施药喷嘴的喷洒性能研究现状及展望*

焦雨轩，薛新宇，丁素明

(农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我国作为农业生产大国，每年粮食因作物病虫害等原因导致的损失可达1 500亿kg[1]。使用化学农药是防治作物病虫害的主要手段之一，传统施药器械在作业过程中存在雾滴雾化不完全、在目标作物上的沉积效果差等问题，造成农药流失等不良后果，目前全国受农药污染严重的耕地面积已经超过9 000 khm2[2]。

精准施药是解决农业环境污染的有效手段，喷杆喷雾机与植保无人飞机作为近年兴起的精准施药器械，施药后的农药有效利用率与防治病虫害效果显著优于传统施药器械[3-5]，在我国得到了广泛应用与发展。喷嘴作为植保机械的核心部件之一，其性能决定了雾滴在靶标上的沉积效果以及靶标外的飘移流失，进一步影响对病虫害的防治效果[6-8]。随着植保机械的快速发展，喷嘴的种类也不断更新，出现了诸如防飘喷嘴、静电喷嘴等新型喷嘴[9-10]。虽然施药喷嘴的种类多样化为植保机械用户带来了更多选择，然而指导喷嘴选用的相关研究却进展缓慢，大多数施药喷嘴的喷洒性能与使用条件仍然未知。大量研究证明不同种类与型号喷嘴喷雾时的雾滴粒径与沉积飘移特性存在差异[11-13]，且不同种类农药、作物对施药时的雾滴粒径需求不同[14]，例如触杀型农药需要尽量多且均匀地沉积在靶标对象上，喷雾时要求雾滴粒径相对较小，因为大雾滴容易从作物上滑落且分布均匀性差；而内吸型农药需要尽可能多地穿透作物直至根部，所以要求雾滴粒径相对较大以减少飘移，增加穿透性。因使用喷嘴不当造成的雾滴沉积效果差，雾滴飘移严重等问题时常发生，选择与作业环境、作业目标相匹配的施药喷嘴对农作物病虫害的防治效果意义重大，所以亟需对现有施药喷嘴的喷洒性能进行研究以指导用户正确选择与使用。

本文简要介绍了液力雾化喷嘴与离心雾化喷嘴的分类和特点，概括了国内外学者针对这两种喷嘴的喷洒性能研究进展，包括喷嘴的雾化性能与沉积飘移特性。最后，针对目前施药喷嘴喷洒性能的研究标准与方法仍需进一步改善的现状，本文从喷洒介质、实验环境、研究标准3个方面分析了施药喷嘴喷洒性能研究存在的问题，并对今后的研究进行了展望。

1 施药喷嘴的发展现状

喷嘴是植保机械施药系统的核心部件之一，良好的喷嘴性能能够有效提高喷洒效果，改善雾滴在作物上的沉积结构，减少雾滴飘移。施药喷嘴根据雾化方式可分为液力雾化喷嘴和旋转离心雾化喷嘴两类。

1.1 液力雾化喷嘴

液力雾化喷嘴按照不同分类方式可分为多种类型，通常按结构不同可划分为扇形喷嘴、锥形喷嘴和防飘喷嘴等3种类型，如图1所示。扇形喷嘴在进液口处增加了孔片，进液口窄而喷道宽，使药液能够在喷嘴腔体内呈涡流状，喷施药液时可以使得粒径较小的雾滴在雾滴谱中比重大大减小，提高雾滴粒径的均匀性，进而有效减小雾滴在非靶标区域的沉降[15-16]。锥形喷嘴使药液在喷嘴喷腔内绕轴孔线旋转，液滴随着喷腔内压力的增大在离心力的作用下喷出，雾滴喷出运动方向与其运动轨迹相切，形成一个圆锥体，按照喷雾的形状不同可分为空心锥形喷嘴和实心锥形喷嘴两种，目前市场上经常使用的是空心锥形喷嘴。空心锥形喷嘴的优点是结构简单更换拆卸方便，流道大防堵塞性强，喷出的雾滴分布均匀性好，缺点是喷雾角较小仅有80°。防飘喷嘴是利用特殊结构在喷嘴内部产生大量充气雾滴，雾滴之间不断融合使得质量增大从而提高雾滴的抗飘移能力，随后在充气雾滴被喷施到靶标上时，气泡破裂能在靶标表面形成良好的药液覆盖效果。

