植保静电喷雾系统参数性能研究

林 甄，梁盛开，谢金冶，潘嘉震，陈国良

（1.三亚学院理工学院，海南 三亚 572022；2.三亚学院陈国良院士工作站，海南 三亚 572022）

传统粗放式药液喷洒植保喷雾作业方式存在飘洒严重、农药利用率差、工作效率低、操作人员劳动强度大，对植株作用效果不佳等问题。静电喷雾技术采用静电喷雾方式对植株施药，提高药液使用效率，降低成本，减少环境污染，应用范围广泛，适合生长形态不规则植株。Carlton 等研究静电喷雾雾滴抗漂移性能，为静电喷雾后续研究提供实践依据与理论基础[1]。袁会珠等比较不同喷雾沉积率，验证不同喷头效率差异[2]。张东彦、刘武兰、陈成功等论证荷质比为检测静电喷雾性能重要指标[3-5]。Delete等利用CFD模拟普通风送喷雾雾滴沉积特性[6]。Lastow 等探讨水在直流电场雾化稳定性，研究雾化后雾滴粒径与分布规律[7]。陈志刚等利用荷电技术使雾滴带上电荷，研究非荷电喷雾，试验表明雾化性与沉积率存在关联[8]。陆军验证静电喷雾下，雾滴的靶标润湿和沉积性能[9]。韩树明、张丽丽、Maski等研究静电喷雾技术在植保领域理论分析与应用研究，验证静电喷雾可行性，并依据静电喷雾理论提出相应过程数学模型[10-12]，为文章提供参考。周宏平、袁晴春等设计高压水静电喷雾装置并作可靠性试验研究，开展静电喷雾装置改进及效果试验[13-14]。Duga等采用CFD软件模拟并研究静电喷雾雾滴漂移特性[15]。

目前学界侧重于探讨静电喷雾可靠性，但对静电喷雾参数影响作业指标缺少系统研究。因此，本文创新性设计静电喷雾试验平台，分析测试不同参数下静电喷雾沉积率和吸附率，获得最优参数组合，提升静电喷雾性能，结合CFD 方法对静电喷雾过程作仿真模拟，验证结果有效性。

1 试验系统

本文试验系统由4 个模块组成，如图1 所示，分别为动力模块、供电模块、高压模块和数据采集模块。结合台架试验静电喷雾参数，归纳与总结数据，提升当前静电喷雾效率，进一步论证静电喷雾可靠性。

图1 系统架构Fig.1 System architecture

本系统四大模块功能如下：

①供电模块：提供稳定12 V输出，电池采用三串联二并联方式保证输出稳定性，且可持续电流为6A。

②动力模块：采用充电式DP-1036 型号双隔膜泵，工作电压为12 V，为高压喷雾持续提供动力，保证其稳定性。

③高压模块：可调节式大功率高压静电发生器，可调节0～80 kV，输入电压为12 V，有供电模块提供电源，额定功率1.2 W，产生高压供静电供感应式静电喷头使用。

④数据采集模块：采用高精度万能表，测定静电发生器静电，电压各项数值，使用压力表监控隔膜泵，获取压力数据。利用生物染色剂，提高雾滴可见度，同时使用数据处理软件MATLAB采集数据，提高识别准确率和效率。

各器件主要参数如表1所示。

表1 各器件主要参数Table 1 Main parameters of each device

2 试验过程

分析喷雾参数对雾滴沉积效果影响，喷雾参数为喷雾压力、荷电电压；雾滴沉积效果指标主要包括雾滴吸附率、荷质比、雾滴粒径等。参考李芳丽、茹煜、王军锋等研究，针对不同喷雾参数即喷雾压力以及不同荷电电压作测试，求得最优喷雾参数[16-18]。通过论证分析喷雾参数对喷雾指标影响，验证静电喷雾作业效果。

2.1 不同喷雾水压力下沉积率数值测定

对隔膜泵监控流量，在不同水压力下，筛选适合试验的4 个不同水压力数据，分别为0.20、0.30、0.40 和0.50 MPa。在关闭高压静电发生器情况下，分别对不同喷雾水压作A、B、C、D 4组试验，求得不加高压静电情况下最优沉积效果。每组试验选取同一片植株叶子，每次试验均持续1 min，对最终效果拍照并分析图像。

