不同转速和不同水平风速对离心式喷头喷雾漂移的影响

卢佳节，陈家兑，吴扬东，王 波

(贵州大学 现代制造技术教育部重点实验室，贵阳 550025)

0 引言

近年来，在利用农药大幅度提高粮食产量的同时，人们已开始关注农药植保对食用粮食安全和生态环境污染的问题。在农药植保喷洒领域，高性能喷雾是提高农药防治效果和减少农药使用量的主要技术手段，而雾滴漂移是影响农药防治效果和农药使用量的关键因素之一[1]。雾滴漂移是指喷雾系统喷洒出的雾滴被气流运动胁迫脱离靶区的一种物理运动，不仅会造成农药浪费，达不到防治效果，还会引起非靶区环境污染等问题[2-4]。

影响植保机械的雾滴漂移有很多因素，包括喷雾系统的工作压力、雾滴直径、水平风速及气体流动速度等[5-8]。侯永瑞研究发现，改变喷雾压力可以细化雾滴直径，但会引起雾滴漂移而脱离目标附着点[9]。Wolf R E试验表明：雾滴直径低于100μm在环境温度为25℃的情况下，雾滴移动0.75m后，雾滴直径会因为蒸发而减少一半[10]。Ellis M C B等人试验研究表明：农药助剂的添加会使雾滴直径发生明显的变化，从而影响雾滴的漂移距离[11]。Vol. N结合数值模拟的方法研究气体流速对喷雾漂移的影响，发现气体流速对雾滴漂移影响较大[12]。刘雪美等人采用三维流场的多相流计算流体力学模型，研究了自然风与多种因素的交互作用，发现空气流动速度对雾滴漂移会产生显著影响[13]。王潇楠等人在无风条件下对液力式喷头进行了雾滴漂移潜力试验，发现系统工作压力和雾滴直径都是雾滴漂移的主要影响因素[14]。刘东华等人在风洞下做气体压力对雾滴漂移的影响试验，测得了不同气体压力对雾滴漂移的影响程度和趋势[15]。贾卫东等人利用室内风场探究了不同水平风速和风幕气流对雾滴漂移的影响规律[16]。杨洲等人对静电喷雾系统组雾滴漂移试验，发现水平风速和电压对雾滴漂移有明显的交互影响[17]。这些研究主要以系统工作压力、雾滴直径、农药添加剂、气体流速及温度等作为试验参数研究液力式喷头系统的喷雾漂移情况；而针对离心式喷头的转速和水平风速对离心式喷头的喷雾漂移交互影响理论分析和试验研究很少。

为了研究离心式喷头转速和水平风速对离心式喷头的喷雾漂移的影响，本文从能量角度建立了雾滴漂移的理论描述和搭建了室内风场试验平台，通过试验方式测出雾滴直径，然后采用理论与试验相结合的方式对喷头转速和水平风速对喷雾漂移的影响规律进行深入研究。研究结果将为农用航空离心喷雾系统的实际应用提供参考，使其可以根据不同水平风速选择适合的喷头工作转速，从而获得较好的防治效果。

1 雾滴漂移率

1.1 雾滴理论漂移率

农药喷洒过程中雾滴漂移会受到多方面因素的影响，忽略施药工具、操作方式等因素，造成离心式喷雾系统雾滴漂移的主要因素是雾滴直径的大小、喷头的转速及施药环境的水平风速。在雾滴喷洒过程中，假设雾滴是球形的，雾滴之间没有相互作用且雾滴吸附在植株表面之前一直保持球形不破碎，则单个雾滴质量为

(1)

式中m—雾滴的质量；

d—雾滴的直径；

ρ—雾滴的密度。

雾滴脱离离心雾化盘的一瞬间的初始速度为

(2)

式中v1—雾滴离开离心雾化盘的速度；

vt、vm—雾滴在离心雾化盘边的切向与径向速度，可分别表示为[18]

vt=πDdn

(3)

(4)

