旋翼气流对不同口径喷头的农药喷洒雾化效果的影响

于艳 郭大山 顾国荣

摘 要：在无人机喷洒农药的时候，旋翼气流下不同口径和喷洒角度的喷头，因为气流的叠加雾化效应，雾化效果差别比较大。绝大部分植保无人机均没有考虑到下洗气流对于雾化效果和角度的影响。在试验中着重分析了Lechler IDK 120度02 喷头在植保机旋翼下洗气流中与在平稳气流中，气流对于喷头雾化效果的影响。试验发现，在合适的植保机旋翼下洗气流中，喷头的雾滴分布会更加均匀，较平稳气流中雾滴中径DV5明显降低，雾滴分布Deposits/cm2明显提升。在雾滴较大的喷头中，这个现象更加明显。该试验为减小雾滴雾化颗粒直径提供了新的思路和解决办法，为进一步研究喷头在旋翼气流中的最佳位置提供了数据基础。

关键词：无人机喷洒；喷头；雾化；雾滴粒径；下洗气流

文章编号：1004-7026（2019）01-0104-04 中国图书分类号：S491 文献标志码：A

喷洒雾化是液体以雾滴的形式分散到大气中，形成雾状分散系的过程，其实质是喷雾液滴在外力作用下实现雾滴表面积大幅度扩张的过程。在农用植保机械中，雾滴受到风力或其他外力的影响，在雾化程度和雾滴漂移程度上均有不同的表现。在植保无人机中，因为雾滴受到旋翼气流的影响，雾化和雾滴漂移程度更加明显。较大直径的雾滴拥有较好的穿透性，不容易受风力的影响，漂移量较小。较小直径的雾滴受旋翼气流的影响较大，漂移量大，但是容易附着在植株表面。

为了增大无人机喷洒农药时雾滴对植株的附着性，除了通过改善施药方式、更换喷头和使用助剂以外，旋翼气流与喷头叠加雾化效果也非常重要。通过旋翼气流的湍流带动作用，可以使雾滴细化成更小的颗粒。在旋翼气流下，不同位置喷头雾化颗粒受到的下洗气流强度不同，雾化颗粒大小也不尽相同，不同口径和雾化角度的喷头雾化效果也有较大差别。合理使用不同雾化角度和口径的喷头，可以使雾滴保持在一个相对适宜的雾化直径上，加大了雾滴对植株叶片的穿透力度和穿透性，增加了雾滴在叶片上的滞留量，提高了农药的利用率。

为了探究旋翼气流对不同雾化直径和雾化角度航空喷头的影响，选用了翼农YN-4A/RTK植保机、110度ETF03、90度RJ02、Lechler IDK 120度02 喷头在外场无风、微风的环境下进行喷洒试验，对旋翼气流跟喷头喷洒雾滴的均匀度和分布规律进行量化分析，为无人植保机喷头选择提供数据参考。

1 理论模型

植保无人机喷洒农药时，喷头雾化是指喷头内的液体在外力的作用下从喷头高速喷出，在跟空气接触的过程，当外部作用力超过液体自身表面张力时，液体会碎裂成液线及大颗粒液滴，在空气阻力和外部张力的共同作用下，液滴二次碎裂、雾化。

当喷头喷出雾滴时，雾滴呈标准流体的水滴形，假设在水滴下落过程中，并且是在无风情况下，将质量为M，密度为P的水滴简化成一个半径为r的球形，为了计算方便，做如下假设。

（1）水滴在下落过程中其温度、黏性、密度等介质参数不变。

（2）由于水滴密度远大于空气密度，由压力阶梯梯度引起的表面力和质量力都很小，可以忽略不计。同时因为雾滴本身体积比较小，可以忽略气动升力，所以只考虑水滴上面的空气阻力和重力。理论力学中所说的“与物体速度V2成正比的&”指的就是黏滞阻力，水滴下落的速度比较小，而且与空气相比没有相对速度，所以近似的认为空气阻力F与水滴的速度V成正比。

F（阻力）=-kv=-6πεηV

由牛顿第二定律，水滴运动方程：

M×dv/dt=F（阻）+mg

可以得到水滴运动：

Du/dt=-k×u/m+g

积分得到：

y=mgt/k-m2g/k2（1-elog（eθ/t））

所以雾滴的碎裂程度，即雾滴的分布直径跟喷头周围出口速度和风压有很大的关系。使用植保机的旋翼下洗气流加速雾滴的二次雾化，可以使较大的雾滴在喷嘴出口处碎裂成直径更小的雾滴，起到更好的雾化效果。

2 材料和方法

试验从2018年6月26开始，2018年9月7号多喷头组网试验测试结束。

2.1 试验材料

喷雾药液使用水敏纸来进行雾滴大小、雾滴分布、雾滴扩散的检测，首先通过Ansys Flunt对四旋翼植保机进行仿真和流体力学分析测试，完成植保机流线体的雾滴测试和仿真环境的搭建，测试得出放置喷头的最佳位置和最佳角度。见图1。

