远射程风送式喷雾机风场中雾滴粒径变化规律

宋淑然，陈建泽，洪添胜2,4,，薛秀云，夏侯炳，宋 勇



远射程风送式喷雾机风场中雾滴粒径变化规律

宋淑然1,2,3,4,5，陈建泽6，洪添胜2,4,6※，薛秀云1,2,3,4,5，夏侯炳7，宋 勇1

（1. 华南农业大学电子工程学院，广州 510642； 2. 国家柑橘产业技术体系机械研究室，广州 510642； 3. 广东省农情信息监测工程技术研究中心，广州 510642； 4. 广东省山地果园机械创新工程技术研究中心，广州 510642； 5. 广州市农情信息获取与应用重点实验室，广州 510642； 6. 华南农业大学工程学院，广州 510642； 7. 华南农业大学后勤处，广州 510642）

对风送式喷雾机的研究集中在喷雾机结构的优化、雾滴沉积、雾滴飘移及回收方面，但远射程风送式喷雾机雾滴在空间风场中的变化规律尚未明确。该文以远射程风送式喷雾机为试验平台，研究雾滴由喷嘴喷出后在风力的裹挟运动过程中雾滴参数（主要指粒径或直径）在喷幅内和射程内的变化规律。结果表明，远射程喷雾机喷出的雾滴粒径均大于50m，雾滴中粒径大于400m的粗雾滴体积累计所占的百分比在0.4%以下；在远射程风送式喷雾机方向水平喷出的雾滴柱中，距离喷嘴7、8、9 m处的7个高度上，雾滴体积中值直径呈现出从上到下逐渐变大的规律；雾滴在风场中向前运动的过程中，雾滴体积中值直径的变化分为3个阶段：近出风口处高速气流对雾滴的破碎使得雾滴体积中值直径变小；在中速气流作用下，雾滴之间发生碰撞与聚合，雾滴体积中值直径变大；低速气流使雾滴发生扩散弥漫、浓度变低，雾滴体积中值直径在空气的蒸发作用下变小；风场中的雾滴谱分布中出现了2个谱峰。研究可为远射程风送式喷雾机的喷雾技术参数的优化提供参考。

喷雾；谱分析；机械；雾滴；中值直径；远射程；风送式喷雾机

0 引 言

风送式喷雾是联合国粮农组织推荐的一种先进高效的施药技术，被国际公认为是一种仅次于航空喷雾的高效地面施药技术，同时又是一种自动化程度高，防治效果好，环境污染少的先进施药技术[1]。国内学者在对风送式喷雾机的研究中，重点围绕风送式喷雾机结构设计[2-7]、喷雾机气流场研究[8-10]、雾滴沉积分布研究[11-12]和雾滴漂移研究[13-14]开展。国外相关研究则侧重于利用计算机对风送式喷雾机的流场进行仿真[15-18]，研究风送式喷雾机的雾滴覆盖沉积和穿透性[16,19-23]、风送式喷雾雾滴漂移及雾滴回收[24-29]。前人对风送式喷雾技术的研究重点着眼于风送喷雾过程的始端与末端2个局部：1）关于风送式喷雾机结构的优化设计（始端）；2）关于雾滴的分布优化、雾滴沉积、雾滴飘移性（末端）的研究。针对远射程风送式喷雾机的雾滴在空间传输规律的研究较少。同时，针对果园风助式喷雾机（射程短）的研究较多，而针对远射程风送式喷雾机的研究报道较少。

无论采用何种喷雾方式，植保机械的作业质量与雾滴直径大小有直接关系[30]。如果选择的雾滴大小合适，可以用最小的药量、最小的环境污染达到最大控制病虫害的目的。如果实际的雾滴比需要的雾滴大，所浪费的农药就会以雾滴直径三次方的速率增长[31]。因此，本文重点研究远射程风送式喷雾机的喷雾特性，研究雾滴由喷嘴喷出后，在风力的裹挟运动过程中雾滴参数（主要指粒径或直径）的变化规律，为远射程风送式喷雾机的喷雾技术参数的优化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设备