式中Dd—离心雾化盘的直径；

n—离心雾化盘的转速；

σ—雾滴的表面张力；

ρ—雾滴的密度；

γ—雾滴对离心雾化盘的粘度。

由于雾滴质量太小，离心雾化盘对雾滴的粘度过大，因此雾滴的径向速度可以忽略不计，则v1=vt。雾滴在空气中受到气体的阻力为Fd，Fd表示为[19]

(5)

式中Cd—空气的阻力系数；

Re—雷洛数；

μ—气体的粘度。

当Re<2×105时，Cd的表达式为[20]

(6)

由式(6)可以计算出Cd的值。因此，在没有水平风速的情况下，根据能量守恒定律雾滴的飞行距离为

(7)

式中h—喷头与目标物之间的高度。

计算得到雾滴沿切线方向的飞行距离后，可以求得无风时离心雾化盘中心到雾滴落点之间的直线距离S1。直线距离与飞行距离的关系可以表示为

(8)

有水平风速的情况下，假设水平风速为vs，则雾滴在水平风速作用下的速度可以表示为

v2=bvs

(9)

式中b—修正系数。

通过大量的试验证明b取0.87较为合理。因此，根据能量守恒定律，有水平风速时雾滴的飞行距离为

(10)

则有风时的雾滴与离心雾化盘的直线距离S2与飞行距离的关系可以表示为

(11)

因此，雾滴的理论漂移率为

(12)

1.2 雾滴试验漂移率

根据GB/T24681-2009《植物保护机械雾滴漂移的田间测量方法》，雾滴漂移率是衡量雾滴漂移的重要指标。雾滴漂移率是直观地反应喷雾系统在喷洒过程中的漂移情况。试验过程雾滴漂移率的计算公式为

(13)

式中βS—雾滴试验漂移率；

i—不同采样范围内V型槽的数量；

M—喷头喷雾总质量。

通过雾滴试验漂移率可以评价雾滴的漂移情况，雾滴试验漂移率越大，说明雾滴在目标作物靶区沉积量少，则雾滴抗漂移很弱。通过式(12)、式(13)可以得出雾滴漂移率的理论计算值和试验测量值。

2 试验方法与设计

2.1 试验设备

搭建了离心喷雾系统试验装置研究喷雾漂移，系统主要由电机调速器、水箱、直流隔膜水泵、压力表、水管管、开关阀、喷杆及旋转喷头等组成，如图1所示。电机调速器选择信达电器公司生产的XD-12V-36V，通过调节输出电压达到改变电机转速的目的，输入电压为直流12V，输出为0～36V可调。水箱采用聚乙烯材料制作，容量为10L。避免漏电危险导流管采用PVC材料制作。水泵选择石家庄普兰迪公司生产的PLD-1206型直流隔膜泵，压力范围为0～1.0MPa,通过调压开关控制压力。压力表选择中国红旗仪表公司生产的水气通用压力表，测量范围为0～1.6MPa。离心喷雾系统工作时，液体首先从水箱由水管进入水泵，经水泵加压后流向固定在喷杆上的喷头，为喷头提供恒定的压力水，通过电机调速器调节电机转速。

1.水箱 2.水泵 3.调压开关 4.压力表 5.水管 6.开关阀 7.离心喷头 8.喷杆 9.电机调速器图1 离心喷雾原理图Fig.1 Schematic of Centrifugal spray system

离心喷雾系统的喷头采用定制的离心旋转喷头，如图2所示。

1.电机外壳 2.水管 3.螺纹杆 4.离心雾化盘 5.电机图2 离心旋转喷头结构图Fig.2 Centrifugal rotary nozzle structure

当液体从水管进入离心雾化盘以后，离心雾化盘跟随电机高速转动，液体会被离心雾化盘边缘细化成雾滴甩出离心雾化盘完成喷洒作业。

2.2 试验设计

为了研究不同转速和水平风速对离心喷雾系统的喷雾漂移影响，根据相关的参考资料并查阅了农业种植地区的水平风速变化幅度和离心式旋转喷头转速的变化范围，试验安排了4种不同水平风速和5种喷头不同转速。试验安排如表1所示。

表1 试验因素Table 1 Experimental variables

本文用风机来模拟0～5m/s变化自然风，根据式(14)的混沌方程利用变频器控制风机的转速来生产自然风，即

Xn+1=a·[Xn+0.8-2sin(2π,Xn)]

