基于錐狀電極的新型接觸式靜電噴霧裝置研究

曾廣智,馬 旭,郭林杰,鄧向武,季傳棟,邢緒坡

(華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院,廣州 510642)

0 引言

靜電噴霧技術(shù)是一種先進的噴霧技術(shù),由于具有“靜電環(huán)繞”的優(yōu)勢,霧滴能較好地沉積到靶標的背面,在同等的噴霧條件下可有效提升農(nóng)藥對作物病蟲害的防治效果,已在植保作業(yè)中得到了一定應用。由于目前靜電機械相比于傳統(tǒng)噴霧機械,靜電噴霧所帶來的實際作業(yè)效果提升并不突出,因此目前我國的植保作業(yè)機械仍以傳統(tǒng)噴霧機械為主。

S. Edward Law[1]通過總結(jié)20世紀世界農(nóng)用靜電噴霧技術(shù)的主要成果,得出了使農(nóng)藥溶液霧化產(chǎn)生的霧滴具備實用荷質(zhì)比的基本電場條件。周良富[2]進行了農(nóng)藥靜電噴霧技術(shù)研究進展及應用現(xiàn)狀分析,認為靜電噴霧沉積效率受荷電參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、靶標參數(shù)和工作參數(shù)的影響,但其之間的影響機理仍不明晰,仍需進一步關(guān)注。蘭玉彬[3]研究了不同電極材料對靜電噴霧裝置噴霧效果與沉積性的影響。茹煜[4-6]、周宏平[7]等設(shè)計了多款搭載靜電噴霧裝置的植保無人機,并驗證了霧滴群對靶標的沉積效果。賈衛(wèi)東等設(shè)計了背負式[8]與噴桿式[9]靜電噴霧機,并研發(fā)了利用風幕[10]與氣力式噴霧技術(shù)[11]的靜電噴霧機。目前,尖端放電廣泛應用于靜電涂油與靜電紡織領(lǐng)域[12],但在靜電施藥領(lǐng)域的應用還未展開,在農(nóng)用靜電噴霧領(lǐng)域,研究人員更多地采用了試驗研究的方法,較少進行仿真分析,試驗缺乏理論指導。

本文應用Maxwell 3D電磁場軟件分析技術(shù),研制了基于錐狀電極的接觸式靜電噴霧系統(tǒng),利用錐狀電極的優(yōu)越性,結(jié)合荷質(zhì)比測量與沉積測定試驗,驗證空間靜電場的場強分布與接觸充電噴霧質(zhì)量之間的關(guān)系,為接觸式靜電噴霧裝置的進一步研究提供理論依據(jù)與參考。

1 噴霧系統(tǒng)原理與建模

為設(shè)計錐狀電極的接觸式靜電噴霧裝置,在此分析接觸充電原理,闡明接觸式荷電的機理,并提出靜電噴霧系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。

1.1 接觸充電原理

1)電場理論。電場的不均勻性主要的電離過程局限于局部電場很高的電極附近,特別是發(fā)生在曲率半徑很小的電極附近。

本文設(shè)計的錐狀電極結(jié)構(gòu),針尖的半徑極小,針尖附近場強與其曲率成正比,關(guān)系式為

E=Cρ3

(1)

式中E—電場強度(V/m);

ρ—曲率(m-1);

C—電場強度系數(shù)。

2)單霧滴力學分析。流體流經(jīng)電場后,會被強制荷電。設(shè)單個霧滴電荷量為Q,霧滴表面張力公式為

(2)

式中σ′—霧滴荷電后表面張力(N);

σ—霧滴荷電前表面張力(N)。

根據(jù)于水[13]的研究理論,影響霧滴分裂最大的指標為韋伯數(shù)W,當韋伯數(shù)大于10時,霧滴即破碎,韋伯數(shù)公式為

(3)

