不同側風和風幕風速對風幕式噴桿噴霧飄移的影響

賈衛東，申 彬，周慧濤，歐鳴雄，龔 辰，陳志剛

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

農業施藥過程中，部分農藥霧滴群受到氣流卷挾運動到噴施作物區域以外，導致農藥霧滴的飄移，霧滴飄移是造成環境污染、農藥浪費及農藥使用率低的主要因素之一[1-3]。隨著生態環境和食品安全等問題日益突出，減少霧滴飄移成為了目前農業施藥領域的重要研究方向[4-5]。側風是影響霧滴飄移的重要原因，側風風速越大，農藥的飄移率越大[6]。

飄移受到多種因素影響，包括噴頭類型和霧滴粒徑[8-10]、作業的風速和風向[11-13]、霧滴速度和運動軌跡[14]等。 王瀟楠等[15]在室內無風條件下對不同噴頭的飄移潛力進行試驗，表明霧滴大小和工作壓力均為影響飄移的重要因素。劉雪美等[6]采用三維流場的多相流計算流體力學模型，研究自然風等多種因素在連續相和霧滴粒子群離散相耦合的交互作用，表明輔助氣流速度對霧滴飄移影響顯著。

風幕式噴桿噴霧技術即在噴桿上方通過強制送風形成風幕，風幕氣流強迫霧滴向靶標運動，對側風具有抵抗作用，減少了霧滴的飄移，同時風幕氣流吹動作物，對作物葉片和冠層具有翻滾作用，改善了霧滴的沉積和穿透效果[7]。燕明德等[16]運用PDPA對不同條件下的風幕式噴桿噴霧兩相流流場進行測試，表明風幕氣流可以改善霧滴的粒徑和速度分布，減小飄移。楊洲等[17]進行了噴桿式靜電噴霧機的霧滴飄移試驗，表明側風風速和靜電電壓對靜電噴霧霧滴飄移具有顯著的交互作用。目前，對于風幕式噴桿噴霧霧滴飄移的研究主要集中在無側風狀態下的噴頭類型、噴霧壓力及輔助氣流速度等多種因素對于飄移影響的顯著性分析，針對不同側風和風幕風速對霧滴飄移交互作用的研究較少，個別相關研究集中在流場仿真與數值分析，而側風作用是實際噴霧作業時不可避免的問題。

本文通過室內試驗風場產生不同速度的側風，利用風幕式噴桿噴霧噴霧性能測試系統對不同側風和不同風幕氣流下的霧滴飄移情況進行試驗研究，探究不同側風和風幕氣流對風幕式噴桿噴霧霧滴飄移的影響規律，以期為風幕式噴桿噴霧機防飄技術研究和作業參數優化提供參考。

1 霧滴飄移評價指標

1.1 質量中心距

質量中心距D是衡量噴霧飄移潛力的指標。質量中心距越大，表明沉降的霧滴與噴頭噴霧正下方的距離越遠，噴霧在噴頭下方靶標區的沉降量越少，即飄移越嚴重[18]。質量中心距D的計算公式為

式中D—飄移質量中心距(%)；

i—V 型槽編號(1～50)；

z—V 型槽總個數；

mi—第i個V型槽內的霧滴質量(kg)；

di—第i個V型槽中心到噴頭的水平距離(mm)。

1.2 飄移率

飄移率β是霧滴飄失程度的最直觀衡量指標。飄移率β越小，沉降在靶標區域的有效霧滴越多，表明霧流抗飄失能力越強。飄移率β的計算公式[11]為

式中β—飄移率(%)；

k—不同采樣范圍內V型槽的數量；

M—試驗用噴頭的實際噴霧總量(g)。

2 試驗方法與設計

2.1 試驗裝置

本試驗安排在江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室進行，采用了自制的風幕式噴桿噴霧噴霧性能測試系統(見圖1)進行霧滴飄移試驗。

