扇吸式生物光防治燈流場分析及結構優化*

石煒，張曉瑩，張國英

(1. 內蒙古科技大學機械工程學院,內蒙古包頭,014010;2. 內蒙古中農高科科技有限公司,內蒙古鄂爾多斯,017010)

0 引言

伴隨著綠色生態農業的提出,人們對于瓜果蔬菜質量的要求也是越來越高,病蟲害的防治是其中的一個重要步驟。通過持續不斷的摸索,在綠色發展觀念深入人心的同時綠色防控的技術得到了完善[1-2]。農業農村部印發《關于加快發展農業社會化服務的指導意見》提出推動服務與科技深度融合,引導服務主體充分利用大數據、人工智能和其他信息技術使改善信息和農業智能成為可能[3]。目前,害蟲的控制主要依靠殺蟲劑的使用,這將使害蟲對藥物產生抗藥性,還會造成會食用者的傷害。

何超等[4]對扇吸式殺蟲燈與頻振式殺蟲的殺蟲效果比較得出,扇吸式殺蟲燈的殺蟲效果明顯高于頻振式殺蟲燈,現有的實驗結果表明[5-8],經過兩天的昆蟲采集,有益昆蟲在扇吸式殺蟲燈中的存活率超過80%,所有害蟲都被殺死,而頻振式殺蟲燈中只有少數有益昆蟲存活?，F使用的扇吸式生物光防治燈通過生物光將害蟲引誘到燈口后,有大部分害蟲會吸附在燈口附近,不能進入集蟲瓶內部,從而出現扇吸式生物光防治燈對害蟲吸入效率低的問題。

本文首先分析現有的扇吸式生物光防治燈集蟲瓶,基于流體力學相關理論知識,以Fluent數值模擬軟件[9]為平臺進行流體力學分析,模擬集蟲瓶內部流場現狀,觀察內部氣流軌跡是否穩定。改變原有結構,提出進風口角度為進風口無擋板、進風口傾角為0°、15°、30°、45°、60°、75°的7種方案。然后將改進結構模型導入Fluent軟件中利用Mesh模塊對集蟲瓶管道模型進行網格劃分,選擇合理的RNGk-ε湍流模型,設置求解參數。以集蟲瓶內部流場跡線的均勻性為目標,對扇吸式生物光防治燈的原始進風口90°的結構與進風口無擋板、進風口傾角為0°、15°、30°、45°、60°、75°的7種優化方案設計的結構在吸入風扇1 600 r/min、1 800 r/min、2 000 r/min轉速的情況下進行速度、壓力、蟲子跡線的對比,以此得到扇吸式生物光防治燈對蟲子吸入效率最高的設計方案。

1 扇吸式生物光防治燈集蟲瓶內部流場分析

1.1 基本方程

本研究中扇吸式生物光防治燈集蟲瓶內部的流體為空氣,而空氣、水等流體都屬于牛頓流體型流體,屬于黏性為定值的不可壓縮流體[10],故假設空氣的黏性不隨通風管道里旋轉時溫度的改變而改變。當空氣在集蟲瓶中流動時,流體中各質點流動具有不規則性,除了沿平行于通風管道軸向運動外,還有垂直于管道軸向方向的橫向運動,完全處于無規則的亂流狀態[11]。

流體在流動過程中要受物理守恒定律的支配,基本守恒規律一般包括動量守恒定律、質量守恒定律、能量守恒定律。在扇吸式生物光防治燈集蟲瓶內部流場的三維數值模擬過程中,不考慮能量的變化,所以能量方程不包含在流動控制方程中[12]。

1) 質量守恒方程。質量守恒方程[13]由質量守恒定律確定,也稱為連續性方程。該定律解釋如下:單位時間內進入流體微元體中的質量等于在相同作用時間下流出流體微元體中的質量。根據該定律,質量守恒方程的微分形式表示如式(1)所示。

(1)

(2)

式中:ρ——流體密度;

t——時間;

u、v、w——速度矢量在x、y、z方向上的分量。

上述兩個方程代表了三維可壓縮流體在瞬態下的連續性方程。本文中的流體是不可壓縮的,它的密度不隨流動而變化,它的密度是恒定的。

(3)

2) 動量守恒方程。在流體流動中,任何流體流動系統都必須遵守動量守恒定律[14],它被定義為微元流體在任何給定時間和作用在其上的任何力的動量變化率的大小與外界作用在該微元體上的所有力的和是相等的,按照定律描述可以推導出x、y、z方向的動量守恒方程,如式(4)～式(6)所示。