式中ρl—流體密度(kg/m3);

r—霧滴半徑(m);

v—霧滴速度(m/s)。

3)電場對流體荷電的作用。根據(jù)Tayler[14]與孟令鵬[15]的研究理論,流體在同等的流量下,電場強度越大,則流體荷電量越大。由于植保作業(yè)中,噴霧裝置的流量在壓力不變的條件下為定值,因此提高接觸式靜電噴霧裝置的電場性能,是本文的主要研究目標。

1.2 靜電噴霧系統(tǒng)總體設(shè)計

1.2.1 系統(tǒng)設(shè)計

通過分析現(xiàn)有的靜電噴霧系統(tǒng),設(shè)計了一種接觸充靜電噴霧系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 靜電噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中所示的主充電室具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.前接頭 2.前端蓋 3.主外殼 4.底部金屬板

圖2中流體通過由前端蓋、主外殼、底部金屬板、錐狀電極金屬板和后端蓋共同組成非均勻靜電場后,會帶上與錐狀電極所賦予的極性相同的電荷。

從拉格朗日法的角度分析流體的荷電過程,如圖3所示。圖3中,帶有L的球體指代流體微元,帶有“-”號的球體指代電子,帶有“+”號的球體指代有正電荷的流體微元。上方帶有“+”號的錐狀電極金屬板連接高壓靜電發(fā)生器輸出的正電輸出極,底部金屬板則為0電勢。主充電室的錐狀電極金屬板接高壓靜電發(fā)生器后,頂部錐狀電極金屬板與底部金屬板之間的空間賦予了靜電場。首先,在電場力的作用下,流體分子中的化學鍵斷裂,產(chǎn)生了正離子、負離子與自由電子;其次,部分負離子聚集到錐狀電極金屬板附近,部分電子流向高壓靜電發(fā)生器,并通過高壓靜電發(fā)生器的接地端,引入大地。由此,當高壓流體進入主充電室,流出的流體中,正離子的濃度大于負離子與自由電子的濃度,使得流體呈現(xiàn)了整體的正電性;最后,流體在壓力的作用下,從噴頭處霧化噴出,帶電霧滴受作物表面感應電荷吸引包圍靶體,沉積到靶體正面和背面,提高了防治效果。

圖3 主充電室物理模型

1.2.2 主要部件的選用

采用的高壓靜電發(fā)生器輸入電壓為12VDC,輸出電壓為8kV高壓,額定功率為45W。電源采用12VDC直流電源。

2 靜電場仿真與分析

因主充電室內(nèi)部靜電場強分布將會極大影響靜電噴霧裝置的荷電性能,根據(jù)錐狀電極結(jié)構(gòu)特性,分別設(shè)計了不同錐狀電極的結(jié)構(gòu)方案,利用Maxwell 3D電磁場軟件,分析不同錐狀電極方案內(nèi)部靜電場強分布狀況及利于流體荷電的主充電室內(nèi)部電場特性。

2.1 錐狀電極金屬板仿真模型

為了進一步驗證所提出的多錐狀電極的優(yōu)異靜電場強性能及探索電極的最優(yōu)數(shù)量,設(shè)計了錐狀電極金屬板方案,主要有包括A(單錐)、B(三錐)、C(五錐)、D(七錐)、E(九錐)。圖4為三錐電極方案仿真模型,其余錐狀電極的三維仿真模型對照按此方法建模。

圖4 三錐電極仿真模型

2.2 Maxwell 3D電磁場軟件仿真分析

2.2.1 Maxwell 3D電磁場軟件仿真過程

1)定義求解域,材料與邊界。由圖4所示,等價仿真模型導入Maxwell 3D電磁場軟件中,定義2個電極板與其中空間,作為計算域,2個金屬板分別定義為系統(tǒng)默認的鋼。

Maxwell 3D電磁場軟件中默認的靜電場求解邊界條件為諾依曼邊界條件,圖4所示的電極組合體四周的透明面即為默認的諾依曼邊界面。

2)定義激勵源與網(wǎng)格。采用額定輸出電壓為8 000V的高壓靜電發(fā)生器,因此對加載錐狀電極的電極板賦予8 000V電壓,對底電極板則賦予0V的電壓。

