风幕式喷杆喷雾雾滴特性与飘移性能试验

贾卫东，闻志勇，燕明德，欧鸣雄， 陈志刚， 董 祥



风幕式喷杆喷雾雾滴特性与飘移性能试验

贾卫东1，闻志勇1，燕明德2，欧鸣雄1， 陈志刚1， 董 祥2

(1.江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013；2.中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

为了描述风幕式喷杆喷雾雾滴特性与飘移性能之间的关系，运用激光粒度分析仪、粒子图像测速(PIV)和集雾试验测量装置对Lechler标准扇形喷头ST110-01在不同喷雾压力、风幕出风口风速和喷雾高度情况下的雾滴粒径、速度分布和飘移进行了试验，但飘移率逐渐变大；在400～600mm时，增大喷雾高度使雾滴粒径变大，雾滴的运动速度逐渐变小且飘移率变小；增大风幕出风口风速使雾滴粒径变小，此时喷雾高度对雾滴飘移率有着很大的影响。该研究可为正确设定喷雾系统运行参数等提供参考，对风幕式喷杆喷雾能够合理地喷施药液、减少雾滴的飘移和增大雾滴覆盖面积具有重要意义。

风幕式喷杆喷雾；雾滴粒径；雾滴速度；飘移；喷雾流场

0 引言

在风幕式喷杆喷雾机施药过程中，药液中有小部分的细小雾滴会被风幕气流携带，并向非靶标区域运动，造成农药飘移[1]，减少雾滴的飘移和提高药液的覆盖率是降低农药流失、减轻土壤污染的一个重要措施[2]。喷雾中和喷雾后都存在雾滴蒸发飘移现象，此类飘移主要受农药的挥发性影响。飘移受多种因素影响，雾滴的初始尺寸是引起飘移的最主要因素[3]，雾滴越小，雾滴顺风飘移的可层度越严重[4]。雾滴的粒径和速度决定了雾滴的运动轨迹及其在靶标表面上的覆盖状态，影响雾滴的飘移率[5-8]。因此，研究风幕式喷杆喷雾流场中雾滴的粒径和速度分布对减少雾滴飘移和提高喷雾性能具有重要意义。

燕明德[9-10]等采用与本文相同的风幕式喷杆喷雾试验装置开展了喷雾参数对雾滴气液两相流场特性的试验研究，但并未涉及风幕式喷杆喷雾雾滴特性与飘移性能研究。本试验研究在封闭环境中进行，使用激光粒度分析仪、粒子图像测速仪(PIV)和集雾试验测量装置对喷头在不同喷雾压力、风幕出风口风速和喷雾高度多种因素下的雾滴粒径、速度分布和飘移率进行研究，确定喷雾系统运行参数对喷雾效果的影响，并分析雾滴的飘移规律，为风幕式喷杆喷雾防飘研究提供理论依据。

1 试验装置与试验方法

1.1 雾滴的粒径、速度分布与飘移的关系

雾滴的粒径和运动速度是决定雾滴群飘移、沉降的关键因素[11]。雾滴在风幕气流场作用下，随着风幕出风口风速逐步增大，雾滴的粒径变小，运动速度加快，雾滴数量增加且分布更加均匀，雾滴的覆盖面积增大。雾滴粒径越大，飘移率越小，但雾滴的覆盖性相应变差。

1.2 试验装置

图1为风幕式喷杆喷雾测试系统原理图。

1.开关阀 2.隔膜泵 3.流量计 4.压力表 5.药箱 6.变频器 7.轴流风机 8.风幕气囊 9.风速仪 10.电子天平 11.集雾装置 12.计算机 13.喷杆 14.喷头 15.激光粒度分析仪

该试验系统主要由风幕式喷杆喷雾试验台、激光粒度分析仪、粒子图像测速仪(PIV)和集雾试验测量装置搭建组成。

图2为喷雾试验装置现场图。风幕式喷杆喷雾试验台由风幕和喷雾调节系统组成，风幕调节系统包括轴流风机、变频器和风幕气囊。其中，风幕气囊基于CAAMS研制的3W系列风幕式喷杆喷雾机设计研发，通过变频器控制轴流风机转速，利用KA31型热线风速仪测得风幕出风口风速，轴流风机与风幕气囊均固定于机架上且两者紧密联接。喷雾调节系统包括隔膜泵、药箱、开关阀、压力表、流量计、喷杆和喷头。利用激光粒度分析仪、粒子图像测速仪(PIV)和集雾试验测量装置对不同工作参数下雾滴的粒径、运动速度和飘移率进行测量并分析。风幕式喷杆喷雾测试系统的主要技术参数如表1所示。