1.隔膜泵 2.藥箱 3.軸流風機 4.變頻器 5.風幕氣囊 6.風速儀 7.噴桿 8.扇形噴頭 9.壓力表 10.智能流量計 11.開關閥

該測試系統由風幕控制部分、噴霧調節部分及噴桿運動控制部分3部分組成。風幕控制部分包括軸流風機、變頻器和風幕氣囊，通過變頻器控制軸流風機轉速，利用KA31型熱線風速儀對風幕出風口風速進行標定，軸流風機與風幕氣囊均固定于機架上且兩者密封聯接。噴霧調節部分包括隔膜泵、藥箱、開關閥、壓力表、智能流量計、噴桿和噴頭。噴桿運動控制部分由滾珠絲杠、噴桿及U型卡環組成，噴桿的前后和上下運動是通過滾阻絲杠的傳動實現，通過調節U型卡環可以改變噴桿繞自身軸線的旋轉角度。該系統主要的技術參數如表1所示。

表1 風幕式噴桿噴霧測試系統的主要技術參

2.2 試驗設計

為研究不同側風和風幕風速對風幕式噴桿噴霧霧滴飄移的影響規律，首先進行風幕氣流不同作用方式下的防飄移對比試驗，確定最佳風幕氣流作用位置，然后進行飄移測量試驗。設計5個風幕風速水平和4種側風風速，如表2所示。

本文所述風幕風速和側風風速均為該類風穩定作用時噴頭中心位置處的平均風速，風向與該類風相同，1～5變化非恒速風用來模擬變化自然風，采用混沌方程向變頻器輸入數據[19]來生成，即

xn+1=a·[xn+0.8-2sin(2π·xn)]

其中，xn+1為第n+1 時刻的風速(m/s)；xn為第n時刻的風速(m/s)；a為風的強度系數[19]，取值 1.067。方程提供的模擬自然風的平均風速為 2.4 m/s，風速范圍為 1～5 m/s。

2.2.1 測量坐標系的設置

選取噴頭噴霧中心點為坐標原點，選取豎直向下為y軸正方向，側風氣流方向為x軸正方向，與yox平面垂直向外為z軸正方向，噴頭中心點與風幕出風口中心的水平距離為Dx(mm)，風幕氣流形成的風場在x軸方向具有一定厚度，但本文定義風幕氣流在豎直方向垂直于x軸且過風幕出風口中心點的截面到噴頭中心的距離亦為Dx，即認為噴頭中心點到風幕的距離就是到風幕中心截面的距離，噴頭中心點與出風口中心的垂直距離為Dy(mm)。圖2為試驗測試坐標系。

圖2 測試坐標系圖

2.2.2 風幕氣流不同作用方式下的防飄對比試驗

以噴桿所在位置為基準，定義側風上風向為前方，根據噴頭中心與風幕出風口中心的水平距離，將風幕氣流作用方式分為噴桿前方、噴桿上方、噴桿后方，噴霧壓力取0.5MPa，側風風速為5m/s，風幕風速15m/s，噴頭中心與風幕出風口中心的垂直距離Dy為最小距離10mm，調節水平距離Dx為-120、-60、0、60、120mm；噴霧持續1min后關閉開關，等待30s后對燒杯內收集的霧滴進行稱重；每組試驗重復3次，測定風幕氣流不同作用方式下的霧滴飄移數據。試驗時無自然風，環境溫度為(25±1)℃，相對濕度為64%。

2.2.3 霧滴漂移試驗

1)試驗系統。霧滴飄移試驗系統由風幕式噴桿噴霧測試系統與霧型收集裝置搭建組成，該霧型收集裝置在水平方向上布置有50個用以接收沉積霧滴的V形槽，V形槽平面傾斜角度為5°，試驗布置如圖3(a)所示。噴桿上對稱布置4個Lechler ST110-01標準扇形噴頭，噴頭間距30cm，集霧采樣面為6m×2.5m矩形平面，每個V型槽出口端下方放置一個燒杯(容量200mL)，并將燒杯從左至右依次編號1～50。噴頭所在yoz平面與集霧采樣面交線為基準線，左側為正，右側為負。側風風場為1.5m×1.5m的平面無邊界風[19]，側風風機與噴頭所在yoz平面距離為2m。