本文選用四面體網(wǎng)格,設(shè)定網(wǎng)格最大邊長為3mm,以三錐電極方案為例,劃分情況如圖5所示。

圖5 三錐方案網(wǎng)格劃分情況

2.2.2 仿真結(jié)果與分析

取A到E方案主充電室過各錐狀電極頂點,且與主視圖平行的橫截面,可以得到不同錐狀電極的中截面,分析得到在該面上的場強分布情況。圖6為五錐電極方案的靜電場強云圖。

(a) 整體靜電場強分布 (b) 局部放大

若無錐狀電極,則電容內(nèi)部場強將為均勻分布。頂部金屬板與底部金屬板之間的距離45mm,兩板間電勢差為8 000V,平行板電容器場強為E0=1.777 8×105V/m。

由圖6可以看出:錐狀電極對靜電場強影響非常明顯。為便于分析中截面上主要影響區(qū)域的場強變化情況,現(xiàn)定義如下:①在云圖中,大于2E0的區(qū)域,定義為高場強區(qū),占整個中截面的比例以字母HP(High Percent)表示;②在云圖中,小于E0的區(qū)域,定義為低場強區(qū),占整個中截面的比例以字母LP(Low Percent)表示。

根據(jù)上述定義分析得到A到E方案的HP值與LP值,如表1所示。

表1 各方案中截面高低場強占比統(tǒng)計表

由表1可看出:錐狀電極數(shù)量的增加可以提升高場強區(qū)域和低場強區(qū)域的占比,HP與LP值變化趨勢如圖7所示。

圖7 場強變化折線圖

由圖7可以看出:錐狀電極數(shù)量的增加對高場強區(qū)域與低場強區(qū)域的影響較明顯,HP與LP兩個指標均成單調(diào)遞增的趨勢;但從D到E方案,隨錐狀電極增加,HP與LP值增幅較小,表明錐狀電極數(shù)量的增加,對靜電場強的提升有極限。

上述分析表明:采用錐狀電極能有效地提升工作區(qū)內(nèi)的靜電場強度,有效提高流體的荷電量,但最佳錐狀電極的數(shù)量需要進一步試驗研究。

3 試驗與分析

針對上文所分析的結(jié)果,設(shè)計了荷質(zhì)比試驗和對靶噴霧沉積性能試驗。通過荷質(zhì)比測定試驗,測定各方案在同等噴霧條件下荷質(zhì)比,確定最佳電極設(shè)計方案。通過葉背沉積量測定試驗,驗證最優(yōu)方案在葉背沉積量上的提升效果,并對方案的靜電噴霧性能作出評判。

3.1 荷質(zhì)比測量試驗

測量荷質(zhì)比的裝置為山東青島山紡公司生產(chǎn)的法拉第筒及A101型電荷量表, A101型電荷量表的額定量程為40μC。將高壓靜電發(fā)生器的輸出端連接主充電室中,加載錐狀電極的上端電極板,接地端則直接連接法拉第筒的接地裝置,如圖8所示。

圖8 荷質(zhì)比測量實驗現(xiàn)場圖

由于A101型電荷量表的量程較小,采用的實驗方案為:測量10s的情況下,電荷量表的累積電荷量讀數(shù);同時,測定10s的時間內(nèi)噴頭所噴的霧滴總質(zhì)量,最終得出電荷量與質(zhì)量的比值,即荷質(zhì)比,每組實驗重復3次。

荷質(zhì)比計算公式為

(4)

