用于农药喷施的液力式喷头雾化与沉积分布特性分析

王士林, 陆岱鹏, Jonathan VAN BEEK, Ingrid ZWERTVAEGHER,王 伟, 徐 陶, 刘 春, 唐玉新*,, 李 雪, David NUYTTENS

(1.江苏省农业科学院 农业设施与装备研究所，南京 210014；2.农业部长江中下游设施农业工程重点实验室，南京 210014；3.佛兰德斯农业、渔业和食品研究所, 比利时 梅勒尔贝克 9820)

0 引言

喷头作为植保机械最为重要的部件之一，其在农药喷施过程中对药液的雾化、雾滴的输送以及在靶标界面的沉积行为起决定性作用[1-4]。喷头喷施农药时，其雾化方式可分为液力式雾化、离心式雾化、气力式雾化、撞击式雾化、超声雾化和热力式雾化等[5]。而在众多类型的喷头中，液力式雾化喷头因其雾化量大、能耗低、设备简单、经济性好而得到更为广泛的应用[6]。因此，研究液力式喷头的雾化与沉积分布特性对改善农药喷施效果具有重要的指导意义。

液力式雾化是对喷雾药液流体施以压力，使其通过雾化关键工作部件喷出形成雾滴，雾滴获得足够的速率与能量，通过与空气的力学作用而迅速不断地分散与扩散[7]。而雾滴的粒径和沉降速度是衡量喷雾药液雾化程度和质量最为重要的指标[8-10]。为对液力式喷头的雾化特性进行表征，Nuyttens 等[11]对不同类型的喷头进行了测试与分类，并详细阐明了喷头的类型、型号和作业压力对雾滴粒径和沉降速度的影响。王双双等[12]对比分析了不同类型的农用射流喷头的雾滴粒径分布特征，发现各喷头的雾滴粒径均以其喷雾扇面中心线为轴近似呈对称分布，且在扇面边缘处雾滴粒径最大。张京等[13]确定了LU 120-03 型扇形雾喷头的喷雾扇面内的雾滴粒径与沉降速度分布特征，为减少雾滴飘移提供了理论依据。曾爱军等[14]分析了不同类型及型号的液力式喷头的雾滴粒径分布及其飘移潜在指数，并对不同类型喷头的飘移性进行了总结。此外，雾滴的粒径和沉降速度也是影响其在靶标界面碰撞行为的关键因素[15]。Dorr 等[16]采用试验数据与数学模型相结合的方法，对3 种液力式喷头的雾滴在不同作物叶面的碰撞行为进行了研究，结果表明，较大的雾滴粒径和撞击速度不利于农药雾滴在靶标界面的附着沉积。

农药雾滴在喷雾区域内的附着率和分布均匀性也是衡量施药效果的重要指标。祁力钧等[17]通过对比作业高度和压力对扇形雾喷头喷雾雾滴分布均匀性的影响发现，喷头类型和喷雾高度对雾滴分布的均匀性具有显著影响，且各喷头的最佳雾滴分布所对应的喷雾高度因喷头类型不同而异。Sayinci 等[18]对比分析了不同类型液力式喷头施药后雾滴的分布效果，发现空气诱导喷头和双扇面喷头在马铃薯植株上的雾滴分布均匀性明显优于空心圆锥雾喷头。杨锐等[19]研究发现，喷头类型和喷雾压力对自走式喷杆喷雾机施药时的农药沉积利用率、雾滴分布均匀性以及雾滴参数、雾化效果均有显著影响，并建议在适当的喷雾压力下添加助剂以提高农药的防治效果。

由于液力式喷头种类繁多，以上研究主要针对单一类型喷头的不同型号或在不同喷雾压力下的雾化和沉积行为进行分析，对于多种不同类型的液力式喷头的综合性分析鲜有涉及。为进一步明确液力式喷头的类型和喷雾参数对其雾化和沉积分布特性的影响，本文选取6 种不同类型的液力式雾化喷头，包含标准扇形雾喷头、防飘扇形雾喷头、射流扇形雾喷头、空心圆锥雾喷头和射流空心圆锥雾喷头，分别对其雾滴粒径、雾滴沉降速度以及沉积分布均匀性进行测试，以期为田间施药时液力式喷头的选择和作业参数的优化提供理论指导和技术参考。

