風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴特性與飄移性能試驗

賈衛(wèi)東，聞志勇，燕明德，歐鳴雄， 陳志剛， 董 祥

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風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴特性與飄移性能試驗

賈衛(wèi)東1，聞志勇1，燕明德2，歐鳴雄1， 陳志剛1， 董 祥2

(1.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

為了描述風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴特性與飄移性能之間的關(guān)系，運用激光粒度分析儀、粒子圖像測速(PIV)和集霧試驗測量裝置對Lechler標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭ST110-01在不同噴霧壓力、風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速和噴霧高度情況下的霧滴粒徑、速度分布和飄移進(jìn)行了試驗，但飄移率逐漸變大；在400～600mm時，增大噴霧高度使霧滴粒徑變大，霧滴的運動速度逐漸變小且飄移率變??；增大風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速使霧滴粒徑變小，此時噴霧高度對霧滴飄移率有著很大的影響。該研究可為正確設(shè)定噴霧系統(tǒng)運行參數(shù)等提供參考，對風(fēng)幕式噴桿噴霧能夠合理地噴施藥液、減少霧滴的飄移和增大霧滴覆蓋面積具有重要意義。

風(fēng)幕式噴桿噴霧；霧滴粒徑；霧滴速度；飄移；噴霧流場

0 引言

在風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)施藥過程中，藥液中有小部分的細(xì)小霧滴會被風(fēng)幕氣流攜帶，并向非靶標(biāo)區(qū)域運動，造成農(nóng)藥飄移[1]，減少霧滴的飄移和提高藥液的覆蓋率是降低農(nóng)藥流失、減輕土壤污染的一個重要措施[2]。噴霧中和噴霧后都存在霧滴蒸發(fā)飄移現(xiàn)象，此類飄移主要受農(nóng)藥的揮發(fā)性影響。飄移受多種因素影響，霧滴的初始尺寸是引起飄移的最主要因素[3]，霧滴越小，霧滴順風(fēng)飄移的可層度越嚴(yán)重[4]。霧滴的粒徑和速度決定了霧滴的運動軌跡及其在靶標(biāo)表面上的覆蓋狀態(tài)，影響霧滴的飄移率[5-8]。因此，研究風(fēng)幕式噴桿噴霧流場中霧滴的粒徑和速度分布對減少霧滴飄移和提高噴霧性能具有重要意義。

燕明德[9-10]等采用與本文相同的風(fēng)幕式噴桿噴霧試驗裝置開展了噴霧參數(shù)對霧滴氣液兩相流場特性的試驗研究，但并未涉及風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴特性與飄移性能研究。本試驗研究在封閉環(huán)境中進(jìn)行，使用激光粒度分析儀、粒子圖像測速儀(PIV)和集霧試驗測量裝置對噴頭在不同噴霧壓力、風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速和噴霧高度多種因素下的霧滴粒徑、速度分布和飄移率進(jìn)行研究，確定噴霧系統(tǒng)運行參數(shù)對噴霧效果的影響，并分析霧滴的飄移規(guī)律，為風(fēng)幕式噴桿噴霧防飄研究提供理論依據(jù)。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 霧滴的粒徑、速度分布與飄移的關(guān)系

霧滴的粒徑和運動速度是決定霧滴群飄移、沉降的關(guān)鍵因素[11]。霧滴在風(fēng)幕氣流場作用下，隨著風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速逐步增大，霧滴的粒徑變小，運動速度加快，霧滴數(shù)量增加且分布更加均勻，霧滴的覆蓋面積增大。霧滴粒徑越大，飄移率越小，但霧滴的覆蓋性相應(yīng)變差。

1.2 試驗裝置

圖1為風(fēng)幕式噴桿噴霧測試系統(tǒng)原理圖。

1.開關(guān)閥 2.隔膜泵 3.流量計 4.壓力表 5.藥箱 6.變頻器 7.軸流風(fēng)機(jī) 8.風(fēng)幕氣囊 9.風(fēng)速儀 10.電子天平 11.集霧裝置 12.計算機(jī) 13.噴桿 14.噴頭 15.激光粒度分析儀

