噴頭霧化霧滴尺寸和速度的空間分布實驗研究

李鑫鵬,張瑞瑞,唐 青,李龍龍,丁晨琛,陳立平

(1.廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院, 南寧 530004;2.清遠(yuǎn)市智慧農(nóng)業(yè)農(nóng)村研究院,廣東 清遠(yuǎn) 511520;3.北京市農(nóng)林科學(xué)院 智能裝備技術(shù)研究中心,北京 100097;4.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心,北京 100097)

0 引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,農(nóng)藥防治能保護(hù)作物生長環(huán)境,是迅速控制病蟲草害爆發(fā)和蔓延的有效手段[1-2]。農(nóng)業(yè)施藥主要以農(nóng)藥霧化成霧滴的形式分散到農(nóng)作物上,以實現(xiàn)大面積的藥液與農(nóng)作物接觸[3-4]。農(nóng)用噴頭的作用是將農(nóng)藥霧化成霧滴,在力作用下將藥液傳輸?shù)阶魑锷稀＾r(nóng)藥霧化質(zhì)量直接影響施藥質(zhì)量,霧滴尺寸分布及其速度空間分布直接影響霧滴運動狀態(tài),進(jìn)一步影響霧滴飄移情況和霧滴沉積率[5]。因此,研究噴頭噴霧流場中的霧滴尺寸和速度空間分布具有重要意義。

為了提高農(nóng)業(yè)施藥質(zhì)量,施藥作業(yè)時,應(yīng)根據(jù)不同類型作物選擇合適的霧滴參數(shù),故研究霧滴參數(shù)分布尤為重要[6]。霧滴尺寸測量方法包括將霧滴冷凍或冷卻成固體顆粒的機械測量方法、測量電子霧滴產(chǎn)生的電子脈沖信號的測量方法和測量霧滴物理性質(zhì)(光強、相差、熒光和極化)的光學(xué)測量方法[7],霧滴速度測量方法包括激光多普勒測速技術(shù)、PIV粒子圖像測速技術(shù)及高速攝影法[8]。通過采用新型技術(shù)和選擇新型霧化部件噴頭可提高霧化特性[9-10]。在霧化性能研究中,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了諸多研究。吳超等[11]提出基于軌跡圖像的霧滴運動速度光電測量方法。王雙雙等[12]研究型號為ST噴頭霧滴粒徑時,分別比較了激光圖像粒子測量系統(tǒng)和兩種激光粒子粒度儀的測量結(jié)果。謝晨等[13]在對常規(guī)扇形噴頭和防飄噴頭的實驗研究與可視化圖形分析中,采用激光粒度測量儀測量了噴頭霧化霧滴粒徑。唐青等[14]利用馬爾文Spraytec噴霧粒度儀對高速氣流下標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭和空氣誘導(dǎo)噴頭進(jìn)行了測試。陳沖沖等[15]利用激光粒度分析儀研究了小角度扇形噴頭噴霧霧化特性。宋堅利等[16]研究霧滴飄失機理時,使用相位多普勒粒子測速儀(PDPA)對常規(guī)噴頭霧化的霧滴粒徑與運動速度進(jìn)行了測量。張京等[17]研究扇形噴頭噴霧霧滴運動速度,采用相位多普勒粒子測速儀進(jìn)行測量。李守根等[18]利用相位多普勒粒子分析儀測量不同噴霧角噴頭霧化參數(shù),建立噴霧角與霧滴尺寸和霧滴速度的關(guān)系。Vallet等[19]用相位多普勒測速儀(PDA)測量了單噴嘴噴頭和雙噴嘴噴頭的霧滴速度分布。諸多學(xué)者進(jìn)行了噴霧壓力、噴霧距離等因素對霧滴尺寸和霧滴速度單個參數(shù)的研究,而霧滴尺寸和霧滴運動速度共同影響霧化特性[20-22]未見報道。

