旋翼氣流對不同口徑噴頭的農(nóng)藥噴灑霧化效果的影響

于艷 郭大山 顧國榮

摘 要：在無人機(jī)噴灑農(nóng)藥的時(shí)候，旋翼氣流下不同口徑和噴灑角度的噴頭，因?yàn)闅饬鞯寞B加霧化效應(yīng)，霧化效果差別比較大。絕大部分植保無人機(jī)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(yàn)中著重分析了Lechler IDK 120度02 噴頭在植保機(jī)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，在合適的植保機(jī)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(gè)現(xiàn)象更加明顯。該試驗(yàn)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(jìn)一步研究噴頭在旋翼氣流中的最佳位置提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)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(xiàn)標(biāo)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(shí)質(zhì)是噴霧液滴在外力作用下實(shí)現(xiàn)霧滴表面積大幅度擴(kuò)張的過程。在農(nóng)用植保機(jī)械中，霧滴受到風(fēng)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(xiàn)。在植保無人機(jī)中，因?yàn)殪F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(fēng)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(jī)噴灑農(nóng)藥時(shí)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(xì)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(qiáng)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(gè)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(nóng)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(nóng)YN-4A/RTK植保機(jī)、110度ETF03、90度RJ02、Lechler IDK 120度02 噴頭在外場無風(fēng)、微風(fēng)的環(huán)境下進(jìn)行噴灑試驗(yàn)，對旋翼氣流跟噴頭噴灑霧滴的均勻度和分布規(guī)律進(jìn)行量化分析，為無人植保機(jī)噴頭選擇提供數(shù)據(jù)參考。

1 理論模型

植保無人機(jī)噴灑農(nóng)藥時(shí)，噴頭霧化是指噴頭內(nèi)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(dāng)外部作用力超過液體自身表面張力時(shí)，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(dāng)噴頭噴出霧滴時(shí)，霧滴呈標(biāo)準(zhǔn)流體的水滴形，假設(shè)在水滴下落過程中，并且是在無風(fēng)情況下，將質(zhì)量為M，密度為P的水滴簡化成一個(gè)半徑為r的球形，為了計(jì)算方便，做如下假設(shè)。

（1）水滴在下落過程中其溫度、黏性、密度等介質(zhì)參數(shù)不變。

（2）由于水滴密度遠(yuǎn)大于空氣密度，由壓力階梯梯度引起的表面力和質(zhì)量力都很小，可以忽略不計(jì)。同時(shí)因?yàn)殪F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(xué)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(rèn)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(yùn)動方程：

M×dv/dt=F（阻）+mg

可以得到水滴運(yùn)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(fēng)壓有很大的關(guān)系。使用植保機(jī)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(yàn)從2018年6月26開始，2018年9月7號多噴頭組網(wǎng)試驗(yàn)測試結(jié)束。

2.1 試驗(yàn)材料

噴霧藥液使用水敏紙來進(jìn)行霧滴大小、霧滴分布、霧滴擴(kuò)散的檢測，首先通過Ansys Flunt對四旋翼植保機(jī)進(jìn)行仿真和流體力學(xué)分析測試，完成植保機(jī)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(jī)機(jī)體和噴頭位置進(jìn)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(yàn)噴頭為國產(chǎn)110度ETF03、90度RJ02、德國產(chǎn)Lechler IDK 120度02，經(jīng)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(chǎn)Lechler IDK 120度02 噴頭為：0.87 L/min。

其中噴頭結(jié)構(gòu)如圖3所示，IDK噴頭使用了特有的噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)產(chǎn)生了空壓效應(yīng)，部分空氣從凹槽進(jìn)入噴頭中，在藥液從噴頭處噴出之前就與空氣進(jìn)行混合，可以達(dá)到較好的霧化效果。

2.2 試驗(yàn)裝置

測試試驗(yàn)裝置見圖4。

翼農(nóng)YN-4A/RTK版四旋翼植保無人機(jī)，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(shí)驗(yàn)需求。

2.3 試驗(yàn)方法

在無風(fēng)或風(fēng)力小于2 m/s的天氣下，進(jìn)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(gè)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(jī)完成噴灑以后關(guān)閉噴霧系統(tǒng)，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?jiān)嚰埻ㄟ^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(jì)算每個(gè)霧滴在試紙上留下的霧滴小顆粒所占用黑色像素點(diǎn)的大小，來對霧滴的面積和覆蓋率進(jìn)行計(jì)算，不同霧滴的X軸和Y軸上的像素點(diǎn)數(shù)量，就是霧滴的中徑。

霧滴尺寸是一項(xiàng)重要指標(biāo)，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(biāo)來評價(jià)。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)會（ASABE）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（ANSI）572.1 標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)業(yè)噴霧霧滴尺寸發(fā)散性選用相對尺寸范圍Δs 來評價(jià)，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(jià)噴霧霧化程度的評價(jià)參數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

110度ETF03試驗(yàn)結(jié)果見圖5、表1。

90度RJ02試驗(yàn)結(jié)果見圖6、表2。

Lechler IDK 120度02試驗(yàn)結(jié)果見圖7、表3。

在植保無人機(jī)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(xiàn)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(yàn)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(jié)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(yàn)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(jié)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(fēng)情況下，左右對稱分布依舊比較均勻，最大覆蓋直徑達(dá)到4.2 m，有效覆蓋直徑達(dá)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(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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。