雾化网格在果树植保喷雾中的应用与试验

薛秀云，杨振宇，梁馨琪，罗 钦，吕石磊,2,3，李 震

·专题：绿色植保与减量增效施药技术·

雾化网格在果树植保喷雾中的应用与试验

薛秀云1,2,3,4，杨振宇1，梁馨琪1，罗 钦1，吕石磊1,2,3，李 震1,2,3,4※

（1. 华南农业大学电子工程学院，广州 510642；2. 国家柑橘产业技术体系机械研究室，广州 510642；3. 农业农村部华南热带智慧农业技术重点实验室，广州 510642；4. 梅州市华农大振声现代农业装备研究院，梅州 514781）

针对目前一些植保机械在喷洒农药的过程中难以兼顾低飘移和高沉积的问题，该研究将雾化网格应用在果树植保喷雾作业中，使喷头喷出的大粒径雾滴在接近靶标处撞击网格二次雾化为小雾滴。为了研究雾滴撞击网格后的粒径和速度分布以及沉积特性，以网格孔径、喷头与网格的距离为变量，以二次雾化后雾滴的速度和粒径分布、喷雾角、雾滴覆盖率、沉积量和飘移量为指标进行试验研究。试验结果表明：放置孔径为461、350和227m网格时测量点的雾滴平均速度比没有网格时的2.35 m/s分别降低23.40%、13.90%、29.00%，最大平均粒径比没有网格情况下的192.5m分别降低19.5%、14%、10%；随着网格孔径的减小，二次雾化后雾滴的喷雾角有逐渐降低的趋势；放置350和227m孔径网格时果树冠层各层内沉积均匀性相近，沉积量变异系数最高分别为88.08%和74.22%，远低于461m 孔径网格的162.98%；放置350m 孔径网格时雾滴穿透性较好，各层之间沉积量变异系数最高为10.08%，低于461和227m 孔径网格的44.09%和18.25%。在该研究试验条件下，350m 孔径网格的沉积效果优于461和227m 孔径网格，喷头与网格的距离对雾滴覆盖率和沉积量没有显著影响，使用雾化网格的雾滴飘移较少，非靶标区平均雾滴飘移量为靶标区沉积量的7.58%。研究结果可为果园无人机喷雾作业优化提供参考。

喷雾；UAV；雾滴破碎；金属丝网；覆盖率；沉积量

0 引 言

植保喷雾是当前病虫害防治的主要方式，植保机械是植保喷雾中至关重要的因素[1-3]。目前国内果园施药仍以手动喷雾器大容量淋雨式喷雾为主，并且用药结构单一，农药使用不规范，平均农药利用率仅为20%～30%[4-7]，大量药液被浪费，一部分原因是小粒径药液雾滴在从喷头喷出到附着在靶标上的过程中，容易受到环境风的影响而发生飘移。改进植保机械和施药技术能够减小飘移，有效提高农药利用率[8-10]。

雾滴大小显著影响其在作物上的沉积以及在空气中的飘移，雾滴越小越容易飘移，而小雾滴却能较好地粘附在靶标上，相同施药量下，小雾滴越多，药液在靶标上的附着率越高[11]。

针对目前大多数喷雾器难以兼顾雾滴低飘移和高沉积的问题，本文提出使用雾化网格的方法。使喷头喷出的大粒径液滴在接近靶标处撞击网格，二次雾化为小液滴。

根据现有的理论，液滴与金属网格的相互作用是复杂的动力学过程，包括碰撞、渗透和破碎，网格参数和液滴属性都会影响撞击的过程。Brunet等在液滴撞击疏水性网格的试验中首次捕捉到了二次液滴的生成，并研究了网格形状对撞击的影响[12]。Ryu等指出，与疏水网格相比，超疏水网格增强了液滴通过网格的渗透性[13]。Xu等认为，液滴碰撞过程是由惯性压力和水锤压力之间的竞争决定的[14]。Kumar等对水滴撞击超疏水纺织品进行了试验研究，分析了液滴碰撞速度对液滴最大扩展直径、接触时间和渗透质量的影响[15-16]。Soto等的研究中提出了一个预测水滴渗透质量和液滴撞击网格后最大扩散直径的模型[17-18]。Moitra等针对液体射流撞击超疏水金属网格，研究了液体性质（密度、表面张力和黏度）和网格属质（孔径、丝径）对液体的穿透前水跃、穿透速度和穿透后空间分布的影响[19]。