為研究噴頭霧化霧滴尺寸和速度的空間分布,筆者利用空氣誘導(dǎo)噴頭IDK120-003、多量程平面噴頭LU120-003和防飄移AD120-03噴頭霧化的霧滴尺寸及霧滴速度空間分布進(jìn)行量化分析,以期為噴頭霧化霧滴尺寸和速度的空間分布研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與實驗裝置

實驗噴頭選用德國LECHLER公司的型號為IDK120-03空氣誘導(dǎo)扇形噴頭、LU120-03萬能型平面扇形噴頭和AD120-03防飄移扇形噴頭,如圖1所示。

圖1 噴頭結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of nozzle

PDI噴頭霧滴參數(shù)測量系統(tǒng)由霧滴參數(shù)測量裝置系統(tǒng)和噴頭噴霧系統(tǒng)等組成,如圖2所示。

霧滴參數(shù)測量裝置系統(tǒng)包括三軸定位移動系統(tǒng)和測量裝置, 如圖2(a)所示。其中,三軸定位移動系統(tǒng)是將固定在轉(zhuǎn)運裝置上的相位多普勒粒子干涉儀移動至測量點,測量固定點霧滴特性,由3臺西門子Simodrive Posmo A電機控制XYZ方向上的運動,電機由西門子可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC )進(jìn)行控制。霧滴參數(shù)檢測裝置采用相位多普勒粒子干涉儀(Phase Doppler Interferometer,PDI),由美國阿提姆公司(Artium Technologies, Inc.)生產(chǎn)的型號PDI-300 MD相位多普勒粒子干涉儀。此PDI霧滴粒徑測量范圍0.3～8000μm,分為4個不同量程,速度測量范圍-600～1000m/s。PDI包括信號發(fā)射器、信號接收器、ASA信號處理器、數(shù)據(jù)管理計算機和AIMS系統(tǒng)軟件。PDI根據(jù)多普勒信號來測量霧滴粒子特性,PDI從發(fā)射端發(fā)射兩束相交的相干激光束產(chǎn)生的干涉條紋穿過噴霧區(qū)域,利用不同速度的粒子對激光折射或反射的頻差不同,將其投射到接收器上并轉(zhuǎn)化為多普勒信號,獲得噴霧霧滴速度大小。不同粒徑粒子經(jīng)干涉條紋反射或折射的散射光產(chǎn)生的相位移動,將其放大到接收器并測量放大程度,獲得粒子尺寸、霧滴尺寸和速度測量精度為1%。

噴霧系統(tǒng)是由國家農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心自主設(shè)計的SCS噴霧控制系統(tǒng),由集水箱、電動隔膜增壓泵、恒壓儲水罐、壓力調(diào)節(jié)閥、壓力表和噴頭組成,通過調(diào)節(jié)壓力閥出口壓力,能夠精確控制并由壓力表記錄實時噴霧壓力。

1.三軸定位移動系統(tǒng) 2.激光發(fā)射器 3.配有AIMS軟件計算機 4.激光接收器 5.ASA信號處理器 (a)霧滴參數(shù)測量裝置系統(tǒng)

1.集水箱 2.壓力泵 3.穩(wěn)壓罐 4.壓力調(diào)節(jié)閥 5.壓力表 6.PDI (b)噴霧系統(tǒng)及測量示意圖圖2 PDI噴頭滴參數(shù)測量系統(tǒng)示意圖Fig.2 The schematic diagram of nozzle droplet parameter measurement system based on PDI

1.2 實驗設(shè)計與方法

實驗在無風(fēng)、溫度和濕度穩(wěn)定的室內(nèi)進(jìn)行,可以忽略液滴蒸發(fā)量,為了減小重力的影響,噴頭按向下方向。實驗以噴頭出水口處為中心,噴頭中心垂直方向為Z軸坐標(biāo)方向,中心垂直線的水平方向為X軸坐標(biāo)方向,并建立了以噴頭出口中心為坐標(biāo)原點的X軸、Z軸的坐標(biāo)系,如圖3所示。

