喷雾压力对远射程及宽喷幅风送式喷雾机雾滴粒径的影响

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(1.华南农业大学 后勤处，广东 广州 510642； 2.华南农业大学 电子工程学院/国家柑橘产业技术体系机械研究室/广东省农情信息监测工程技术研究中心/广东省山地果园机械创新工程技术研究中心，广东 广州 510642； 3.华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642)

我国在20世纪末从国外引进果园风送式喷雾机[1]，风送喷雾是联合国粮农组织推荐的一种先进高效的施药技术，果园风送式喷雾机是一种兼有液泵和风机的喷雾机，是实施风送喷雾最重要的技术装备[2]。风送式喷雾机喷雾作业时，从风机吹出来的高速气流将喷头喷出的雾滴进行第2次雾化形成细小均匀的雾滴，强大的气流带动雾滴作用于靶标。由于气流的作用，靶标的枝叶发生摇摆与翻滚，使得作物的叶背、叶面、内膛、外部都可均匀地覆盖上雾滴。同时，由于雾滴被风机吹出的气流强制性的吹向靶标[3]，风送式喷雾可有效抵御自然风的干扰，减少雾滴飘移，降低农药对环境污染的风险，提高喷雾效率。

国内外对风送式喷雾的研究主要集中在以下方面：(1)风送式喷雾机结构的研究。刘青等[4]将风筒的前端设计成收缩管，并在风筒中安装导流器，将喷雾机喷幅提高了22%～46%；冯晓静等[5]研制了一种带有后动力输出轴的小动力拖拉机配套的果园风送式喷雾机，调整喷头的安装和风机风量后，喷雾量在400～1 250 L/hm2，雾滴粒径在100～150 μm；郭峰等[6]通过增加导流器，使果园风送式喷雾机左侧风速提升10.6%，右侧风速提升1.5%；刘秀娟等[7]根据风机相似理论，采用气动工程设计方法设计了风送式喷雾机轴流风机。(2)喷雾机气流场的研究。彭军[8]以6WC-30Y-G型车载式超低容量喷雾机为试验平台，利用FLUENT软件对喷雾装置内流场进行数值模拟；吕晓兰等[9]为研究果园风送式喷雾机导流板角度变化对外部气流速度场三维空间分布的影响，采用ICEM软件建立几何模型，采用CFX软件进行数值求解，并得出相关规律；傅泽田等[10]针对Hardi LB-255型果园风送式喷雾机进行了喷雾机气流速度场模拟及试验验证；DELELE等[11]利用CFD(Computational fluid dynamics，计算流体力学)技术，测定了喷雾机地面行驶速度对横向气流喷雾机喷出的三维空气流的影响。(3)雾滴沉积的研究。宋淑然等[12-13]通过改变风机供电电源的频率进行喷雾试验，得出雾滴沉积规律；何雄奎等[14]通过改变风机风量进行了果园风送式喷雾机喷雾试验。结果显示，农药雾滴在作物冠层内的穿透性和沉积量与风速正相关；袁会珠[15]通过研究靶标本身的特性对雾滴沉积的影响规律进行了分析；王景旭等[16]利用CFD模拟方法探寻雾滴附着靶标的条件，并采用试验手段验证模拟结果的可靠性；ZHU等[17]利用荧光追踪的方法，定性分析了雾滴在冠层的顶部、中部及底部的喷雾沉积规律。(4)雾滴飘移的研究。吕晓兰等[18]研究了喷头性能、喷雾高度、行驶速度、喷雾压力、喷雾角度等喷雾技术参数对雾滴飘移特性的影响；崔志华等[19]改进了9WZCD-25型喷雾机的结构，在出风口安装1个同轴柱形导风筒。结果表明，同轴柱形导风筒可以减小雾滴飘移，使沉积率提高30.6%；TSAY等[20]利用计算流体力学软件和响应面方法，在无树冠、运行参数可变的环境中评估了风送式喷雾系统及雾滴的漂移，据此优化了喷雾参数。

前人的研究对风送式喷雾机结构、气流场、雾滴沉积与飘移都进行了大量研究，但对于喷雾技术参数对雾滴参数特性影响的研究，目前国内外相关报道还较少。因喷雾作业的质量与雾滴粒径大小有直接关系[21]，本研究重点探索喷雾压力对远射程及宽喷幅风送式喷雾机雾滴粒径的影响规律，以期为完善和提高风送喷雾技术提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验设备