图2 风幕式喷杆喷雾测试试验装置

主要装置项目技术参数Altivar21H异步电机变频器变频范围/Hz0～50SF-3.5型轴流风机风量/m3·h-16500转速/r·min-12900DP-130型隔膜泵(15W)额定压力/MPa1流量/L·min-11.7药箱容积/L60BS210S电子天平质量/mg0.1LWGY-N型涡轮流量计测量范围/m3·h-10.04～0.25Y-100型压力表测量范围/MPa0～0.6LECHLERST110-01标准扇形喷头喷雾角/(°)110°KA31型热线风速仪测量范围/m·s-10～50

1.3 试验设计

本试验测试系统选用的测试喷头为德国Lechler ST110-01标准扇形喷头，喷雾角为110°，喷头产生的喷雾分布均匀，雾滴粒径为小到中等，防飘移性较好。试验时，测试喷头位于风幕式喷杆喷雾试验装置的中间位置，喷雾高度分别设置为300、400、500、600、700mm，喷雾压力为0.2、0.3、0.4、0.5MPa，风机频率为0、15、30、45Hz，在不同工作参数下对雾滴的粒径、运动速度和飘移率进行试验。试验时无自然风，环境温度为(21±1)℃，相对湿度为74%。

1.3.1 粒径谱测量

影响雾滴飘移率主要因素包括喷雾压力、风幕出风口风速和喷雾高度，本试验考察三者对雾滴粒径分布影响的相关性。为对比不同因素影响下的雾滴粒径大小及分布规律，本试验采用Wimer318B激光粒度分析仪(济南微纳颗粒仪器股份有限公司，粒径测量范围为1～711μm)测量雾滴粒径。激光粒度分析仪对雾滴粒径的测量位置如图3所示。其中，测试喷头位于风幕气囊出风口处中间位置，测量点沿风幕横向水平布置，激光粒度分析仪发射出的激光束与喷头出液口垂直距离为测量高度，测量高度设置为300～700mm，相邻测量点间距100mm。

图3 雾滴粒径的测量位置

1.3.2 速度场测量

通过比较在喷雾系统不同工作参数下的雾滴运动速度场，以期获得最优工作参数，达到最佳的喷雾效果。本试验采用粒子图像测速仪(PIV)，在风幕气流作用下分别测量4种不同喷雾压力下的雾滴速度场并分析测试结果，且对所拍摄的不同喷雾压力下的雾滴速度场原始图像进行分析处理，获得其速度场数据。图4为粒子图像测速仪对雾滴速度场测量的原理图和现场图。

1.3.3 飘移率测量

集雾试验测量装置由雾型收集装置、导流槽、容器和电子天平组成。该雾型收集装置在水平方向上布置有60个用以接收沉积雾滴的V形槽，V形槽平面倾斜角度为5°，每个V形槽末端接在导流槽上，沉积在V型槽内的雾滴通过导流槽流向收集容器中；每次试验喷雾时间为3min，试验前首先收集3min总喷雾量，并用电子天平测量其总质量；喷雾完成以后，等待1min，测量出容器中收集到的雾滴沉积量，每种工况下进行3次重复试验，保证收集到雾滴沉积量与喷雾总质量具有可比性。

喷施雾滴质量已知，雾滴飘移率求解公式为

式中 Df—雾滴飘移率(%)；

Q—喷施雾滴总质量(g)；

D—沉积量(g)。

图4 雾滴速度测量系统

2 试验结果与讨论

2.1 风幕出风口风速的测定

本次试验选取轴流风机的频率为0、15、30、45Hz，对应轴流风机的转速为0、1 118、1 947、2 746r/min，使用KA31型热线风速仪测量风幕出风口风速，风速仪各测量点位置如图5所示。

图5 测量点位置

图6为不同风机转速下各测点风幕出风口的平均风速。其中，横坐标为风速仪测量点位置，对应于图5中从左至右各测量点位置(200～1 800mm，相邻测量点间距200mm)，纵坐标为风幕出风口风速。由图6可以看出：各测量点风幕出风口风速随着风机转速的增大而增大；在相同的风机转速下，测试线上各测量点的风速呈现出中部较小、两侧较大的分布趋势。总体来说，该风幕设计结构合理，风幕气流的速度分布是均匀的，风幕出风口最大风速出现在风幕的两侧。当风机转速为1 118r/min时，风幕出风口平均风速为6.3m/s；风机转速为1 947r/min时，风幕出风口平均风速为10.3m/s；风机转速为2 746r/min时，风幕出风口平均风速为14.4m/s。