圖3 噴霧面取樣點示意圖Fig.3 Sample point diagram of spray surface

扇形噴頭霧化霧滴尺寸和霧滴速度分布近似有軸對稱,故只測量噴頭中心軸分界線的半個霧化面數(shù)據(jù)[23-24]。由于相位多普勒粒子干涉儀是單點測量的,所以測量中心軸線方向沿著10～50cm的中心軸線Z軸方向,間隔10cm選取5個不同高度噴霧截面霧滴參數(shù)。根據(jù)噴頭的噴霧角度,在水平面上選取不同的X軸間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,對于每個高度,以中軸線為起點間隔5cm延伸至噴頭邊緣位置。使用北京市政常溫自來水作為噴灑介質(zhì),通過SCS噴霧控制系統(tǒng)中壓力閥調(diào)節(jié)噴灑液體壓力,壓力值設(shè)置分別為150.0、200.0、250.0、300.0、350.0kPa。為增加數(shù)據(jù)采樣移動的準(zhǔn)確性,將噴頭布置在固定高度,利用AIMS系統(tǒng)軟件設(shè)置每個數(shù)據(jù)采樣點位置,通過PLC控制的三維定位移動系統(tǒng)移動PDI進(jìn)行采樣,每個采樣坐標(biāo)取樣1min,每個測點進(jìn)行3次重復(fù),3次重復(fù)的平均值作為測量位置的霧滴尺寸大小和速度大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 基礎(chǔ)理論與參數(shù)指標(biāo)

噴灑霧化是利用噴頭將液體介質(zhì)碎化成小尺寸霧滴的物理過程,霧滴破碎由液體本身表面張力、粘性力與外部空氣之間的相互競爭作用產(chǎn)生。液體本身表面張力和粘性力等物理性質(zhì)能給保障液體最小表面積和抵抗變形提供基礎(chǔ),只有外力超過液體維持本身狀態(tài)的力時,液體才會從噴頭中噴出液膜破碎成霧滴。無粘性霧滴臨界破碎條件由韋伯?dāng)?shù)We表示,即

(1)

式中ρg—氣體密度;

Ud—氣液間相對速度;

σ—表面張力系數(shù);

d—霧滴直徑;

Cd—液體物理性質(zhì)常數(shù)。

扇形壓力噴頭液體霧化過程由液體至平面液膜直到霧滴,霧滴破碎受液膜影響,液膜破碎與液膜表面波增長率ωr有關(guān),液膜隨著增長率增加越容易失穩(wěn)破碎。ωr受液膜氣液間相對速度ΔU影響,ΔU越大,ωr越大[7]。即

ωr∝ΔU

(2)

噴霧霧化后,常用霧滴的特征直徑來代表霧滴尺寸,即在某一直徑下的霧滴所有體積和占所有霧滴的總體積的比例[25],代表直徑有DV0.1、DV0.5、DV0.9等。其中,DV0.5表示霧滴累積分布為50%的體積分?jǐn)?shù)粒徑稱霧滴體積中徑,指累計值占全部液滴總體積50%時的霧滴直徑,小于此粒徑液滴總體積也為50%[26]。DV0.5又被稱為霧滴體積中徑(Volume Median Diameter,VMD)。霧化區(qū)域霧滴選用霧滴平均速度,霧滴速度用平均速度定義式為

(3)

其中,霧滴平均速度V為霧滴速度空間分布參數(shù);DV0.5為霧滴尺寸空間分布參數(shù);VX、VZ分別代表水平方向X軸和垂直方向Z軸上霧滴平均速度;DZ、DX分別代表水平方向X軸和垂直方向Z軸上霧滴尺寸DV0.5。

2.2 霧滴尺寸DV0.5分布

2.2.1 垂直方向Z軸霧滴尺寸DZ分布

垂直方向Z軸霧滴尺寸DZ分布如圖4所示。由圖4(a)可看出:在噴頭中心位置上,霧滴尺寸DZ大小隨中心距離Z軸變化不明顯,由于液膜破碎成霧滴后不易混合并沿著原運動軌跡運動,形成了穩(wěn)定的霧滴。圖4(b)為各噴頭垂直方向Z軸霧滴尺寸DZ分布。同條件下,IDK120-03噴頭霧滴尺寸DV0.5最大,AD120-03次之,LU120-03最小。