沉积率即为喷雾靶标覆盖率，根据靶标单位面积上雾滴数计算得出，根据下列公式，对沉积率作测定检验。

式中，pt-雾滴粒径（μm）；Nt-水电阻（r·cm-2）；St-雾滴对地电容（μF·cm-1）。

2.2 不同静电电流下沉积率数值测定

根据以上试验，得出0.50 MPa 水压下效果最优，则本次试验均采用0.50 MPa水压。表2选取不同静电电压，得出4组静电电流，分别为15、20、30 和40 μA。为求得不同静电电流下最优沉积效果，在关闭高压静电发生器情况下，分别对不同喷雾水压作E、F、G、H 4组试验。每组试验选取同一片植株叶子，每次试验均持续1 min，对最终效果拍照并分析图像。

不同高压静电电压下，测量静电电流，结果如表2所示。

表2 高压静电发生器数值Table 2 High voltage electrostatic generator numerical

本试验采用感应式荷电法，根据公式（2）和（3），对喷雾雾滴荷质比作测定检验。

式中，A-喷雾雾滴荷质比（mC·kg-1）；η-电荷吸附效率（%）；εw-雾滴介电常数（F·cm-1）。

3 结果与讨论

3.1 水压力对雾滴沉积率影响

不同水压力参数试验结果如表3所示。

表3 不同水压下试验结果Table 3 Experimental results under different water pressure

关闭高压静电发生器，在不同压力值试验后分别拍照，得到靶标雾滴沉积图像，分析图像，记录靶标粒径分布，并计算雾滴沉积率。

图2～5为不同水压下，4组试验雾滴半径与雾滴数量雾滴粒径分布图，在不同水压下存在效果差异，可判断不同水压对应雾滴沉积效果也存在差异，且不同压力下喷出雾滴雾化效果不同，雾滴粒径存在差异。

当喷雾水压为0.20 MPa 时，试验时间1 min，雾滴对靶标沉积效果和雾滴粒径如图2所示。

当喷雾水压为0.30 MPa 时，试验时间1 min，雾滴对靶标沉积效果和雾滴粒径如图3所示。

当喷雾水压为0.40 MPa时，试验时间为1 min，雾滴对靶标沉积效果和雾滴粒径如图4所示。

当喷雾水压为0.50 MPa 时，试验时间1 min，雾滴对靶标沉积效果和雾滴粒径如图5所示。

图2 试验A沉积效果与粒径分布Fig.2 Experiment A deposition effect and particle size distribution

图3 试验B沉积效果与粒径分布Fig.3 Experiment B deposition effect and particle size distribution

图4 试验C沉积效果与粒径分布Fig.4 Experiment C deposition effect and particle size distribution

图5 试验D沉积效果与粒径分布Fig.5 Experiment D deposition effect and particle size distribution

通过试验可知普通喷雾与静电喷雾的喷雾效果差距。具体水压力沉积率参数如表4所示。

由表4 可知，0.20 MPa 水压下，沉积率为3.15%，与其他压力相比较其稳定性与沉积率均相差较远。当水压升高到0.30 MPa 时，沉积率上升为4.49%，增加1.34%，增加显著。喷雾水压力提升到0.40 MPa，沉积率达到5.65%，增加1.16%，较试验B 有所放缓。在0.50 MPa 喷雾水压下时，沉积率达到6.64%顶峰值，增加0.99%，较试验C放缓，可看出沉积率随压力增加而增加，但达到一定值后，增长放缓，且0.50 MPa 喷雾水压情况下（试验D）沉积率高出平均值1.6575%，与其他水压力相比，效果最佳。