1 材料与方法

1.1 供试喷头

供试6 种液力式喷头 (TeeJet Technologies,Illinois, USA) 的类型及相关参数见表1。这些喷头均被广泛应用于大田、果园、林木、苗圃、温室等的病虫草害的防治中。在相同的喷雾压力下，各类型喷头的流量相同，其在喷雾压力为0.2、0.3 和0.4 MPa 时所对应的名义流量分别为0.49、0.60 和0.69 L/min。为确保供试喷头流量的均一稳定，试验前需对所有喷头的实际喷雾流量进行测定，仅选取与名义流量偏差低于2.5%的喷头用于后续雾化与沉积特性的试验研究。

表1 供试喷头类型与主要喷雾特征Table 1 Types and main spray characters of tested nozzles

1.2 雾滴粒径与沉降速度测试

雾滴粒径和沉降速度的测量装置由喷雾单元、三维自动定位系统、相位多普勒粒子分析仪(phase doppler particle analyzer, PDPA) 和气候室4 部分组成。喷雾单元由绝缘药箱、液体水平控制系统、液体温度控制系统、机械和液压搅拌系统、离心泵和调压阀组成，其中药箱内配有加热和冷却组件，以实现对待喷雾液体温度的调控。使用调压阀可对喷头喷雾压力进行调节，喷雾压力可精确到0.001 MPa。三维自动定位系统可实现对喷头位置的精准控制，以实现对喷头不同喷雾区域内雾滴的检测。测试全程在气候室内进行，气候室内的温度和相对湿度分别可在5～30 ℃和30%～90%范围内进行调控。

本研究中，由于采用PDPA (TSI Incorporated,Minnesota, USA) 对雾滴的测量区域仅为一个固定的点，因此需将测试喷头安装在三维自动定位系统上，通过该定位系统的移动以实现喷头与PDPA 相对位置的转化，从而完成对整个喷雾区域内雾滴的采集。该三维定位系统在水平面上的移动范围为2.0 m × 2.2 m，在竖直方向上喷头与PDPA 检测点的相对距离调整范围为0～0.9 m。

基于喷头的雾滴群落分布特性，分别对每种供试喷头制定一个特定的矩形区域 (图1) 进行雾滴采集。在此矩形扫描区域中，三维定位系统上的喷头由起点沿X 轴方向移动xm 后，进而沿Y 轴方向移动Δym 后，再反向沿X 轴方向运动xm，由此往复，直至完成整个矩形区域的扫描。整个扫描过程中喷头在竖直方向 (Z 轴) 的高度和水平方向的运动速度均保持不变，喷头距离PDPA检测点的高度为50 cm，扫描速度为vs。

图1 三维自动定位系统的扫描轨迹Fig.1 Scanning trajectory of the 3D positioning system

在将喷头安装到三维自动定位系统时，应注意扇形雾喷头的喷雾扇面与X 轴方向平行，对圆锥雾喷头的安装角度不作要求。基于喷头的喷雾角、雾滴粒径和密度等特征，将各喷头运动轨迹的特征值分别定义为表2 所示，以确保各处理所检测到雾滴的数量均不低于10 000 个。以自来水作为喷雾液，分别对喷雾压力为0.2、0.3 和0.4 MPa时各喷头的雾滴粒径和沉降速度进行测定，每个喷雾压力下试验重复3 次。试验期间药箱内喷雾液的温度保持在20 ℃ ( ± 0.1 ℃)，气候室内温度为20 ℃ ( ± 1 ℃)，相对湿度为60%～70%。

表2 不同类型喷头的扫描轨迹的特征值Table 2 Characteristics of the scan trajectory for the different nozzle types

喷雾雾滴的粒径与沉降速度分布通过以下参数进行表征：

1)Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9：按从小到大顺序将雾滴体积累积到总雾滴体积的10%、50%和90%时所对应的雾滴直径，μm。