(4)

(5)

(6)

式中:p——流體微元體上的壓力;

μ——流體動力黏度;

τxx、τxy、τxz——在分子黏度作用下作用于微元體表面上的黏性應力τ的分量;

Fx、Fy、Fz——微元體方向作用上的體積力。

1.2 扇吸式生物光防治燈整體結構及工作原理

1.2.1 整體結構

以現場應用的扇吸式生物光防治燈為基礎,利用SolidWorks三維軟件等比例建模,燈體總高度為415 mm,采用型號為TT-1425的風扇提供吸力,此風扇的穩定轉速為1 600 r/min,扇吸式生物光防治燈整體三維模型如圖1所示。

圖1 扇吸式生物光防治燈三維模型

1.2.2 工作原理

扇吸式生物光防治燈根據昆蟲的趨光特性通過燈光將害蟲引誘到集蟲瓶附近,啟動電機,使風扇高速運轉起來,風扇產生高速的氣流將害蟲吸入集蟲瓶。當蟲子被吸入集蟲瓶后,風扇產生的氣流再將害蟲吹到集蟲瓶底部。在集蟲瓶的底部放入水,采用溺水的方式殺蟲。集蟲瓶底部的三維模型如圖2所示。在集蟲瓶下端設置柵欄,風扇產生的氣流從此縫隙散發出去,經實際測量,縫隙小于蟲子的實際大小,柵欄的三維模型及縫隙的局部放大圖如圖3所示。

圖2 集蟲瓶底部三維模型

(a) 柵欄三維模型

1.3 幾何模型建立

扇吸式生物光防治燈集蟲瓶出口直連大氣,進風口高度為100 mm,集蟲瓶的高度為220 mm,集蟲瓶的入口直徑為250 mm,集蟲瓶的出口直徑為66 mm。模型需要導入Fluent軟件中進行數值模擬,扇吸式生物光防治燈集蟲瓶內部進風口、旋轉流體區[15]、吸風通道及出風口的簡化模型[16]如圖4所示。

圖4 簡化模型

1.4 邊界條件及湍流模型

扇吸式生物光防治燈模型主要用到的邊界條件及物理意義如表1所示。

表1 扇吸式生物光防治燈邊界條件Tab. 1 Boundary conditions of fan suck-in bio-light control lamp

通過試驗可發現,當湍流有強旋流或者帶有彎曲壁面流動或者彎曲流線流動時,標準的k-ε兩方程模型會出現失真的現象。本文的模型需要考慮流動中的旋轉及旋流流動的影響,由于改進后的RNGk-ε模型[17]對湍流黏度進行了修正,所以使用改進后的RNGk-ε模型,能夠更好地求解高應變率及流線彎曲程度較大的流動,湍動能k方程和湍流耗散率ε定義如式(7)、式(8)所示。

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(7)

(8)

式中:Gk——通過平均速度梯度產生湍動能k;

Gb——由于浮力引起的湍流動能k的產生項;

YM——可壓縮湍流中脈動膨脹的貢獻;

μt——湍流黏性系數;

Sk、Sε——用戶定義源項;

C1ε、C2ε、C3ε——經驗常數;

σk、σε——湍動能k和耗散率ε對應的湍流普朗特數(Prandtl)。

取C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09,湍動能k與耗散率ε的湍流普朗特數σk=1.0,σε=1.3[18]。

1.5 扇吸式生物光防治燈集蟲瓶內部仿真結果

由于風扇的穩定轉速為1 600 r/min,此次對原扇吸式生物光防治燈集蟲瓶內部流場的模擬仿真采用風扇轉速為1 600 r/min,通過模擬仿真,對仿真結果進行后處理,在后處理中用小球模擬蟲子,得到蟲子在扇吸式生物光防治燈集蟲瓶內部的軌跡如圖5所示。

圖5 原扇吸式生物光防治燈集蟲瓶內部蟲子軌跡

對圖5進行分析,蟲子在被吸入扇吸式生物光防治燈集蟲瓶內部后,在風扇工況1 600 r/min條件下扇吸式生物光防治燈集蟲瓶內部的蟲子軌跡紊亂,尤其在燈口位置會形成旋渦,一個原因是風扇的工作轉速太小達不到蟲子被吸入集蟲瓶的最小速度,由于原扇吸式生物光防治燈集蟲瓶的進風口是垂直的,當蟲子被吸引到集蟲瓶附近時會隨著風扇產生的氣流而飛到集蟲瓶外部,另一個原因是扇吸式生物光防治燈集蟲瓶進風口的角度問題,造成蟲子在燈口的積聚。