雾滴通过液压法产生，增加压力，使液滴瞬间雾化，同时给予水不同压力，液滴雾化程度也不同，液滴雾化后粒径与水压呈正相关。压力过小，则导致雾滴粒径较大，自身质量大，难以落在靶标上实现沉积；压力过大，则雾滴随风飘散，雾滴分布不均匀，同样难以沉积。本研究使用喷头，在0.20 MPa 压力下，粒径分布混乱沉积效果不理想，原因为水压太小，雾滴难以分布均匀且沉积。收集并对比试验数据，发现0.5 MPa水压下各项参数指标均优于0.30、0.40 MPa水压，雾滴自然降落，沉积明显。

3.2 不同静电电流对雾滴沉积率影响

不同静电电流参数试验方案和结果见表5。

表4 水压力沉积率参数Table 4 Water pressure deposition rate parameter

表5 不同静电电流下试验方案和结果Table 5 Experimental schemes and results of different electrostatic currents

经先前试验得出最优喷雾压力，本次试验水压全部采用0.50 MPa，打开高压静电发生器并仅改变静电电流参数。静电喷雾试验完成后，分别对沉积效果拍照，与先前试验方法相同，采用图像分析方式。

由图6～9可知，本次试验整体沉积效果均比关闭高压静电发生器情况下较好，雾滴粒径分布与之相比也更均匀。与此同时，可见静电喷雾在静电电流改变同时，沉积效果与雾化效果也随之改变。

喷雾水压为0.50 MPa，静电电流为15 μA，试验时间1 min，雾滴对靶标沉积效果和雾滴粒径如图6所示。喷雾水压为0.50 MPa，静电电流为20 μA，试验时间1 min，雾滴对靶标沉积效果和雾滴粒径如图7 所示。喷雾水压为0.50 MPa，静电电流为30 μA，试验时间1 min，雾滴对靶标沉积效果和雾滴粒径如图8 所示。 喷雾水压为0.50 MPa，静电电流为40 μA，试验时间1 min，雾滴对靶标沉积效果和雾滴粒径如图9所示。虽然静电喷雾整体喷雾效果均比普通喷雾沉积率高且效果佳[19-21]，但静电喷雾在不同静电电流下存在喷雾效果差距。

由试验计算得出，静电电流为15 μA时沉积率最佳，为10.13%，且荷质比为0.409 mC·kg-1，荷质比最小，当静电电流升至20 μA 时，沉积率降为7.18%，荷质比升高为0.545 mC·kg-1，沉积效果变差，可见静电对沉积率影响较显著，当静电电流升高为30 μA时，沉积率再度下降为5.16%，荷质比升高为0.818 mC·kg-1，沉积效果最差，当静电电流40 μA时，沉积率虽有所回升，为6.58%，但荷质比已升高为1.090 mC·kg-1，功耗太大且不稳定。

图6 试验E沉积效果与粒径分布Fig.6 Experiment E deposition effect and particle size distribution

图7 试验F沉积效果与粒径分布Fig.7 Experiment F deposition effect and particle size distribution

图8 试验G沉积效果与粒径分布Fig.8 Experiment G deposition effect and particle size distribution

图9 试验H沉积效果与粒径分布Fig.9 Experiment H deposition effect and particle size distribution

图10 沉积率柱状图Fig.10 Histogram of deposition rate

对比不同水压和静电电流下沉积率可知，在不开启静电发生器情况下，沉积效果明显比打开静电发生器效果差，原因为在喷雾过程中打开静电发生器后，超高静电电压瞬间电离喷头附近空气，当雾滴喷出时附带电荷，且在喷头附近形成静电电场，作用于雾滴，使雾滴向极性相反靶标漂移从而实现沉积。

施加高压静电的喷雾试验参数如表6所示。根据试验结果验证证明其静电电流为15 μA 情况下（试验E）静电喷雾性能最佳。

表6 试验参数Table 6 Experimental parameters

3.3 不同静电电流对雾滴沉积率影响

为验证试验参数有效性与稳定性，优化试验结果，即水压为0.50 MPa，静电电流为15 μA仿真雾化过程。静电喷雾雾化过程仿真模拟过程，因静电喷雾有静电势场出现，需对静电喷雾环境建模，利用ANSYS Fluent 软件中UDF 模块对环境变量设置静电场，然后选择湍流k-e 模型，离散相模型，入口int 为速度入口，出口out 为压力出口，压力为0.50 MPa；电极面静电电流设为15、40 μA，其他面均为壁面。在Gambit 软件里建立几何体模型，在ICEM CFD 软件里划分模型边界，如图11所示。水压为0.50 MPa 时，不施加高压静电，仿真模拟喷雾过程，模拟效果如图12 所示。水压力为0.50 MPa 时，开启静电发生器，设置静电电流为15、40 μA 分别仿真模拟喷雾雾化过程，效果如图13所示。