(14)

其中，Xn+1为第n+1时刻的水平风速(m/s)；Xn为第n时刻的水平风速(m/s)；a为风的强度系数，取值1.067[21]；方程提供的变化自然风平均值为2.5m/s,水平风速范围为0～5m/s。由于雾滴直径是影响雾滴漂移的主要因素且在理论计算中会用到雾滴的直径，因此还安排了不同转速下的雾滴直径测量。

2.3 室内试验

2.3.1 雾滴直径测量试验

采用显微镜测量法测量雾滴直径，显微镜测量法成本低、易操作、效率高[22]。雾滴收集装置由玻璃挡板、载玻片和支撑台组成。玻璃挡板通过螺钉支脚安装在支撑台上，在玻璃挡板中间设置有半径为5mm的圆孔，用于控制雾滴的通过数量。载玻片放置在玻璃挡板圆孔正下方的支撑台台面上，用于收集测量区域的雾滴。载玻片上表面涂上一层硅油防止不同雾滴相融。在采样过程中，沿着载玻片长度方向，人工移动载玻片收集雾滴。为防止多个雾滴落在同一地点，载玻片移动速度应高于雾滴喷洒速度。采样结束后，取出载玻片并用液体石蜡迅速地把载玻片上收集到的雾滴盖上，防止液体挥发；然后，利用宝视德88-56000型显微镜对采集到雾滴进行直径测量。宝视德88-56000型显微镜放大倍数为40～640倍，自带CCD相机可以在观察的同时完成图像采集。在试验过程中，显微镜的放大倍数选择100倍对雾滴进行图像采集，然后将采集好的图像导入AutoCAD中对其进行标注直径再除以放大倍数得出其测量直径，最后乘以修正系数0.86即得到雾滴直径真实值[23]。通过以上描述的雾滴直径测量过程来测量转速值为1 000、2 000、3 000、 4 000、5 000r/min时雾滴的直径。

2.3.2 雾滴漂移率试验

离心喷雾系统雾滴漂移试验示意图如图3所示。

1.V型槽 2.离心喷头 3.喷杆 4.水平风 5.风机 (a) 试验布置示意图

(b) 试验现场图3 雾滴漂移试验图Fig.3 Droplet drift test chart

如图3(a)可知：雾滴漂移的试验装置主要由风机、雾滴收集器、喷洒系统等组成。该雾滴收集器由V型槽斜下方的塑料杯构成，V型槽的数量为25个，每两个V型槽之间的间距为0.15m，采样面积为6m×2m。以喷头正下方为起点沿着风的方向每一列编号为1，2，…，25。试验环境为没有自然风、周围环境温度(25±1)℃、湿度68%，喷雾的压力设定为0.3MPa,喷头距离采样面为0.6m。利用风机模拟自然风，通过改变变频器频率调整风机水平风速的大小，用标智水平风速仪标定测量地点的水平风速。根据表1安排试验，用清水代替农药进行试验，每次试验的时间为40min。用电子天平测量每个收集容器内水的质量，并记录数据，每组试验重复进行3次取平均值。

3 试验结果分析

3.1 不同转速对雾滴直径的影响

在雾滴直径试验过程中，喷头与测量位置高度为0.6m，离心式喷头喷雾系统的压力0.3MPa，试验结果如表2所示。由表2可知：流速保持不变的情况下，在设定影响因素的参考范围内，随着转速的提高，雾滴直径变化呈减小趋势变化；在高速转速下，雾滴直径细化非常明显。造成这种情况的原因可能是离心雾化盘在高速转动时，液体在离心雾化盘上沿径向快速分散开来并形成一层很薄的液膜；同时，在离心力的作用下，当液膜到达离心雾化盘边缘时厚度会进一步变小，且齿状结构的离心雾化盘转速越高细化雾滴的能力越强。