該試驗系統(tǒng)主要由風(fēng)幕式噴桿噴霧試驗臺、激光粒度分析儀、粒子圖像測速儀(PIV)和集霧試驗測量裝置搭建組成。

圖2為噴霧試驗裝置現(xiàn)場圖。風(fēng)幕式噴桿噴霧試驗臺由風(fēng)幕和噴霧調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成，風(fēng)幕調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括軸流風(fēng)機(jī)、變頻器和風(fēng)幕氣囊。其中，風(fēng)幕氣囊基于CAAMS研制的3W系列風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)設(shè)計研發(fā)，通過變頻器控制軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，利用KA31型熱線風(fēng)速儀測得風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速，軸流風(fēng)機(jī)與風(fēng)幕氣囊均固定于機(jī)架上且兩者緊密聯(lián)接。噴霧調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括隔膜泵、藥箱、開關(guān)閥、壓力表、流量計、噴桿和噴頭。利用激光粒度分析儀、粒子圖像測速儀(PIV)和集霧試驗測量裝置對不同工作參數(shù)下霧滴的粒徑、運動速度和飄移率進(jìn)行測量并分析。風(fēng)幕式噴桿噴霧測試系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 風(fēng)幕式噴桿噴霧測試試驗裝置

主要裝置項目技術(shù)參數(shù)Altivar21H異步電機(jī)變頻器變頻范圍/Hz0～50SF-3.5型軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量/m3·h-16500轉(zhuǎn)速/r·min-12900DP-130型隔膜泵(15W)額定壓力/MPa1流量/L·min-11.7藥箱容積/L60BS210S電子天平質(zhì)量/mg0.1LWGY-N型渦輪流量計測量范圍/m3·h-10.04～0.25Y-100型壓力表測量范圍/MPa0～0.6LECHLERST110-01標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭噴霧角/(°)110°KA31型熱線風(fēng)速儀測量范圍/m·s-10～50

1.3 試驗設(shè)計

本試驗測試系統(tǒng)選用的測試噴頭為德國Lechler ST110-01標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭，噴霧角為110°，噴頭產(chǎn)生的噴霧分布均勻，霧滴粒徑為小到中等，防飄移性較好。試驗時，測試噴頭位于風(fēng)幕式噴桿噴霧試驗裝置的中間位置，噴霧高度分別設(shè)置為300、400、500、600、700mm，噴霧壓力為0.2、0.3、0.4、0.5MPa，風(fēng)機(jī)頻率為0、15、30、45Hz，在不同工作參數(shù)下對霧滴的粒徑、運動速度和飄移率進(jìn)行試驗。試驗時無自然風(fēng)，環(huán)境溫度為(21±1)℃，相對濕度為74%。

1.3.1 粒徑譜測量

影響霧滴飄移率主要因素包括噴霧壓力、風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速和噴霧高度，本試驗考察三者對霧滴粒徑分布影響的相關(guān)性。為對比不同因素影響下的霧滴粒徑大小及分布規(guī)律，本試驗采用Wimer318B激光粒度分析儀(濟(jì)南微納顆粒儀器股份有限公司，粒徑測量范圍為1～711μm)測量霧滴粒徑。激光粒度分析儀對霧滴粒徑的測量位置如圖3所示。其中，測試噴頭位于風(fēng)幕氣囊出風(fēng)口處中間位置，測量點沿風(fēng)幕橫向水平布置，激光粒度分析儀發(fā)射出的激光束與噴頭出液口垂直距離為測量高度，測量高度設(shè)置為300～700mm，相鄰測量點間距100mm。

圖3 霧滴粒徑的測量位置

1.3.2 速度場測量

通過比較在噴霧系統(tǒng)不同工作參數(shù)下的霧滴運動速度場，以期獲得最優(yōu)工作參數(shù)，達(dá)到最佳的噴霧效果。本試驗采用粒子圖像測速儀(PIV)，在風(fēng)幕氣流作用下分別測量4種不同噴霧壓力下的霧滴速度場并分析測試結(jié)果，且對所拍攝的不同噴霧壓力下的霧滴速度場原始圖像進(jìn)行分析處理，獲得其速度場數(shù)據(jù)。圖4為粒子圖像測速儀對霧滴速度場測量的原理圖和現(xiàn)場圖。