(a)扇形喷嘴

1.2 旋转离心雾化喷嘴

旋转离心雾化喷嘴(图2)主要有转盘式离心喷嘴和转笼式离心喷嘴两种。转盘式离心喷嘴根据动力不同还可分为电力驱动和风力驱动[17]，目前植保作业常用的为电力驱动式。转盘式离心喷嘴的雾滴粒径大小可通过调节转盘的旋转速度进行控制，而且其喷道大、防堵塞性强，非常适合可湿性粉剂和悬浮剂等不易溶于水的药剂喷洒，而且植保无人飞机高浓度的施药需求更加偏向于使用离心雾化喷嘴，但离心喷嘴的缺点有穿透力不如液力喷嘴、雾滴抗飘移性差等[18]，所以多在良好的作业环境条件下使用。

转笼式离心喷嘴流量较大，工作时药液从中心孔流出，在离心力作用下抛到转笼的笼网上，经过两层网筛雾化成细小雾滴[19]。固定翼飞机或者有人驾驶直升飞机由于飞行速度快、高度高，通常使用转笼式离心喷嘴[20]，我国航空植保作业多使用植保无人飞机，转笼式离心喷嘴在我国市场应用少，而在国外以固定翼飞机为主的航空植保作业中使用较多。

不同种类喷嘴的喷洒性能均存在差异，因此针对不同施药对象选择合适的喷嘴是提升施药效果的关键，对此国内外学者展开了对施药喷嘴喷洒性能的研究以指导喷嘴的选用。

(a)转盘式离心喷嘴

2 施药喷嘴的喷洒性能研究

2.1 雾化性能

关于施药喷嘴的喷洒性能研究主要针对两个方面，其一是喷嘴的雾化性能，喷嘴的雾化性能指标主要有雾滴粒径、雾滴谱等级、雾滴谱宽度等，其中雾滴粒径和雾滴谱等级表明了喷嘴可以产生的雾滴尺寸范围，雾滴谱宽度表明了喷嘴产生的雾滴尺寸均匀性。

国外对施药喷嘴的雾化性能研究起步较早，美国农业生物工程师学会(ASAE)在2000年建立了基于Teejet 110-01、110-03、110-06等8种型号液力雾化喷嘴的雾滴谱等级参考图，将喷嘴按雾滴粒径的大小分为极细到超粗8个等级，且确定了每种等级对应的喷嘴工作条件的阈值[21]。Czaczyk等[22]测量了MMAT公司不同孔径和流道的扇形喷嘴在不同压力下的雾滴粒径(Dv10，Dv50，Dv90)，发现所测量喷嘴可产生中等和粗等级的雾滴，可满足工作环境下的抗飘移需求。Womac等[23]发现不同品牌的参考喷嘴的平均雾滴粒径差异范围较小，而测量雾滴粒径的激光仪器会对结果造成偏差，从而影响雾滴粒径。Fritz等[24]在USDA航空应用技术中心、林肯大学、澳大利亚昆士兰大学 3 个风洞试验室内，对扇形喷嘴基于雾滴粒径进行研究，结果表明在相同的测试条件下，不同试验室雾滴粒径存在差异且在5%内。

