盧佳節(jié)，陳家兌，吳揚東，王 波

(貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點實驗室，貴陽 550025)

0 引言

近年來，在利用農(nóng)藥大幅度提高糧食產(chǎn)量的同時，人們已開始關(guān)注農(nóng)藥植保對食用糧食安全和生態(tài)環(huán)境污染的問題。在農(nóng)藥植保噴灑領(lǐng)域，高性能噴霧是提高農(nóng)藥防治效果和減少農(nóng)藥使用量的主要技術(shù)手段，而霧滴漂移是影響農(nóng)藥防治效果和農(nóng)藥使用量的關(guān)鍵因素之一[1]。霧滴漂移是指噴霧系統(tǒng)噴灑出的霧滴被氣流運動脅迫脫離靶區(qū)的一種物理運動，不僅會造成農(nóng)藥浪費，達(dá)不到防治效果，還會引起非靶區(qū)環(huán)境污染等問題[2-4]。

影響植保機(jī)械的霧滴漂移有很多因素，包括噴霧系統(tǒng)的工作壓力、霧滴直徑、水平風(fēng)速及氣體流動速度等[5-8]。侯永瑞研究發(fā)現(xiàn)，改變噴霧壓力可以細(xì)化霧滴直徑，但會引起霧滴漂移而脫離目標(biāo)附著點[9]。Wolf R E試驗表明：霧滴直徑低于100μm在環(huán)境溫度為25℃的情況下，霧滴移動0.75m后，霧滴直徑會因為蒸發(fā)而減少一半[10]。Ellis M C B等人試驗研究表明：農(nóng)藥助劑的添加會使霧滴直徑發(fā)生明顯的變化，從而影響霧滴的漂移距離[11]。Vol. N結(jié)合數(shù)值模擬的方法研究氣體流速對噴霧漂移的影響，發(fā)現(xiàn)氣體流速對霧滴漂移影響較大[12]。劉雪美等人采用三維流場的多相流計算流體力學(xué)模型，研究了自然風(fēng)與多種因素的交互作用，發(fā)現(xiàn)空氣流動速度對霧滴漂移會產(chǎn)生顯著影響[13]。王瀟楠等人在無風(fēng)條件下對液力式噴頭進(jìn)行了霧滴漂移潛力試驗，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作壓力和霧滴直徑都是霧滴漂移的主要影響因素[14]。劉東華等人在風(fēng)洞下做氣體壓力對霧滴漂移的影響試驗，測得了不同氣體壓力對霧滴漂移的影響程度和趨勢[15]。賈衛(wèi)東等人利用室內(nèi)風(fēng)場探究了不同水平風(fēng)速和風(fēng)幕氣流對霧滴漂移的影響規(guī)律[16]。楊洲等人對靜電噴霧系統(tǒng)組霧滴漂移試驗，發(fā)現(xiàn)水平風(fēng)速和電壓對霧滴漂移有明顯的交互影響[17]。這些研究主要以系統(tǒng)工作壓力、霧滴直徑、農(nóng)藥添加劑、氣體流速及溫度等作為試驗參數(shù)研究液力式噴頭系統(tǒng)的噴霧漂移情況；而針對離心式噴頭的轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速對離心式噴頭的噴霧漂移交互影響理論分析和試驗研究很少。

為了研究離心式噴頭轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速對離心式噴頭的噴霧漂移的影響，本文從能量角度建立了霧滴漂移的理論描述和搭建了室內(nèi)風(fēng)場試驗平臺，通過試驗方式測出霧滴直徑，然后采用理論與試驗相結(jié)合的方式對噴頭轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速對噴霧漂移的影響規(guī)律進(jìn)行深入研究。研究結(jié)果將為農(nóng)用航空離心噴霧系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供參考，使其可以根據(jù)不同水平風(fēng)速選擇適合的噴頭工作轉(zhuǎn)速，從而獲得較好的防治效果。