2)試驗過程。噴霧壓力取0.5MPa，噴頭與風幕出風口垂直距離Dy取最小距離10mm，水平距離Dx為0，噴頭距離集霧采樣面600mm。依據表2安排試驗，每次噴霧時間為1min，用BS210S電子天平依次稱取每個燒杯內水的質量，并記錄，每組試驗重復3次；試驗時無自然風，環境溫度為(26±1)℃，相對濕度為66%。圖3(b)為霧滴飄移試驗現場圖。

試驗開始前收集4個噴頭在0.5MPa壓力下噴霧1min時間的總噴霧量，并用電子天平稱重記錄；每組試驗噴霧結束后，等待30s后待集霧槽內水流干后再對燒杯依序號稱量。

1.V形槽 2.霧滴群邊緣 3.扇形噴頭 4.噴桿 5.側風 6.側風風機

(b) 霧滴飄移試驗現場圖

3 結果與分析

3.1 防飄對比試驗結果與分析

圖4為風幕氣流不同作用方式下霧滴飄移率變化情況。由圖4可知：風幕氣流與噴桿水平距離越小，飄移率越低；相等水平距離下，風幕氣流位于噴桿前方時的飄移率高；風幕氣流位于噴桿正上方時霧滴飄移率最小(21%)，略小于位于噴桿后方時，考慮到風幕氣流對靶標葉片具有翻滾作用并可增大霧滴動能，加快霧滴到達靶標。因此，在防飄效果無顯著差異的情況下，風幕式噴桿噴霧作業時選擇風幕氣流作用于噴桿正上方的方式。

圖4 風幕氣流不同作用方式對霧滴飄移率的影響

3.2 無風幕作用時側風對對霧滴飄移的影響

關閉風幕風機，風幕風速為0，噴霧壓力0.5MPa，設定側風風速分別為0、1、3、5、7m/s，進行噴霧飄移試驗，圖5為無風幕作用時的飄移質量中心距。

圖5 無風幕作用時的霧滴飄移質量中心距

由圖5可知：霧滴的飄移質量中心距隨側風風速的增大而逐漸增大，側風對霧滴飄移有顯著影響；對上述數據進行線性回歸分析，得到0.5MPa壓力無風幕作用下不同側風風速時的霧滴飄移質量中心距變化規律，即

y= 272.14x+ 225,R= 0.99

飄移質量中心距與側風風速擬合方程的相關系數R接近于1，說明線性回歸方程的擬合度較好。

通過線性回歸方程可知：霧滴飄移質量中心距隨側風風速的增大變化明顯，因為霧滴在側風作用下沿著下風向的動能很大，霧滴受到側風作用，霧滴會向距離噴頭更遠的地方飄移。從圖5中曲線與y軸交點可知：當側風風速為0(無側風)時，飄移質量中心距為168mm，即霧滴依然產生了飄移。這是液滴霧化過程中相互碰撞并在空氣阻力作用下水平運動的結果，說明側風并不是決定飄移的唯一因素，霧滴霧化后的擴散作用即可產生飄移，但飄移潛力相對較小；當側風風速上升為1m/s，即剛開始側風作用時，霧滴飄移質量中心距(623mm)較無側風時增加了近3倍，說明較小側風即可對飄移質量中心距產生很大影響。

3.3 不同側風和風幕風速對霧滴飄移的影響規律

側風和風幕氣流共同作用時，可得到霧滴飄移率和霧滴飄移質量中心距的變化規律。

3.3.1 不同側風和風幕風速對霧滴飄移率的影響

由圖6可知：同一側風風速時，霧滴飄移率隨風幕風速的增大基本呈先減小后略有回升的趨勢。風幕出口風速5m/s增加至10m/s時，霧滴飄移率下降最快，側風風速5m/s時，風幕出口風速由5m/s增加至10m/s，霧滴飄移率下降達23%。這是由于在6m×2.5m的采樣范圍內，5m/s的氣流形成的輔助流場的邊界不能對側風流場形成完全隔擋，而出口風速增加至10m/s時，輔助氣流流場在此采樣范圍內可對側風流場形成完全的阻礙作用，因此飄移率下降最為明顯。