我国关于施药喷嘴雾化性能的研究起步较晚，但也已相对成熟，茹煜等[25]对固定翼飞机使用的GP-81A等6个不同孔径的扇形喷嘴进行了雾滴粒径测试，发现这些喷嘴的雾滴粒径均大于150 μm，且雾滴谱宽度均较窄。Guler等[26]在实验室条件下比较了平面扇形喷嘴和气吸型喷嘴的喷雾效果，发现在喷洒相同流量的情况下，气吸型喷嘴的喷雾时间比平面扇形喷嘴短2倍以上。张慧春等[27]研究了4种扇形喷嘴(AIXR11002、TT11002、XR11002、XR11001)在不同喷施压力下的雾滴粒径分布，发现相同压力下AIXR11002气吸型喷嘴产生的雾滴粒径最大，且其雾滴谱宽度最窄。王双双等[28]对Lechler公司生产的气吸型射流防飘喷嘴IDK120-02、03，标准扇型喷嘴ST110-02、03和空心圆锥喷嘴TR80-02、03等6种型号喷嘴使用3种不同仪器进行了雾滴粒径的测量，发现3种仪器对同型号喷嘴的雾滴谱判定等级相同，均为“细”等级。周晴晴等[29]依据ASAE S572.1标准，在NJS-01植保低速风洞为平台建立了雾滴粒径标准测试方法，以Teejet 11001、11003、11006、8008和6510不锈钢芯扇形喷嘴为参考喷嘴，测试了Teejet F110 01～08等24种液力雾化喷嘴在0.2、0.3、0.4 MPa下的雾滴粒径，发现NJS-01植保低速风洞中测量的雾滴粒径和国外学者所测得结果差异在±5%内，大部分被测喷嘴的雾滴粒径均在“细”和“中等”级别。

综上可知，前人对喷嘴雾化性能的研究主要集中于喷嘴的雾滴粒径、雾滴谱等级，而雾滴谱宽度鲜有涉及，目前基于施药喷嘴雾滴谱等级的研究均是以ASABE建立的喷嘴雾滴谱分级标准为基础，该标准统一了参考喷嘴的品牌与型号，而不同的测量地点与测量仪器均会影响雾滴粒径的测量结果，所以使用该标准时，必须首先考量所用试验台对参考喷嘴雾滴粒径的测量结果与标准的差异性是否满足要求。

2.2 沉积飘移特性

沉积飘移特性是施药喷嘴喷洒性能研究的另一主要方面，喷嘴的沉积飘移特性指标主要有雾滴(飘移)沉积量和飘移潜在指数等。雾滴(飘移)沉积量表明喷嘴在不同分布区域内的雾滴沉积数量，飘移潜在指数表明喷嘴的飘移概率。

关于离心雾化喷嘴沉积飘移特性的研究，国内外近年来均涉及较少，而在1999年，傅泽田等[30]在Silsoe研究所的风洞实验室内测量不同风速与转盘转速下离心雾化喷嘴的飘移特性，发现在相同或相近雾滴大小的情况下，转盘式离心喷嘴产生的雾滴比液力雾化喷嘴更易产生飘移，且随着转盘转速与风速的增加飘移风险也逐渐升高。Bai等[31]测量了日本植保作业使用的防飘喷嘴Hypro和YAMAHO ES系列喷嘴在不同条件和环境下的飘移潜在指数，发现喷嘴高度和尺寸对结果的影响具有统计学意义，且ES系列喷嘴在0.3～0.5 m的高度下具有较好的减飘能力。Qi等[32]测量了离心喷嘴和标准扇形喷嘴的飘移潜在指数，通过比较相似雾滴体积中径的扇型喷嘴和离心喷嘴的飘移潜在指数建立了两者之间的联系，发现不同测量环境下离心喷嘴飘移风险均较高。Zande等[33]测量了不同参考喷嘴的飘移潜在指数，发现结果具有明显差异，指定一种参考喷嘴(包括制造商、型号、尺寸和材料)进行喷嘴飘移潜在指数的研究很有必要。曾爱军等[34]对国内常用的5种典型液力喷嘴在不同风洞环境条件下(压力、风速和温湿度)的飘移特性进行了对比试验，发现小型号喷嘴的飘移远大于大型号喷嘴且雾滴大小和风速是影响飘移的最主要因素。徐德进等[35]使用4种扇形喷嘴(ST11001、02，TR8001、02)进行农药在水稻植株上的沉积分布研究，发现4种喷嘴均在上层沉积量最大，而在水稻根部的沉积量最少。Garcerá等[36]比较了标准扇形喷嘴与防飘喷嘴喷雾在柑橘树冠、地面和空气中的沉积分布情况，结果显示标准扇形喷嘴的雾滴飘移量多于防飘喷嘴，而地面损失量少于防飘移喷嘴。