图6 风机转速对风幕出口风速的影响

2.2 雾滴粒径测量结果分析

本试验通过改变喷雾压力、风幕出风口风速和喷雾高度，利用激光粒度分析仪测定不同工作参数下雾滴体积中径变化。表2为雾滴粒径分布结果，雾滴粒径大小以体积中径(volume median diameter)来衡量。由表2可知：雾滴粒径随着喷雾压力和风幕出风口风速的增加而减小；但当喷雾高度上升时，雾滴粒径就会逐步增大。

增加喷头出口液体的初始速度会使液体雾化为更小的雾滴，液体的初始速度是由喷雾压力决定的。当喷雾压力增加到使气动力打破液体分子表面受力平衡时，液体就会破碎，形成雾滴；不断增加喷雾压力会使形成雾滴更加细化，即雾滴粒径变小。

在风幕出风口风速的影响下，雾滴进行雾化形成小雾滴，雾滴粒径逐渐变小。由于小雾滴质量小且受到空气阻力作用，导致雾滴向下的运动速度不断降低，小雾滴更容易受温度和湿度的影响导致蒸发后变得更小，没有足够的动力继续向下运动。

雾滴在向下运动的过程中，不断卷吸并混合外界气流，雾化区域扩大，雾滴的运动速度不断衰减。由于受到空气阻力的作用，小液滴的动能迅速衰减，其运动速度的衰减率比大液滴快；大液滴能够快速穿过用于测量的激光束，但小液滴需要更长的运动时间来穿过激光束，且部分小雾滴在到达测量位置前由于空气阻力作用悬浮在空中，并未到达激光束位置。因此，当喷雾高度上升幅度较大时，雾滴粒径逐渐增加。

表2 不同喷雾高度、风速和喷雾压力下的雾滴平均体积中径

2.3 雾滴速度测量结果分析

采用粒子图像测速仪(PIV)获取喷头在不同条件下雾滴区域的原始图像和速度场云图，通过Insight 3G软件对图像处理参数进行设置，并通过Tecplot 10软件进行速度向量的统计分析。在0.2、0.3、0.4、0.5MPa喷雾压力下风幕出风口风速为10.3m/s时的速度场云图如图7所示。由图7可以看出：在不同喷雾压力下，雾滴的运动初始速度不同，雾滴的运动速度与喷雾压力呈正相关。喷雾压力在0.2MPa时，雾滴的最大运动速度为12.5m/s；在0.5MPa时，雾滴的最大运动速度提高至15.5m/s。

由图7可知：在雾滴群中间区域雾滴获得较大的运动速度，而雾滴群边缘的速度比较小，到达底部的过程中，雾滴群的运动速度不断降低；喷雾压力较大时的雾滴运动速度明显比喷雾压力相对较小时分布均匀，尤其是雾滴群边缘的雾滴速度明显比喷雾压力较小时均匀。这说明，雾滴在喷雾压力和风幕气流的影响下，液体雾化后的小雾滴速度增大且分布更加均匀，雾滴在向下运动的过程中，其速度不断地减小。

图7 喷嘴在不同喷雾压力下速度场

2.4 雾滴飘移率测量结果分析

2.4.1 喷雾压力对雾滴飘移的影响

不同喷雾压力对雾滴飘移的影响如图8所示。由图8可以看出：喷雾高度为500mm时，较高喷雾压力下的飘移率大于较小压力下的飘移率。这是由于雾滴飘移率与雾滴的动能密切相关，喷雾压力增加会增大雾滴运动初始速度，雾滴获得更大的初始动能，有利于雾滴向下运动；但雾滴粒径相应变小，更易受空气阻力影响，动能衰减较快，小部分雾滴在沉降前飘移，增加了雾滴飘移率。由图8还可知：不同风幕气流作用下，随着喷雾压力的变化，雾滴飘移率差异明显，一方面是喷雾压力增大使得雾滴粒径变小，另一方面是风幕气流促使更多的雾滴向靶标运动，同时对雾滴进一步雾化。

图8 不同喷雾压力对雾滴飘移的影响

2.4.2 风幕出口风速对雾滴飘移的影响

不同风幕出口风速对雾滴飘移的影响如图9所示。由图9可以看出：有风幕作用时雾滴的飘移率明显要小于无风幕作用时，风幕出风口风速越大，雾滴防飘移性能越好。

在喷雾高度500mm、不同喷雾压力时，雾滴飘移率随风幕出风口风速增大而减少的趋势基本保持一致。因为雾滴受到风幕出风口竖直向下的气流作用时，气流对雾滴有向下的推送力，可以使雾滴快速向靶标运动。图9可以看出：当风速在10.3～14.4m/s之间时，雾滴飘移率减小缓慢。这说明，当风幕气流达到一定速度后，增大风速时风幕防飘移效果变化不明显，而过大的风速会造成资源浪费，因此合理地选择风速是至关重要的。试验表明：雾滴飘移率随风幕出风口风速的增加而减小，风幕气流可以有效地防止雾滴飘移。