在已有理论研究基础上，本文拟对喷头与网格的距离、网格孔径对雾滴通过网格后的粒径和速度分布、喷雾角、雾滴覆盖率和沉积量以及雾滴飘移量的影响进行试验研究，以期为后续植保无人机喷雾与雾化网格结合的喷雾技术研究提供参考，解决果树网格大棚模式下无人机植保作业的困境。

1 材料与方法

1.1 雾化网格的应用原理

雾化网格的应用场景如图1所示。首先喷头喷出大粒径雾滴，不易受环境风影响而产生飘移，随后大粒径雾滴在接近靶标处撞击金属网格，二次雾化成粒径更小的雾滴，雾滴与靶标的距离足够近，不易产生飘移，同时由于雾滴粒径减小，雾滴在靶标叶片上发生反弹和破碎的可能性减小，有利于雾滴附着在靶标上，提高雾滴覆盖率和沉积量。

1.喷头 2.大粒径雾滴 3.不锈钢网格 4.小粒径雾滴 5.靶标树

1.2 试验材料

试验所使用的金属网格为不锈钢网格，包括461、350和227m共3种孔径规格，试验喷头为304不锈钢实心锥形喷头（2.4 mm孔径）。根据GB/T 20084—2006，这3种孔径与植保喷雾中细雾和粗雾相对应[20]，根据Zhang等的研究，喷雾撞击网格破碎形成的雾滴粒径由网格孔径决定[21]。因此经过这3种孔径雾化网格后的雾滴粒径分别为461、350和227m左右，与常规喷头雾滴粒径相近[22]，因此选用这3种孔径规格。后续可用其他无人机喷头进行试验。

1.3 试验方法

为了研究喷雾撞击网格后的粒径和速度分布、雾滴沉积和飘移特性，试验分为3部分：第1部分利用相位多普勒测试仪（Phase Doppler Anemometry，PDA，丹麦Dantec Dynamics A/S）研究喷雾撞击并穿过网格后雾滴在空间的粒径和速度分布[23-24]，第2部分利用高速相机（德国PCO公司，型号pco.dimax cs1）研究喷雾撞击网格后喷雾角的变化情况[12,17,25]。第3部分利用水敏纸、滤纸和尼龙绳等测量和分析喷雾撞击网格后的雾滴在靶标上的覆盖率、沉积量和下风向雾滴的飘移量。