综上可知，对施药喷嘴沉积飘移特性的研究尚未建立标准，指标与参考喷嘴型号不统一。大部分研究主要针对不同喷雾参数对喷嘴沉积飘移特性的影响展开，没有结合喷嘴的雾化性能，而雾滴粒径与雾滴谱宽度是影响喷嘴沉积飘移特性的关键因素，小雾滴更容易受环境风速的影响产生飘移；喷嘴的雾滴谱宽度越窄，雾滴尺寸越均匀，沉积飘移特性相对更有规律。

喷嘴沉积飘移特性的研究需要有侧风风场或无人机下洗气流的参与，通常在风洞实验室中进行，因为室外对环境与喷雾参数的可控性较差，而风洞实验室中可自主调节所需要的风速以及试验参数等，有效地保证了所测数据的准确性。风洞实验室中的雾滴沉积量收集方法一般参考国际标准ISO 22856：Equipment for crop protection—Methods for the laboratory measurement of spray drift—Wind tunnel，图3展示了该标准提出的风洞典型结构和采样丝线、雾化器和监测仪器的布局，使用的采样丝线通常是直径为1.98 mm或2 mm的聚乙烯线或聚四氟乙烯线，其中，h是雾化器距风洞地面的高度，A是气流。

图3 风洞工作段典型结构示例Fig.3 Example of a typical structure of the wind tunnel working section1.相对湿度和温度传感器 2.风速计 3.喷雾雾化器 4.收集丝线(垂直间隔0.1 m，水平间隔1 m) 5.弥雾喷嘴(用于增加风洞环境内湿度)

对喷嘴沉积飘移特性的研究一般以喷嘴的沉积量、飘移潜在指数和飘移减少百分比3个指标为主，喷嘴的沉积量可通过试验直接测得，飘移减少百分比是通过所测喷嘴的飘移潜在指数与参考喷嘴进行对比计算得出，而国内外对于飘移潜在指数的计算有不同的方法，目前主要有以下几种。

1)由ISO 22856：Equipment for crop protection—Methods for the laboratory measurement of spray drift—Wind tunnel所规定，此标准将飘移潜在指数定义为1 min 内收集到的雾滴飘移沉积量占喷嘴输出流量的百分比，具体计算公式如下。

喷雾过程中，雾滴1 min内在收集线上的沉积总量用Ad来表示。

(1)

式中：n——收集线的数量，水平方向和垂直方向分别进行求和；

di——第i根收集线上示踪剂的沉积量，由荧光分析仪得到示踪剂的浓度，浓度值乘以洗脱液体积，得到了采集线上沉积的示踪剂量，μg；

s——收集线间的距离，m；

w——收集线的直径，mm；

x——喷雾时间，s。

(2)

式中：Ta——喷嘴1 min内的流量(可测得)；

Sd——收集到的雾滴沉积量占喷嘴输出的百分比，即为飘移潜在指数。

2)由Miller等[37]提出的飘移潜在指数DP(Drift Potential)表示的是飘移沉积量与喷嘴喷雾量进行比较的相对值，该方法采用数值积分的方式研究竖直与水平方向上的飘移潜在指数DPV和DPH。

喷嘴在竖直平面上

(3)