远射程风送式喷雾机由河南万丰农林设备有限公司生产，水平射程13 m，喷幅2.29 m；宽喷幅风送式喷雾机是在远射程风送式喷雾机的基础上，通过加装扁平喷筒制作而成，水平射程4.5 m，喷幅3.56 m；雾滴测试仪器为济南微纳颗粒仪器股份有限公司生产的Winner318C激光粒度仪，量程4.6～2 000 μm，准确性误差<3%，重复性误差<3%，激光波长532 nm，功率30 mW。

远射程及宽喷幅风送式喷雾机样机如图1所示。

A.远射程风送式喷雾机;B.宽喷幅风送式喷雾机 A.Long-range air-blast sprayer;B.Wide-swath air-blast sprayer图1 远射程及宽喷幅风送式喷雾机样机Fig.1 Prototypes of long-range and wide-swath air-blast sprayers

远射程风送式喷雾机的喷口处，安装有10个喷头，呈圆周状均匀分布在圆形喷筒边沿，喷头间隔36°圆心角。每个喷头的轴线垂直于喷筒的圆周，并向喷筒轴心方向倾斜15°。喷头间的直线距离为11.2 cm。10个喷头两两成组，分为5组，均匀分布在喷筒边沿的不同高度。

宽喷幅风送式喷雾机的喷口处安装9个均匀分布的喷头。喷头轴线垂直于喷筒出口平面，喷头间的直线距离为10 cm。喷头均使用空心锥喷头。

1.2 喷雾压力控制方法

本研究利用闭环控制系统调节喷雾药液压力。控制系统由压力变送器、信号调理电路、控制器、变频器、变频电动机、柱塞泵组成，如图2所示。

压力变送器实时采集柱塞泵出口处药液的压力，把压力信号变换成电信号，经信号调理电路变换成控制信号。该控制信号输送至控制器，通过程序计算并制定控制决策，将控制量输入到变频器的模拟控制端，控制变频器的输出频率。频率的改变使得变频电动机和药泵的转速发生变化，进而改变药泵泵出的药量，实现喷雾压力的调节。喷雾压力可以通过控制箱面板进行人工设定。设定喷雾压力后，恒压控制系统将通过闭环控制维持喷雾压力的稳定。

A.喷雾压力控制系统组成框图；B.喷雾压力控制系统实物；1.变频器；2.变频电动机；3.风送式喷雾机；4.压力变送器A.Block diagram of spray pressure control system; B.Real graph of spray pressure control system;1.Inverter; 2.Variable frequency motor; 3.Air-blast sprayer; 4.Pressure transmitter图2 喷雾机喷雾压力控制系统组成框图及实物Fig.2 Block diagram and real graph of spray pressure control system for sprayer

1.3 雾滴参数试验

1.3.1 试验方法 为减小外界光源对激光粒度仪测量结果的影响，于20∶00—23∶00，在华南农业大学机械工程训练中心楼外进行试验。远射程及宽喷幅风送式喷雾机雾滴参数试验中，改变喷雾的压力，测定、分析雾滴粒径的变化规律。具体方法：风机供电电源频率保持50 Hz，利用控制箱调整喷雾压力，从1.0 MPa开始，每次步进0.2 MPa，到2.0 MPa为止。在每个设定的喷雾压力下，启动喷雾机开始喷雾。待雾滴流稳定后，分别对远射程风送式喷雾机射程方向7 m处、宽喷幅风送式喷雾机射程方向2.5 m处进行雾滴采样，利用激光粒度仪测量不同压力下的雾滴参数。现场效果见图3。

1.3.2 雾滴参数术语

1.3.2.1 雾滴的体积 X10、X50、X90分别指取样雾滴的体积按雾滴大小顺序进行累计，其累计值为取样雾滴体积总和的10%、50%、90%所对应的雾滴粒径。其中，X50也称体积中值直径VMD(Volume median diameter)。

A.远射程风送式喷雾机采样；B.宽喷幅风送式喷雾机采样；1.激光束；2.激光粒度仪；3.喷头；4.远射程风送式喷雾机；5.宽喷幅风送式喷雾机A.Sampling of long-range air-blast sprayer;B.Sampling of wide-swath air-blast sprayer;1.Laser beam; 2.Laser particle size analyzer; 3.Nozzles; 4.Long-range air-blast sprayer; 5.Wide-swath air-blast sprayer图3 压力对远射程及宽喷幅风送式喷雾机雾滴粒径的影响试验Fig.3 Testing field photos of the effect of spraying pressure on droplet diameter of long-range and wide-swath air-blast sprayers

