业时
气流场分布与雾滴沉积分布规律。
目前，对设施喷雾雾滴沉积的模拟多是针对常
温烟雾机进行的，其作业方式具有单点作业的特
点［73-74］，而二相流烟雾系统结构类似于温室喷雾降 温系统，为多点气 液喷雾，系统对室内气流场和雾
滴沉积分布的影响均区别于传统的常温烟雾机。因 此，本文以设施固定管道式二相流常温烟雾系统为
研究对象，利用CFD 仿真技术，研究不同作业参数
对该系统雾滴沉积分布的影响，并进行试验验证。
1仿真建模
1.1物理模型
在江苏省农业科学院农业设施与装备研究所的
单体塑料大棚温室（长50 m 、宽8 m 、脊高3. 5 m ）内, 通过直径70 mm 圆形滤纸，研究固定管道式二相流常 温烟雾系统的雾滴沉积分布。 烟雾系统主要由两部
分组成，可移动室外中控主机和室内二相管路系统
（图1），室外主机与室内管路通过快速接头连接-气
路管路位于液路管路的正上方-气液管路安装在温室 中间位置距离地面2. 5 m 处，共配有25个喷头，喷头 间距2 m ，交叉反向对称安装在整个温室内部-系统工
作气压为0. 1 ~0.6 MPa -液压0. 05 MPa -雾滴体积中
图1固定管道式二相流常温烟雾系统框图
Fig. 1 Diagram of fixed-pipe cold fogging
system
增刊 2李雪等：固定管道式常温烟雾系统雾滴沉积仿真与试验263
径（VMD ）约为35滋m，药液箱体积为50 L 。1. 2 计算模型
仿真滤纸具体的排布方式为：沿温室水平方向，
在每个喷头水平几何对称面和距离对称面前后1m 处温室截面上，以1 m 为间距分别在0、0.4、0.6、
0. 8 m 4个竖直高度方向布置直径为70 mm 的滤纸 （图2）。由于温室和作业喷头在长度和宽度方向具
有几何对称性和周期对称性，因此雾滴采集区域选
择半个喷头所覆盖的正下方的1/2排滤纸和1对喷
头中间区域的整排滤纸作为雾滴沉积分布研究模型
（图3a ），在进行沉积量统计时将正下方1/2排滤纸
・・・・ ・・・・
图2滤纸布置平面图Fig. 2 Filter paper arrangement
中间
26
（b ）空间计算域定义
何滤纸任平面图中的位置定义图3计算域示意图
Fig. 3 Diagram of computational domain
1.3模拟参数
对烟雾系统的3组工作参数进行仿真分析，研
究系统不同作业参数下温室内雾滴沉积分布规律。具
体参数设置为喷口截面平均气流速度v 分别为
200、400、600 m/s 。喷头沿着宽度方向水平向前喷
射,3个速度分别对应的系统作业液压为0. 05 MPa,
气压为0.2、0.3、0.4 MPa，供验证试验参考设置机
具的作业参数。
1.4网格划分
采用ICEM 软件对计算域进行结构化网格划 分，在喷头、壁面以及滤纸表面附近区域进行网格加
密，网格节点总数约45万（图4）。本文研究的是温
室大棚密闭空间内，喷头喷射雾滴随喷射气流在空
间内的流动及弥散情况，涉及空气和雾滴两相流动,
由于单个喷头喷射的气流速度较高，同时伴随着雾
滴与气流间的相互扰动。因此本文基于CFX 软件 采用k 着双方程模型，把空气看成连续介质，把雾
滴看成离散相，进行气液两相流非稳态数值分析，采
用完全耦合计算气体和雾滴的相互作用。
1. 5边界条件
设置温室Z 轴方向的2个面为对称边界条件，
大棚其他壁面以及滤纸为无滑移壁面边界条件。喷
头气流速度分别为200、400、600 m/s 的入口边界条
件。根据喷头雾滴粒径试验雾滴粒径级配曲线，采
用Rosin - Rammler 分布模型对离散相雾滴的边界
上的质量流量乘以2作为各采样点最终的沉积量。
选择1组正反喷头水平几何中心截面和温室几何边 界所围成的区域作为仿真计算域，计算域纵向竖直长
度为2 m，横向水平长度为8 m，脊高3. 5 m （图3b ）。
* ° * i
•
• • <=1 nrs* • GO 喷嘴位量
图4计算区域网格示意图
Fig. 4 Grid diagram of computational domain
条件进行设置，得到雾滴粒子平均直径约为32 滋m,
分布指数为2. 86，并设置最小粒子直径为2 滋m ，最
大粒子直径为65 滋m，粒径数量1 500，喷头流量
0. 002 6 kg/s 。喷头喷射雾滴设为圆面射源，其喷射
位置在喷头正中心，喷射锥角为80。，假设喷射速度
与气流速度一致，并设置雾滴粒子在温室空间流动
