果园风送喷雾机出风口风场CFD建模与试验

• Published in: 智慧农业（中英文） Vol. 3; no. 3; pp. 70 - 81
• Main Authors: 翟长远, 张燕妮, 窦汉杰, 王秀, 陈立平
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 中国农业科学院农业信息研究所 30.07.2021
• Subjects: CFD; 边界条件; 计算域; 湍流模型; UDF
• ISSN: 2096-8094
• DOI: 10.12133/j.smartag.2021.3.3.202106-SA007

塔式果园风送喷雾机是目前普遍使用的果园喷雾机，塔式结构易产生旋转和不规则的垂直气流，导致喷雾机出风口两侧风场分布不对称，且分布规律不易预测。为探究适用塔式果园风送喷雾机出风口风场建模方法，本研究基于喷雾机出风口风场计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）建模方法，提出了用户定义函数（User-Defined Function，UDF）分段式三维风速入口边界条件设置方法，并研究了湍流模型和计算域尺寸对喷雾机CFD风场模拟结果的影响特性。采用Fluent软件，建立了三种CFD模型：模型一以11个区域的平均风速作为边界条件；模型二采用UDF分段式三维风速入口作为边界条件；为进一步研究计算域尺寸对风场模拟的影响，建立了小计算域尺寸的模型三。三种模型均采用基于雷诺时均控制（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，RANS）方程的k-ε湍流模型和k-ω湍流模型进行风场计算。为了验证模型的可靠性，设计了空间风场立体测量系统，实现了精确快速空间风速测量。验证结果表明，Standard k-ε、Realizable k-ε、BSL k-ω和SST k-ω湍流模型较适合风场CFD建模，其中Standard k-ε湍流模型运算结果最优，模型决定系数R2为0.81。基于UDF分段式三维风速入口边界条件设置方法不仅提高了仿真结果的准确性（提高了5%），而且降低了计算的复杂性。在其他参数设置相同的情况下，大尺寸计算域模型的性能略优于小尺寸计算域。实际建模过程中建议根据计算机计算能力、仿真的实际要求设置合适的计算域尺寸。本研究结果可为喷雾机出风口风场CFD建模方法提供参考。