1.3.1 雾滴粒径和速度分布试验

本文定义撞击网格前的单个液滴为母液滴，母液滴撞击网格后破碎产生的液滴为子液滴，由多个母液滴或子液滴组成的液滴群为雾滴。雾滴粒径和速度分布试验如图2所示。

1.计算机 2.喷头 3.激光发射器 4.不锈钢网格 5.激光产生器 6.多普勒信号分析仪 7.信号接收器

将喷头固定，并使喷头垂直向下喷雾，喷雾压力为0.5 MPa，使用清水进行试验。将长×宽×高为2.5 m×0.7 m×1.3 m的铝型材架子放置在喷头下方，将0.7 m×0.7 m的金属网格固定在架子上并处于喷头正下方，调整喷头与网格的距离为30 cm，此距离的雾滴经过了喷雾过程的液膜及韧带区域的第1次和第2次破碎，雾滴整体成型，雾滴形态不会发生较大变化[26]。 PDA系统为单点测量，设置测量点时选择喷雾中轴线方向距离喷头35～55 cm处，即网格下方5～25 cm处，间隔5 cm。对于每个高度，以喷雾中轴线为起点，测量至喷雾边缘，间隔5 cm。PDA系统的发射激光为波长514.5 nm绿光及488 nm蓝光，发射探头和接收探头焦距为800 mm，散射角度为67°。每个测量点测量2 000个雾滴数据或60 s，当测量数据量达到2 000而测量时间未达到60 s，或者测量时间达到60 s而数据量未达到2 000，系统会自动移动到下个测量点进行测量。测量结束后将网格撤出，对相同的测量点测量无网格情况下雾滴的粒径和速度分布，并与放置网格的结果进行对比，分析网格对雾滴速度和粒径的影响。

根据Su等的研究[27]，单液滴撞击网格后子液滴的平均粒径与网格孔径的关系为

当母液滴的大小和撞击速度固定时，式（1）右侧为固定值，子液滴的粒径与孔径成正比。当喷雾撞击网格时，子液滴形成更为密集，互相之间更易融合成大液滴，子液滴的粒径与网格孔径的关系将更为复杂。

1.3.2 喷雾角试验

喷雾角对喷雾的作用面积有较大影响，单个液滴撞击网格破碎后的子液滴会向周围扩散，形成喷雾角。为了确切获得喷雾撞击网格后喷雾角的变化情况，使用配备Nikon AF-S 24-85 mm/2.8-4D IF镜头的高速相机对喷雾撞击网格的动态过程进行拍摄，拍摄频率为3 086帧/s，曝光时间为27 ms，光圈大小为F5.6，镜头焦距为85 mm，在拍摄过程中，拍摄条件保持不变，以确保数据处理中的比例尺保持一致。喷雾角试验如图3所示。

1.计算机 2.喷头 3.光源 4.不锈钢网格 5.高速相机

将光源、喷头和高速相机依次固定好，网格和铝型材架固定在喷头正下方，光源、高速相机和网格处于同一水平面上。改变喷头的位置以调节喷头与网格的距离，在喷头与网格垂直距离为10、30、50 cm处进行测试，获取喷雾撞击网格的动态过程，然后通过ImageJ软件测量喷雾在撞击网格前后的喷雾角变化。

1.3.3 雾滴覆盖率、沉积量及飘移量试验

当雾滴覆盖率较高（>17%）时，雾滴之间的叠加会导致沉积量出现较大的偏差[29]，而化学分析采样器可获得精确沉积量数据。因此本研究使用水敏纸和滤纸2种采样器进行试验，水敏纸测量雾滴覆盖率，滤纸测量雾滴沉积量，如图4、图5所示。以柑橘树为靶标，根据JB/T 9782—2014[30]，将柑橘树分为上、中、下3个平面，间隔为0.5 m，将每个平面以前、中、后3条线进行划分，间距25 cm，再将平面以左、中、右3条线进行划分，于线的交点位置布置采样点，一共27个采样点，根据采样点的布置，上、中、下3层分别标记为A、B、C，A层的前、中、后3个位置分别记为A1、A2、A3，左、中、右3个点分别记为A1-1、A1-2、A1-3、A2-1、A2-2、A2-3、A3-1、A3-2、A3-3。每个采样点按编号放置一张水敏纸（重庆六六山下植保科技有限公司）和一张滤纸（上海半岛实业有限公司，孔径0.22m），水敏纸形状为边长为76 mm×26 mm的矩形，滤纸形状为直径50 mm的圆形。使用长、宽、高分别为2.5 m×0.7 m×2 m的铝型材架子放置在果树上方，将0.7 m×0.7 m的金属网格固定在架子上，网格与果树间距约为25 cm，喷头从网格上方10、30、50 cm处垂直向下喷雾，每次喷雾1 s。试验使用甲基橙染色剂浓度为0.5 g/L的蒸馏水溶液作为喷雾液。

