于艷 郭大山 顧國榮

摘 要：在無人機噴灑農藥的時候，旋翼氣流下不同口徑和噴灑角度的噴頭，因為氣流的疊加霧化效應，霧化效果差別比較大。絕大部分植保無人機均沒有考慮到下洗氣流對于霧化效果和角度的影響。在試驗中著重分析了Lechler IDK 120度02 噴頭在植保機旋翼下洗氣流中與在平穩(wěn)氣流中，氣流對于噴頭霧化效果的影響。試驗發(fā)現，在合適的植保機旋翼下洗氣流中，噴頭的霧滴分布會更加均勻，較平穩(wěn)氣流中霧滴中徑DV5明顯降低，霧滴分布Deposits/cm2明顯提升。在霧滴較大的噴頭中，這個現象更加明顯。該試驗為減小霧滴霧化顆粒直徑提供了新的思路和解決辦法，為進一步研究噴頭在旋翼氣流中的最佳位置提供了數據基礎。

關鍵詞：無人機噴灑；噴頭；霧化；霧滴粒徑；下洗氣流

文章編號：1004-7026（2019）01-0104-04 中國圖書分類號：S491 文獻標志碼：A

噴灑霧化是液體以霧滴的形式分散到大氣中，形成霧狀分散系的過程，其實質是噴霧液滴在外力作用下實現霧滴表面積大幅度擴張的過程。在農用植保機械中，霧滴受到風力或其他外力的影響，在霧化程度和霧滴漂移程度上均有不同的表現。在植保無人機中，因為霧滴受到旋翼氣流的影響，霧化和霧滴漂移程度更加明顯。較大直徑的霧滴擁有較好的穿透性，不容易受風力的影響，漂移量較小。較小直徑的霧滴受旋翼氣流的影響較大，漂移量大，但是容易附著在植株表面。

為了增大無人機噴灑農藥時霧滴對植株的附著性，除了通過改善施藥方式、更換噴頭和使用助劑以外，旋翼氣流與噴頭疊加霧化效果也非常重要。通過旋翼氣流的湍流帶動作用，可以使霧滴細化成更小的顆粒。在旋翼氣流下，不同位置噴頭霧化顆粒受到的下洗氣流強度不同，霧化顆粒大小也不盡相同，不同口徑和霧化角度的噴頭霧化效果也有較大差別。合理使用不同霧化角度和口徑的噴頭，可以使霧滴保持在一個相對適宜的霧化直徑上，加大了霧滴對植株葉片的穿透力度和穿透性，增加了霧滴在葉片上的滯留量，提高了農藥的利用率。

為了探究旋翼氣流對不同霧化直徑和霧化角度航空噴頭的影響，選用了翼農YN-4A/RTK植保機、110度ETF03、90度RJ02、Lechler IDK 120度02 噴頭在外場無風、微風的環(huán)境下進行噴灑試驗，對旋翼氣流跟噴頭噴灑霧滴的均勻度和分布規(guī)律進行量化分析，為無人植保機噴頭選擇提供數據參考。

1 理論模型

植保無人機噴灑農藥時，噴頭霧化是指噴頭內的液體在外力的作用下從噴頭高速噴出，在跟空氣接觸的過程，當外部作用力超過液體自身表面張力時，液體會碎裂成液線及大顆粒液滴，在空氣阻力和外部張力的共同作用下，液滴二次碎裂、霧化。

當噴頭噴出霧滴時，霧滴呈標準流體的水滴形，假設在水滴下落過程中，并且是在無風情況下，將質量為M，密度為P的水滴簡化成一個半徑為r的球形，為了計算方便，做如下假設。

（1）水滴在下落過程中其溫度、黏性、密度等介質參數不變。

（2）由于水滴密度遠大于空氣密度，由壓力階梯梯度引起的表面力和質量力都很小，可以忽略不計。同時因為霧滴本身體積比較小，可以忽略氣動升力，所以只考慮水滴上面的空氣阻力和重力。理論力學中所說的“與物體速度V2成正比的&”指的就是黏滯阻力，水滴下落的速度比較小，而且與空氣相比沒有相對速度，所以近似的認為空氣阻力F與水滴的速度V成正比。

F（阻力）=-kv=-6πεηV

由牛頓第二定律，水滴運動方程：

M×dv/dt=F（阻）+mg

可以得到水滴運動：

Du/dt=-k×u/m+g

積分得到：

y=mgt/k-m2g/k2（1-elog（eθ/t））

所以霧滴的碎裂程度，即霧滴的分布直徑跟噴頭周圍出口速度和風壓有很大的關系。使用植保機的旋翼下洗氣流加速霧滴的二次霧化，可以使較大的霧滴在噴嘴出口處碎裂成直徑更小的霧滴，起到更好的霧化效果。

2 材料和方法

試驗從2018年6月26開始，2018年9月7號多噴頭組網試驗測試結束。

2.1 試驗材料

噴霧藥液使用水敏紙來進行霧滴大小、霧滴分布、霧滴擴散的檢測，首先通過Ansys Flunt對四旋翼植保機進行仿真和流體力學分析測試，完成植保機流線體的霧滴測試和仿真環(huán)境的搭建，測試得出放置噴頭的最佳位置和最佳角度。見圖1。