试验用远射程风送式喷雾机[3]，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（当风机运转达到平稳时，在送风状态下，用风速仪测定气流达2 m/s且与射程方向相垂直的最大距离），空心锥喷嘴；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，量程4.6～2 000m，准确性误差<3%，重复性误差<3%，绿色激光器波长532 nm，功率30 mW。

试验样机中，10个空心锥喷嘴呈圆周状均匀分布在喷筒的圆形出风口边沿，喷嘴间隔36°圆心角，每个喷嘴的轴线垂直于喷筒的圆周并向喷筒轴心方向倾斜15°，喷嘴间的直线距离为11.2 cm，10个喷嘴两两成组、分5组均匀安装在喷筒边沿的不同高度下。

1.2 远射程风送式喷雾机雾滴参数试验

1.2.1 雾滴参数试验

远射程风送式喷雾机雾滴参数试验分为无送风时的雾滴参数测定、有送风时喷幅内雾滴参数测定和射程内雾滴参数测定。喷雾试验时，采用自来水代替药液，风筒处于水平方向，喷雾压力1.8 MPa、风机供电频率50 Hz。试验现场如图1所示。

无送风试验：前期试验表明，当喷雾压力P在1.0～2.0 MPa间变化时，喷嘴的雾锥角随P的变化呈二次多项式关系=−6.765P2+18.48P+58.57 (2=0.986，<0.05)，喷嘴的变化范围为68.47°～71.23°，当P为1.8 MPa时，=70°；远射程喷雾机相邻两喷嘴喷出的雾滴交汇点距离喷嘴为0.16 m，为使10个喷嘴喷出的雾滴充分交汇，在距离喷嘴水平距离0.5 m、喷筒轴线的上方和下方垂直距离均为0.12 m处进行采样，用激光粒度仪测量雾滴参数。

送风时喷幅内雾滴测定及射程内雾滴测定示意图如图2所示。

送风时喷幅内雾滴测定：前期测定雾滴粒径时，粒度仪信息提示雾滴柱外围有雾滴，但浓度过低，无法测量，故研究选取雾滴柱中心区域（−18～18 cm）进行试验。为研究远射程风送式喷雾机送风时，在垂直于射程方向上的平面喷幅内不同高度下雾滴的变化，在离喷嘴水平距离（）7、8、9 m处7个高度上（=−18、−12、−6、0、6、12、18 cm），用激光粒度仪测量雾滴参数。

送风时射程内雾滴测定：为研究远射程风送式喷雾机送风时射程内雾滴参数，在喷筒轴线（中线）方向上，从距喷嘴水平距离=1 m处开始，每隔0.5 m，利用激光粒度仪分别测量风场中的雾滴参数。

1.2.2 指标计算

10、50、90分别指取样雾滴的体积按雾滴从小到大顺序进行累计，其累计值为取样雾滴体积总和的10%、50%、90%时所对应的雾滴直径。

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。

为体积比表面积，指单位体积雾滴的表面积。

SMD（Sauter mean diameter）为索太尔平均直径，是雾滴粒径对表面积的加权平均。

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。

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。

DR（droplet diffusion ratio）为雾滴扩散比，DRNMD50，当DR≥0.67时，表明雾滴的喷洒质量良好[30]。

DW（droplet spectrum width）为雾滴谱宽度，DW90-50。

气溶胶和粗雾滴分别为50<50m和50>400m的雾滴。

雾滴谱表明雾滴直径大小分布状况。

2 结果与分析

2.1 远射程风送式喷雾机无送风状态下的雾滴特性

远射程喷雾机在无送风状态时雾滴参数值如表1所示。如表1所示，远射程喷雾机在无送风状态时，喷嘴喷出的雾滴扩散比DR较小，处于喷筒轴线上方处的雾滴扩散比DR比处于喷筒轴线下方处的雾滴扩散比DR还要小，表明在无送风状态下，雾滴的喷洒质量较差。