试验结束后，分析不同孔径网格对雾滴沉积特性的影响，分析结果表明，与另外两种孔径网格相比，放置350m 孔径网格的沉积量、覆盖率、雾滴均匀性和穿透性均较优，因此选用其进行雾滴飘移量检测。增加喷头与网格的相对高度至1、2和3 m。设计并制作4组收集装置，测量雾滴在下风向3、5、7和9 m处同一竖直平面不同高度的雾滴分布。收集装置高×宽为2 m×1 m，由直径为2 cm的硬聚氯乙烯管材搭建而成。收集装置从0.3 m起至1.8 m为止，每隔0.3 m布置一根长1 m、直径2 mm的尼龙绳（祥宇绳网）作为雾滴收集器，使用凤尾夹将其固定在收集装置上，每个收集装置上布置6根，单次试验共计24根。金属网格和树上雾滴收集装置的布置方法相同。试验时使用风速仪（标智仪表，GM8902）对环境风速进行测量，环境风速在2.1～4.3 m/s。

1.喷头 2.不锈钢网格 3.靶标树 4.飘移雾滴收集装置

图5 雾滴沉积试验现场和采样器

1.4 评价指标

1.4.1 雾滴粒径和速度

雾滴在空间中的速度大小和方向由PDA（Phase Doppler Anemometry）测量获得，PDA 探头将采集到的雾滴信息传输到PDA 配套软件BSAFlow Software 处理，获得雾滴在空间中的速度。每个采样点选择沿竖直向下与水平方向的速度进行统计，然后计算合速度，之后使用Origin 2018软件进行处理，得到雾滴的粒径和速度分布图。

1.4.2 喷雾角

使用高速相机拍摄获取喷雾撞击网格时喷雾角的变化情况，如图6所示，图中网格孔径为461m，喷头距离网格10 cm，其中和的大小由ImageJ软件获得，喷头喷雾角和二次雾化雾滴的喷雾角分别表示为2和2。

注：λ为喷头喷雾角的1/2，（°）；θ为喷雾在穿过网格后雾滴边缘与铅垂线的夹角，（°）。

1.4.3 雾滴覆盖率、沉积量及飘移量

每次试验完成后，待采样点水敏纸和滤纸完全干燥，立即将所有样品（水敏纸、滤纸、尼龙绳）避光保存，将水敏纸、滤纸以及尼龙绳收集保存在规格为22 cm×15 cm塑料自封袋中，避免样品之间交叉污染，全天试验结束后将当天获取的样品运输至实验室避光、阴凉处储存，随后对样品进行处理和测定。处理样品时，对水敏纸使用扫描仪（HP LaserJet Pro M126nw MFP）在600 dpi分辨率灰度下进行扫描，并使用ImageJ软件分析雾滴覆盖率，根据GB/T 20084—2006，雾滴覆盖率为目标物上雾滴所覆盖的表面积与目标物总表面积的比值[20]，由式（6）计算得到：

1.4.4 雾滴沉积的均匀性和穿透性

为表征各采集点之间的雾滴沉积均匀性和沉积穿透性，本研究以果树上每层不同采集点之间雾滴沉积量的变异系数（Coefficient of Variation，CV）来衡量雾滴的沉积均匀性，以A、B、C三层之间雾滴沉积量的CV来衡量雾滴沉积穿透性；其中，变异系数值越小表示雾滴沉积越均匀，穿透性越好。依据ISO24253-1，喷雾沉积量的算术平均值、标准差和变异系数计算公式为[33]