2)V100和V200：分别表示直径低于100 μm 和200 μm 的雾滴占总雾滴体积的百分比，%。

3)Dn0.5：按大小顺序将雾滴累积到达总雾滴数量一半时的那个雾滴的直径，μm。

4)RSF：雾滴的相对粒谱宽度，为雾滴的Dv0.9与Dv0.1之差与Dv0.5的比值，该值越小表示喷雾雾滴间的变化越小。

5)Vn0.5、Vv0.5和Vavg：分别表示按从小到大顺序将雾滴累积到达总雾滴数量一半时的那个雾滴对应的沉降速度、按从小到大顺序将雾滴累积到达总雾滴体积一半时的那个雾滴对应的沉降速度和所有雾滴的平均沉降速度，m/s。

1.3 沉积分布特性测试

参照标准ISO 5682-2:2017[20]，使用雾滴分布扫描仪 (AAMS-Salvarani, Maldegem, Belgium)分别对6 种待测喷头的雾滴沉积分布特性进行测试。测试基于一个长为5 m 的水平喷杆上进行，分别将10 个同一类型的待测喷头以0.5 m 为间距安装在喷杆上，并在喷杆正下方沿喷杆方向铺设铝合金轨道，轨道上方放置该雾滴分布扫描仪用于收集喷雾雾滴 (图2)。

图2 雾滴分布扫描平台测试沉积分布特性Fig.2 Spray scanner for droplet distribution characteristic measurements

雾滴分布扫描仪可在铝合金轨道上横向移动，完成对喷杆不同位置处喷雾雾滴的收集。该扫描仪顶部是一个宽为0.8 m 的雾滴收集装置，该装置由8 个宽度为0.1 m 的凹槽并联组成，且各凹槽分别与1 个标定的量筒相连，由此可准确获取各个凹槽内收集到的雾滴体积。该雾滴分布扫描仪与计算机相连，通过计算机设定雾滴分布扫描仪在轨道上的移动范围 (起点和终点)，测试期间待与各凹槽相连的量筒均收集满喷雾液滴时，量筒会自动排空喷雾液体，此时雾滴收集平台横向移动0.8 m 至下一个雾滴收集区域，直至终点。

试验前应将雾滴收集装置的凹槽进行润湿，并调整喷杆高度，使喷头顶端距离雾滴收集装置上沿的垂直距离为0.5 m。在该喷雾高度下，分别对喷雾压力为0.2、0.3 和0.4 MPa 时各喷头的雾滴分布特性进行测试，每个喷雾压力下重复4 次。试验结束后，根据喷杆下不同位置所收集雾滴的体积，对各喷头喷雾雾滴的沉积分布特性进行分析。

2 结果与讨论

2.1 雾滴谱测试结果

图3 显示了不同喷雾压力下各喷头的粒径分布特征，根据喷头类型和喷雾压力的不同，喷雾雾滴的粒径均在数十微米到数百微米之间呈现出不同的变化趋势。雾滴的分布曲线显示，同一喷头在不同喷雾压力下的雾滴分布范围差异较小，XR 110-015、DG 110-015、TXA 80-015 和AIXR 110-015 喷头在各喷雾压力下的雾滴粒径均集中在100～400 μm 范围内，而AI 110-015 和AITXA 80-015 喷头的雾滴粒径分布范围更广，其在各喷雾压力下的雾滴粒径均集中在200～800 μm 范围内。

图3 不同喷雾压力下各喷头的雾滴粒径分布Fig.3 Droplet size distribution of spray nozzles at different pressures

图4 直观地展示了各喷头在不同喷雾压力下的雾滴粒径累积分布情况。结果显示：AI 110-015和AITXA 80-015 喷头的雾滴粒径明显高于其他4 种喷头，其雾滴的累计体积分布曲线更为平缓且跨度更大；XR 110-015、DG 110-015、TXA 80-015 和AIXR 110-015 喷头具有相同的雾滴分布趋势，但受喷头类型和喷雾压力的影响，不同测试间的雾滴粒径存在一定差异。在4 种分布趋势相同的喷头中，AIXR 110-015 的雾滴粒径略高于其他3 种喷头，但明显低于AI 110-015 和AITXA 80-015。各种喷头的雾滴粒径分布特性与表1 中的雾滴尺寸分类结果一致。