过程中与壁面接触即被壁面捕获，终结运动。
2试验验证
验证试验于2018年3月11日在江苏省农业科 学院农业设施与装备研究所相同规格的单体塑料大
棚温室内进行，分别在温室内前、中、后部选取喷头 对按照仿真作业参数设置机具试验参数， 采集雾滴
的滤纸与仿真模型布置方式相同，共选取3组6个 喷头及其对应的仿真喷雾区域滤纸作为研究对象， 并对3组喷头雾滴覆盖区域按照仿真滤纸设置分为
中间区域和喷头正下方区域，喷头正下方区域各采
264农 业 机 械 学 报2020年
样点沉积量的分布方向一致。对2个区域内的田间
数据取平均作为相应区域的实测雾滴沉积量并进行
结果分析和讨论，滤纸规格与仿真滤纸规格一致，为 直径70 mm 圆形滤纸。
配置质量分数为0. 1%的BSF 荧光示踪剂（德
国）作为喷雾液，测试后将滤纸收集于自封袋中避
光存放，随后将滤纸放入30 mL 蒸馏水中浸泡并避 光振荡20 S，采用LS55型荧光光谱仪（珀金埃尔默
仪器公司，德国）检测荧光示踪剂洗脱液的荧光值。 采用Excel 2016进行制图和制表。
3结果分析
3.1模拟气流场分布特性
气流场截面选取X 方向上的截面，观察温室速
度场的分布情况。3个截面与喷头的距离为1、2、
3 m 。图5为时间t — 300 s 时，喷头两侧不同截面处
的速度分布云图。从图中可以看出，喷头两侧的截
面速度分布具有相似性，与喷头高度相同平面处的
速度最大， 随着与喷头距离的增大， 气流速度逐渐变
小， 且截面中间区域的速度低于截面上方和底部气 体气流速度呈增加趋势，结合气流流线图（图6）可
知，气流从喷头喷出后撞击到温室壁面反弹后在相 应喷头覆盖区域的中间区域形成涡流，从而导致中
间气流速度较其他区域低，出现截面中间区域速度
低于截面上方和底部气流速度的现象。进一步观察
还可发现喷头正下方区域的气流速度强于喷头之间
区域的气流速度，这有利于气流带动近壁面边缘、近
地面底层和喷头下方附近上层雾滴的扰动，使雾滴
在整个温室和作物生长冠层区域进行漂浮、弥散和
沉积。
3.2不同作业参数下雾滴沉积分布特性
雾滴沉积分布均匀性等参数是评价喷雾机作业
效果的重要参数，为了解本系统喷雾作业的雾滴沉
积分布特性，对模拟雾滴通过距离地面不同高度采
样滤纸上的质量流率及其分布特性作了数据采集与
分析。图7 ~10为雾滴喷雾到沉积1 800 s 时，不同
作业参数下雾滴在不同高度和不同区域下的仿真和
实测沉积量分布情况。
由图7 ~10可知，不同作业参数、不同雾滴采集
区域内、相同采样高度下，雾滴沉积量随着气流速度
流速度。同时，随着平均气流速度的增加，气流场整
的增加呈降低趋势。气流速度增加导致液体更充分
气流速度/（m-s '）
气沆速度/（">•『）
代流速度/（■>■•訂）
(a) t=200m/s ，两侧截面距喷头1 m
卜 1.72
H.531.34H.I5卜 0.960.770.570.38().1910
(b) i=400 m/s,«侧截面距喷头I m
1
3.583.25
2.932.602.2«
1.95
1.6313.00.980.650.330
（c ）r=600m/s.两侧截面距喷头I m
气流速度/(m-s*)
| 1.54
气流速度/(m ・0)■ 2.71|OJ5
° (e) ”=400 mA，两侧載而更喷头2 m
o.ov
0 (d )1=200 m/s ，两侧級面趾喷头2 m
气流速度/（m ・L ）气流速度/(m ・L)
■ 3.9813.76■ 3.5413323.19
° （f ） « =600 m /仏两侧戲面更喷头2 m
气流速度/(m-s*)
■ 1.00
(g)r=200m/s，曲侧裁面距喷头3 m
1
0.840.78
0.720.670.61().560.500.450.390.330.220.170.110.06
(h) 1=40() m/s，两侧載面距喷头3 m 1、一一 [1.09 0.990.80().700.60
(>2(»0.100
气流速度/(m-s 1)
■ 2.54■ 2.40■ 2.26(i) ”=600 m/s，两侧截面距喷头3 m
1.841.691.551.411.27II '0.99 .85
56422814
图5 t =300 s 时，不同平均气流速度下两侧与喷头不同距离截面的速度分布云图
Fig. 5 V elocity distribution maps at different distances from both sides of nozzle at different average airflow velocities at t = 300