1.3.2.2 数量平均直径 NAD(Number average diameter)为数量平均直径，指取样雾滴群的直径之和与雾滴群个数之和的比值。

1.3.2.3 体积比表面积 S/V为体积比表面积，指单位体积雾滴的表面积。

1.3.2.4 表面积平均粒径 SMD(Sauter mean diameter)为表面积平均粒径，是粒径对表面积的加权平均，又称索太尔平均径。

1.3.2.5 体积平均直径 VAD(Volume average diameter)为体积平均直径，指取样雾滴群平均体积所对应的直径。

1.3.2.6 数量中值直径 NMD(Number median diameter)为数量中值直径，指取样雾滴的个数按雾滴大小顺序进行累计，其累计值为取样雾滴个数总和的50%所对应的雾滴直径。

1.3.2.7 雾滴扩散比 DR(Diffusion ratio)为雾滴扩散比，是衡量雾滴均匀性能的指标之一。DR越接近于1，表示雾滴的粒径越均匀；DR ≮0.67，表明喷雾质量较好；DR>0.90，表明喷雾质量很好[22]。

1.3.2.8 雾滴谱宽度 DW(Droplet spectrum width)为雾滴谱宽度，指雾滴90%累积体积直径与10%累积体积直径之差。

1.3.2.9 雾滴谱 雾滴谱是雾滴直径大小分布的状况，是衡量雾滴大小均匀度的指标。

2 结果与分析

2.1 压力对远射程风送式喷雾机雾滴参数的影响

调整喷雾压力参数时，试验测得的远射程风送式喷雾机的雾滴参数值如表1所示。由表1可以看出，喷雾压力在1.0～2.0 MPa变化时， 远射程风送式喷雾机在射程方向7 m处的雾滴参数发生了以下变化。(1)X50随着喷雾压力的增大而逐渐变小，介于126.247～141.433 μm；(2)NAD随着喷雾压力的增大而逐渐变小，介于92.091～97.362 μm；(3)S/V随着喷雾压力的增大逐渐变大，介于472.211～507.547 cm2/cm3，说明喷雾压力的增大使得雾滴总的表面积增加。雾滴越小，S/V越大，越有利于增加雾滴与靶标的接触表面积，但也增加了雾滴与空气的接触表面积，使得雾滴加速蒸发，其优缺点需在实际应用中进一步试验探索；(4)喷雾压力变化时，没有<50 μm(气溶胶)的小雾滴；(5)出现>400 μm的粗雾滴的比例，随喷雾压力的增加而变小，粗雾滴的比例<0.400%；(6)DR随喷雾压力的增大而增大，介于0.62～0.68，说明喷雾压力增大有利于增加雾滴粒径的均匀性，即有利于增加雾滴的质量；(7)DW随喷雾压力的增大而减小，说明喷雾压力的增大使得雾滴的大小差距变小，因而DW变窄，进一步说明了远射程风送式喷雾机喷雾压力增大有利于增加雾滴粒径的均匀性。

表1 远射程风送式喷雾机在不同喷雾压力下的雾滴参数(射程方向7 m处)Tab.1 Droplet parameters of long-range air-blast sprayer under different spraying pressure(range direction 7 m)

图4为不同喷雾压力下，远射程风送式喷雾机射程方向7 m处雾滴谱曲线。由图4可以看出，(1)各雾滴谱曲线呈现一定的相似性。①雾滴谱曲线均存在左右双峰，说明雾滴粒径集中分布在2个范围内；②双峰顶的位置对应的雾滴粒径基本相同，低峰对应的粒径约为90 μm，高峰对应的粒径为160 μm。(2)不同喷雾压力下，各雾滴谱曲线呈现一定的差异性。①粒径分布在90 μm的雾滴占比随喷雾压力增加而变大，粒径分布在160 μm的雾滴占比随喷雾压力增加而变小，说明喷头处压力增大时，一方面加速了雾滴的细化，使弥雾占比变大，同时这些细化了的雾滴在风力的传输中碰撞聚合后产生的大雾滴的比例变小；②以双峰间的低谷为界，可以看出，随着喷雾压力的逐渐增大，低谷的左侧区域面积在逐渐增大，低谷右侧区域面积在逐渐减小，说明喷头处压力的增大使小雾滴数量变多，大雾滴数量变小，总体有利于增加雾滴粒径的均匀性分布。

由此可知，喷雾压力对远射程风送式喷雾机射程方向7 m处的雾滴参数存在一定的影响，喷雾压力的增加有利于喷雾质量(雾滴的均匀度)的改善。

P.喷雾压力。图5同。 P.Spray pressure. The same as Fig.5.图4 远射程风送式喷雾机不同压力下雾滴谱曲线(射程方向7 m处)Fig.4 Droplets spectral curves of long-range air-blast sprayer under different spraying pressure(range direction 7 m)

