王軍鋒，儲(chǔ)進(jìn)靜，霍元平，范亞駿

(江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

利用噴霧器噴灑藥液是當(dāng)前防治農(nóng)作物病蟲害使用最廣、見效最快的方法.其中離心霧化將液體噴射到一個(gè)旋轉(zhuǎn)平面(轉(zhuǎn)盤、旋杯等)上，在離心力的作用下均勻地向四周散布.其噴嘴不易堵塞且霧滴粒徑分布均勻，可以通過(guò)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和供液流量控制霧滴粒徑，達(dá)到對(duì)不同農(nóng)作物病蟲害的防治，然而離心霧化在應(yīng)用過(guò)程中面臨霧化霧滴穿透能力弱、目標(biāo)物背面藥液沉積量少等問(wèn)題［1］.荷電噴霧技術(shù)是指液體經(jīng)過(guò)電暈、感應(yīng)或者接觸荷電后，在機(jī)械力或者氣動(dòng)力及電場(chǎng)力的共同作用下產(chǎn)生荷電霧滴，從而形成荷電氣霧兩相流［2-3］.荷電液滴與目標(biāo)物表面的反向電荷之間形成一種靜電引力，在靜電引力的作用下霧滴向靶標(biāo)表面作定向運(yùn)動(dòng)，能夠有效地提高霧滴在目標(biāo)物正反表面的覆蓋率和均勻度［4-5］.為了解決離心霧化在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，將荷電噴霧技術(shù)應(yīng)用到離心霧化體系中，提出了一種新型、高效的離心式荷電霧化技術(shù).國(guó)外已有一些學(xué)者對(duì)這種霧化技術(shù)進(jìn)行探索性研究.W.Balachandran等［6］基于波理論，得出荷電與提高轉(zhuǎn)速一樣能使旋杯邊緣擾動(dòng)波波長(zhǎng)減小，由此解釋了隨著荷電電壓的增加，液絲之間的距離越來(lái)越小的試驗(yàn)現(xiàn)象.M.Sato［7］認(rèn)為荷電能使霧化液滴分布更均勻.為了促進(jìn)這種霧化技術(shù)的高效應(yīng)用，筆者首先就荷電對(duì)旋杯式靜電霧化機(jī)理及荷電性能的影響進(jìn)行深入系統(tǒng)研究.基于旋杯式離心霧化技術(shù)和靜電霧化技術(shù)在藥液噴灑過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一種旋杯式靜電霧化裝置.對(duì)霧化液滴的荷電性能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)合高速數(shù)碼攝影技術(shù)探討荷電對(duì)霧化機(jī)理及特性的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)裝置及方法

針對(duì)旋杯式離心霧化，采用感應(yīng)荷電方式，建立旋杯式靜電霧化試驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合高速攝影技術(shù)和顯微放大圖像處理技術(shù)，對(duì)旋杯式靜電霧化機(jī)理、霧化特性及霧化液滴的荷電性能進(jìn)行可視化試驗(yàn)研究.

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1，2分別為旋杯式靜電霧化系統(tǒng)及荷電性能試驗(yàn)系統(tǒng)，主要由霧化裝置、供液系統(tǒng)及測(cè)試系統(tǒng)組成.霧化裝置主要由旋杯、電極環(huán)、電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器構(gòu)成.旋杯經(jīng)轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)連接，其轉(zhuǎn)速可以通過(guò)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器控制.供液系統(tǒng)由水箱、微型泵、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)和管道等組成，試驗(yàn)過(guò)程中，液體經(jīng)管道流入轉(zhuǎn)杯中.泵送介質(zhì)為自來(lái)水.供液流量調(diào)節(jié)范圍為1.6～16.0 L·h-1.

圖1中測(cè)試系統(tǒng)包括高速數(shù)碼相機(jī)、顯微變焦鏡頭和計(jì)算機(jī)等.試驗(yàn)中采用高速數(shù)碼相機(jī)配合顯微變焦鏡頭對(duì)旋杯邊緣霧化過(guò)程進(jìn)行微距拍攝，拍攝光源為L(zhǎng)ED冷光源，與高速數(shù)碼相機(jī)放置在同一側(cè).試驗(yàn)以7 500，15 000幀·s-1分別拍攝1 000～4 000 r·min-1和 5 000 ～9 000 r·min-1下旋杯邊緣的霧化過(guò)程.利用Matlab圖像處理技術(shù)對(duì)高速數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行處理.圖2中測(cè)試系統(tǒng)包括量杯、吉時(shí)利6485型皮安表和秒表等.試驗(yàn)采用目標(biāo)網(wǎng)狀法測(cè)量液滴的荷質(zhì)比，法拉第筒與旋杯同軸放置，并通過(guò)屏蔽導(dǎo)線與皮安表相連.當(dāng)荷電液滴與銅絲網(wǎng)或法拉第筒接觸后會(huì)與大地形成回路，并產(chǎn)生微電流，用精密皮安表讀出此電流，計(jì)算得到荷質(zhì)比.