图4 不同喷雾压力下各喷头雾滴粒径的累积体积分布Fig.4 Cumulative volumetric distribution of droplet size for spray nozzles at different pressures

为进一步对喷头的雾滴粒径进行表征，分别对各喷头在不同喷雾压力下的粒径特性值 (表3)进行分析。总体而言，代表雾滴粒径大小的Dv0.1、Dv0.5、Dv0.9和Dn0.5均随着喷雾压力的增大而减小，该研究结果与前人结果一致[11]。同样代表雾滴中值直径的Dv0.5(体积中值直径) 和Dn0.5(数量中值直径) 差异较大，相比而言，同一工况下雾滴的Dn0.5明显低于Dv0.5，且雾滴Dn0.5与Dv0.1较为接近。在农药使用过程中，施药人员所关心的并不只是某一尺寸雾滴的数量，而是对这一尺寸雾滴的容量占总容积的比例更感兴趣[21]，因此Dv0.5(同体积中值直径，VMD) 的使用更为广泛。不同喷雾压力下各喷头的Dv0.5显示，细雾滴 (XR 110-015) 和中等雾滴喷头 (DG 110-015) 的雾滴粒径在不同喷雾压力下的差异较小，如XR 110-015在0.2、0.3 和0.4 MPa 下的Dv0.5分别为226.92、218.23 和211.03 μm，而超粗雾滴喷头(AI 110-015 和AITXA 80-015) 对喷雾压力的敏感性更强，其雾滴的Dv0.5随着喷雾压力的增加而急剧下降，如AI 110-015 在0.2、0.3 和0.4 MPa 下的Dv0.5分别为478.21、418.00 和387.24 μm。

表3 不同喷头和喷雾压力组合下的雾滴粒径特征值Table 3 Spray droplet diameter characteristics of nozzle-pressure combinations

大量研究表明，雾滴的粒径是影响喷雾飘移最为关键的因素，且粒径低于100 μm 或200 μm的雾滴具有较大的飘移潜能[3,14,22-24]。本研究中，各喷头在不同喷雾压力下的V100均较低，其中XR 110-015 在0.2 MPa 下的V100最高，也仅为2.57%。不同喷头间的V100存在一定的差异，但同一喷头在不同喷雾压力下雾滴的V100差异较小。与V100相比，V200受喷雾压力的影响更为明显，且随着喷雾压力的增大，雾滴的V200呈增加趋势。圆锥雾喷头TXA 80-015 的V200最高，其在喷雾压力为0.4 MPa 时小于200 μm 的雾滴占总体积的60.35%，标准扇形雾喷头XR 110-0115 的V200次之，其在不同喷雾压力下的V200约为40%。相较于前2 种细雾滴喷头，防飘扇形雾喷头 DG 110-015的V200明显降低，其在喷雾压力为0.2、0.3 和0.4 MPa下的V200分别为20.28%、26.16% 和33.52%。射流喷头极大地降低了小雾滴的含量，其中射流扇形雾喷头AIXR 110-015 的V200最高，为10.40%～13.79%，而射流扇形雾喷头AI 110-015 和射流空心圆锥雾喷头AITXA 80-015 在各喷雾压力下的V200均低于10%。

雾滴的相对粒谱宽度 (RSF) 是评估喷雾雾滴均匀性的参数，其数值越低说明雾滴粒径分布越集中，也越便于对田间施药时雾滴在植株叶面的沉积行为进行控制，一方面可减少小雾滴的蒸发或飘移，另一方面也可降低大雾滴的地面流失。结果 (表3) 显示：圆锥雾喷头TXA 80-015 的雾滴均匀性最好，其在0.2～0.4 MPa 喷雾压力下的RSF均小于0.67，射流喷头AI 110-015 的雾滴均匀性最差，其在0.2、0.3 和0.4 MPa 喷雾压力下的RSF分别为1.05、1.15 和1.09。

