农用喷头雾化后的空间粒径分布与速度演化特征研究

薛士东，奚 溪，史浩楠，马学虎

(大连理工大学 化工学院化学工程系，辽宁省化工资源清洁利用重点实验室，辽宁大连 116024)

1 前 言

化学农药在防治病虫草害和保证国家粮食安全方面发挥着不可替代的作用，合理使用农药有助于提高农业生产力和农作物质量[1,2]。农药的施用效率是药液雾化、空间运行、界面沉积和传导吸收等综合作用的结果[3-8]。据统计，我国的农药利用率仅为30%～35%，较发达国家低15%～25%，而空间运行过程中仅有 20%～35%的农药雾滴能够沉积于靶标界面，导致空间飘移成为农药剂量损失严重的主要原因之一[9-12]。因此，研究雾滴的空间运行特征对明晰雾滴飘移损失的机制和提出雾滴空间减飘的策略均有着重要的意义。

关于雾滴空间粒径分布的研究，闻志勇[13]通过激光粒度分析仪测量了风幕式喷杆喷雾中喷雾压力、喷雾高度以及出口气流对雾滴粒径的影响，结果表明提高喷雾压力和风速均会使雾滴粒径变小，而雾滴粒径随着喷雾高度的增加而逐渐变大。吕晓兰等人[14]测量了不同高度处喷雾扇面横截面的雾滴体积中径分布，结果表明喷头下方10 cm处喷雾扇面横截面中边缘位置的雾滴粒径均小于中间位置，而在 20～50 cm 范围中雾滴粒径均呈现边缘高中间洼的凹面形状。然而，近喷头处雾滴粒径的分布特征却缺乏研究，它不仅可作为初始雾化的反馈指标，同时也决定着后续的空间飘移沉积过程。

关于雾滴空间速度的研究，学者们大多将焦点集中在近喷头处的初始雾化过程。Wang等人[15]分别测试了气吸式喷头IDK、标准扇形喷头ST以及空心圆锥喷头 TR的雾化性能，结果表明相比于 ST和TR喷头而言，IDK喷头在液膜中心发生破碎，产生的雾滴粒径较大，而速度大小及波动程度较小。闻志勇等人[13]通过粒子图像技术(Particle Image Velocimetry，PIV)测试了风幕式喷杆喷雾中出风口气流速度为10.3 m/s时，喷雾压力对雾滴运动速度和涡量分布的影响，结果表明提高喷雾压力，能够提高雾滴的初始速度，逐渐耗散大尺度涡旋，喷雾效果较好。然而，雾滴空间运行过程中的速度演化特征却鲜有研究，因此有必要补充对雾滴空间速度的研究，以此进一步明晰雾滴空间飘失的潜在原因。

基于此，本文以体积分数为0.2%的迈道助剂水溶液和空心圆锥喷头TR80 005为例，首先通过激光粒度分析仪测量了不同高度和水平位置处的雾滴粒径，以此获得喷雾场全局范围内的粒径分布特征；其次通过PIV试验分析获得了雾滴运行过程中的速度演化趋势，以完善对雾滴空间运行特征的认识和理解。

2 试验装置与方法

2.1 雾滴空间粒径测试平台

图1所示为自主搭建的雾滴粒径三维测试平台，主要由喷雾系统、喷头自动移动系统和雾滴实时检测与粒径分析系统组成。

图1 雾滴空间粒径测试平台示意图

采用激光粒度分析仪分别对距喷头不同径向水平位置(距离轴线中心5 cm、10 cm和15 cm)和不同轴向高度区域(距离喷头5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm和50 cm)处的雾滴粒径进行测量，空间粒径测量点如图2所示。试验过程中，先开启激光粒度分析仪进行预热，再接通隔膜泵待喷雾稳定后，开始采集数据，每组试验测试时间为10 s，重复3次，测量结果拟合方式为RR分布。在试验过程中保证无自然风，环境温度为(23±3) ℃，相对湿度为(40±10)%。

图2 雾滴空间粒径测试点

2.2 雾滴空间速度测试平台

图3所示为雾滴空间速度测试平台，主要由喷雾系统和粒子图像测速系统两部分构成，喷雾系统与空间粒径测试中一致；粒子图像测速系统由激光器及片光源调节装置、CCD高速摄像机和数据处理分析软件MircroVec V3以及Tecplot 10组成。

采用固态连续激光照亮喷雾区域，用雾滴本身作为示踪粒子，配合高速摄像捕捉相邻时间间隔内雾滴的运动过程，通过图像处理技术获得雾滴的实时速度分布，空间速度测试区如图4所示。试验过程中，首先调节高速摄像机光圈及焦距大小，使相机焦平面与激光照射截面重合，并拍摄标尺，经换算后实际拍摄区域尺寸为120 mm×50 mm。随后开启激光发生器，调节片光源厚度至大约1 mm。最后开启喷雾开关，待其稳定后，开始采集雾滴图像数据，拍摄频率为10 000 fps。试验结束后，将图像导入数据处理系统中进行速度分析。

