Теоретические исследования взаимодействия воздушных потоков сопровождения при работе штанговых опрыскивателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

теоретические исследования взаимодействия воздушных потоков сопровождения при работе штанговых опрыскивателей

П. М. НОВИЦКИЙ, В. В. КУЗЬМИЧЕВ

В статье изложены теоретические предпосылки по обоснованию параметров воздухораспределительной системы опрыскивателя с двусторонним воздушным сопровождением капель рабочей жидкости. Приведены схемы взаимодействия струй при опрыскивании с двусторонним воздушным сопровождением. Получено уравнение оси струи прямоугольного сечения (плоской струи), позволяющее соотносить параметры штанги опрыскивателя с двусторонним воздушным сопровождением капель рабочей жидкости. Рассмотрены подходы к описанию формы струи в сносящем воздушном потоке для струй, выходящих из отверстий круглой и прямоугольной формы.

опрыскиватель двусторонний воздушный капля

The article presents theoretical premises on a justification of parameters of air distributing system of the spraying machine with double-sided air assistance of drops of a working liquid. Circuit designs of interacting of streams are resulted at dabbling with double-end air support. The equation of an axis of a stream of the right-angled cross-section (flat stream) is gained, allowing matching up parameters of a spray boom to double-end air support of drops of operating fluid. Approaches to the exposition of the shape of a stream in a taking down air stream for the streams which are getting out holes of the round and right-angled shape are observed.

Введение

Эффективная защита растений от вредителей, болезней и сорняков - один из главных факторов увеличения урожайности сельскохозяйственных культур и является обязательным условием успешного ведения сельскохозяйственного производства [1]. Значительное место в борьбе с потерями урожая отводится химическому методу. Опрыскивать посевы можно при скорости ветра не более 5 м/с. При внесении пестицидов в ветреную погоду существуют различные способы защиты капель рабочей жидкости от сноса. Среди них - опрыскивание с воздушным сопровождением, при использовании которого снижение сноса пестицидов ветром достигает 50 % по сравнению с традиционным опрыскиванием [2].

Однако остаются недостаточно обоснованными следующие вопросы: рациональные типы применяемых отверстий; поиск адекватной скорости воздушного потока при различных условиях работы; зависимость угла наклона выходных сопл на штанге от направления и скорости воздуха; охват вегетативной массы препаратом и снижение потерь [2, 3, 4].

В решении этих вопросов большое значение имеют закономерности воздушного потока, выходящего из воздухораспределительной системы.

Анализ источников

В проведенных ранее исследованиях [5] изучалось взаимодействие воздушного потока, выходящего из отверстий пневматического рукава, и воздушного потока, имитировавшего ветер. Получены данные о снижении скорости воздушного потока, имитировавшего ветер, с удалением от оси воздушного рукава при различных значениях подачи и угла наклона струй воздушного потока.

В работе [6] исследовались параметры воздушного потока, расположение скоростных полей после выхода из отверстий в форме эллипсов и прямоугольников с различными геометрическими параметрами. В результате установлено, что рациональными являются отверстия в форме круга и прямоугольника с отношением сторон 1:3,1:4, но воздушный поток, выходящий из отверстия прямоугольной формы, более «поджат», чем выходящий из отверстия круглой формы.

Вопросами изучения движения струй воздушного потока занимались М. И. Гримитлин, Г. С. Шандоров, Ю. В. Иванов, В. В. Батурин, Г. Н. Абрамович, И. А. Шепелев, М. С. Волынский.

Форма оси струи воздуха, истекающего в боковой поток из круглого сопла, может быть определена по эмпирической формуле, предложенной Г. С. Шандоровым [7]. Другое эмпирическое уравнение для оси воздушного потока, сносимого струей круглого сечения, получил Ю. В. Иванов [8]. Следует отметить, что Ю. В. Иванов проводил также опыты со струей прямоугольного сечения (отношение сторон начального сечения 5:1 и 3:5) и пришел к выводу, что в первом приближении для определения оси прямоугольной струи можно использовать уравнение оси круглой струи, заменив в последнем диаметр так называемым эквивалентным диаметром, равным отношению учетверенной площади начального сечения струи к его периметру.

Известны попытки теоретического решения задачи построения оси воздушной струи, искривленной боковым воздушным потоком, использующие в той или иной форме метод геометрического наложения окружающего воздушного потока на струю. В первом таком способе, описанном в работе В. В. Батурина [9], скорость на оси струи получалась путем геометрического сложения вектора скорости набегающего потока с вектором средней по площади скорости в каждом сечении струи. В работе [10] Г.Н. Абрамович получил уравнение оси струи, основанное на сложении вектора скорости потока с вектором средней по расходу скорости в данном сечении струи. Позднее И.А. Шепелев построил картину течения посредством аналитического решения, состоящего в сложении функций тока струи и внешнего потока. Однако все эти методы наложения потоков справедливы лишь для идеальных условий; к реальным потокам они, строго говоря, неприменимы, т. е. могут рассматриваться лишь как приближенные.