2.2 压力对宽喷幅风送式喷雾机雾滴参数的影响

调整喷雾压力参数时，试验测得宽喷幅风送式喷雾机的雾滴参数值如表2所示。由表2可以看出，喷雾压力在1.0～2.0 MPa变化时，宽喷幅风送式喷雾机射程方向2.5 m处的雾滴参数按以下规律变化。(1)X50随着喷雾压力的增大逐渐变小，介于61.915～68.791 μm；(2)NAD随着喷雾压力的增大而逐渐变小，介于50.112～62.527 μm；(3)S/V随着喷雾压力的增大逐渐变大，介于875.610～1 020.250 cm2/cm3，说明喷雾压力增大使得雾滴变小，S/V越大，越有利于增加雾滴与靶标的接触表面积，但也增加了雾滴与空气的接触表面积，使得雾滴加速蒸发；(4)喷雾压力增大时，出现<50 μm小雾滴的比例明显变大，由4.772%增加到22.603%，说明喷雾压力对宽喷幅风送式喷雾机的雾滴谱分布有明显的影响；(5)喷雾压力变化时，没有>400 μm的粗雾滴；(6)DR随喷雾压力的增大而变小，介于0.77～0.88，由于DR值相对较大，说明喷雾质量相对较好；(7)DW随喷雾压力的增大而增大，说明喷雾压力增大使得雾滴的大小差距变大。

表2 宽喷幅风送式喷雾机不同喷雾压力下的雾滴参数(射程方向2.5 m处) Tab.2 Droplet parameters of wide-swath air-blast sprayer under different spraying pressure(range direction 2.5 m)

图5为不同喷雾压力下，距离宽喷幅风送式喷雾机射程方向2.5 m处雾滴谱曲线。由图5可知，(1)各雾滴谱曲线呈现一定的相似性。①雾滴谱曲线只有单峰；②单峰的位置及对应的雾滴粒径基本相同，单峰对应的粒径为60～70 μm，表明在雾滴群中，雾滴主要以弥雾存在；③粒径<100 μm的雾滴的累积占比均>90%，且随喷雾压力的增大而增大。(2)不同喷雾压力下，各雾滴谱曲线呈现一定的差异性。①随着喷雾压力的逐渐增大，峰值的高度逐渐减小；②峰值的左侧区域面积逐渐变大，峰值的右侧区域面积逐渐变小，说明雾滴中小雾滴所占的比例越来越大，雾滴的整体粒径逐渐减小。

图5 宽喷幅风送式喷雾机不同压力下雾滴谱曲线(射程方向2.5 m处)Fig.5 Droplets spectral curves of wide-swath air-blast sprayer under different spraying pressure(range direction 2.5 m)

可见，喷雾压力对宽喷幅风送式喷雾机2.5 m处的雾滴参数存在一定的影响，且对出现小雾滴(<50 μm)的比例影响明显，同时压力的增加使得喷雾质量稍有下降。

3 结论与讨论

通过改变喷雾机的技术参数，研究了喷雾压力对喷雾雾滴参数的影响。结果显示，喷雾压力在1.0～2.0 MPa时，对2种喷雾机雾滴特性存在以下影响。(1)远射程风送式喷雾机射程方向7 m处雾滴的X50随着喷雾压力的增大逐渐变小，介于126.247～141.433 μm；没有<50 μm的小雾滴，>400 μm粗雾滴的比例随喷雾压力的增加而变小，粗雾滴的比例<0.400%；DR随喷雾压力的增大而增大，介于0.62～0.68。(2)宽喷幅风送式喷雾机射程方向2.5 m处的雾滴X50随着喷雾压力的增大稍微变小，介于61.915～68.791 μm；<50 μm小雾滴的比例明显变大，介于4.772%～22.603%，没有>400 μm的粗雾滴；DR随压力的增大而变小，介于0.77～0.88。(3)喷雾压力的增加有利于远射程风送式喷雾机喷雾质量的提升；喷雾压力对宽喷幅风送式喷雾机的雾滴谱有明显的影响，随着压力的增加，出现小雾滴(<50 μm)的比例明显变大。

本研究首次测定了不同喷雾压力下远射程及宽喷幅风送式喷雾机在喷幅范围内的雾滴参数，并详细分析了雾滴参数的变化规律。作为风送喷雾作业机制的基础研究和试验，研究结果可为风送式喷雾机喷雾参数的灵活调整及喷雾效果的优化提供依据。但风送式喷雾机对不同类型(高度、距离、冠径、叶面积指数)的靶标喷雾时，不同喷雾参数下雾滴的穿透性及附着效果等不得而知，因此，其实际喷雾作业效果仍需进一步研究。