1.3.3 飄移率測量

集霧試驗測量裝置由霧型收集裝置、導(dǎo)流槽、容器和電子天平組成。該霧型收集裝置在水平方向上布置有60個用以接收沉積霧滴的V形槽，V形槽平面傾斜角度為5°，每個V形槽末端接在導(dǎo)流槽上，沉積在V型槽內(nèi)的霧滴通過導(dǎo)流槽流向收集容器中；每次試驗噴霧時間為3min，試驗前首先收集3min總噴霧量，并用電子天平測量其總質(zhì)量；噴霧完成以后，等待1min，測量出容器中收集到的霧滴沉積量，每種工況下進(jìn)行3次重復(fù)試驗，保證收集到霧滴沉積量與噴霧總質(zhì)量具有可比性。

噴施霧滴質(zhì)量已知，霧滴飄移率求解公式為

式中 Df—霧滴飄移率(%)；

Q—噴施霧滴總質(zhì)量(g)；

D—沉積量(g)。

圖4 霧滴速度測量系統(tǒng)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速的測定

本次試驗選取軸流風(fēng)機(jī)的頻率為0、15、30、45Hz，對應(yīng)軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為0、1 118、1 947、2 746r/min，使用KA31型熱線風(fēng)速儀測量風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速，風(fēng)速儀各測量點位置如圖5所示。

圖5 測量點位置

圖6為不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下各測點風(fēng)幕出風(fēng)口的平均風(fēng)速。其中，橫坐標(biāo)為風(fēng)速儀測量點位置，對應(yīng)于圖5中從左至右各測量點位置(200～1 800mm，相鄰測量點間距200mm)，縱坐標(biāo)為風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速。由圖6可以看出：各測量點風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大；在相同的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，測試線上各測量點的風(fēng)速呈現(xiàn)出中部較小、兩側(cè)較大的分布趨勢?？傮w來說，該風(fēng)幕設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，風(fēng)幕氣流的速度分布是均勻的，風(fēng)幕出風(fēng)口最大風(fēng)速出現(xiàn)在風(fēng)幕的兩側(cè)。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 118r/min時，風(fēng)幕出風(fēng)口平均風(fēng)速為6.3m/s；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 947r/min時，風(fēng)幕出風(fēng)口平均風(fēng)速為10.3m/s；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 746r/min時，風(fēng)幕出風(fēng)口平均風(fēng)速為14.4m/s。

圖6 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對風(fēng)幕出口風(fēng)速的影響

2.2 霧滴粒徑測量結(jié)果分析

本試驗通過改變噴霧壓力、風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速和噴霧高度，利用激光粒度分析儀測定不同工作參數(shù)下霧滴體積中徑變化。表2為霧滴粒徑分布結(jié)果，霧滴粒徑大小以體積中徑(volume median diameter)來衡量。由表2可知：霧滴粒徑隨著噴霧壓力和風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速的增加而減?。坏?dāng)噴霧高度上升時，霧滴粒徑就會逐步增大。

增加噴頭出口液體的初始速度會使液體霧化為更小的霧滴，液體的初始速度是由噴霧壓力決定的。當(dāng)噴霧壓力增加到使氣動力打破液體分子表面受力平衡時，液體就會破碎，形成霧滴；不斷增加噴霧壓力會使形成霧滴更加細(xì)化，即霧滴粒徑變小。

在風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速的影響下，霧滴進(jìn)行霧化形成小霧滴，霧滴粒徑逐漸變小。由于小霧滴質(zhì)量小且受到空氣阻力作用，導(dǎo)致霧滴向下的運動速度不斷降低，小霧滴更容易受溫度和濕度的影響導(dǎo)致蒸發(fā)后變得更小，沒有足夠的動力繼續(xù)向下運動。

霧滴在向下運動的過程中，不斷卷吸并混合外界氣流，霧化區(qū)域擴(kuò)大，霧滴的運動速度不斷衰減。由于受到空氣阻力的作用，小液滴的動能迅速衰減，其運動速度的衰減率比大液滴快；大液滴能夠快速穿過用于測量的激光束，但小液滴需要更長的運動時間來穿過激光束，且部分小霧滴在到達(dá)測量位置前由于空氣阻力作用懸浮在空中，并未到達(dá)激光束位置。因此，當(dāng)噴霧高度上升幅度較大時，霧滴粒徑逐漸增加。