1 霧滴漂移率

1.1 霧滴理論漂移率

農(nóng)藥噴灑過程中霧滴漂移會受到多方面因素的影響，忽略施藥工具、操作方式等因素，造成離心式噴霧系統(tǒng)霧滴漂移的主要因素是霧滴直徑的大小、噴頭的轉(zhuǎn)速及施藥環(huán)境的水平風(fēng)速。在霧滴噴灑過程中，假設(shè)霧滴是球形的，霧滴之間沒有相互作用且霧滴吸附在植株表面之前一直保持球形不破碎，則單個霧滴質(zhì)量為

(1)

式中m—霧滴的質(zhì)量；

d—霧滴的直徑；

ρ—霧滴的密度。

霧滴脫離離心霧化盤的一瞬間的初始速度為

(2)

式中v1—霧滴離開離心霧化盤的速度；

vt、vm—霧滴在離心霧化盤邊的切向與徑向速度，可分別表示為[18]

vt=πDdn

(3)

(4)

式中Dd—離心霧化盤的直徑；

n—離心霧化盤的轉(zhuǎn)速；

σ—霧滴的表面張力；

ρ—霧滴的密度；

γ—霧滴對離心霧化盤的粘度。

由于霧滴質(zhì)量太小，離心霧化盤對霧滴的粘度過大，因此霧滴的徑向速度可以忽略不計，則v1=vt。霧滴在空氣中受到氣體的阻力為Fd，F(xiàn)d表示為[19]

(5)

式中Cd—空氣的阻力系數(shù)；

Re—雷洛數(shù)；

μ—氣體的粘度。

當(dāng)Re<2×105時，Cd的表達(dá)式為[20]

(6)

由式(6)可以計算出Cd的值。因此，在沒有水平風(fēng)速的情況下，根據(jù)能量守恒定律霧滴的飛行距離為

(7)

式中h—噴頭與目標(biāo)物之間的高度。

計算得到霧滴沿切線方向的飛行距離后，可以求得無風(fēng)時離心霧化盤中心到霧滴落點之間的直線距離S1。直線距離與飛行距離的關(guān)系可以表示為

(8)

有水平風(fēng)速的情況下，假設(shè)水平風(fēng)速為vs，則霧滴在水平風(fēng)速作用下的速度可以表示為

v2=bvs

(9)

式中b—修正系數(shù)。

通過大量的試驗證明b取0.87較為合理。因此，根據(jù)能量守恒定律，有水平風(fēng)速時霧滴的飛行距離為

(10)

則有風(fēng)時的霧滴與離心霧化盤的直線距離S2與飛行距離的關(guān)系可以表示為

(11)

因此，霧滴的理論漂移率為

(12)

1.2 霧滴試驗漂移率

根據(jù)GB/T24681-2009《植物保護(hù)機(jī)械霧滴漂移的田間測量方法》，霧滴漂移率是衡量霧滴漂移的重要指標(biāo)。霧滴漂移率是直觀地反應(yīng)噴霧系統(tǒng)在噴灑過程中的漂移情況。試驗過程霧滴漂移率的計算公式為

(13)

式中βS—霧滴試驗漂移率；

i—不同采樣范圍內(nèi)V型槽的數(shù)量；

M—噴頭噴霧總質(zhì)量。

通過霧滴試驗漂移率可以評價霧滴的漂移情況，霧滴試驗漂移率越大，說明霧滴在目標(biāo)作物靶區(qū)沉積量少，則霧滴抗漂移很弱。通過式(12)、式(13)可以得出霧滴漂移率的理論計算值和試驗測量值。

2 試驗方法與設(shè)計

2.1 試驗設(shè)備

搭建了離心噴霧系統(tǒng)試驗裝置研究噴霧漂移，系統(tǒng)主要由電機(jī)調(diào)速器、水箱、直流隔膜水泵、壓力表、水管管、開關(guān)閥、噴桿及旋轉(zhuǎn)噴頭等組成，如圖1所示。電機(jī)調(diào)速器選擇信達(dá)電器公司生產(chǎn)的XD-12V-36V，通過調(diào)節(jié)輸出電壓達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，輸入電壓為直流12V，輸出為0～36V可調(diào)。水箱采用聚乙烯材料制作，容量為10L。避免漏電危險導(dǎo)流管采用PVC材料制作。水泵選擇石家莊普蘭迪公司生產(chǎn)的PLD-1206型直流隔膜泵，壓力范圍為0～1.0MPa,通過調(diào)壓開關(guān)控制壓力。壓力表選擇中國紅旗儀表公司生產(chǎn)的水氣通用壓力表，測量范圍為0～1.6MPa。離心噴霧系統(tǒng)工作時，液體首先從水箱由水管進(jìn)入水泵，經(jīng)水泵加壓后流向固定在噴桿上的噴頭，為噴頭提供恒定的壓力水，通過電機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.水箱 2.水泵 3.調(diào)壓開關(guān) 4.壓力表 5.水管 6.開關(guān)閥 7.離心噴頭 8.噴桿 9.電機(jī)調(diào)速器圖1 離心噴霧原理圖Fig.1 Schematic of Centrifugal spray system