仿真測試使用Soildwork對植保無人機機體和噴頭位置進行建模，通過Ansys仿真可以得出噴頭最佳放置位置，然后通過測試來檢測噴頭位置下旋翼氣流對不同噴頭的噴灑角度、霧滴霧化角度和霧化顆粒大小的影響。見圖2。

試驗噴頭為國產110度ETF03、90度RJ02、德國產Lechler IDK 120度02，經過測定ETF噴頭在噴灑壓力0.5 mpa下噴灑流量分別是1.22 L/min、1.1 L/min、1.54 L/min。

德國產Lechler IDK 120度02 噴頭為：0.87 L/min。

其中噴頭結構如圖3所示，IDK噴頭使用了特有的噴頭結構設計，在噴頭噴體中間有與空氣相連的凹槽，由于液體高速流過時產生了空壓效應，部分空氣從凹槽進入噴頭中，在藥液從噴頭處噴出之前就與空氣進行混合，可以達到較好的霧化效果。

2.2 試驗裝置

測試試驗裝置見圖4。

翼農YN-4A/RTK版四旋翼植保無人機，重26.7 kg，水平定位誤差±0.1 m，高程定位誤差±0.3 m，可以滿足測試實驗需求。

2.3 試驗方法

在無風或風力小于2 m/s的天氣下，進行室外測試。地面覆蓋物的直徑約6 m。每架次掛載同一型號噴頭2個于噴桿兩端，4 m高懸停，以壓力泵最大壓力值（0.5 Mpa）噴霧5 s，測量地面覆蓋物上試劑噴幅大小。植保機完成噴灑以后關閉噴霧系統，在噴灑位置懸停15 s以后原地降落，收集地面上貼的水敏紙。

所取得的水敏紙試紙通過掃描儀掃描到AriImagepy測試軟件中，可以通過照片的二值化處理得到有較大色差的二值化圖片，然后通過計算每個霧滴在試紙上留下的霧滴小顆粒所占用黑色像素點的大小，來對霧滴的面積和覆蓋率進行計算，不同霧滴的X軸和Y軸上的像素點數量，就是霧滴的中徑。

霧滴尺寸是一項重要指標，一般用均勻度、相對尺寸范圍、發(fā)散度及發(fā)散邊界等指標來評價。根據美國農業(yè)與生物工程學會（ASABE）和美國國家標準局（ANSI）572.1 標準，農業(yè)噴霧霧滴尺寸發(fā)散性選用相對尺寸范圍Δs 來評價，表示霧滴直徑相對于體積中徑的范圍。一般而言，Δs 值越大，代表霧滴粒直徑范圍越大，發(fā)散性越大。以霧滴體積中徑 Dv5和Dv9及霧滴分布相對跨度Δs、霧滴密度Deposits/cm2、霧滴覆蓋率Coverage、藥液沉積量ul/cm2作為評價噴霧霧化程度的評價參數。

3 試驗結果與分析

110度ETF03試驗結果見圖5、表1。

90度RJ02試驗結果見圖6、表2。

Lechler IDK 120度02試驗結果見圖7、表3。

在植保無人機旋翼氣流疊加霧化條件下，噴頭的噴灑半徑，霧化效果均有較好的提升，通過對比發(fā)現Δd（霧滴直徑）有明顯的變化，通過霧滴檢測軟件得到的檢測，證明絕大部分霧滴的中徑都小于100 um，90%以上的霧滴中徑低于120 um。在相同試驗條件下，不疊加旋翼氣流霧化的霧滴均控制在220 um左右。

4 結束語

綜合比較了不同噴頭在旋翼氣流疊加霧化條件下，不同霧化角度和霧化顆粒分布的規(guī)律。在試驗中，通過合理的噴頭布局均可以減小霧化顆粒中徑，提高噴頭霧化效果，所得結論如下。

（1）110度ETF03，在0.5 Mpa壓力下，霧滴密度Deposits/cm2較平穩(wěn)氣流下增加了12.75%，霧滴顆粒分布增大了32.2%，有效減小了霧化顆粒的大小，提高了霧化效果。在有風情況下，左右對稱分布依舊比較均勻，最大覆蓋直徑達到4.2 m，有效覆蓋直徑達到3.85 m。

（2）90度RJ02，在0.5 Mpa壓力下，霧滴密度Deposits/cm2較平穩(wěn)氣流下增加了10.2%，霧滴顆粒分布增大了3.75%，霧滴顆粒分布增加較小，其ul/cm2在與平穩(wěn)氣流下對比相差不大，對比試驗證明噴頭角度越小，旋翼氣流的疊加霧化效果越差。最大覆蓋直徑3.7 m，有效覆蓋直徑3.6 m。

（3）Lechler IDK 120度02，在0.5 Mpa壓力下，霧滴密度Deposits/cm2較平穩(wěn)氣流下增加了11.66%，霧滴顆粒分布增大了6.57%，平均中徑DV5和DV9均有明顯的降低，分別降低了7.15%和5.31%，對于相同霧滴直徑的標準噴頭，角度越大，旋翼疊加霧化效果越明顯。

由此可見，在植保無人機合理的位置放置噴頭，通過旋翼的下洗氣流來推動噴頭的二次霧化，可以明顯起到提高霧化效果的作用。