s
增刊 2李雪 等: 固定管道式常温烟雾系统雾滴沉积仿真与试验265
图6气流速度流线图
的雾化，雾滴更加细腻，同时气流对温室内相对静止
空气的扰动程度随之增加，使变得更加细腻的雾滴
受气流场扰动更充分，在温室内漂浮和弥散的时间 变长，因此在相同雾滴收集时间内，气流速度越大,
雾滴沉积量越低。相同作业参数，相同采样高度，不
同雾滴采样区域下的雾滴沉积量均呈现先增加后降
低的趋势，并且最大雾滴沉积量均出现在距离喷头
喷射方向前方1 m 左右的位置（采样点5 ）。
图7 ~ 10也表明，不同作业参数、相同采样区
Fig. 6 Motion pattern of airflow velocity
G E •旻)看砥垢«練
2
3 4 5 6 7
雾滴沉积采样点编号
（b ）i«400m/s
*正下■实测值 t -i E
下-仿貞值 T •一中间.实测值T 一中间-仿fl 值
雾滴沉积采样点编号
（c ） i =600 m/s
图7 t = 1 800 s 时'不同气流速度下地面雾滴沉积量的仿真值和实测值
Fig. 7 Simulation and measured values of ground deposition under different operating parameters at t = 1 800 s
+正下-实测値 ■ 正下-仿真值
“ * * ・ ・ ・
12
3
4
5 6 7 8
霁滴沉积采样点编号
(a) t'=200 m/s
雾滴沉积采样点编号
（b ） »*=400 m/s
正下-实测值 中间-实测值
正下-仿貢值
中间■仿真（ft
总・生)禧一S
«J 摆練
雾滴沉积采样点编号
(c ) i =600 m/s
图8 t =1 800 s 时，不同气流速度下距地面高度40 cm 位置雾滴沉积量的仿真值和实测值
Fig. 8 Simulation and measured values of droplets deposition at height of 40 cm under different operating parameters at t = 1 800 s
7E W T 1)斎梓垢燧練
-•一正下-实测值 * 正下-仿貞（fi f -中间-实测值人―中间-仿貞值
60
Q
o o O
4<3 2 — •生)£矗启屣綜-•-止下-实测值-*-lE 下-仿負值
~*—'）1间-实澳i ffi ♦中间■j 方宜值12
3
4 5 6 7 8
雾滴沉积采样点编号
(b)r=400m/g
60r f •正下-实测值T-正下-仿真伉
-*— 111间■实测（fl —•—中间■馆氏（ft
2 3 4 5 6 7 S
雾滴沉积采样点编号
(c) ”•=600 m/s»
2
3
4
5
6 7 8雾滴沉积采样点编号
(a) t -200m/s
图9 t =1 800 s 时，不同气流速度下距地面高度60 cm 位置雾滴沉积量的仿真值和实测值
Simulation and measured values of droplets deposition at height of 60 cm under different operating parameters at t = 1 800 s
Fig. 9
域、不同采样高度下，雾滴在地面沉积量最少，距地 面高度80 cm 时，雾滴沉积量最高。总体来看，正下 方区域的雾滴主要沉积量分布在60 ~80 cm 的高度
区间，中间区域雾滴主要沉积量分布在40,80 cm 的 高度区域。 喷头正下方的雾滴地面沉积量低于中间 区域，而在高度40、60、80 cm 下，喷头正下方相应的 雾滴沉积量高于中间区域。由于雾滴的沉积分布依
附于空间气流场运动，以上仿真和实测结果均说明
喷头正下方和喷头中间区域气流场分布特征有所区
别，导致雾滴受气流裹挟程度和运动特性的不同，从
雾滴沉积量观察可发现，喷头正下方区域的涡旋气
流场强于中间区域，使得喷头正下方区域的雾滴被
气流更多地裹挟到空中悬浮、弥散和沉积，这一特点
与气流场仿真所得的结论一致。同时，结合雾滴沉
积量仿真值和实测值可以发现，在保持高度40 ~
80 cm 范围（作物冠层区域）
采样点雾滴沉积量相对
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