離心噴霧系統(tǒng)的噴頭采用定制的離心旋轉(zhuǎn)噴頭，如圖2所示。

1.電機(jī)外殼 2.水管 3.螺紋桿 4.離心霧化盤 5.電機(jī)圖2 離心旋轉(zhuǎn)噴頭結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Centrifugal rotary nozzle structure

當(dāng)液體從水管進(jìn)入離心霧化盤以后，離心霧化盤跟隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動，液體會被離心霧化盤邊緣細(xì)化成霧滴甩出離心霧化盤完成噴灑作業(yè)。

2.2 試驗設(shè)計

為了研究不同轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速對離心噴霧系統(tǒng)的噴霧漂移影響，根據(jù)相關(guān)的參考資料并查閱了農(nóng)業(yè)種植地區(qū)的水平風(fēng)速變化幅度和離心式旋轉(zhuǎn)噴頭轉(zhuǎn)速的變化范圍，試驗安排了4種不同水平風(fēng)速和5種噴頭不同轉(zhuǎn)速。試驗安排如表1所示。

表1 試驗因素Table 1 Experimental variables

本文用風(fēng)機(jī)來模擬0～5m/s變化自然風(fēng)，根據(jù)式(14)的混沌方程利用變頻器控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來生產(chǎn)自然風(fēng)，即

Xn+1=a·[Xn+0.8-2sin(2π,Xn)]

(14)

其中，Xn+1為第n+1時刻的水平風(fēng)速(m/s)；Xn為第n時刻的水平風(fēng)速(m/s)；a為風(fēng)的強(qiáng)度系數(shù)，取值1.067[21]；方程提供的變化自然風(fēng)平均值為2.5m/s,水平風(fēng)速范圍為0～5m/s。由于霧滴直徑是影響霧滴漂移的主要因素且在理論計算中會用到霧滴的直徑，因此還安排了不同轉(zhuǎn)速下的霧滴直徑測量。

2.3 室內(nèi)試驗

2.3.1 霧滴直徑測量試驗

采用顯微鏡測量法測量霧滴直徑，顯微鏡測量法成本低、易操作、效率高[22]。霧滴收集裝置由玻璃擋板、載玻片和支撐臺組成。玻璃擋板通過螺釘支腳安裝在支撐臺上，在玻璃擋板中間設(shè)置有半徑為5mm的圓孔，用于控制霧滴的通過數(shù)量。載玻片放置在玻璃擋板圓孔正下方的支撐臺臺面上，用于收集測量區(qū)域的霧滴。載玻片上表面涂上一層硅油防止不同霧滴相融。在采樣過程中，沿著載玻片長度方向，人工移動載玻片收集霧滴。為防止多個霧滴落在同一地點，載玻片移動速度應(yīng)高于霧滴噴灑速度。采樣結(jié)束后，取出載玻片并用液體石蠟迅速地把載玻片上收集到的霧滴蓋上，防止液體揮發(fā)；然后，利用寶視德88-56000型顯微鏡對采集到霧滴進(jìn)行直徑測量。寶視德88-56000型顯微鏡放大倍數(shù)為40～640倍，自帶CCD相機(jī)可以在觀察的同時完成圖像采集。在試驗過程中，顯微鏡的放大倍數(shù)選擇100倍對霧滴進(jìn)行圖像采集，然后將采集好的圖像導(dǎo)入AutoCAD中對其進(jìn)行標(biāo)注直徑再除以放大倍數(shù)得出其測量直徑，最后乘以修正系數(shù)0.86即得到霧滴直徑真實值[23]。通過以上描述的霧滴直徑測量過程來測量轉(zhuǎn)速值為1 000、2 000、3 000、 4 000、5 000r/min時霧滴的直徑。