表2 不同转速下的雾滴直径Table 2 Diameter of droplets at different speeds

3.2 不同水平风速和转速对雾滴漂移的影响

本次理论描述和试验主要分析了转速和水平风速对雾滴漂移的影响，根据有关研究资料相关参数取值如下：ρ为1g/cm3、Dd为0.6m。喷洒雾滴直径不超过200μm时，Re取值69.9，μ为1.81×10-5Pa·s，Cd为1.29，h取0.6m，b取0.87[18-21]。雾滴直径d由表2可得出，把它们代入式(1)～式(13)得到雾滴漂移的理论值。理论漂移率和试验漂移率结果如表3所示。分析表3的数据可以得到以下结论：

1)当水平风速不变时，理论漂移率与试验漂移率都随着喷速增大而增大；当转速不变时，理论漂移率和试验漂移率也都随着水平风速的增大而增大。

2) 水平风速不同时，高转速与低转速之间的漂移率变化幅度也不同，如水平风速在1m/s时，5 000r/min与1 000r/min之间的理论漂移率和试验漂移率相差10%；水平风速在5m/s时，5 000r/min与1 000r/min之间的理论漂移率和试验漂移率相差了53.1%不止3倍。这可能是在水平风速不大时，雾滴在重力、表面张力、剪应力及空气阻力的共同作用下，雾滴保持动态平衡，自然喷洒。当水平风速过大时，过大的水平风速加快了空气中分子的运动动能，带动雾滴水分子快速运动，增大了雾滴的挥发速度，使雾滴的质量在喷洒过程快速变小，雾滴离开其原来的运动轨迹，使雾滴的漂移距离更远。

3)相同水平风速下，当转速超过4 000r/min时，理论漂移率的值总是比试验漂移率的值大。出现这种情况的原因可能是在理论计算时会把雾滴的重力势能计算在内。由表2可知，在高转速时，雾滴细化能力加强，雾滴直径小于73μm，因此在实际喷洒过程中，雾滴本身的重力势能已经对雾滴漂移距离没有影响了，造成了理论漂移率的值会比试验测得漂移率的值要略大。

4)在高转速时，水平风速对雾滴漂移率的影响非常严重，如5 000r/min、水平风速为1m/s时，雾滴的理论漂移率和试验漂移率分别为 17.2%和16.7%；而水平风速为5m/s下，理论漂移率和试验漂移率都超多了74%。其主要原因可能是当雾滴直径很小时，雾滴对水平风速变化感知非常敏感，水平风速细微变化就会造成雾滴漂移率过大。这表明，在采用离心喷头喷洒时，水平风速和转速不能同时过高。

5)水平风速在0～5m/s循环变化时的试验漂移率和水平风速恒为3m/s的漂移率变化基本相同。这可能是雾滴漂移主要是有水平风速的平均速度决定的，0～5m/s变化自然风的平均值为2.5m/s，数值接近3m/s。

6)通过理论计算得出漂移率和试验漂移之间的误差不超过3%，说明从能量角度对雾滴的喷雾性能进行理论描述是可行、合理的。

表3 转速和水平风速对雾滴漂移的影响Table 3 Effect of rotating speed and horizontal wind speed on droplet drift

续表3

4 结论

离心式喷头在用于农业植保喷雾系统上的优点是雾滴细化能力强，喷洒面积较大。离心式喷头在农药喷洒过程中，转速和水平风速都会产生雾滴漂移，严重影响其喷洒效果，因此需要准确掌握影响规律。本文通过分析不同转速下的雾滴直径测量，及不同转速和不同水平风速交互影响的雾滴理论漂移率和雾滴试验结果表明：离心喷头转速增大，雾滴直径开始变小，转速越大雾滴直径变小越明显；喷头转速和水平风速对理论漂移率和试验漂移率都成正相关影响，漂移率随着喷头转速和水平风速增大而增大；离心喷头在高转速时，水平风速对漂移率影响很大，漂移率会随着水平风速的增加而急剧上升；在植保防治方面，转速和水平风速同时增大时，雾滴漂移率随着增大，转速越高、水平风速越大雾滴漂移率越严重，达不到植保喷洒要求。因此，离心式喷头在有风的植保作业时更适合低转速工作。通过雾滴漂移率的试验结果和理论计算结果的对比，其误差不大。这说明从能量方面来对雾滴漂移进行理论描述是符合实际的。