圖4 垂直方向Z軸霧滴尺寸DZ分布Fig.4 Distribution of Z-axis droplet size DZ in vertical direction

DZ=a·P+b

(4)

圖5 霧滴尺寸DZ與噴霧壓力關(guān)系Fig.5 Relationship between droplet size DZ and spray pressure

表1 擬合參數(shù)和統(tǒng)計量Table 1 Fitting parameters and statistics

2.2.2 水平方向X軸霧滴尺寸DX分布

水平方向X軸霧滴尺寸DX分布如圖6所示。其中,實線為霧滴尺寸DX與X軸距離x的二次多項式擬合線,擬合R2平均在0.90以上。以AD120-03噴頭實驗數(shù)據(jù)作為分析對象,由圖6可知:在Z=10、20、30、40、50cm處水平上,相同位置壓力越大,霧滴尺寸DV0.5越小,壓力越大,液體擾動增加,霧滴破碎更徹底;在同水平上,離中軸線位置越遠(yuǎn),霧滴尺寸越大,在噴霧面邊緣處尺寸最大,由于中軸線方向距離噴霧邊緣處水平距離最遠(yuǎn),中軸線霧滴發(fā)生碰撞破碎概率大,導(dǎo)致中軸線上的部分霧滴比同一水平邊緣處的霧滴尺寸小。以Z=40cm這一高度擬合關(guān)系為例,X軸霧滴尺寸DX與X軸距離x呈二次函數(shù)關(guān)系。擬合模型如式(5)所示,擬合參數(shù)和統(tǒng)計量如表2所示。

圖6 水平方向X軸霧滴尺寸DX分布Fig.6 Distribution of X-axis droplet size

DXin horizontal directionDX=B2x2+B1x+B

(5)

表2 擬合參數(shù)和統(tǒng)計量Table 2 Fitting parameters and statistics

不同噴頭霧滴尺寸DX分布如圖7所示。其中,實線為霧滴尺寸DX與X軸距離x的二次多項式擬合線,擬合R2平均在0.90以上。以0.35MPa條件數(shù)據(jù)分析,霧滴尺寸隨著水平距離增加而增大。比較3類噴頭時,LU120-03噴頭噴霧霧滴比其他兩類噴頭細(xì),IDK120-03噴頭霧化后霧滴尺寸最大。據(jù)文獻(xiàn)[27]IDK120-03空氣誘導(dǎo)噴頭采用文氏吸氣結(jié)構(gòu),依據(jù)文丘里法則操作,在前置噴孔產(chǎn)生一個高速液流的地方,通過孔吸氣,形成特殊的空氣、液體混合充氣的大霧滴,產(chǎn)生的霧滴尺寸要比同樣其他噴頭大。

圖7 不同噴頭霧滴尺寸DX分布Fig.7 Distribution of droplet size DX in different nozzles

2.3 霧滴速度V分布

2.3.1 垂直方向Z軸霧滴速度VZ分布

垂直方向Z軸霧滴速度VZ分布如圖8所示。其中,實線為霧滴速度VZ與Z軸距離z擬合關(guān)系線,擬合R2在0.99以上。不同壓力下,霧滴速度也不同,相同位置下,霧滴速度VZ隨噴霧壓力的增加而增加。同噴霧壓力下,霧滴速度VZ隨著Z軸距離的增加而降低,由于液膜破裂,穩(wěn)定霧滴形成后,由于空氣阻力,各霧滴的動能減小,速度也隨之減小。不同噴霧壓力下,霧滴速度VZ與Z軸距離z呈線性分布關(guān)系,擬合關(guān)系如式(6)所示,擬合參數(shù)和統(tǒng)計量如表3所示。

VZ=A·z+A0

(6)

圖8 垂直方向Z軸霧滴速度VZ分布Fig.8 Distribution of Z-axis droplet velocity VZ in vertical direction

