脉动燃烧器研究进展及其在病虫害防治中的应用

许林云 张爱琪 金晶 余兵

摘要：目前，Helmholtz型脈动燃烧器被广泛应用且前景良好。其具有环保节能、燃烧效率高、传热特性佳、热效率高以及排放污染少等诸多优点。将Helmholtz型脉动燃烧器应用于病虫害防治装备的研制，对稳定作物生产、提高作物品质、增加种植效益以及发展科学植保和绿色植保具有重要意义，有助于保障生态可持续。概述Helmholtz型脉动燃烧器的工作原理，梳理脉动燃烧器的研究发展现状，总结Helmholtz型脉动燃烧器在病虫害防治方面的应用研究。目前便携式脉动燃烧病虫害防治装备存在人机工程学缺陷、土壤蒸汽消毒机热动力源耦合关系不明确、脉动燃烧机理研究不够深入且脉动燃烧器结构简单、装备智能化程度低等问题。提出应用现代化技术研究脉动燃烧机理，研制脉动燃烧病虫害防治装备新型结构与机型，运用智能化、现代化技术开发大型车载式病虫害防治机械，发展脉动燃烧病虫害防治机械智能控制模块的发展对策。

关键词：脉动燃烧器；绿色植保；病虫害防治；新型装备

中图分类号：S49  文献标识码：A  文章编号：2095-5553 （2024） 03-0051-07

Research progress of pulsation burner and its application in pest control

Xu Linyun1， 2， Zhang Aiqi2， Jin Jing2， Yu Bing2

（1. Collaborative Innovation Center for Efficient Processing and Utilization of Forestry Resources，Nanjing Forestry University， Nanjing， 210037， China; 2. School of Mechanical and Electronic Engineering，Nanjing Forestry University， Nanjing， 210037， China）

Abstract：

The Helmholtz-type pulsating burner is widely applied and has a good prospect at present. It offers numerous advantages， including environmental protection and energy saving， high combustion efficiency， excellent heat transfer characteristics， high thermal efficiency， and minimal pollutant emissions. The application of  the Helmholtz-type pulsating burner  in the development of pest control equipment is of great significant importance for stabilizing crop production， enhancing crop quality， increasing planting benefits， and advancing scientific and environmentally friendly plant protection， which is contributing to ecological sustainability. This article outlines the working principle of the Helmholtz-type pulsating combustor， reviews the current research and development status of pulsating combustors， and summarizes its application in pest control. However， current portable pulsating combustion pest control equipment faces ergonomic deficiencies， unclear coupling relationships in the thermal power source of soil steam sterilizers， insufficient research into pulsating combustion mechanisms， and a low level of intelligence in equipment structure. It is proposed to apply modern technology to study pulsating combustion mechanisms， develop new structures and models for pulsating combustion pest control equipment， utilize intelligent and modern technologies to develop large-scale， vehicle-mounted pest control machinery， and advance the development of intelligent control modules for pulsating combustion pest control machinery.

Keywords：pulsation burner ; green plant protection; pest control; new equipment working principle

0 引言

脉动燃烧是一种存在一定规律的周期性燃烧。1933年Reynst申请的“CombustionPot”专利是脉动燃烧技术最早的研究成果，实质是一种脉动状态下的燃煤炉。而后脉动燃烧逐渐应用于工业领域，20世纪60年代，脉动燃烧技术在工业干燥领域得到了较好的应用。到了20世纪80年代，脉动燃烧技术在锅炉技术中得到了很好的应用。20世纪末至21世纪初脉动燃烧技术推动了农林业病虫害防治的发展，以脉动燃烧器为热源的一系列产品，如脉冲烟雾机、土壤蒸汽消毒机等应运而生。目前对应用于病虫害防治机具的脉动燃烧器的理论研究仍具有局限性，对脉动燃烧机理的研究鲜少。研究者们对脉动燃烧器的声学条件、加热条件以及工作特性等进行了许多试验研究。设计开发了较多款防治效率高且绿色环保的病虫害防治机具。基于脉动燃烧器的病虫害防治装备的研制对发展科学植保、绿色植保、保障生态可持续具有重要意义。

脉动燃烧器主要有Helmholtz型、Schimidit型和Rijke型三种不同类型［1］，本文将针对目前应用最广的Helmholtz型脉动燃烧器（除特殊说明外，以下将Helmholtz型脉动燃烧器简称为脉动燃烧器）的研究现状以及其在病虫害防治中的应用研究进行综述与分析。