表1 远射程喷雾机无送风时雾滴参数

在雾滴柱中的不同高度上（值不同），雾滴的50（为便于分析，同一处只取雾滴代表性参数50进行分析）也不同，下方的雾滴比上方的雾滴大。主要原因可能是，在无送风情况下喷雾，雾滴没有气流提供的动能，作用在雾滴上的力主要是重力和空气的阻力，当雾滴处于静止的空气中时，在重力的作用下会加速下降，直到重力与空气阻力达到平衡。=−0.12 m处的雾滴处于雾柱的下方，此处的雾滴一部分来自装在喷筒出口下部的喷嘴，一部分来自装在喷筒出口上部的喷嘴所喷出雾滴的沉降，上方雾滴在重力作用下加速下降时，雾滴之间发生碰撞聚合形成大雾滴，使得=−0.12 m处50变大。从=−0.12和0.12 m处采样点上的雾滴谱（图3）可以看出，=−0.12 m处雾滴谱中大雾滴所占的比例比=0.12 m处的大。

a.=0.5 m、=0.12 m

b.=0.5 m、=−0.12 m

图3 远射程喷雾机无送风时雾滴谱

Fig.3 Droplets spectrum of long-range air-assisted sprayer without blowing

2.2 远射程风送式喷雾机喷幅内雾滴特性

射程内7、8、9 m处不同高度的雾滴参数如表2所示。

根据试验测定的数据，绘制出远射程风送式喷雾机射程内=7、8、9 m处雾滴参数50随高度的变化曲线如图4所示（为便于分析，同一处只取50进行分析）。从图4看出，50在不同的水平高度下，呈现出从上到下逐渐变大的规律，说明雾滴在同一个垂直平面上，下部的雾滴体积中值直径比上部的雾滴体积中值直径大，其主要原因可能是，在此区域中（7 m≤≤9 m），由于风速的减弱，雾滴由风力推动的前行速度逐渐降低，重力对雾滴的作用明显，上层雾滴在重力的作用下下降，下降过程中发生雾滴间的聚合汇成大雾滴。

表2 远射程风送式喷雾机喷幅内不同高度的雾滴参数

注：10和90分别指按体积从小到大顺序排列的雾滴累计值为取样雾滴体积总和的10%和90%时所对应的雾滴直径。下同。

Note:10and90are diameters of droplets with cumulative volumes that are 10% and 90% of the total when droplet volume ranks from small to large; Same as below.

距离喷嘴7、8、9 m处，在雾滴柱的上、下不同水平高度的雾滴谱如图5所示（为便于分析，同一处只取最上部=18 cm和最下部=−18 cm的2个采样点进行分析）。

将图5a～5f与图3a～3b对比分析可以看出，有风送时的雾滴谱中出现了2个谱峰，与无风送时的雾滴谱分布有明显不同，表明处于风场中的雾滴含有了2种成分：1）由喷嘴雾化作用产生的雾滴（谱峰在90m左右）；2）由风场中的雾滴传输运动作用产生的另一种粒径的雾滴（谱峰在170m左右），即风场的作用使雾滴的粒径分布发生了变化。其原因是，在风的助力裹挟作用下，风送式喷雾机吹出的雾滴柱中（流速大、压强小）存在卷吸现象，一些雾滴在前行过程中，雾滴间发生聚合而形成大粒径的雾滴。

将图5 a、5c、5e（=18 cm）分别与图5 b、5d、5f（=−18 cm）对应比较，可以看出，在距离喷嘴系统的水平距离处，处于雾滴柱中下方（=−18 cm）的大雾滴占比（雾滴谱中右边的峰值）均比处于雾滴柱中上方（=18 cm）的大雾滴占比高，说明在距离喷嘴7、8、9 m处，一些雾滴在重力的作用下下降且这一过程也存在着雾滴间的聚合，使风送式喷雾机喷幅内雾滴谱的分布发生了改变，即=−18 cm的雾滴谱中的2个峰的高度为左低右高；而=18 cm的雾滴谱中的2个峰的高度为左高右低。