表3 擬合參數(shù)和統(tǒng)計量Table 3 Fitting parameters and statistics

圖9 不同噴頭霧滴速度VZ分布Fig.9 Distribution of droplet velocity VZ in different nozzles

2.3.2 水平方向X軸霧滴速度VX分布

水平方向霧滴速度VX分布如圖10所示。其中,實線為霧滴速度VX與X軸距離x二次多項式擬合線,擬合R2均在0.98以上。以AD噴頭數(shù)據(jù)作為分析對象,由圖10可知:各個水平面上霧滴速度VX隨噴霧壓力增加而增加,同噴霧壓力下霧滴速度VX隨水平方向X軸距離x增加而減小,霧化區(qū)域中霧滴速度VX由中心位置向霧化邊緣位置逐漸減少,中心VX最大,邊緣VX最小。以Z=40cm這一高度擬合關(guān)系為例,不同噴霧壓力下,X軸霧滴速度VX與X軸距離x成二次函數(shù)關(guān)系。擬合模型如式(7)所示,擬合參數(shù)和統(tǒng)計量如表4所示。

VX=C2x2+C1x+C

(7)

圖10 水平方向霧滴速度VX分布Fig.10 Distribution of X-axis droplet velocity VX in horizontal direction

表4 擬合參數(shù)和統(tǒng)計量Table 4 Fitting parameters and statistics

不同噴頭霧滴速度VX分布如圖11所示。其中,實線為霧滴速度VX與水平方向X軸距離x二次多項式擬合線,各噴頭擬合R2均在0.96以上。由圖11可知:3種噴頭水平方向上的霧滴速度大小由中心位置向霧化區(qū)域邊緣位置減小;3種噴頭間相比,AD120-03噴頭霧化后霧滴速度最大,LU120-03次之,IDK120-03最小。在噴頭下方40cm和50cm水平方向上位置處,3種噴頭霧滴速度大小發(fā)生改變,AD120-03噴頭霧化后霧滴速度最大,而IDK120-03霧滴速度要比LU120-03大。其原因是:由于LU120-03噴頭霧滴速度減小速率比IDK120-03快,在40cm和50cm水平方向起始位置上,導(dǎo)致IDK120-03噴頭霧化霧滴速度大于LU120-03噴頭。

圖11 不同噴頭霧滴速度VX分布Fig.11 Distribution of droplet velocity VX in different nozzles

3 結(jié)論

1)在霧滴尺寸DV0.5分布中,噴頭中心垂直方向上,IDK120-03、LU120-03和AD120-03各扇形噴頭霧滴尺寸DZ隨Z軸距離無明顯變化,且IDK噴頭霧滴尺寸DV0.5最大、LU120-03的最小。霧滴尺寸DZ隨噴霧壓力P增加逐漸減小,呈現(xiàn)線性分布關(guān)系,線性系數(shù)在-0.85～-0.54之間,R2均0.96以上。在水平方向上,3種扇形噴頭霧滴尺寸DX變化一樣,離中軸線位置越遠(yuǎn),霧滴尺寸越大,邊緣處霧滴尺寸最大,霧滴尺寸DX與X軸距離x二次多項式擬合后,R2平均在0.90以上。3種噴頭水平方向上霧滴尺寸DX依然為IDK120-03噴頭霧滴尺寸最大、LU120-03最小。

2)在霧滴速度V分布中,在噴頭中心垂直方向上,IDK120-03、LU120-03和AD120-03各扇形噴頭霧滴速度VZ隨噴霧壓力P的增加而增加。同噴霧壓力時,霧滴速度VZ隨著Z軸距離的增加而降低,霧滴速度VZ與Z軸距離z呈線性分布關(guān)系,線性系數(shù)在-0.14～ -0.01之間,相關(guān)程度均0.99以上;LU噴頭霧滴速度VZ減小最明顯,IDK噴頭速度VZ減小最慢。在水平方向上,各噴頭霧滴速度VX隨水平方向X軸距離x增加而減小,由噴頭中心位置向霧化邊緣位置逐漸減少,霧滴速度VX與X軸距離x二次多項式擬合后,R2平均在0.96以上。