仿真测试使用Soildwork对植保无人机机体和喷头位置进行建模，通过Ansys仿真可以得出喷头最佳放置位置，然后通过测试来检测喷头位置下旋翼气流对不同喷头的喷洒角度、雾滴雾化角度和雾化颗粒大小的影响。见图2。

试验喷头为国产110度ETF03、90度RJ02、德国产Lechler IDK 120度02，经过测定ETF喷头在喷洒压力0.5 mpa下喷洒流量分別是1.22 L/min、1.1 L/min、1.54 L/min。

德国产Lechler IDK 120度02 喷头为：0.87 L/min。

其中喷头结构如图3所示，IDK喷头使用了特有的喷头结构设计，在喷头喷体中间有与空气相连的凹槽，由于液体高速流过时产生了空压效应，部分空气从凹槽进入喷头中，在药液从喷头处喷出之前就与空气进行混合，可以达到较好的雾化效果。

2.2 试验装置

测试试验装置见图4。

翼农YN-4A/RTK版四旋翼植保无人机，重26.7 kg，水平定位误差±0.1 m，高程定位误差±0.3 m，可以满足测试实验需求。

2.3 试验方法

在无风或风力小于2 m/s的天气下，进行室外测试。地面覆盖物的直径约6 m。每架次挂载同一型号喷头2个于喷杆两端，4 m高悬停，以压力泵最大压力值（0.5 Mpa）喷雾5 s，测量地面覆盖物上试剂喷幅大小。植保机完成喷洒以后关闭喷雾系统，在喷洒位置悬停15 s以后原地降落，收集地面上贴的水敏纸。

所取得的水敏纸试纸通过扫描仪扫描到AriImagepy测试软件中，可以通过照片的二值化处理得到有较大色差的二值化图片，然后通过计算每个雾滴在试纸上留下的雾滴小颗粒所占用黑色像素点的大小，来对雾滴的面积和覆盖率进行计算，不同雾滴的X轴和Y轴上的像素点数量，就是雾滴的中径。

雾滴尺寸是一项重要指标，一般用均匀度、相对尺寸范围、发散度及发散边界等指标来评价。根据美国农业与生物工程学会（ASABE）和美国国家标准局（ANSI）572.1 标准，农业喷雾雾滴尺寸发散性选用相对尺寸范围Δs 来评价，表示雾滴直径相对于体积中径的范围。一般而言，Δs 值越大，代表雾滴粒直径范围越大，发散性越大。以雾滴体积中径 Dv5和Dv9及雾滴分布相对跨度Δs、雾滴密度Deposits/cm2、雾滴覆盖率Coverage、药液沉积量ul/cm2作为评价喷雾雾化程度的评价参数。

3 试验结果与分析

110度ETF03试验结果见图5、表1。

90度RJ02试验结果见图6、表2。

Lechler IDK 120度02试验结果见图7、表3。

在植保无人机旋翼气流叠加雾化条件下，喷头的喷洒半径，雾化效果均有较好的提升，通过对比发现Δd（雾滴直径）有明显的变化，通过雾滴检测软件得到的检测，证明绝大部分雾滴的中径都小于100 um，90%以上的雾滴中径低于120 um。在相同试验条件下，不叠加旋翼气流雾化的雾滴均控制在220 um左右。

4 结束语

综合比较了不同喷头在旋翼气流叠加雾化条件下，不同雾化角度和雾化颗粒分布的规律。在试验中，通过合理的喷头布局均可以减小雾化颗粒中径，提高喷头雾化效果，所得结论如下。

（1）110度ETF03，在0.5 Mpa压力下，雾滴密度Deposits/cm2较平稳气流下增加了12.75%，雾滴颗粒分布增大了32.2%，有效減小了雾化颗粒的大小，提高了雾化效果。在有风情况下，左右对称分布依旧比较均匀，最大覆盖直径达到4.2 m，有效覆盖直径达到3.85 m。

（2）90度RJ02，在0.5 Mpa压力下，雾滴密度Deposits/cm2较平稳气流下增加了10.2%，雾滴颗粒分布增大了3.75%，雾滴颗粒分布增加较小，其ul/cm2在与平稳气流下对比相差不大，对比试验证明喷头角度越小，旋翼气流的叠加雾化效果越差。最大覆盖直径3.7 m，有效覆盖直径3.6 m。

（3）Lechler IDK 120度02，在0.5 Mpa压力下，雾滴密度Deposits/cm2较平稳气流下增加了11.66%，雾滴颗粒分布增大了6.57%，平均中径DV5和DV9均有明显的降低，分别降低了7.15%和5.31%，对于相同雾滴直径的标准喷头，角度越大，旋翼叠加雾化效果越明显。

由此可见，在植保无人机合理的位置放置喷头，通过旋翼的下洗气流来推动喷头的二次雾化，可以明显起到提高雾化效果的作用。