图9 不同风幕出口风速对雾滴飘移的影响

2.4.3 喷雾高度对雾滴飘移的影响

不同喷雾高度对雾滴飘移的影响如图10所示。由图10可以看出：不同喷雾高度下，风幕出口风速对雾滴飘移率有着显著影响。当喷雾高度为300～400mm时，风幕出风口风速越大，雾滴的飘移率越大。这是因为较大的风幕气流作用于靶标时气流反弹力度变大，反弹气流阻碍了雾滴向下运动。当喷雾高度为400～600mm时，雾滴整体的飘移率随着喷雾高度的增加而减少。这说明，在此喷雾高度时风幕气流能够起到较好的防飘移效果。当喷雾高度为600～700mm时，雾滴飘移率逐渐变大，一方面随着喷雾高度的上升，雾滴向下运动的动能衰减幅度增大，雾滴没有足够的动能到达靶标，造成雾滴飘移率增大；另一方面是风幕气流对雾滴具有细化作用，喷雾高度不断上升后，细化后的小雾滴需要花费更长的时间才能到达靶标，雾滴飘移的几率增大，风幕气流对雾滴运动的影响逐渐变弱。

图10 不同喷雾高度对雾滴飘移的影响

3 结论

1)增大喷雾压力可使雾滴粒径变小且雾滴运动速度增大；同时，雾滴受到空气气流的影响，阻碍了细小雾滴的动量，使雾滴飘移率变大的趋势比较明显。

2)在风幕气流的作用下，雾滴粒径变小，雾滴运动速度增大，雾滴可快速运动至靶标表面。当风速为0～10.3m/s时，可以有效地减少雾滴的飘移；当风速超出10.3m/s时，雾滴的防飘移效果明显降低。

3)喷雾高度对雾滴飘移率有很大的影响，同时考虑风幕气流的影响：当喷雾高度小于400mm时，风幕气流越大，雾滴的飘移越大；当喷雾高度为400～600mm时，随着喷头与靶标距离的增加，雾滴飘移趋势逐渐减弱；当喷雾高度大于600mm时，由于风幕气流作用减弱，雾滴的飘移趋势增大。

4)使用风幕式喷杆喷雾机施药时，选择风幕出口风速为10.3m/s、喷雾高度在500～600mm之间，可以发挥更好的防飘移效果。

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Experimental Investigation of Droplet Characteristics and Drift Performance in Air-assist Boom Sprayer

Jia Weidong1， Wen Zhiyong1，Yan Mingde2， Ou Mingxiong1，Cheng Zhigang1， Dong Xiang2

(1.Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

In order to study the relationship between the droplet characteristics and drift in the air-assist boom sprays, the droplet diameter, distribution of velocities and drift were tested by Lechler nozzle st110-01 at different spraying pressure for different wind speed with various distances between the nozzle and the target, using the laser particle size analysis system, PIV analysis system and the collection spray test equipment. Analyse and discuss the relationship between the droplet diameter, velocity and drift. Experimental results showed that the droplet diameter decreased, the droplet velocity increased and drift increased with the increasing of the spraying pressure; the droplet diameter increased, the droplet velocity and drift decreased gradually with the increasing of the distances between the nozzle and the target (400mm-600mm); the droplet diameter decreased with the increasing of wind speed, the distance between the nozzle and the target has a great influence on the droplet drift. The research can provide a reference for the proper use of spraying system operation parameters, and the research has a significance in reasonably spraying pesticide, enhancing the efficiency of the air-assist boom sprayer, decreasing the drift efficiency and increasing the droplet coverage areas.

air-assist boom spraying； droplet size； droplet velocity； drift； spray flow field

2016-03-10

国家自然科学基金项目(51475215)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD08B04)；江苏省高校自然科学研究重大项目(13KJA210001)；公益性行业(农业)科研专项(201203025-04)；江苏省农机三新工程项目(NJ2015-12)

贾卫东(1971-)，男，江苏镇江人，研究员，博士生导师，(E-mail)jiaweidong@ujs.edu.cn。

S491

A

1003-188X(2017)04-0162-06