2 结果与分析

2.1 雾滴粒径和速度分布特性

图7为喷雾压力0.5 MPa时不同喷雾条件下雾滴的粒径和速度分布图。总体上看，距离喷头较近的区域雾滴的速度较大，距离喷头350 mm处雾滴平均速度为1.59～3.07 m/s，距离喷头550 mm处雾滴平均速度为0.8～2.97 m/s。从图7中还可看出，锥形喷雾边缘区域雾滴速度较小，边缘区域雾滴速度最大为1.86 m/s，低于锥形喷雾中心的3.08 m/s。与没有放置网格的情况相比，喷头下方放置网格时，喷雾撞击并穿透网格后的速度明显下降，没有放置网格时，测量点的平均速度为2.35 m/s，放置461、350和227m 孔径网格时测量点的平均速度分别为1.80、2.02、1.67 m/s，比没有放置网格分别减少了23.40%、13.90%、29.00%，这说明网格能有效降低喷雾的运动速度。雾滴速度较大时，撞击靶标后更易发生破碎、飞溅，或者反弹，导致雾滴脱离靶标[34]，因此，雾化网格有利于提高雾滴在植被上的沉积效果，从而减少农药流失和浪费。

从图7中还可以看出，在距离喷头较近的区域雾滴粒径较小，远离喷头的区域雾滴粒径较大，雾滴粒径沿轴向和径向有增加的趋势，锥形喷雾边缘的雾滴粒径范围为90.8～192.5m，喷雾中心的雾滴粒径范围为58.4～108.9m。这主要是由于雾滴在空气中流动时，雾滴与雾滴之间发生相互碰撞，并融合成粒径更大的雾滴。与没有放置网格的情况相比，喷头下方放置网格的情况下，雾滴的最大平均粒径有所减小。没有网格时，测量点最大的平均粒径为192.5m，放置461、350和227m孔径网格时，测量点最大的平均粒径分别为155.0、165.6和173.3m，分别比没有网格情况下降了19.5%、14%、10%，说明雾化网格在一定程度上能够降低喷雾的粒径，而小粒径的雾滴能够增加雾滴的密度和覆盖率[35]，提高施药效果。从图7中还可以看出，孔径更小的网格雾滴的粒径反而更大，这是由于孔径较小的网孔之间的距离小，雾滴穿过网格后雾滴之间的距离更小，雾滴之间反而更容易融合成大雾滴。

图8为轴向不同距离处的平面测量点雾滴粒径CV值，表示不同平面内雾滴粒径的分散程度，CV值越小，表明雾滴粒径分布越均匀。从图中可以看出，随着与喷头距离的增加，CV值有上升趋势，当网格孔径为461和227m 时，CV值均小于没有网格的情况。而当网格孔径为350m时，与喷头距离为350和450 mm时，CV值小于没有网格的情况，其他距离的CV值与没有网格情况相当。总体上，放置网格后雾滴的CV值低于没有放置网格的情况，这表明雾化网格能在一定程度上优化雾滴的粒径分布。放置网格的雾滴平均CV值为21.5%，比NY/T 650—2017[36]中对常规量机动喷雾分布均匀性要求的50%低28.5个百分点，说明雾化网格的喷雾均匀性较优。

2.2 喷雾穿过网格后喷雾角的变化

3种网格孔径以及喷头与网格3种距离条件下，喷雾角的变化如表1所示。从表1中可以看出：喷头与网格距离为10 cm时二次雾化的喷雾角最大，为84.179°，比无网格情况下的63.813°大20.366°。这是由于当喷头与网格距离最小时，雾滴撞击网格的速度最大，导致雾滴穿过网格后向四周扩散，使得喷雾角更大。在461m孔径网格、喷头与网格距离为10和30 cm以及350m孔径网格、喷头与网格距离为10 cm的条件下，二次雾化雾滴的喷雾角大于没有放置网格的情况，这使得喷雾范围进一步扩大。从表1中还可以看出，随着网格孔径的减小，二次雾化后雾滴的喷雾角逐渐降低，这是由于当网格孔径减小时，雾滴难以穿过网格，导致雾滴穿过网格的速度减小，雾滴向外扩散的幅度变小，从而使二次雾化雾滴的喷雾角减小。