2.3 远射程风送式喷雾机射程内雾滴特性

从距喷嘴水平距离=1 m处开始，每隔1 m，测量喷筒轴线（中线）方向上的风速，列于表3中。

表3 远射程风送式喷雾机喷筒轴线气流风速

从距喷嘴水平距离=1 m处开始，每隔0.5 m，利用激光粒度仪进行雾滴采样，分别测量喷筒轴线（中线）方向上，风场中的雾滴参数。试验数据如表4所示。试验中发现，各个采样点上均没有直径小于50m的气溶胶出现，表明这种远射程喷雾机抗雾滴漂移能力较强；粒径大于400m的粗雾滴体积累计所占的百分比均在0.4%以下，说明粗雾滴稀少，可以忽略由粗雾滴所引起的由于雾滴过大而直接从植物叶面滴落到土壤中所造成的农药污染；为1.5～7 m时，DR均大于0.67，表明在此区间内，雾滴直径较均匀；此区域外的点，扩散比DR小于但接近于0.67。

将表1中的50与图4中的50的数值进行对比分析可以看出，无风送时的50值均小于有风送时的50值。初步分析如下：无风送时，雾滴只受到液力的作用发生雾化，雾滴参数仅仅和液体压力、喷嘴特性及液体性质有关；有风送时，雾滴受到液力的雾化与风力的输送2种作用，雾滴参数在这2种作用力下发生了变化：雾滴在风的助力裹挟作用下向前运动的同时，风送式喷雾机吹出的雾滴柱中（流速大、压强小）存在卷吸现象，一些雾滴在前行过程中，发生聚合而使50变大。

根据雾滴扩散比的数据可以分析雾滴的喷洒质量，有送风时的雾滴扩散比（表4中的DR均值为0.70）比无送风时的雾滴扩散比（表1中DR均值为0.61）大，且大于0.67，说明与无送风情况相比，有送风时喷雾机的雾滴喷洒质量较好，即风力提高了雾滴的喷洒质量。

表4 远射程风送式喷雾机射程内雾滴参数

为了解远射程风送式喷雾机雾滴在风场中运动时参数的变化，绘制出如图6所示的雾滴参数随雾滴传输距离变化的曲线。由图6可以看出，远射程风送式喷雾机喷出的雾滴，其参数随距离不同而有所变化。

根据各参数的变化趋势，分析雾滴传输的规律：1）90、DW、VAD、50和SMD变化规律相似，根据其在射程中的变化特点，将射程分为3个区间，各个区间影响雾滴运动及参数变化的因素不同，而使得雾滴参数在不同的区域具有不同的变化规律：在距离喷嘴1 m＜≤2 m的区间内（此区域的风速大于18.7 m/s），这种速度的气流对雾滴粒径具有很强的剪切和扰动作用，使喷嘴喷出的雾滴发生进一步破碎，故此区间中的雾滴粒径随距离增加而变小。同时，此区间的雾滴在高速气流中获得能量，以较高的速度向前传输。此区间内雾滴的受力主要是气流的作用，气流对雾滴的作用以破碎和向前推动为主。距离喷嘴2 m＜≤8 m区间内，风速介于6.8～13.3 m/s之间，此区间内充满了获得气流动能的雾滴，越远离喷嘴，雾滴向前的运动速度越低；雾滴运动方向上前后速度的不同加剧了相互碰撞和聚合作用，使雾滴粒径变大；同时，处于雾柱中上方的雾滴，在重力作用下加速下降，也存在着雾滴间的聚合，这是该区域内雾滴粒径变大的因素之一。此区间内雾滴的受力表现为重力沉降和气流推动的共同作用，在向前传输过程中存在着碰撞聚合。当距离喷嘴＞8 m后，风速≤6 m/s，雾滴在出风口处所获得的气流的动能，大部分消耗在运动中克服空气的阻力上，同时，气流从出风口吹送到＞8 m的过程中，风速越来越低，雾滴柱的径向范围不断变大，雾滴在气流中呈扩散和弥漫运动，雾滴的颗粒密度变小，雾滴间的碰撞聚合不再占优势，雾滴柱中的大雾滴不断降落而脱离雾滴柱；其余的雾滴在向前运动的同时，受空气的蒸发作用而变小。