2.3.2 霧滴漂移率試驗

離心噴霧系統(tǒng)霧滴漂移試驗示意圖如圖3所示。

1.V型槽 2.離心噴頭 3.噴桿 4.水平風(fēng) 5.風(fēng)機(jī) (a) 試驗布置示意圖

(b) 試驗現(xiàn)場圖3 霧滴漂移試驗圖Fig.3 Droplet drift test chart

如圖3(a)可知：霧滴漂移的試驗裝置主要由風(fēng)機(jī)、霧滴收集器、噴灑系統(tǒng)等組成。該霧滴收集器由V型槽斜下方的塑料杯構(gòu)成，V型槽的數(shù)量為25個，每兩個V型槽之間的間距為0.15m，采樣面積為6m×2m。以噴頭正下方為起點沿著風(fēng)的方向每一列編號為1，2，…，25。試驗環(huán)境為沒有自然風(fēng)、周圍環(huán)境溫度(25±1)℃、濕度68%，噴霧的壓力設(shè)定為0.3MPa,噴頭距離采樣面為0.6m。利用風(fēng)機(jī)模擬自然風(fēng)，通過改變變頻器頻率調(diào)整風(fēng)機(jī)水平風(fēng)速的大小，用標(biāo)智水平風(fēng)速儀標(biāo)定測量地點的水平風(fēng)速。根據(jù)表1安排試驗，用清水代替農(nóng)藥進(jìn)行試驗，每次試驗的時間為40min。用電子天平測量每個收集容器內(nèi)水的質(zhì)量，并記錄數(shù)據(jù)，每組試驗重復(fù)進(jìn)行3次取平均值。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 不同轉(zhuǎn)速對霧滴直徑的影響

在霧滴直徑試驗過程中，噴頭與測量位置高度為0.6m，離心式噴頭噴霧系統(tǒng)的壓力0.3MPa，試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知：流速保持不變的情況下，在設(shè)定影響因素的參考范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，霧滴直徑變化呈減小趨勢變化；在高速轉(zhuǎn)速下，霧滴直徑細(xì)化非常明顯。造成這種情況的原因可能是離心霧化盤在高速轉(zhuǎn)動時，液體在離心霧化盤上沿徑向快速分散開來并形成一層很薄的液膜；同時，在離心力的作用下，當(dāng)液膜到達(dá)離心霧化盤邊緣時厚度會進(jìn)一步變小，且齒狀結(jié)構(gòu)的離心霧化盤轉(zhuǎn)速越高細(xì)化霧滴的能力越強(qiáng)。

表2 不同轉(zhuǎn)速下的霧滴直徑Table 2 Diameter of droplets at different speeds

3.2 不同水平風(fēng)速和轉(zhuǎn)速對霧滴漂移的影響

本次理論描述和試驗主要分析了轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速對霧滴漂移的影響，根據(jù)有關(guān)研究資料相關(guān)參數(shù)取值如下：ρ為1g/cm3、Dd為0.6m。噴灑霧滴直徑不超過200μm時，Re取值69.9，μ為1.81×10-5Pa·s，Cd為1.29，h取0.6m，b取0.87[18-21]。霧滴直徑d由表2可得出，把它們代入式(1)～式(13)得到霧滴漂移的理論值。理論漂移率和試驗漂移率結(jié)果如表3所示。分析表3的數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)水平風(fēng)速不變時，理論漂移率與試驗漂移率都隨著噴速增大而增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時，理論漂移率和試驗漂移率也都隨著水平風(fēng)速的增大而增大。