2 扇吸式生物光防治燈集蟲瓶參數優化研究

通過前面對原扇吸式生物光防治燈集蟲瓶的仿真研究,發現目前扇吸式生物光防治燈集蟲瓶結構設計不合理,針對這一問題,將從兩個方面對目前扇吸式生物光防治燈進行參數優化,包括對風扇工況的優化、對扇吸式生物光防治燈集蟲瓶進風口角度的優化。在合理的范圍內,將風扇的轉速增大為1 800 r/min、2 000 r/min。

2.1 集蟲瓶進風口角度參數優化

害蟲在扇吸式生物光防治燈聚集的位置圖如圖6所示,害蟲聚集的位置高度為20 mm。針對扇吸式生物光防治燈蟲子在燈口聚集的問題,進風口的位置是進行優化的位置。

圖6 害蟲聚集位置及進風口角度

將入口處進風口進風方向與水平方向夾角定義為進風口傾角,原始的進風口形狀的傾角為90°,如圖6所示?？紤]到使風扇產生的氣流能夠擴散到集蟲瓶的各個部位,以便減小出風管道與出風管道內壁碰撞產生的能量損失和旋轉渦流。通過進風口角度的改變,達到集蟲瓶內部穩定的氣流及蟲子在集蟲瓶內部運動穩定的目的。

對扇吸式生物光防治燈進風口的優化有7種,分別是進風口無擋板和進風口傾角為0°、15°、30°、45°、60°、75°的不同傾角條件,研究進風口傾角對蟲子吸入效果的影響。不同進風口角度變化工程圖如圖7所示。不同進風口角度變化二維圖如圖8所示。

(a) 原始90

(a) 原始90°

2.2 害蟲被吸入集蟲瓶速度與壓力計算

1) 害蟲被吸入集蟲瓶速度。害蟲在被集蟲瓶吸入的過程中,由于氣流或重力的影響,害蟲可以被吸進集蟲瓶,其速度計算如式(9)所示。

(9)

式中:mmax——害蟲最大質量,取0.001 kg;

Cd——阻力常數,取0.6;

ρ空——空氣密度,取1.205 kg/m3;

Si——害蟲運動方向最大投影面積,取0.002 m2。

計算可得空氣的流速為3.6 m/s,即蟲子被吸入集蟲瓶的速度為3.6 m/s。

2) 害蟲被吸入集蟲瓶壓力。蟲子被吸入集蟲瓶的壓力計算如式(10)所示。

WP=0.5ρ空vt2

(10)

式中:WP——風壓,kN/m2;

經計算,蟲子被吸入集蟲瓶壓力為8.25 kN/m2。

3 扇吸式生物光防治燈的流體仿真模擬

3.1 壓力分析

3.1.1 風扇工況1 600 r/min各個截面的壓力云圖

為了更好地展示出風扇轉動時集蟲瓶內部的壓力變化[19],分別作了進風口、距離進風口0.5R、1.0R、1.5R、2.0R、2.5R(R表示流體區域的半徑)的截面。壓力是吸進害蟲的關鍵因素,集蟲瓶不同角度進風口截面的壓力變化如圖9所示。原始進風口90°時,在進風口截面與0.5R截面是負壓,在1.0R→1.5R→2.0R這三個截面的過程中出現一定程度的正壓,在集蟲瓶的內部氣流中是不穩定的,氣壓的不穩定會導致氣流的不均勻,易產生紊亂的氣流。進風口無遮擋結構的集蟲瓶內部氣壓是基本穩定的狀態,氣壓比較穩定。進風口75°時集蟲瓶內部的壓力與其他角度集蟲瓶內部的壓力相比,進風口75°時集蟲瓶內部的壓力是比較穩定的,氣流不易產生紊亂。綜合分析,在風扇1 600 r/min工況進風口75°結構是可以選擇的結構。

圖9 風扇工況1 600 r/min條件不同角度進風口各截面壓力云圖

3.1.2 風扇工況1 800 r/min各個截面的壓力云圖

風扇工況1 800 r/min下,原始進風口90°各截面的壓力變化如圖10所示,7種進風口角度的各截面壓力變化如圖11所示。

圖10 風扇工況1 800 r/min條件進風口90°的各個截面的壓力云圖

圖11 風扇工況1 800 r/min條件不同角度進風口各截面壓力云圖

原始進風口為90°時,各個截面壓力值有一部分為正數,而負壓是吸進害蟲的關鍵,所以這是導致害蟲不能被吸入的一個原因。進風口60°壓力云圖表現出比較平穩的狀態,各處壓力較均勻,因此進風口60°的結構可以考慮采納。進風口75°時,整體壓力是最小的,所以吸力是最小的,不能有效吸入害蟲。進風口45°時,整體壓力大,但進風口60°的結構壓力更平穩,適合穩定作業。