2）10与NAD变化规律相似，在1 m＜≤8 m区间内，处于缓慢上升趋势，说明在此区间中，小雾滴按体积从小到大顺序累积，占雾滴体积总和的10%时所对应的直径在变大，即小雾滴所占的成份在减小；同时，将雾滴按照从小到大排序并将雾滴数目二等分，等分点的雾滴粒径NAD在变大，说明雾滴群整体的粒径在缓慢变大；＞8 m后，10与NAD均呈下降趋势，说明在此区间，小雾滴的所占成份将变大，雾滴越来越细小，说明此区域中的蒸发使得雾滴继续变小，这与前面分析的规律极为相近。

综上所述，远射程风送式喷雾机的雾滴传输主要经历以下3个过程：近出风口处高速气流对雾滴的破碎使得雾滴粒径变小；中速气流作用下，雾滴间的碰撞使雾滴聚合、粒径变大；低速气流使雾滴扩散弥漫、蒸发作用而使雾滴粒径变小。

图7是远射程风送式喷雾机雾滴在距离出风口8 m处的雾滴谱。由图7中可以看出，处于射程内不同点处风场中的雾滴，雾滴谱分布中也出现了2个谱峰，这与无送风时的雾滴谱分布明显不同（图3所示），说明风场中的雾滴除了有喷嘴雾化产生一定粒度分布的雾滴外，在风场的影响及雾滴传输运动的影响下，雾滴的聚合使雾滴的粒径发生了变化，出现了大粒径雾滴的分布。

3 讨 论

粒度测量是在被测颗粒假定为球形的前提下进行的，但雾滴并不一定是标准的球形。测试颗粒粒径的技术和方法有多种，除显微镜法属于直接测量颗粒的绝对几何尺寸外，其余方法测得的粒径都不是绝对的几何概念上的尺寸，而是所谓的“等效粒径”，其中激光衍射法测试的结果重复性好，精度高，适用性强[32]。本文使用激光粒度仪进行试验研究，在每次试验前，多次测试同一个样品，结果基本相同，保证了仪器测量结果的稳定性。

强光会影响激光粒度仪测量的准确性，为此，本文均在晚上进行雾滴粒度测量试验，尽量避免阳光对测试结果可信度的影响。

4 结 论

本文以远射程风送式喷雾机为试验平台，分别研究了无送风时、有风送时雾滴在喷幅内不同高度下及射程内不同距离上参数的变化规律，对雾滴在风场中的运动及参数变化进行了分析，获得以下结论：

1）与无送风情况相比，有送风时喷雾机的雾滴喷洒质量较好；

2）远射程风送式喷雾机喷出的雾滴粒径均大于50m，抗雾滴漂移能力较强；粗粒径雾滴稀少，雾滴粒径较均匀；在与喷嘴相同距离时的不同高度下，重力对雾滴的作用显著，使雾滴聚合汇成大雾滴；

3）近出风口处的高速气流的破碎所用是雾滴粒径变小的重要因素；射程末端的低速气流使雾滴在扩散弥漫中因蒸发作用而使雾滴直径变小；在中速气流下，雾滴柱中的卷吸作用使雾滴间发生聚合而形成粒径大的雾滴；重力及风场对雾滴作用的机理有待进一步研究。