По указанным причинам было найдено решение задачи об искривлении оси струи боковым воздушным потоком с использованием иных приемов.

Основная часть

Система двустороннего воздушного сопровождения осаждаемой рабочей жидкости имеет отверстия для выхода воздуха впереди и сзади факела распыла [11]. Это обеспечивает более полную защиту осаждаемых капель от внешних воздействий и сохраняет другие преимущества данного способа опрыскивания. Рассмотрено воздействие потока ветра на воздушные струи, выходящие из переднего и заднего ряда отверстий. Скорость ветра относительно выходящих струй при встречном движении опрыскивателя будет большей, чем при попутном, на величину скорости поступательного движения агрегата.

К воздушному потоку, который является потоком ветра при полевом опрыскивании либо воздушным потоком при его имитации в лабораторных условиях, используется выражение «боковой поток». Капли рабочего раствора наиболее подвержены сносу, когда ветер направлен вдоль линии движения опрыскивателя. При работе возможно взаимодействие воздушных потоков сопровождения и атмосферных струй (рис. 1). При встречном направлении потока ветра (поток со скоростью ) происходит взаимодействие между струей, выходящей из переднего ряда отверстий воздушного рукава, и потоком ветра. Струя воздушного сопровождения искривляется, раздвигает стебли растений и внедряется в растительную массу. Воздушный поток, выходящий из переднего ряда отверстий, защищает факел распыла от сноса, так как ряд форсунок установлен между рядами отверстий таким образом, что струя жидкости выходит под углом к направлению движения. Этим достигается двойное перекрытие факелов распыла, необходимое для равномерного распределения рабочей жидкости до того, как жидкость соединится с воздушной струей перед входом в растительный слой.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Схема взаимодействия струй при опрыскивании с двусторонним воздушным сопровождением капель рабочей жидкости

Передний (по ходу движения) ряд выходных отверстий воздушного рукава штанги расположен таким образом, что вектор начальной скорости движения струи направлен под углом по отношению к горизонтальной линии окружности пневматической консоли (в поперечном разрезе штанги). Задний ряд выходных отверстий расположен таким образом, что вектор начальной скорости струи воздушного потока, выходящего из отверстия, направлен под углом по отношению к горизонтальной линии окружности пневматической консоли (в поперечном разрезе штанги). После прохождения некоторого расстояния осесимметричные струи по ширине штанги сливаются и преобразуются в плоскую струю.

Если истечение струй происходит из ряда отверстий и струи имеют первоначально параллельное направление осей (например, при выходе из ряда параллельно поставленных трубок или нескольких отверстий в стенке), то на некотором расстоянии их поля начинают накладываться, происходит взаимодействие струй и перестройка полей скоростей. После слияния всех струй общее направление потока останется параллельным первоначальному направлению элементарных струек. Поэтому передний ряд выходных отверстий имеет щелевидную форму.

Полевые наблюдения [12] показали, что при движении обычного опрыскивателя за ним сохраняется облако, состоящее из капель рабочего раствора, которое сносится ветром и испаряется. В предлагаемой системе капли осаждаются на обрабатываемые поверхности воздушным потоком, выходящим из заднего ряда выходных отверстий. В результате проведенных лабораторных исследований установлено, что 95 %-ная равномерность скоростного поля воздушного потока достигается на линии тройного перекрытия струй, выходящих из ряда отверстий. Поэтому задний ряд выполнен в виде отверстий круглой формы.

Уравнение оси плоской струи при плотности = const и скорости бокового потока воздуха = const имеет вид:

, (1)

где , - координаты точек, м; ; - угол между направлением оси сопла и направлением сносящего потока в начальном сечении струи; - коэффициент, учитывающий степень расширения струи, м-1; - коэффициент давления ветра на поверхность струи; - плотность (кг/м3) и скорость потока (м/с) в начальном сечении струи.

Оба корня уравнения (1) имеют реальный смысл. При следует брать знак плюс, так как здесь >0; при знак минус отвечает зоне, прилегающей к началу струи, а знак плюс - зоне второго пересечения оси струи (x = 0) с осью у. Это значит, что при значение у возрастает, а x убывает до некоторой точки с координатами (x0; у0). При этом выполняется равенство

. (2)

Вычислив x0 выражения (2), у0 можно определить по формуле, которая получается при подстановке (2) в (1):

. (3)

При вычислении постоянной а нужно начальную толщину струи д0 отсчитывать по нормали к ее начальному направлению. Коэффициент сп, по опытным данным Ю. В. Иванова, составляет 1-3. Однако его величина не может быть постоянной во всем возможном диапазоне изменения углов наклона струи (б0=0…р). Величина этого коэффициента (особенно для плоской струи) резко возрастает для струй с углами наклона, в связи с чем при углах наклона, близких к б0=р, искривление струи получается больше, а дальнобойность ее меньше. Поэтому величину коэффициента сп можно определить из сопоставления теоретической кривой (1) с опытными данными.