圖6 不同側風和風幕風速下的霧滴飄移率變化規律

風幕風速從5m/s增加至20m/s時，霧滴飄移率基本呈線性下降規律，當風幕出口風速為20m/s時飄移率最低，表明最佳的防飄風幕風速區間為5～20m/s，最佳的防飄風幕風速為20m/s。風幕出口風速超過20m/s后，飄移率出現小幅度提升。其中，當側風風速5m/s時，風幕風速由20m/s增加至25m/s時，霧滴飄移率增加了6%，即風幕氣流增強至一定程度時防飄效果反而會下降。這是因為風幕風速過大，輔助氣流使霧滴破碎加快，霧滴粒徑變小，質量變輕，霧滴自身飄移潛力增大，過大的風速還加劇了霧滴的蒸發，使霧滴總質量變小；同時，氣流吹進集霧槽中會造成氣流反彈，反彈回來的氣流對細小霧滴的沉降具有阻礙作用，造成霧滴懸浮，懸浮的細小霧滴飄移潛力更大，造成了霧滴總體飄移率的回升。風幕風速不斷增大，減少霧滴飄移的同時又具有增大飄移的作用，因此必須選擇合適的風幕風速，才能達到較好的防飄效果。

3.3.2不同側風和風幕風速對霧滴飄移質量中心距的影響

前文已得：側風風速越大，霧滴飄移質量中心距也越大。從圖7進一步可知：在同一側風風速下，霧滴的飄移質量中心距與風幕風速呈負相關關系。這是因為霧滴飄移質量中心距反應飄移霧滴相對于噴頭中心的分布情況，風幕輔助氣流離開出口后向四周擴散，形成一個穩定的保護流場，對側風氣流具有抵消作用，風幕風速越大，抵消作用越明顯，霧滴向側風下風向的飄移動能越小，霧滴的飄移質量中心距也就越小。

圖7 不同側風和風幕風速下的霧滴飄移質量中心距變化規律

對比圖6，以側風風速5m/s時為例：無風幕作用時，霧滴飄移質量中心距為1 630mm；當有風幕作用、出口風速為5m/s時，質量中心距降至796mm，下降了51.1%；繼續增大風幕風速，霧滴飄移質量中心距下降更為明顯，說明風幕輔助氣流有效減小飄移率的同時，對霧滴在噴頭下方的分布也具有顯著影響。

由圖6和圖7可知：相同風幕出口風速下，3m/s恒速風和1～5m/s變化的非恒速風(模擬田間作業時的不穩定自然風)之間的飄移率及飄移質量中心距無顯著差異，說明側風平均風速是影響霧滴飄移的主要因素，為以室內試驗模擬田間作業情況進一步提供了依據。

4 結論

1)風幕氣流對噴桿的作用方式不同，風幕的防飄移效果不同，風幕氣流與噴桿的水平距離越小，霧滴的飄移率越低。綜合考慮風幕氣流對霧滴的加速作用，風幕氣流作用于噴桿正上方為風幕式噴桿噴霧作業的最佳作用方式。

2)無風幕作用時，霧滴的飄移質量中心距隨側風風速的增加線性上升，側風是霧滴飄移的主要影響因素。

3)同一側風風速下，霧滴飄移率隨著風幕風速的增大呈先快速再平穩減小后略有回升的趨勢；風幕風速為5～20m/s時，飄移率呈線性下降規律，最佳的防飄風幕風速區間為5～20m/s；過大的風幕風速反而造成防飄效果下降，最佳防飄風幕風速為20m/s。在同一側風風速下，霧滴的飄移質量中心距與風幕風速呈負相關關系，風幕輔助氣流有效減小飄移率的同時，對霧滴在噴頭下方的分布具有顯著影響。

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