2.3 雾滴覆盖率

不同试验条件下雾滴覆盖率如图9所示。在所有试验条件下，A、B、C层的雾滴覆盖率逐渐降低，覆盖率随着与喷头距离的增大而逐渐减小，在接近地面处雾滴覆盖率最小。而喷头与网格的距离对覆盖率没有明显的影响。

注：图中箭头代表测量点雾滴速度的方向和大小，实心圆代表雾滴粒径。

图8 与喷头不同距离处平面内粒径的雾滴变异系数CV

图10为3种网格孔径下喷头与网格不同距离时的雾滴平均覆盖率。从图10中可以看出，网格孔径为461和350m 时，雾滴覆盖率的变化规律接近，喷头与网格的距离对雾滴覆盖率影响不大。但网格孔径为227m，喷头与网格距离为10 cm时，雾滴覆盖率明显小于喷头与网格距离为30和50 cm的情况，这是由于喷头与网格的距离较近时，喷雾与网格接触的面积较小，并且由于227m孔径较小，雾滴难以穿透网格，有一部分液体留在网格上方，导致穿透网格的雾滴较少，进而覆盖率较小。有网格情况下，平均雾滴覆盖率为41.94%，比NY/T 650—2017[36]中对常规喷雾药液覆盖率要求的33%高8.94个百分点。

表1 有无雾化网格的雾滴喷雾角对比

图9 各测试条件下的雾滴覆盖率

图10 喷头与网格不同距离时的平均雾滴覆盖率

2.4 雾滴沉积量

雾滴沉积量试验结果如表2所示，无网格时，喷头位置与有网格时相同。从表2中可以看出，喷头与网格距离的增大对雾滴沉积量影响不大，雾滴的沉积量随网格孔径的减小而减小，网格孔径为461m时雾滴平均沉积量最大，为0.727L/cm2，网格孔径为227m时雾滴沉积量最小，为0.586L/cm2，网格孔径为350和227m情况下，雾滴沉积量分别比461m孔径网格情况减少6.7%和19.3%。这是由于当网格孔径减小时，雾滴难以穿过网格，穿过网格的雾滴量减少，从而雾滴沉积量减小。

2.5 雾滴沉积均匀性和穿透性

从表2中可以看出，当网格孔径为461m时，果树上单层采样点之间的CV值和各层之间的CV值较大，单层最大CV值达到162.92%，各层之间最大CV值达到44.09%，表明雾滴沉积均匀性-较差，并且雾滴穿透性能相对另两个网格较差。对于孔径为350和227m的网格，试验结果表明雾滴在单层各采样点之间最大的CV值不超过90%，各层之间最大CV值不超过20%，这表明在使用350和227m孔径网格时雾滴的均匀性和穿透性能较好。

表2 雾滴沉积量试验结果

2.6 雾滴飘移量

将喷头与网格的距离调高后进行的雾滴飘移量试验，结果如表3所示。从表3中可以看出，雾滴飘移量随着喷头与网格之间距离的增加而增加，随着下风向距离的增加而减少。在所有试验中，下风向距离9 m的位置都没有检测到雾滴飘移量，表明该试验条件下雾滴的最大飘移距离不超过9 m，较大雾滴的抗飘移能力较高。

试验中将果树上的采样点定义为靶标区，将雾滴飘移的收集装置定义为非靶标区，图11为喷头与网格不同距离情况下，放置350m 孔径网格与无网格时，靶标区和非靶标区的平均雾滴沉积量，从图11可以看出，使用网格法时，靶标区的平均雾滴沉积量随着喷头与网格距离的增大而减小，而非靶标区的平均雾滴沉积量随着喷头与网格距离的增大而增大。放置350m 孔径网格条件下，靶标区的平均雾滴沉积量为0.249L/cm2，非靶标区的平均雾滴飘移量为0.019L/cm2，为靶标区雾滴沉积量的7.58%。在喷头与网格距离为3 m时，靶标区和非靶标区的平均雾滴沉积量差距最小，在这种条件下靶标区的平均雾滴沉积量也远大于非靶标区的平均雾滴沉积量，表明使用网格能有效抑制雾滴的飘移，并且靶标区的雾滴沉积量较高。从图11中还可以看出，放置网格时雾滴在靶标区的沉积量低于无网格情况，这表明网格对雾滴有一定的阻碍作用，导致靶标区的雾滴沉积量减少，而对非靶标区则没有影响，这也表明液滴的飘移主要发生在雾滴从喷头喷出到撞击网格的过程。