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Variation of droplet diameter in wind field for long-range air-assisted sprayer

Song Shuran1,2,3,4,5, Chen Jianze6, Hong Tiansheng2,4,6※, Xue Xiuyun1,2,3,4,5, Xiahou Bing7, Song Yong1

(1.,,510642,; 2.,,510642,; 3.,510642,; 4.,510642,; 5.,510642,; 6.,,510642,; 7.,,510642,)

Research in the air-assisted spraying field has been focusing on optimization of structure, droplets deposition, droplets drift and recovery. But the droplets transfer in wind field is not clear yet. In this study, we investigated the variation of droplet parameter especially diameter in wind field for long-range air-assisted sprayer. The droplets parameters of long-range air-assisted sprayer was measured and calculated and analyzed after the droplets were ejected from the nozzles by using a prototype and laser particle size analyzer. The testing prototype had the horizontal spraying range of 13 m and spraying width 2.29 m. During the test, the sprayer sprayed water instead of pesticides liquid under the plunger pump pressure of 1.8 MPa. The experiments of droplets parameters included 3 situations: 1) the droplets were sprayed from the nozzles without air blowing; 2) the droplets were sprayed within the width under the condition of the long-range air-assisted sprayer; and 3) the droplets were sprayed within the range under the condition of the long-range air-assisted sprayer. In the test of spraying within the width, droplets were sampled in 7 different heights at 7, 8 and 9 m away from the nozzles. In the test of spraying within the range, droplets sampling points were arranged along with the sprayer duct axis, starting with 1 m away from the nozzles position and separated from each other by 0.5 m. The results showed that there was only 1 peak in the droplets spectrum distribution and the droplets diffusion ratio was relatively small when the long-range air-assisted sprayer did not blow. The diffusion ratio was 0.70 with wind, higher than 0.61 without blowing condition. The diffusion ratio with wind was higher than 0.67, indicating that the spraying effect and droplet quality were better under the condition with wind than that without blowing. Within the spraying width, the droplets volume median diameter became large along the direction from top to bottom of the droplets column, or the lower droplets were larger than the upper in the same vertical plane of the droplets column. In the last 2 situations with wind, the droplets volume median diameters were all larger than 50m and the volume cumulative percentage of large droplets diameter larger than 400m was lower than 0.4%. In addition, two peaks were found in the droplets spectrum, which was different from the 1 peak in the situation without blowing. The wind speed was higher than 18.7 m/s within 1-2 m away from the nozzle, 6.8-13.3 m/s in 2-8 m away from the nozzle, and not less than 6 m/s in 8-10 m away from the nozzle, respectively. In general, the moving and forward transmission of droplets in wind was mainly divided into the following 3 stages: 1) within 1-2 m distance near the nozzles position, high speed air flow broke the droplets twice and thus made the droplets smaller; 2) In the middle of the range, the droplets diameter became larger due to collision and aggregation with the moving and transmission under the medium speed air flow; 3) In the end of the range, the droplets diameter decreased because of the evaporation and diffusion in the low speed flow. The study provides information for sprayer design and optimization.

spraying; spectrum analysis; machinery; droplets; median diameter; long-range; air-assisted sprayer

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.008

S491; S224.3

A

1002-6819(2017)-06-0059-08

2016-11-12

2017-02-15

国家自然科学基金项目（31671591）；“扬帆计划”引进创新创业团队专项（201312G06）；广东省科技计划项目（2015B090901031）；广州市科技计划项目（201607010362）；现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-27）

宋淑然，河北安国人，教授，博士，主要从事喷雾技术及测控技术研究。广州 华南农业大学电子工程学院，510642。Email：songshuran@scau.edu.cn

洪添胜，广东梅县人，教授，博士，主要从事农业工程、机电一体化和信息技术应用研究。广州 华南农业大学工程学院，510642。Email：tshong@scau.edu.cn