3.1.3 風扇工況2 000 r/min各個截面的壓力云圖

風扇工況2 000 r/min下,集蟲瓶不同角度進風口截面的壓力變化如圖12所示。

圖12 風扇工況2 000 r/min條件不同角度進風口各截面壓力云圖

原始進風口90°時,在進風口截面、0.5R、1.0R截面是負壓,在1.5R→2.0R這兩個截面的過程中出現一定程度的正壓,在集蟲瓶的內部氣流中是不穩定的,氣壓的不穩定會導致氣流的不均勻,易產生紊亂的氣流。進風口60°的各個截面的壓力是負的,氣壓是8種結構中最穩定的。

對扇吸式生物光防治燈集蟲瓶進行流體分析,在風扇工況1 600 r/min、1 800 r/min、2 000 r/min的條件下,從壓力的角度分析,進風口60°可以滿足要求。

3.2 集蟲瓶出口速度均勻性研究

3.2.1 集蟲瓶出口速度均勻性評價指標

為了研究風扇工況,以集蟲瓶出口速度均勻性作為評價指標,在害蟲被吸入集蟲瓶的過程中,在保證害蟲被吸入集蟲瓶所允許的最小速度下,以集蟲瓶出口速度不均勻度最小為原則,為了定量分析不同風扇工況下不同角度進風口出風口速度分布的均勻性,應用其均方差E作為評價指標。

集蟲瓶出口速度不均勻系數

(11)

式中:N——原始方案與優化方案數;

Vi——第i個方案出口速度;

Va——各個方案的出口速度平均值。

集蟲瓶出口速度不均勻系數E表明集蟲瓶出口速度的變化幅度大小。當不均勻度E越大,各集蟲瓶出口速度分布越不均勻,說明了各集蟲瓶出口速度一致性越差。當不均勻度E越小,各集蟲瓶出口速度分布越均勻,說明了各集蟲瓶出口速度一致性越好。

3.2.2 不同風扇工況下各方案集蟲瓶出口速度

通過Fluent軟件進行數值模擬,對數據進行選擇和處理,處理后可得到不同風扇工況下原始方案與優化方案各集蟲瓶出口的速度數據,結果如表2所示。

對試驗結果進行數據處理后,可以得到不同風扇工況的各方案集蟲瓶出口速度的不均勻度,1 600 r/min風扇工況各方案集蟲瓶出口速度的不均勻度為1.99%,1 800 r/min風扇工況各方案集蟲瓶出口速度的不均勻度為1.26%,2 000 r/min風扇工況各方案集蟲瓶出口速度的不均勻度為1.32%,隨著風扇轉速的增大,集蟲瓶出口風速不均勻系數先減小后增大,當風扇工況1 600 r/min時,集蟲瓶出口速度不均勻系數達到最大,當風扇工況1 800 r/min時,集蟲瓶出口速度不均勻系數最小,由此選用1 800 r/min風扇工況。

3.3 渦流黏度的分析

渦流黏度是表征流體流動的一個重要物理量,通過Fluent軟件數值模擬,經過后處理,得到風扇工況1 600 r/min、1 800 r/min、2 000 r/min條件下各截面的渦流黏度數據如圖13所示。

(a) 風扇工況1 600 r/min各截面渦流黏度

進風口60°的結構渦流黏度均勻,渦流黏度小,速度擴散的速率大,速度變化的時間短,不會有旋渦的產生,能滿足工程的需要,從渦流黏度的角度分析,在風扇1 600 r/min、1 800 r/min、2 000 r/min的工況下進風口60°可以選擇考慮。

3.4 跡線的分析

3.4.1 風扇工況1 600 r/min中心位置截面的跡線云圖

通過流體仿真得出的跡線圖可以清晰地描述蟲子進入集蟲瓶的軌跡變化,不同角度進風口結構時中心截面的蟲子跡線圖如圖14所示。

圖14 風扇工況1 600 r/min條件中心截面蟲子軌跡跡線圖

渦流的存在會導致能量的浪費,降低空氣的吸收效率[20]。原始進風口90°時在集蟲瓶內部出現兩個旋渦,尤其在進風口處的旋渦是比較大的,影響蟲子的吸入,是導致蟲子積聚的最大問題。進風口30°時在集蟲瓶內部貼近壁面的位置有旋渦,但風扇正下方位置的跡線是均勻的。進風口0°、進風口15°、進風口45°、進風口60°結構的旋渦較大。進風口75°的跡線云圖在進風口的位置旋渦是最小的,在1 600 r/min的工況下,進風口75°的結構是最佳的結構。