表3 雾滴飘移量试验结果

图11 喷头与网格不同距离时靶标区与非靶标区的平均雾滴沉积量

3 结 论

本研究提出一种雾化网格的方法，利用液滴穿过网格破碎的特性，在压力旋流喷头下方放置网格，使得喷雾在撞击网格后再一次的雾化，利用PDA（Phase Doppler Anemonetry）研究了不同条件下二次雾化后粒径和速度分布，并且通过水敏纸、滤纸和尼龙绳研究雾滴的沉积和飘移特性。对试验结果分析后得到主要结论如下：

1）雾化网格法能够有效的降低雾滴的速度和粒径，461、350和227m孔径网格下，雾滴的速度和粒径分别比无网格情况下降低了23.40%、13.90%、29.00%和19.5%、14%、10%，在喷头到网格的区间内，大粒径雾滴不易飘移，在雾滴撞击网格后速度和粒径减小，且由于网格距离果树较近，雾滴可飘移空间较少，故可规避小粒径雾滴易飘移的缺点，并保留小雾滴在靶标上不易反弹、覆盖率高的优势。喷头与网格的距离对雾滴沉积量和覆盖率没有显著的影响。

2）网格孔径以及喷头与网格的距离能影响雾滴喷雾角变化程度，在一定条件下二次雾化的雾滴喷雾角会变大，如在网格孔径为461m、喷头与网格距离为10 cm条件下，二次雾化雾滴的喷雾角比无网格时喷雾角大20.366°，能扩大喷雾的范围。随着孔径的减小，二次雾化雾滴的喷雾角有逐渐减小的趋势。

3）网格的孔径对雾滴沉积的均匀性和穿透性有较大影响，放置孔径为461m网格时各层内采样点沉积量的CV最大为162.98%，沉积均匀性最差，孔径为350和227m网格时沉积均匀性相近，采样点沉积量的变异系数值在33.51%～88.08%之间。放置孔径为350m网格时各层之间雾滴沉积量CV最小，CV在0.8%～10.08%之间，表明雾滴穿透能力更好，综上在本试验条件下，放置孔径为350m网格沉积效果要优于孔径为461和227m网格。

4）放置网格并喷洒大雾滴的条件下，具有较低的雾滴飘移量，且在靶标区雾滴沉积量有较高水平，非靶标区平均雾滴飘移量为靶标区沉积量的7.58%。放置网格会对雾滴在靶标上的沉积有一定阻碍作用，而对雾滴飘移没有影响，说明雾滴飘移主要发生在雾滴从喷头喷出到撞击网格的过程。

后续将结合植保无人机喷雾与雾化网格法，通过大量果园田间试验获取数据来明确针对不同施药参数、环境参数与飘移率之间的关系，探索建立植保无人机喷雾与雾化网格法结合的飘移模型，并评估网格对药液造成的损失，为植保无人机喷雾与雾化网格法结合的作业参数及网格参数选择提供参考。

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Application and experiments of the atomization mesh used on the plant protection spraying in orchards

Xue Xiuyun1,2,3,4, Yang Zhenyu1, Liang Xinqi1, Luo Qin1, Lyu Shilei1,2,3, Li Zhen1,2,3,4※

(1.,,510642, China; 2.,,510642,; 3.,,510642,; 4-,514781,)