圖1 旋杯式靜電霧化試驗(yàn)臺(tái)

圖2 荷電性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中利用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制水的流量，用高壓靜電發(fā)生器控制所加荷電電壓.測(cè)試過(guò)程中確定一段時(shí)間內(nèi)微電流的數(shù)值是準(zhǔn)確計(jì)算荷質(zhì)比的關(guān)鍵，在不同的荷電電壓下，2 min內(nèi)讀取10次電流值，每次試驗(yàn)完畢后充分放電，重復(fù)做5次，然后進(jìn)行平均計(jì)算.將量杯放置在法拉第筒尾端，待噴霧穩(wěn)定后，讀取2 min內(nèi)法拉第筒收集到的水.荷質(zhì)比為

式中:Q為霧滴的荷電電荷量;I為釋放電流強(qiáng)度;t為測(cè)量時(shí)間;m為霧滴群質(zhì)量.

為研究荷電對(duì)旋杯霧化機(jī)理及荷電性能的影響，首先需要選擇合理的荷電方式，對(duì)于象水這類電導(dǎo)率很高的流體，感應(yīng)荷電是所有荷電方式(接觸荷電、電暈荷電、感應(yīng)荷電)中常被采用的［8］.試驗(yàn)使用的荷電旋杯如圖1所示，旋杯采用絕緣材料制成，其外徑為6.0 cm，內(nèi)徑為5.6 cm，電極環(huán)直徑為5.0 cm.試驗(yàn)中電極環(huán)接負(fù)高壓，轉(zhuǎn)軸(銅管)接地并在旋杯邊緣處設(shè)置銀粉環(huán)與轉(zhuǎn)軸導(dǎo)通，可在電極環(huán)及銀粉環(huán)之間形成強(qiáng)電場(chǎng).

2 試驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果分析

2.1 旋杯式靜電霧化荷電性能

噴霧所產(chǎn)生液滴的荷電性能主要取決于電極材料、荷電方式、電極形狀及流體的物性.試驗(yàn)采用感應(yīng)荷電方式，有學(xué)者指出為了提高感應(yīng)荷電的效率，在霧滴的形成時(shí)間內(nèi)流體中的電荷必須得到充分的移動(dòng)，即流體的荷電弛豫時(shí)間τ必須小于霧滴的形成時(shí)間tf.水的荷電弛豫時(shí)間［9］為

式中:εwater為水的介電常數(shù);εair為空氣的介電常數(shù);γwater為水的電導(dǎo)率;γair為空氣的電導(dǎo)率.

絲狀分裂模式下霧滴形成時(shí)間［10］為

式中:n為旋杯轉(zhuǎn)速;r為旋杯半徑;L為液絲長(zhǎng)度，是旋杯邊緣到液絲末端液滴形成處的長(zhǎng)度.

由于霧滴的形成時(shí)間與旋杯轉(zhuǎn)速成反比，因而選取旋杯轉(zhuǎn)速為7 000 r·min-1時(shí)霧滴的平均形成時(shí)間，此時(shí)tf約為7.4×10-5s，霧滴形成時(shí)間比荷電弛豫時(shí)間要長(zhǎng)很多，因此在所有的試驗(yàn)工況下水都能夠充分荷電.

感應(yīng)荷電液滴所帶電荷量的多少與射流自由端(本試驗(yàn)射流自由端為液帽或液絲末端)表面電荷密度呈正比關(guān)系.射流自由端表面電荷密度與此處電場(chǎng)及自由端幾何形狀有關(guān):射流自由端處電場(chǎng)越強(qiáng)，表面電荷密度越高;在相同的靜電場(chǎng)中射流自由端曲率越大的地方表面電荷密度也越高［11］.