其中,Q為電荷量(mC),m為霧滴質(zhì)量(kg)。

根據(jù)式(4),取10s條件下的累計電荷量與霧滴質(zhì)量,可得不同實驗組的荷質(zhì)比數(shù)值,計算結(jié)果如表2所示。

表2 各組荷質(zhì)比試驗結(jié)果

由表3可看出:五錐試驗組荷質(zhì)比最高,而七錐試驗組與九錐試驗組的荷質(zhì)比出現(xiàn)了較為明顯的下降。

表3 各層葉背沉積量數(shù)據(jù)表

3.2 對靶噴霧沉積性能試驗

為檢驗五錐接觸式靜電噴霧裝置的靜電施藥特性,進行了裝置對對靶噴霧的沉積性能的試驗。

3.2.1 試驗方案與結(jié)果

靜電噴頭在位于地面1.1m的空中,噴口豎直指向地面,靶標為龍血草植物,其冠層高度約為80cm。在龍血草上、中、下3層均取點,在樣本點處的葉子背面貼水敏紙,把龍血草固定在平板車上,以1m/s的速度驅(qū)動板車,在噴頭噴霧穩(wěn)定后,從霧化區(qū)域中單向移動到距離霧化區(qū)域較遠處。通過對比有無靜電狀態(tài)下水樣本點在水敏紙上的霧滴沉積情況,判斷靜電裝置噴霧作業(yè)的有效性,每組試驗均重復3次,以保證數(shù)據(jù)的有效性。試驗外界溫度為18℃,相對濕度為64%,使用的噴頭孔徑為1mm。試驗現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 沉積性實驗現(xiàn)場圖

在植物葉片背面的上、中、下3個取樣層均取樣后,利用掃描儀進行灰度掃描,設(shè)定分辨率為600×600,使用專用的圖像處理軟件進行霧滴群粒徑的識別,統(tǒng)計分析結(jié)果如表3所示。

3.4.2 試驗結(jié)果與分析

1)由表4可以看出:當靜電噴霧裝置帶上靜電以后,各層均出現(xiàn)了較大幅度的葉背沉積量的提升,說明所設(shè)計的五錐電極備選組有著良好的靜電噴霧性能,能夠令葉背沉積量得到顯著提升,有利于防治蟲害。

2)從葉背沉積量提升的絕對值來看,上部的提升量達到90μg/cm2,中部為40μg/cm2,下部為20μg/cm2,提升幅度達到2倍以上。雖然靜電噴霧裝置能夠很好地提升霧滴對于植株的附著沉積效果,但對于下部的葉子來說,由于上方的葉子出現(xiàn)了較大的遮擋效果,下部的葉子所能提升的葉背沉積量并不能算理想。因此,在植保作業(yè)領(lǐng)域,引入風場或者使用防漂移技術(shù)等能夠使得霧滴的動量得到提升的技術(shù),對把農(nóng)藥直接施抵作物根莖部,提升農(nóng)藥對植株下部病蟲害的防治效果有著重要的意義。

3)從各層的D50值來看,對于上層與中層來說,霧滴群D50值出現(xiàn)了較大幅度的下降,證明了設(shè)計的靜電噴霧裝置在降低霧滴群中徑方面確有作用。但是,對于下部來說,D50值不降反升,可能的原因是:非荷電狀態(tài)下的下部葉背,只有極個別粒徑小的霧滴可以穿透上方層層的葉子阻隔到達下部的葉子上,能到達下部葉背的非荷電霧滴體積小、數(shù)量少,在霧滴群荷電以后,有更多的霧滴會被吸引到下部的葉子背面。因此,霧滴的荷電作用對于下部的葉背來說,是增大了沉積霧滴的體積數(shù)值范圍,有更多的大霧滴得以附著在下部的葉背上,擴大了下部葉背整體的D50值。

4 結(jié)論

1)采用Maxwell 3D電磁場軟件分析技術(shù),能有效地得到接觸式靜電噴霧裝置的主充電室內(nèi)部靜電場強分布特征,實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)優(yōu)化分析,為接觸式靜電噴霧裝置的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

2)通過仿真分析與荷質(zhì)比試驗相結(jié)合的方法,得出平行板電容器中加載5個錐狀電極的組合體布局為最佳方案:在噴霧壓力0.6mPa、孔徑1mm的條件下,荷質(zhì)比達到0.46mC/kg。

3)對靶噴霧沉積試驗表明:葉背霧滴沉積量提升效果明顯,上層的沉積提升量達到90μg/cm2,中部為40μg/cm2,下部為20μg/cm2,提升幅度達到兩倍以上,表明所研制的五錐電極接觸式靜電噴霧裝置具有良好的防治效果與作用。