Plant protection spraying has been the main way to prevent crops from pests and diseases at present. However, the average utilization rate of pesticides is only 20% to 30% in manual sprayers and large-capacity rain spraying, particularly with water consumption of 600-1 200 L/hm2. The current pesticide spraying cannot fully meet the requirement of intensive agriculture in recent years. Among them, a large number of droplets with small particle sizes are susceptible to drifting by ambient wind. In this study, the mesh atomization of droplets was applied to reduce the wind drift for the high utilization rate of pesticides in the process of plant protection spraying. A systematic optimization was also made to investigate the secondary atomization characteristics of the droplets and the deposition effect of the droplets after the spray hits the mesh. The experimental variables were set as the pore size and the distance between the nozzle and the mesh. Phase Doppler Anemometry (PDA) was used to measure the velocity and particle size distribution of droplets after secondary atomization. A high-speed camera was selected to capture the spray angle. A 0.5 g/L methyl orange aqueous solution was prepared as a spray solution. The water-sensitive and filter tests were carried out to determine the droplet coverage and deposition amount, in order to evaluate the droplet deposition characteristics of the mesh atomization. The test results showed that: 1) the mesh effectively reduced the speed of the droplets. The average velocities of the measurement points were 1.80, 2.02, and 1.67 m/s under the mesh with pore sizes of 461, 350, and 227m, respectively. There were 23.40%, 13.90%, and 29.00% lower than those without the mesh (2.35 m/s). 2) The mesh reduced the particle size of the droplets. The maximum average particle sizes of the measurement points were 155.0, 165.6, and 173.3m under the mesh with the pore size of 461, 350, and 227m, respectively, which were 19.5%, 14%, and 10% lower than those without the mesh (192.5m). 3) The spray angle of the droplet was varied in the pore size of the mesh and the distance between the nozzle and the mesh. Specifically, the maximum spray angle was 84.179° for the secondary atomized droplets at the pore size of 461m and the 10cm distance between the nozzle and the mesh, which was 20.366° larger than that without the mesh. 4) There was a great influence of pore size on the uniformity and penetration of the droplet deposition. The coefficient of variation of the deposition rate was between 33.51% and 88.08% at the sampling point of the mesh with the pore size of 350 and 227m, respectively, indicating similar deposition uniformity. By contrast, the maximum coefficient of variation of the deposition rate was 162.98% at the sampling points in each mesh layer with a pore size of 461m, indicating relatively less deposition uniformity. The better penetration of droplets was achieved in the mesh with the pore size of 350m, where the coefficient of variation of deposition between layers was between 0.8 % and 10.08 %. The better deposition was obtained in the mesh with the pore size of 461m in this case, compared with the pore size of 461 and 227m. There was no significant effect of the distance between the nozzle and the grid on the droplet coverage and deposition volume. In terms of the grids and large spraying droplets, the average droplet drift in the non-target area was 7.58 % of the deposition in the target area, indicating better performance after optimization. This finding can provide a strong reference to select the spraying and mesh parameters for the combination of plant protection UAV spray and mesh atomization.

spray; UAV; droplet breaking; wire mesh; spray coverage; deposit rate

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.001

S491

A

1002-6819(2022)-18-0001-10

薛秀云，杨振宇，梁馨琪，等. 雾化网格在果树植保喷雾中的应用与试验[J]. 农业工程学报，2022，38(18)：1-10.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.001 http://www.tcsae.org

Xue Xiuyun, Yang Zhenyu, Liang Xinqi, et al. Application and experiments of the atomization mesh used on the plant protection spraying in orchards[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 1-10. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.001 http://www.tcsae.org

2022-04-24

2022-08-26

国家自然科学基金项目（31971797，32271997）；财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系资助项目；国家重点研发计划项目（2020YFD1000107）；广东省现代农业产业技术体系创新团队建设专项资金（2022KJ108）

薛秀云，博士，高级实验师，研究方向为植保机械与施药技术。Email：xuexiuyun@scau.edu.cn

李震，博士，教授，研究方向为机电一体化技术应用。Email：lizhen@scau.edu.cn