表2 不同噴霧高度、風(fēng)速和噴霧壓力下的霧滴平均體積中徑

2.3 霧滴速度測量結(jié)果分析

采用粒子圖像測速儀(PIV)獲取噴頭在不同條件下霧滴區(qū)域的原始圖像和速度場云圖，通過Insight 3G軟件對圖像處理參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并通過Tecplot 10軟件進(jìn)行速度向量的統(tǒng)計分析。在0.2、0.3、0.4、0.5MPa噴霧壓力下風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速為10.3m/s時的速度場云圖如圖7所示。由圖7可以看出：在不同噴霧壓力下，霧滴的運動初始速度不同，霧滴的運動速度與噴霧壓力呈正相關(guān)。噴霧壓力在0.2MPa時，霧滴的最大運動速度為12.5m/s；在0.5MPa時，霧滴的最大運動速度提高至15.5m/s。

由圖7可知：在霧滴群中間區(qū)域霧滴獲得較大的運動速度，而霧滴群邊緣的速度比較小，到達(dá)底部的過程中，霧滴群的運動速度不斷降低；噴霧壓力較大時的霧滴運動速度明顯比噴霧壓力相對較小時分布均勻，尤其是霧滴群邊緣的霧滴速度明顯比噴霧壓力較小時均勻。這說明，霧滴在噴霧壓力和風(fēng)幕氣流的影響下，液體霧化后的小霧滴速度增大且分布更加均勻，霧滴在向下運動的過程中，其速度不斷地減小。

圖7 噴嘴在不同噴霧壓力下速度場

2.4 霧滴飄移率測量結(jié)果分析

2.4.1 噴霧壓力對霧滴飄移的影響

不同噴霧壓力對霧滴飄移的影響如圖8所示。由圖8可以看出：噴霧高度為500mm時，較高噴霧壓力下的飄移率大于較小壓力下的飄移率。這是由于霧滴飄移率與霧滴的動能密切相關(guān)，噴霧壓力增加會增大霧滴運動初始速度，霧滴獲得更大的初始動能，有利于霧滴向下運動；但霧滴粒徑相應(yīng)變小，更易受空氣阻力影響，動能衰減較快，小部分霧滴在沉降前飄移，增加了霧滴飄移率。由圖8還可知：不同風(fēng)幕氣流作用下，隨著噴霧壓力的變化，霧滴飄移率差異明顯，一方面是噴霧壓力增大使得霧滴粒徑變小，另一方面是風(fēng)幕氣流促使更多的霧滴向靶標(biāo)運動，同時對霧滴進(jìn)一步霧化。

圖8 不同噴霧壓力對霧滴飄移的影響

2.4.2 風(fēng)幕出口風(fēng)速對霧滴飄移的影響

不同風(fēng)幕出口風(fēng)速對霧滴飄移的影響如圖9所示。由圖9可以看出：有風(fēng)幕作用時霧滴的飄移率明顯要小于無風(fēng)幕作用時，風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速越大，霧滴防飄移性能越好。

在噴霧高度500mm、不同噴霧壓力時，霧滴飄移率隨風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速增大而減少的趨勢基本保持一致。因為霧滴受到風(fēng)幕出風(fēng)口豎直向下的氣流作用時，氣流對霧滴有向下的推送力，可以使霧滴快速向靶標(biāo)運動。圖9可以看出：當(dāng)風(fēng)速在10.3～14.4m/s之間時，霧滴飄移率減小緩慢。這說明，當(dāng)風(fēng)幕氣流達(dá)到一定速度后，增大風(fēng)速時風(fēng)幕防飄移效果變化不明顯，而過大的風(fēng)速會造成資源浪費，因此合理地選擇風(fēng)速是至關(guān)重要的。試驗表明：霧滴飄移率隨風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速的增加而減小，風(fēng)幕氣流可以有效地防止霧滴飄移。