3.4.2 風扇工況1 800 r/min中心位置截面的跡線云圖

通過流體仿真得出的跡線圖可以清晰地描述蟲子進入集蟲瓶的軌跡變化,不同角度進風口結構時中心截面的蟲子跡線圖如圖15所示。

圖15 風扇工況1 800 r/min條件中心截面蟲子軌跡跡線圖

原始進風口90°時在跡線云圖的兩側位置出現兩個旋渦,兩個旋渦是對稱的,即表示在實體模型進風口的一圈位置處都有旋渦,產生的壓力會將蟲子卷出實體模型的進風口外側(即蟲子在進風口的聚集處)。進風口60°的模型在截面上的跡線所表征的特征是沒有渦流,此結構的氣流仿真沒有渦流的產生,對跡線的解釋為:蟲子隨風扇所帶動的氣流被吸入集蟲瓶,沒有渦流的產生,蟲子順勢被吸入集蟲瓶的底部,隨后溺水而亡。進風口60°的結構是理想結構。

3.4.3 風扇工況2 000 r/min中心位置截面的跡線云圖

通過流體仿真得出的跡線圖可以清晰地描述蟲子進入集蟲瓶的軌跡變化,不同角度進風口結構時中心截面的蟲子跡線圖如圖16所示。

圖16 風扇工況2 000 r/min條件中心截面蟲子軌跡跡線圖

原始進風口90°時在跡線云圖的兩側位置出現兩個旋渦,兩個旋渦是對稱的,即表示在實體模型進風口的一圈位置處都有旋渦,產生的壓力會將蟲子卷出實體模型的進風口外側(即蟲子在進風口的聚集處)。進風口60°的模型在截面上的跡線所表征的特征是沒有渦流,此結構的氣流仿真沒有渦流的產生,對跡線的解釋為:蟲子隨風扇所帶動的氣流被吸入集蟲瓶,沒有渦流的產生,蟲子順勢被吸入集蟲瓶的底部,隨后溺水而亡。從跡線的角度分析,進風口60°是比較好的選擇。綜合分析風扇工況1 800 r/min且進風口角度為60°作為最終的優化方案。

4 結論

1) 根據扇吸式生物光防治燈蟲子聚集在燈口從而導致扇吸式生物光防治燈對蟲子吸入效率低的問題,通過Fluent軟件對扇吸式生物光防治燈原始進風口90°的集蟲瓶內部管道進行流場模擬,分析了原始進風口90°的扇吸式生物光防治燈蟲子聚集燈口的原因:結構不合理產生的旋渦、風扇工況,因此在結構方面對進風口角度的設計進行了進風口無擋板和進風口傾角為0°、15°、30°、45°、60°、75°的7種方案設計,在風扇工況方面采用增大風扇轉速的方法進行優化。

2) 提出的進風口無擋板和進風口傾角為0°、15°、30°、45°、60°、75°的7種優化設計方案的集蟲瓶管道內部流場的壓力、速度、蟲子跡線圖與原始進風口90°的集蟲瓶管道內部流場的壓力、速度、蟲子跡線圖進行對比,以集蟲瓶管道內部流場壓力為負值、速度均勻、蟲子跡線穩定為標準,得出最終優化方案。

3) 對集蟲瓶出口速度的不均勻度研究,1 600 r/min風扇工況各方案集蟲瓶出口速度的不均勻度為1.99%,1 800 r/min風扇工況各方案集蟲瓶出口速度的不均勻度為1.26%,2 000 r/min風扇工況各方案集蟲瓶出口速度的不均勻度為1.32%,1 800 r/min風扇工況各方案集蟲瓶出口速度的不均勻度系數最小,選擇風扇工況為1 800 r/min,且在風扇工況1 800 r/min的條件下,進風口60°的結構跡線穩定,速度、壓力、湍流分布是均勻的,集蟲瓶沒有旋渦,集蟲瓶內部的壓力為負值。因此風扇工況1 800 r/min的進風口60°為最終的優化方案,能夠滿足預期的結果。