(4)

式中：DPV——基于数值积分的空间飘移潜在指数，μL/mL；

PVi——喷嘴每喷洒出1 L溶液第i根竖直采集线上的相对飘移沉积量，μL/L；

Δhi——各竖直采集线对应的高度间隔，m；

AVi——第i根竖直采集线上的飘移沉积量，mg/L；

W——洗脱水体积，mL；

K——示踪剂浓度，mg/L；

Q——喷嘴流量，L/min。

喷嘴在水平沉积面上

(5)

(6)

式中：DPH——基于数值积分的地面飘移潜在指数，μL/mL；

PHi——喷嘴每喷洒出1 L溶液第i根水平采集线上的相对飘移沉积量，μL/L；

AHi——第i根水平采集线上的飘移沉积量，mg/L；

Δxi——各水平采集线对应的距离间隔。

3)由Bai等[31]提出的DIX(Drift Index)方法，该方法仅研究了喷嘴在竖直平面的飘移特性，与前两个计算方法相比，该方法不仅考虑了总沉积量和收集高度的权重，而且还通过引入两个参数a=0.88，b=0.78(通过大量田间试验总结得出)对比风洞试验数据和田间试验数据之间的关系。

(7)

(8)

(9)

式中：V——相对飘移潜在指数；

v(i)——一个竖直平面收集器处的沉积量，μL/L；

Δzi——一个竖直平面收集器的代表高度间隔，m；

VN——喷嘴输出，L/min；

H——飘移潜在指数空间的特征高度，m；

zi——收集器高度，m；

hrs——参考喷雾的飘移潜在指数空间的特征高度，m；

Vrs——参考喷雾的相对飘移潜在指数体积，L；

his——研究喷雾的飘移潜在指数空间的特征高度，m；

Vis——被研究喷雾的相对飘移潜在指数体积，L。

以上是目前计算喷嘴飘移潜在指数的主流方法，第一种计算方法最简单也最常用，第二和第三种方法都采用了数值积分的方式计算喷嘴空间与水平面上的相对飘移潜在指数，提高了准确性，第三种方法还进一步与田间实际实验关系相结合，提高了计算结果对田间试验的参考意义，具体使用哪种方法需要根据自己的试验设计与需求选择。

2.3 小结

喷嘴的雾化性能和沉积飘移特性都是决定最终施药效果的重要因素，不同的植物、农作物叶片或根茎的物理特性不同，不同直径的雾滴在其上的附着性、铺展性等均有差异，所以不同施药对象适用不同的雾滴粒径，而雾滴粒径直接影响雾滴的沉积飘移特性，小雾滴更易飘移。目前不同研究对雾滴飘移的粒径界限仍有不同结论，而生物最佳粒径理论认为落在施药对象最佳粒径范围内的雾滴数量越多，防治效果则越好[38-39]，因此在面对不同防治对象时，需要综合考虑雾滴粒径与沉积飘移特性等因素选择合适的喷嘴，在雾滴大小合适的前提下首选靶标区域内沉积效果好、飘移少的喷嘴。针对喷嘴喷洒性能的研究可以为实际植保作业中喷嘴的合适选用提供理论依据与数据参考，所以不断完善现有施药喷嘴喷洒性能的研究标准与方法对植保施药作业具有重大意义。