2.2 雾滴沉降速度测试结果

由图5 可知：雾滴的沉降速度分布特征主要由喷头类型决定，不同类型喷头间的雾滴沉降速度分布曲线的差异较粒径分布曲线更为明显，而喷雾压力对雾滴沉降速度的影响较小，同一喷头在3 个不同喷雾压力下的雾滴沉降速度分布趋势相似。在供试喷头中，TXA 80-015 的雾滴沉降速度最为均匀，其速度主要集中在0.5～2.0 m/s。其他5 种喷头的雾滴沉降速度跨度较大，主要在0.5～7.0 m/s 之间，并因喷头类型的不同其集中分布的峰值有所差异。

图5 不同喷雾压力下各喷头的雾滴沉降速度分布Fig.5 Droplet velocity distribution of spray nozzles at different pressures

雾滴沉降速度的体积累计分布曲线 (图6) 更为清晰地显示了各喷头的雾滴沉降速度分布特性。雾滴沉降速度的体积累计分布曲线的斜率越大，说明其雾滴沉降速度的分布区域越集中。由图6 可知：TXA 80-015 的曲线斜率最大，其雾滴沉降速度分布最为集中；DG 110-015、AIXR 110-015和AITXA 110-015 的曲线斜率次之；XR 110-015和AI 110-015 的曲线斜率最小，其雾滴沉降速度分布最为分散。其中，DG110-015 和AIXR 110-15两种喷头的雾滴沉降速度的体积累积分布曲线高度相似，其喷雾雾滴的沉降速度分布特征较为接近。

图6 不同喷雾压力下各喷头雾滴沉降速度的体积累积分布Fig.6 Cumulative volumetric distribution of droplet velocity for spray nozzles at different pressures

各喷头在不同喷雾压力下的雾滴沉降速度分别用Vn0.5、Vv0.5和Vavg进行表征。结果 (表4)显示，相同喷头和压力下雾滴的Vv0.5最高，Vavg次之，而Vn0.5最低。液力式喷头的雾滴沉降速度和粒径存在极大的正相关性[25]，而雾滴的粒径测试结果显示其Dn0.5与Dv0.1极为接近 (表3)，因此同一喷头和喷雾压力下雾滴的Vn0.5明显低于其Vv0.5和Vavg。相比而言，雾滴的Vv0.5和Vavg能够更加精确地反映喷雾总雾滴的速度特征。

表4 不同喷头和喷雾压力组合下的雾滴沉降速度特征Table 4 Spray droplet velocity characteristics of nozzle-pressure combinations

总体而言，相同喷雾压力下，细雾滴喷头的Vavg高于其Vv0.5，如0.4 MPa 压力下XR 110-015和TXA 80-015 的Vavg分别为2.00 m/s 和1.11 m/s，而其Vv0.5分别为1.78 m/s 和1.00 m/s。随着喷头雾滴的增大，中雾滴和粗雾滴喷头的Vv0.5超过其Vavg，且雾滴的粒径越大两者差值越明显，如中雾滴DG 110-015 在0.4 MPa 喷雾压力下的Vv0.5为2.38 m/s，其Vavg为1.99 m/s，而超粗雾滴AI 110-015在0.4 MPa 喷雾压力下的Vv0.5为3.71 m/s，其Vavg为2.01 m/s。相同喷雾压力下，AI 110-015 雾滴的Vv0.5最大，而TXA 80-015 雾滴的Vv0.5最小。

喷雾药液在靶标区域的沉积量是衡量施药质量的重要指标，较高的沉积率可确保足够的农药有效成分发挥生物活性并降低农药的用量[26-27]。大量研究表明，沉降速度是影响雾滴沉积和飘移的重要参数，较高的沉降速度可有效降低喷雾的飘移潜力，这十分有利于提高喷雾药液在靶标区域内的沉积量[22,28]。然而，Massinon 等[29]分析了雾滴撞击速度对碰撞结果的影响，发现雾滴撞击靶标界面的速度越大，其反弹或破碎的趋势越明显，较高的沉降速度容易引起药液的二次流失。为有效降低喷雾药液的飘移潜力以及雾滴撞击叶面后因弹跳或破碎引起的二次流失，针对雾滴沉降速度较快的喷雾处理可添加表面活性剂调节液滴在靶标叶片上的撞击行为，如降低喷雾液的动态表面张力来抑制雾滴的飞溅或反弹[30]。