流量為4 L·h-1，轉(zhuǎn)速由 1 000 r·min-1提高到7 000 r·min-1時(shí)荷質(zhì)比的變化規(guī)律如圖3a所示，隨著轉(zhuǎn)速的提高，荷質(zhì)比及其增長(zhǎng)速率不斷增加.結(jié)合圖3b-d顯微放大圖片可以看出:轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1時(shí)，霧滴的形成模式為滴狀分裂，此時(shí)旋杯邊緣液帽直徑較大，形成的液滴粒徑也較大，霧化液滴的荷質(zhì)比較低;隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)速為4 000 r·min-1時(shí)，滴狀分裂向絲狀分裂過(guò)渡，此時(shí)旋杯邊緣液絲直徑變小，荷質(zhì)比及其增長(zhǎng)率增加;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到7 000 r·min-1時(shí)，霧滴的形成模式基本為絲狀分裂模式，此時(shí)旋杯邊緣液絲直徑進(jìn)一步減小，荷質(zhì)比及其增長(zhǎng)率進(jìn)一步增加.

圖3 轉(zhuǎn)速對(duì)荷質(zhì)比的影響

分析荷質(zhì)比的影響因素，根據(jù)靜電場(chǎng)中場(chǎng)強(qiáng)與等位面曲率的關(guān)系:

式中:ρs為表面電荷密度;c為常數(shù);ε0為導(dǎo)體介電常數(shù);E為某點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng);H0為某點(diǎn)處的曲率.

對(duì)比不同轉(zhuǎn)速下未荷電時(shí)旋杯邊緣液帽液絲數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，未荷電時(shí)旋杯邊緣液帽液絲數(shù)與荷電后荷質(zhì)比增長(zhǎng)速率基本呈正比關(guān)系，其中荷質(zhì)比增長(zhǎng)速率為荷質(zhì)比與荷電電壓的比值.隨著轉(zhuǎn)速的增加，旋杯邊緣液帽數(shù)逐漸增加，相應(yīng)的液帽或液絲直徑則越來(lái)越小，液帽或液絲末端曲率H0越來(lái)越大.

圖4 荷質(zhì)比增長(zhǎng)率及液帽數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

從式(4)可以看出H0的增大使得表面電荷密度ρs隨著E的增長(zhǎng)率變大，又由于液帽表面電荷密度與霧化液滴的荷質(zhì)比成正比關(guān)系，可以認(rèn)為H0的增大使得荷質(zhì)比及其增長(zhǎng)率增加，即不同轉(zhuǎn)速下未荷電時(shí)旋杯邊緣液帽或液絲直徑大小決定荷電后荷質(zhì)比的大小及其增長(zhǎng)速率的快慢.

2.2 旋杯式靜電霧化機(jī)理及特性

2.2.1 荷電對(duì)旋杯霧化霧滴粒徑的影響

旋杯霧化霧滴的形成機(jī)理如圖5所示，旋杯式離心霧化液滴的形成是由旋杯邊緣凸起的液帽受離心力Fc和表面張力Fs共同作用的結(jié)果.

圖5 旋杯霧化霧滴的形成機(jī)理

當(dāng)離心力大于表面張力時(shí)，液帽的附著狀態(tài)被破壞，液帽被拉長(zhǎng)繼而破碎成液滴，因而液滴破碎的臨界條件為Fc=Fs［12］.這里Fc= πρrd3n2/6，F(xiàn)s=πσd，將Fc和Fs代入臨界條件中可得

式中:ρ為流體密度;d為霧滴粒徑.

不同We下表面張力σ與霧滴粒徑平方d2的關(guān)系如圖6所示.

由圖6可以看出:在We＜1.0×105時(shí)，σ的減小使得d2有明顯的減小;隨著We的增大，σ的改變對(duì)d2的影響越來(lái)越小;當(dāng)We＞2.0×105時(shí)，σ的改變對(duì)d2的影響較小.

圖6 表面張力與霧滴粒徑之間的關(guān)系

不同We數(shù)下荷電對(duì)索特爾平均粒徑的影響如圖7所示，在We＜1.0×105時(shí)，隨著荷電電壓的增加，霧滴粒徑有明顯的減小，We=6.4×104時(shí)，霧滴粒徑減小了近1/5;當(dāng)We=1.0×105，霧滴粒徑稍有減小，此時(shí)霧滴粒徑減小了近1/10;當(dāng)We＞2.0×105時(shí)荷電電壓對(duì)霧滴粒徑的影響減小.這是由于對(duì)于感應(yīng)荷電的離心式旋杯霧化，在形成液滴的液帽或液絲末端表面會(huì)積聚大量的電荷，由于庫(kù)倫斥力的作用使得此處流體表面張力削弱，因而增加荷電電壓可以使得液滴形成處流體的表面張力σ相對(duì)減小.結(jié)合圖6所示表面張力σ對(duì)霧滴粒徑d2的影響規(guī)律，可以得出:在We＜1.0×105時(shí)，增加荷電電壓使得索特爾平均粒徑d有明顯的減小;當(dāng)We＞2.0×105時(shí)，增加荷電電壓對(duì)索特爾平均粒徑d的影響較小.