Анализируя формулу (1), необходимо отметить, что значение коэффициента л, учитывающего степень расширения струи, может принимать значения от 0 до . Из физического смысла вытекает, что значение коэффициента л возрастает с увеличением скорости бокового потока .

Для установления оптимальных значений коэффициента л необходим детальный эмпирический анализ.

Частным случаем уравнения оси плоской струи (1) при л>0 является уравнение, предложенное М. С. Волынским:

. (4)

Для расчета плоской воздушной струи, наклоненной навстречу потоку ветра (), Г. Н. Абрамович предложил уравнение:

, (5)

где n2u - коэффициент неравномерности скорости в начальном сечении струи.

Сравнение теоретически рассчитанных параметров оси струи по формулам (1), (4), (5) с опытными данными показывает, что кривая, построенная по формуле (1), располагается ближе к опытным данным, чем кривые, построенные по формулам (4), (5) и уравнениям Г. С. Шандорова и Ю. В. Иванова.

Конструкция воздухораспределителя штанги на участке выхода воздушного потока из заднего ряда отверстий образует воздушные струи круглого сечения. Сравнение кривых, построенных по уравнениям для оси струи сносимого воздушного потока, полученным Г. Н. Абрамовичем, Г. С. Шандоровым и Ю. В. Ивановым, с экспериментальными графиками показывает, что ближе к экспериментальным данным располагается кривая, построенная по уравнению Ю. В. Иванова, и теоретическая кривая, построенная по формуле Г. Н. Абрамовича. Кривые, построенные по уравнениям Г. С. Шандорова, менее приближены к экспериментальным данным.

Эти данные можно использовать при выборе рациональных параметров воздушного потока, служащего для сопровождения капель.

Заключение

Приведена схема взаимодействия струй при опрыскивании с двусторонним воздушным сопровождением капель рабочей жидкости. Выделены и рассмотрены факторы, влияющие на искривление оси струи в сносящем боковом потоке. Получено уравнение оси плоской струи, позволяющее соотносить параметры штанги опрыскивателя с двусторонним воздушным сопровождением капель рабочей жидкости: начальный угол наклона струи по отношению к внешнему боковому потоку, начальную толщину струи плоского сечения, скорость воздушного потока при выходе из отверстия, скорость бокового воздушного потока, координаты оси струи. Рассмотрены подходы к описанию формы струи в сносящем воздушном потоке для струй, выходящих из отверстий круглой и прямоугольной формы.

Литература

1. Новицкий, П. М. Оборудование для контроля качества работы опрыскивателей / П. М. Новицкий // Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности: материалы республиканской науч.-техн. конф. - Могилев: ГУВПО «Белорусско - Российский университет», 2005. - С. 237.

2. Andersen, P. G. Hardi Twin air assistance for field crop sprayers - the status after 10 years in use / P.G. Andersen, M.K. Jorgensen, W.A. Taylor // Hardi international application technology course 2000. - Hardi International, Taastrup, 2000. - Vol.1, chap. 2, P. 138-144.

3. Raetano, G. Air assistance-sleeve boom sprayers / G. Raetano // - Vegetal Production Department - Phyto-Sanitary Pro-tection FCA/UNESP [Electronic resource]. - 2004. - Mode of access: http://www.jacto.com/PDF/white_papers/AirAssist_Sleeve_Boom_Sprayers.pdf. - Date of access: 14.09.2005.

4. Кот, Т. П. Повышение эффективности обработки вегетирующих культур обоснованием параметров воздухорас-пределительной и гидравлической систем штанговых опрыскивателей: автореф. дис. …канд. техн. наук: 05.20.01 / Т. П. Кот; РУНИП «ИМСХ НАН Беларуси». - Минск, 2006. - 21 с.

5. Новицкий, П. М. Изучение взаимодействия воздушных потоков при использовании опрыскивания с воздушным сопровождением / П. М. Новицкий, А. Е. Маркевич // Агроэкология: сб. науч. тр. / УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия»; под ред. А. Р. Цыганова. - Горки, 2006. - Вып. 4: защиты растений и пути их решения. - С. 118 - 126.

6. Клочков, А. В Параметры воздушного потока после выхода из отверстий различной формы / А. В. Клочков, П. М. Новицкий // Вестник БГСХА. - 2007. - № 1. - С. 129-133.

7. Батурин, В. В. Воздушные завесы / В. В. Батурин, И. А. Шепелев // Отопление и вентиляция. - 1936. - №5. - С. 11.

8 The estimation of work quality of sprayers with using of an additional air flow / A. V. Klotchkov, O. S. Klotchkova, A. E. Markevich, P. M. Navitski // Trakt. i pog. maљ., Trac. and pow. mach.. - Иaиak - Okt. 2005. - Р. 031-036.

УДК 621.436.068.8

Размещено на Allbest.ru