3 结果与讨论

3.1 雾滴空间粒径分布结果

3.1.1 不同轴向高度处雾滴的空间粒径分布结果

本文分别测量了水和 0.2%迈道水溶液在喷雾压力0.2～0.5 MPa，喷头下方5～50 cm范围内的雾滴体积中径，结果如图5所示。从图5可以看出，无论是水还是助剂溶液，雾化后的体积中径均呈现先降低后升高的趋势，主要是因为近喷头轴向位置属于二次雾化区域，该区域雾滴较为集中，并未完全分散成单个雾滴，当液体经过该区域后，液膜逐渐被拉成液丝，液丝波动再破碎成小雾滴，分散成雾滴群，因此体积中径先呈现出下降的趋势。随后在继续下降过程中，雾滴的体积中径均会逐渐增加，这是由于雾滴与周围气流之间的速度差导致横向气流的卷吸作用，使得小雾滴被卷入中心区域，随着雾滴下落过程速度衰减很快，卷吸作用逐渐减弱，小雾滴被卷入的量减少，因此会出现雾滴体积中径增加的趋势。添加迈道助剂后不仅会延长雾化区域从10 cm左右延长至20 cm左右，同时也可以增加雾滴的体积中径。

图3 喷雾速度场测量装置示意图

图4 雾滴空间速度测试区

此外提高喷雾压力可降低雾滴的体积中径。一方面，压力增大，雾滴与周围流场的速度差增加，气流剪切作用强化了二次雾化作用效果，导致雾化后的粒径变小；另一方面，提高压力导致雾滴初始动能的增大，即压力的提高，使喷头处液体的能量随之增大，可以减弱其表面张力和黏滞阻力，有利于促进液体雾化成更加细小的雾滴。

图5 水和0.2%迈道水溶液在轴向高度方向的粒径分布

3.1.2 不同径向水平位置处雾滴的空间粒径分布结果

当喷雾压力为0.2 MPa时，水和0.2%迈道水溶液雾化后在不同径向水平位置处的雾滴粒径分布，如图6所示。从图6可以看出，随着轴向距离的增加，雾滴的体积中径均逐渐增大，即呈现中心小边缘大的趋势。笔者认为出现此趋势有两种原因，一方面液体完成初始雾化后，大雾滴的初始动能较大，往径向周围扩散运动的能力增强，能量损失较小，其速度方向相比于小雾滴的速度方向更难被改变，进而导致周围边缘雾滴大，而小雾滴被包裹在轴线中心区域；另一方面，如小节3.1.1中所述，雾滴与周围气流的速度差造成压力分布不均匀，边缘压力大，轴线处压力小，进而导致小雾滴群向中心聚集收缩，引起中心区域雾滴的体积中径减小。

图6 水和0.2%迈道水溶液在径向水平位置处的粒径分布

3.2 雾滴空间速度分布结果

3.2.1 不同轴向高度区间中心位置雾滴的空间速度分布结果

本部分测量了空心圆锥 TR80 005在喷雾压力为0.2 MPa时，体积分数为0.2%的迈道水溶液雾化后在喷头下方不同轴向高度区间中心位置的速度分布，结果如图7所示。可以看出，在轴向距离喷头5 cm位置处，雾滴的最大速度达到了8 m/s左右，雾滴向径向方向扩散的趋势比较明显，基本上呈对称分布；当雾滴下降到10 cm位置，最大速度衰减到4 m/s左右，衰减程度较大，同时雾滴向轴向扩散的趋势不明显，基本呈现竖直下落分布；当雾滴继续下降到20 cm和30 cm位置时，雾滴速度衰减程度减弱，不如近距离喷嘴位置衰减程度明显。田间施药时，雾滴在向靶标运动过程中，由于空气的阻碍作用导致雾滴维持自身初始动能的能力逐渐减弱，速度也会逐渐衰减，若在完全衰减之前依然没有沉降在靶标表面，便会随风飘移流失到非靶标区域。

3.2.2 不同轴向高度区间边缘位置雾滴的空间粒径分布结果

本部分测量了喷雾压力为0.2 MPa时，体积分数为 0.2%的迈道水溶液雾化后在喷头下方不同轴向高度区间边缘位置的速度分布，结果如图8所示。可以发现，边缘雾滴的速度明显小于中心雾滴的速度，而且随着轴向距离的增加，边缘雾滴的速度依然呈降低的趋势，衰减的程度同中心雾滴的衰减程度相当。此外，随着轴向距离增加，边缘雾滴也逐渐呈现竖直下落的趋势，说明雾滴速度逐渐趋近于沉降速度，随后基本匀速下落。

通过PIV试验可知，无论是中心雾滴还是边缘雾滴在下落过程中均存在着快速衰减的规律，究其原因在于农药雾滴的尺寸均分布在微米范围内，自身重力相比于风的阻碍作用而言较为微弱，在风的携带作用下很容易飘离靶标区域。因此，在设计减飘调控策略时应增加雾滴向靶标运动的动力，如风幕、电场等辅助方式，与自身重力协同抵抗自然风的裹挟作用。

4 结 论

本文搭建了雾滴空间粒径与速度分布测试平台，以空心圆锥喷嘴TR80 005为例，借助激光粒度分析仪测试了体积分数为 0.2%的迈道助剂水溶液雾化后在不同轴向高度和径向水平位置的粒径分布，通过PIV试验获得了上述溶液雾化后在不同轴向高度中心位置和边缘位置的速度演化趋势，结论如下：⑴ 在轴向高度5～50 cm区间内，雾滴的体积中径随着距喷头距离的增加呈现出先降低后升高的趋势，同时提高压力可降低雾滴的体积中经；在径向水平方位上，雾滴的体积中径呈现出中心小边缘大的趋势；⑵ 添加迈道助剂后，可延长雾化区域，同时能够提高雾滴的体积中径；⑶ 在轴向高度中心位置处，雾滴速度在近喷嘴附近内衰减较快，向径向扩散的趋势逐渐减弱，最终呈现出竖直下落的趋势；相比之下，边缘雾滴分布较为分散，其速度明显小于中心雾滴的速度。