3 问题与展望

3.1 存在问题

目前国内外对施药喷嘴的喷洒性能研究仍处于发展阶段，仅建立了以扇形喷嘴为参考喷嘴的雾滴谱分级标准，对喷嘴沉积飘移特性的研究尚未有统一标准。前人的研究仍存在一些明显问题，具体体现在：(1)施药喷嘴喷洒性能试验中使用的喷洒介质均是清水。已有研究表明喷洒介质的黏度和表面张力会影响喷雾的雾滴粒径[40]，且实际施药作业中喷洒介质为农药，其黏度和表面张力与清水必然有差异，从而导致雾滴粒径发生变化且进一步影响雾滴的沉积与飘移；(2)大部分研究均在风洞实验室的理想环境下进行，与实际作业环境相似度较低。如喷嘴的高度与实际作业中喷嘴距离作物冠层的高度不同，若喷嘴使用在植保无人飞机上，仍需考虑旋翼下洗气流对喷嘴的雾滴粒径和沉积飘移特性的影响；(3)由ASABE建立的雾滴谱等级标准跨度较大。该标准中将雾滴粒径为140～350 μm的雾滴划分为“细”等级，如扇形喷嘴Teejet F110-01～F110-03的雾滴谱等级均为“细”，指导意义局限性较大。(4)关于喷嘴的沉积飘移特性研究大多针对不同喷雾参数对喷嘴沉积飘移特性的影响，未结合喷嘴的雾化性能。雾滴粒径与雾滴谱宽度是影响喷嘴沉积飘移特性的关键因素，小雾滴更容易受环境风速的影响发生飘移；而雾滴谱宽度越窄，雾滴尺寸越均匀，喷嘴的沉积飘移分布相对更有规律。

3.2 展望

针对上述问题，今后的研究可围绕以下几方面深入展开：(1)建立高度模拟实际作业环境的喷嘴喷洒性能试验台，综合考虑地面植保机械和植保无人飞机的作业环境，包括喷雾机喷杆的振动、自然环境侧风、植保无人飞机飞行高度、旋翼下洗气流等因素；(2)喷洒介质可选用具有不同物理特性如黏度、表面张力等性质的液体，与田间常用农药的物理特性相同或相近，为实际作业中农药与助剂的选用提供参考；(3)进一步细化已有标准，突出不同型号喷嘴喷洒性能的差异，保证实际作业时喷嘴的选用更具有针对性，且需要考虑建立旋转离心雾化喷嘴的相关标准；(4)结合喷嘴的雾化性能对其沉积飘移特性开展研究，对比分析具有不同雾滴谱宽度的喷嘴沉积飘移特性的差异。

虽然施药喷嘴随着植保机械的迅速发展与更新为实际作业中喷嘴的使用带来了更多选择，但是过快的发展速度导致实际作业时缺乏规范的指导与监管，而专业的喷嘴选型与施药指导是推动植保行业有序合理发展的关键条件，如Teske等[41]建立了AGDISP(agricultural dispersion)和AGDRIFT(agricultural drift)预测模型，对模型输入喷嘴型号、药液种类、飞机类型、气象因素等就能够有效预测雾滴的潜在飘移。我国学者在施药喷嘴的喷洒性能上做了大量研究，但是要应对生物种类多、特性复杂，农田环境变化大、维度广等问题，必须设计规范的喷嘴选型决策系统来指导农民实际生产施药。例如，建立用户平台、数据库时能直接获取以下信息：各型号喷嘴自身的功能参数如喷幅、喷雾角等；喷洒性能参数如不同流量和压力下的雾滴粒径、不同侧风风速、飞行高度和飞行速度下的飘移潜在指数；常见植物、农作物及其病害与适用药剂、助剂以及指导施药量；生物最佳粒径理论所建议的防治不同病害的最佳雾滴粒径范围。

4 结论

综上所述，目前研究大多围绕现有施药喷嘴的雾化性能测试与雾滴沉积飘移特性的影响因素展开，针对液力雾化喷嘴的研究较多而离心雾化喷嘴的研究较少，建立健全施药喷嘴选型制度与规范仍有较长的路要走，主要有以下方面。

1)完善施药喷嘴的喷洒性能试验参数与指标，结合喷嘴的雾化性能展开对其沉积飘移特性的研究，进一步获得更准确、全面的施药喷嘴性能参数。

2)整合现有的农业资源信息与研究成果，结合实际生产作业建立施药喷嘴专用数据库和喷嘴选型决策系统。