2.3 雾滴沉积分布结果

各供试喷头在不同喷雾压力下的雾滴分布特性结果见表5。在喷雾药液沉降的过程中伴随雾滴的蒸发和飘移，雾滴分布扫描平台因无法接收该部分雾滴而造成流失，不同喷雾压力下各喷头的喷雾液流失率较为接近，其中AI 110-015 在喷雾压力为0.3 MPa 下的流失率最低，为7.82%；AITXA 80-015 在喷雾压力为0.2 MPa 下的流失率最高，为9.75%。由于喷雾雾滴的流失且流失率较为接近，各喷头在不同喷雾压力下的流量均相似且略低于该压力下的名义流量。

表5 不同喷雾压力下各喷头的雾滴分布特性Table 5 Spray distribution characteristics of nozzles sprayed at different pressures

在实际施药过程中，喷雾雾滴的沉积分布均匀性往往比沉积量更为重要[26]。雾滴沉积量的变异系数 (coefficient of variation, CV) 用于评估其沉积分布均匀性，CV 值越低，表明雾滴沉积分布越均匀。图7 显示了喷雾压力为0.3 MPa 下各喷头喷雾雾滴在喷杆下方的分布情况。由图可知：AITXA 80-015 喷头的雾滴沉积量的波动性最强，且明显高于其他5 种喷头，说明该压力下AITXA 80-015 的雾滴沉积分布均匀性最差 (CV = 47.57%)。基于表5 中各喷头在不同喷雾压力下沉积量的CV 值可知，DG 110-015 和AIXR 110-015 的雾滴沉积分布效果最佳，其CV 的最大值分别为7.71%(0.3 MPa) 和 7.78% (0.2 MPa)。

图7 喷雾压力为0.3 MPa 时各喷头的雾滴沉积分布特性Fig.7 Droplet distribution patterns of nozzles sprayed at 0.3 MPa

喷雾压力对DG 110-015、XR 110-015 和AIXR 110-015 的雾滴沉积分布均匀性无明显影响，但较高的喷雾压力可提高喷雾角度为80°的AITXA 80-015 和TXA 80-015 的雾滴沉积分布均匀性。在喷雾压力为0.2、0.3 和0.4 MPa 压力下，AITXA 80-015 的雾滴分布的CV 值分别为75.28%、47.57% 和10.71%，TXA 80-015 的雾滴分布的CV 值分别为27.30%、13.49%和10.70%。在喷雾压力较低 (0.2 MPa) 时，AITXA 80-015 和TXA 80-015 的雾滴分布的CV 值明显高于其他4 种喷雾角度为110°的喷头，而当喷雾压力较高 (0.4 MPa) 时，其雾滴分布的CV 值与其他4 种喷头较为接近。

3 结论

本文分别对6 种不同类型的液力式雾化喷头的雾滴粒径、雾滴沉降速度以及沉积分布均匀性进行了测试。结果表明：所有喷头的雾滴粒径均随喷雾压力的增大而减小，细雾滴和中等雾滴喷头的体积中值直径Dv0.5差异较小，而粗雾滴和超粗雾滴喷头对喷雾压力的敏感性更强，其雾滴的Dv0.5随着喷雾压力的增加而急剧下降。雾滴的沉降速度分布特征主要由喷头类型决定，压力对雾滴沉降速度的影响较小。在相同喷雾压力下，细雾滴喷头的平均速度 (Vavg) 高于其体积中值速度(Vv0.5)，而中雾滴和粗雾滴喷头的Vv0.5高于其Vavg，且雾滴的粒径越大两者差值越明显。喷雾压力对防飘扇形雾喷头DG 110-015, 标准扇形雾喷头XR 110-015 和射流扇形雾喷头AIXR 110-015 的雾滴沉积分布均匀性无显著影响，但较高的喷雾压力可提高射流空心圆锥雾喷头AITXA 80-015 和空心圆锥雾喷头TXA 80-015 的雾滴沉积分布均匀性。