圖7 荷電電壓與索特爾平均粒徑之間的關(guān)系

2.2.2 荷電對(duì)霧滴分裂模式的影響

當(dāng)We為4.0×103～6.4×104時(shí)，旋杯邊緣的分裂模式以滴狀分裂為主.通過(guò)對(duì)高速數(shù)碼相機(jī)拍攝圖片的處理，得出荷電電壓對(duì)滴狀分裂模式下旋杯邊緣液帽和液絲數(shù)的影響(這里液絲是指旋杯邊緣射流液柱的長(zhǎng)度大于10倍霧滴粒徑)如圖8所示，隨著荷電電壓的增加旋杯邊緣液帽數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，而圖9所示的液絲數(shù)則逐漸增加.

圖8 荷電電壓對(duì)液帽數(shù)的影響

圖9 荷電電壓對(duì)液絲數(shù)的影響

圖10 荷電對(duì)分裂過(guò)程的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此工況下荷電能改變霧滴的形成模式，We為3.6×104時(shí)荷電對(duì)旋杯霧化過(guò)程的影響如圖10所示，在1 kV時(shí)荷電使得旋杯邊緣擾動(dòng)波波數(shù)增加，液帽數(shù)也隨之增加，而當(dāng)荷電電壓提高到3 kV液帽表面電荷密度達(dá)到一定值時(shí)，液帽頂端變小，液帽會(huì)逐漸拉長(zhǎng)并向液絲轉(zhuǎn)變.在流量一定的條件下，由于液帽拉長(zhǎng)，液帽附近不會(huì)受擾動(dòng)波的影響而形成新的液帽.因而在達(dá)到一定電壓后液帽數(shù)又會(huì)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，液絲數(shù)不斷增加，在液絲不斷增加的過(guò)程中，液滴的分裂模式即由滴狀分裂模式逐漸向絲狀分裂模式轉(zhuǎn)變，液滴粒徑逐漸減小，分布更加均勻.

荷電對(duì)霧滴粒徑分布的影響如圖11所示.當(dāng)We大于1.0×105時(shí)，霧滴粒徑分布如圖11a所示，結(jié)合圖11b顯微放大圖可以看出:此時(shí)霧滴的分裂模式以絲狀分裂為主，增加荷電電壓對(duì)旋杯式離心霧化過(guò)程的影響減弱，主要改善了粒徑分布的均勻性.這是由于高We數(shù)下旋杯邊緣流體所受的離心力增大，使得此時(shí)離心力在液滴分裂過(guò)程中占主導(dǎo)地位，表面張力的削弱對(duì)液滴分裂過(guò)程的影響不再明顯.又由圖3可知此時(shí)霧化液滴的荷質(zhì)比得到大幅度提高，液滴的高荷電量有利于維持液滴的單分散性、粒徑分布均勻性及沉積分布均勻性.

圖11 荷電對(duì)霧滴粒徑分布的影響

3 結(jié)論

1)旋杯式靜電霧化霧滴的荷電性能與旋杯邊緣液帽或液絲直徑大小有關(guān).液帽或液絲直徑越小，霧化液滴的荷質(zhì)比及其增長(zhǎng)速率越大.

2)當(dāng)We＜6.4×104時(shí)，滴狀分裂模式下，增加荷電電壓，旋杯邊緣液帽數(shù)先增加后減小，在液絲數(shù)逐漸增加的過(guò)程中，滴狀分裂模式逐漸向絲狀分裂模式轉(zhuǎn)變.

3)當(dāng)We＜1.0×105時(shí)，荷電電壓對(duì)霧化液滴的索特爾平均粒徑影響較大，增加荷電電壓，霧滴索特爾平均粒徑明顯減小;當(dāng)We＞1.0×105時(shí)，增加荷電電壓對(duì)索特爾平均粒徑及霧化過(guò)程的影響減弱，然而此時(shí)霧化液滴的高電荷量則有利于維持液滴單分散性、粒徑分布均勻性及沉積分布均勻性.

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