图11 静电场下喷雾模型Fig.11 Spray model under electrostatic field

图12 普通喷雾仿真模拟Fig.12 General spray simulation

图13 静电喷雾仿真模拟Fig.13 Static spray simulation

由图12、13 可知，普通雾滴雾化情况效果不佳，空间范围内雾滴粒子群整体分布不均匀且覆盖范围较小，对施加高压静电喷雾而言，同样为0.50 MPa 水压，施加高压静电喷雾在空间范围内雾滴粒子群整体分布均匀，呈不断扩散趋势，对于靶标而言，施加静电喷雾分布更均匀且作用面积更广，与普通喷雾相比，可增强对靶标沉积效果。

结合图13 两组模拟结果可知，静电喷雾间存在较大差异，在静电喷雾中静电电流分别为15、40 μA，更新时间间隔均为0.001 s，持续时间100 s时，二者喷雾雾滴均呈扩张覆盖趋势，随静电电流减小，雾滴粒子群扩散效果越明显，静电电流15 μA均匀性优于静电电流40 μA。为更直观体现参数静电效果，设置一组小喷射口观察水颗粒走向如图14 所示，仿真结果与试验结果和预期理论吻合，试验仿真验证本文静电喷雾参数具有一定准确性与稳定性。

图14 水颗粒走向Fig.14 Water particle trend

结合试验结果以及仿真效果，为验证试验有效性，通过喷雾水压，静电电流以及试验时间对雾滴沉积效果作分析，发现对喷雾结果进一步优化，得到更准确试验参数结果。

则建立以下公式：

式中，Pni-雾滴沉积期望值；τni-单位时间内雾滴沉积平均像素（dpi·s-1）；Tk-试验时间（s）；ηni-雾滴沉积率（%）。

针对喷雾水压和静电电流对雾滴沉积率影响。设Pni为试验雾滴沉积期望值，试验时间Tk取1 min，Pni在不同喷雾水压n下，和不同静电电流i下，公中τni与ηni，也对应有不同值，导致Pni值出现变化，Pni数值越大，即喷雾沉积率越高，喷雾效率越高。

由表7～8 可知，不同水压下沉积期望与试验结果预期相符合，仅改变喷雾压力参数时，喷雾吸附效率存在递增关系，且0.5 MPA处为最优。添加静电电流情况下，计算结果也与预期相符合，在15 μA情况下，P值明显最高为5.39253。结合喷雾数据仿真模拟与计算，验证其参数稳定性与可靠性，对实际运用优化改进有重要意义。

表7 不同压力下对期望值计算结果Table 7 Calculation results of expected values under different pressures

表8 不同静电电流，0.5 MPa下对期望值计算结果Table 8 Calculation results of expected value under different electrostatic current and 0.5 MPa pressure

4 结 论

本文将不同水压下沉积率和不同静电电流下沉积率作试验分析。试验表明，静电喷雾效果比普通喷雾效果更佳，在0.50 MPa 水压下，沉积率为6.64%，相较于0.20、0.30 和0.40 MPa 水压沉积率更佳。静电电流为15 μA 时，荷质比达到0.409 mC·kg-1，沉积率为10.13%，较于喷头喷雾，静电喷雾性能大幅提升，此时喷雾效果优于15、20、30和40 μA静电电流，因此静电电流15 μA静电喷雾性能最佳。实际工作情况时影响雾滴沉积效果因素较多，如喷雾参数、植株靶标特性、喷施药液物理特性、外界环境因素等，后续针对不同喷雾参数沉积效果开展分析，深入研究静电喷雾技术可有效提高作业效率和施药效果。