2) 水平風(fēng)速不同時，高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速之間的漂移率變化幅度也不同，如水平風(fēng)速在1m/s時，5 000r/min與1 000r/min之間的理論漂移率和試驗漂移率相差10%；水平風(fēng)速在5m/s時，5 000r/min與1 000r/min之間的理論漂移率和試驗漂移率相差了53.1%不止3倍。這可能是在水平風(fēng)速不大時，霧滴在重力、表面張力、剪應(yīng)力及空氣阻力的共同作用下，霧滴保持動態(tài)平衡，自然噴灑。當(dāng)水平風(fēng)速過大時，過大的水平風(fēng)速加快了空氣中分子的運動動能，帶動霧滴水分子快速運動，增大了霧滴的揮發(fā)速度，使霧滴的質(zhì)量在噴灑過程快速變小，霧滴離開其原來的運動軌跡，使霧滴的漂移距離更遠(yuǎn)。

3)相同水平風(fēng)速下，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過4 000r/min時，理論漂移率的值總是比試驗漂移率的值大。出現(xiàn)這種情況的原因可能是在理論計算時會把霧滴的重力勢能計算在內(nèi)。由表2可知，在高轉(zhuǎn)速時，霧滴細(xì)化能力加強(qiáng)，霧滴直徑小于73μm，因此在實際噴灑過程中，霧滴本身的重力勢能已經(jīng)對霧滴漂移距離沒有影響了，造成了理論漂移率的值會比試驗測得漂移率的值要略大。

4)在高轉(zhuǎn)速時，水平風(fēng)速對霧滴漂移率的影響非常嚴(yán)重，如5 000r/min、水平風(fēng)速為1m/s時，霧滴的理論漂移率和試驗漂移率分別為 17.2%和16.7%；而水平風(fēng)速為5m/s下，理論漂移率和試驗漂移率都超多了74%。其主要原因可能是當(dāng)霧滴直徑很小時，霧滴對水平風(fēng)速變化感知非常敏感，水平風(fēng)速細(xì)微變化就會造成霧滴漂移率過大。這表明，在采用離心噴頭噴灑時，水平風(fēng)速和轉(zhuǎn)速不能同時過高。

5)水平風(fēng)速在0～5m/s循環(huán)變化時的試驗漂移率和水平風(fēng)速恒為3m/s的漂移率變化基本相同。這可能是霧滴漂移主要是有水平風(fēng)速的平均速度決定的，0～5m/s變化自然風(fēng)的平均值為2.5m/s，數(shù)值接近3m/s。

6)通過理論計算得出漂移率和試驗漂移之間的誤差不超過3%，說明從能量角度對霧滴的噴霧性能進(jìn)行理論描述是可行、合理的。

表3 轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速對霧滴漂移的影響Table 3 Effect of rotating speed and horizontal wind speed on droplet drift

續(xù)表3

4 結(jié)論

離心式噴頭在用于農(nóng)業(yè)植保噴霧系統(tǒng)上的優(yōu)點是霧滴細(xì)化能力強(qiáng)，噴灑面積較大。離心式噴頭在農(nóng)藥噴灑過程中，轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速都會產(chǎn)生霧滴漂移，嚴(yán)重影響其噴灑效果，因此需要準(zhǔn)確掌握影響規(guī)律。本文通過分析不同轉(zhuǎn)速下的霧滴直徑測量，及不同轉(zhuǎn)速和不同水平風(fēng)速交互影響的霧滴理論漂移率和霧滴試驗結(jié)果表明：離心噴頭轉(zhuǎn)速增大，霧滴直徑開始變小，轉(zhuǎn)速越大霧滴直徑變小越明顯；噴頭轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速對理論漂移率和試驗漂移率都成正相關(guān)影響，漂移率隨著噴頭轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速增大而增大；離心噴頭在高轉(zhuǎn)速時，水平風(fēng)速對漂移率影響很大，漂移率會隨著水平風(fēng)速的增加而急劇上升；在植保防治方面，轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速同時增大時，霧滴漂移率隨著增大，轉(zhuǎn)速越高、水平風(fēng)速越大霧滴漂移率越嚴(yán)重，達(dá)不到植保噴灑要求。因此，離心式噴頭在有風(fēng)的植保作業(yè)時更適合低轉(zhuǎn)速工作。通過霧滴漂移率的試驗結(jié)果和理論計算結(jié)果的對比，其誤差不大。這說明從能量方面來對霧滴漂移進(jìn)行理論描述是符合實際的。