圖9 不同風(fēng)幕出口風(fēng)速對霧滴飄移的影響

2.4.3 噴霧高度對霧滴飄移的影響

不同噴霧高度對霧滴飄移的影響如圖10所示。由圖10可以看出：不同噴霧高度下，風(fēng)幕出口風(fēng)速對霧滴飄移率有著顯著影響。當(dāng)噴霧高度為300～400mm時，風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速越大，霧滴的飄移率越大。這是因為較大的風(fēng)幕氣流作用于靶標(biāo)時氣流反彈力度變大，反彈氣流阻礙了霧滴向下運動。當(dāng)噴霧高度為400～600mm時，霧滴整體的飄移率隨著噴霧高度的增加而減少。這說明，在此噴霧高度時風(fēng)幕氣流能夠起到較好的防飄移效果。當(dāng)噴霧高度為600～700mm時，霧滴飄移率逐漸變大，一方面隨著噴霧高度的上升，霧滴向下運動的動能衰減幅度增大，霧滴沒有足夠的動能到達(dá)靶標(biāo)，造成霧滴飄移率增大；另一方面是風(fēng)幕氣流對霧滴具有細(xì)化作用，噴霧高度不斷上升后，細(xì)化后的小霧滴需要花費更長的時間才能到達(dá)靶標(biāo)，霧滴飄移的幾率增大，風(fēng)幕氣流對霧滴運動的影響逐漸變?nèi)酢?/p>

圖10 不同噴霧高度對霧滴飄移的影響

3 結(jié)論

1)增大噴霧壓力可使霧滴粒徑變小且霧滴運動速度增大；同時，霧滴受到空氣氣流的影響，阻礙了細(xì)小霧滴的動量，使霧滴飄移率變大的趨勢比較明顯。

2)在風(fēng)幕氣流的作用下，霧滴粒徑變小，霧滴運動速度增大，霧滴可快速運動至靶標(biāo)表面。當(dāng)風(fēng)速為0～10.3m/s時，可以有效地減少霧滴的飄移；當(dāng)風(fēng)速超出10.3m/s時，霧滴的防飄移效果明顯降低。

3)噴霧高度對霧滴飄移率有很大的影響，同時考慮風(fēng)幕氣流的影響：當(dāng)噴霧高度小于400mm時，風(fēng)幕氣流越大，霧滴的飄移越大；當(dāng)噴霧高度為400～600mm時，隨著噴頭與靶標(biāo)距離的增加，霧滴飄移趨勢逐漸減弱；當(dāng)噴霧高度大于600mm時，由于風(fēng)幕氣流作用減弱，霧滴的飄移趨勢增大。

4)使用風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)施藥時，選擇風(fēng)幕出口風(fēng)速為10.3m/s、噴霧高度在500～600mm之間，可以發(fā)揮更好的防飄移效果。

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Experimental Investigation of Droplet Characteristics and Drift Performance in Air-assist Boom Sprayer

Jia Weidong1， Wen Zhiyong1，Yan Mingde2， Ou Mingxiong1，Cheng Zhigang1， Dong Xiang2

(1.Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

In order to study the relationship between the droplet characteristics and drift in the air-assist boom sprays, the droplet diameter, distribution of velocities and drift were tested by Lechler nozzle st110-01 at different spraying pressure for different wind speed with various distances between the nozzle and the target, using the laser particle size analysis system, PIV analysis system and the collection spray test equipment. Analyse and discuss the relationship between the droplet diameter, velocity and drift. Experimental results showed that the droplet diameter decreased, the droplet velocity increased and drift increased with the increasing of the spraying pressure; the droplet diameter increased, the droplet velocity and drift decreased gradually with the increasing of the distances between the nozzle and the target (400mm-600mm); the droplet diameter decreased with the increasing of wind speed, the distance between the nozzle and the target has a great influence on the droplet drift. The research can provide a reference for the proper use of spraying system operation parameters, and the research has a significance in reasonably spraying pesticide, enhancing the efficiency of the air-assist boom sprayer, decreasing the drift efficiency and increasing the droplet coverage areas.

air-assist boom spraying； droplet size； droplet velocity； drift； spray flow field

2016-03-10

國家自然科學(xué)基金項目(51475215)；“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD08B04)；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項目(13KJA210001)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203025-04)；江蘇省農(nóng)機(jī)三新工程項目(NJ2015-12)

賈衛(wèi)東(1971-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，研究員，博士生導(dǎo)師，(E-mail)jiaweidong@ujs.edu.cn。

S491

A

1003-188X(2017)04-0162-06