1 脉动燃烧器工作原理

1945年瑞利准则中提出各种类型的脉动燃烧器的燃烧放热过程和气体压力脉动之间都存在某种反馈关系，只有在一定条件下才能自发地激励起脉动。

Helmholtz型脉动燃烧器结构如图1所示，主要由燃烧室、相当长度的尾管组成，由单向阀门控制燃料和空气进入量的燃料和空气入口，用于燃料及空气预先混合的混合室，用于启动时点火的火花塞，并安装于混合室上。

Helmholtz型脉动燃烧器的工作原理如图2所示，初始时刻，燃料与空气进入混合室被火花塞点燃产生火焰（过程a），火焰快速蔓延至燃烧室（过程b），燃烧室内压力上升。当燃烧室压力大于燃料供给压力或大气压时，燃料和空气阀门均关闭，切断了燃料和空气进入燃烧室，燃烧产物不断增加膨胀，且只能从尾管向外排出（过程c）。经排气燃烧室内压力不断下降，直到降至低于燃料进口阀前压力时，进口阀再次开启，新鲜空气与燃料吸入燃烧室（过程d），随着燃烧室内压力不断下降，喷管内气流由排放转化为向吸入（过程e），压缩混合燃气再次被上一循环的余火点燃（回到过程b），形成不断循环的自激自吸周期性燃烧过程。因燃料与空气阀门完全依靠燃烧室内气流的周期性波动实现自动开启，使燃烧室与尾管内的气流实现自动进燃料（空气）—燃烧—排放的自动振荡循环过程。

脉动燃烧器要能实现脉动燃烧，必须使声学条件与加热条件产生耦合作用，才能使脉动燃烧器内部气流发生振荡脉动工作。声学条件是指由一定尺寸参数的燃烧室（燃烧室体积V）和喷管（喷管长度L和内径d）所构成，加热条件是指由一定量的燃料（q1）与空气（q2）混合形成的可燃混合气。因脉动燃烧的许多工作机理至今还不清楚，一定的声学结构有一定的声学谐振频率，但并不一定能与加热条件相匹配，甚至与任何加热条件均无法形成有效的耦合作用，即无法形成脉动燃烧振荡关系。因此，只有某些特定结构尺寸的声学条件与某一范围内的加热条件才能匹配，产生耦合效应，即脉动燃烧器内部的气流以一定的耦合振荡频率f脉动燃烧工作。如果耦合关系存在时，不仅改变声学条件中的尺寸参数V、L、d会改变振荡频率f，同时在声学条件不变时，改变加热条件中的q1和/或q2，也会改变耦合关系，即改变振荡频率f，形成新的脉动振荡系统，如图3所示。

2 脉动燃烧器研究进展

2.1 脉动燃烧器理论研究

计算机技术在脉动燃烧的理论研究中起着举足轻重的作用。许多研究者应用计算机技术来研究模拟热声脉动现象。早期对脉动燃烧器的数值模拟是从零维、一维模型开始研究的，AKT、BDB、RMS［2］模型是其中早期最具代表性的数值模型。AKT模型是一个零维数学模型，原始AKT模型用于预测不同的参数变化和压力振荡的关系［3， 4］。Barr等开发的BDB模型对脉动燃烧器的研究也有着重要贡献，BDB模型是一维数学模型，其与AKT模型都研究燃烧器几何形状和物理参数对脉动燃烧的影响，但只有BDB模型能够为脉动燃烧器找到可选的工作频率［58］。RMS［9］和AKT与BDB数学模型的不同在于，RMS模型主要集中研究供油、供气阀门对脉动燃烧器影响的理论研究。以上三种为较基础的数值模型，在此基础上许多学者对其进行了改进以解决现有模型的不足。除此之外，Bloom等［10］通過构建脉动燃烧集总参数模型并结合AKT模型方程，研究各种物理和几何参数的变化，所引起的扰动扩展的数值，产生了关于脉动燃烧器工作特性的重要信息，同时发现尾管的摩擦在实际中无法被观测到但是对工作特性存在较大的影响关系。Kilicarslan［11］开发了Helmholtz型脉动燃烧器的数学模型，通过改变尾管长度和直径，燃烧器容积和气体供应压力来理论的研究脉动燃烧器的工作频率。许林云等［12］用传递矩阵建模方法构建脉动燃烧发动机燃烧室喷管—工作频率的声学谐振计算公式。Neumeier等［13］对机械阀控的Helmholtz型脉冲燃烧室的极限循环特性进行了理论研究，建立了新的脉动燃烧器模型，预测驱动燃烧室近共振振荡所需的能量远远小于燃烧过程所提供的能量。Tsujimoto等［14］采用特性分析方法对一种Helmholtz型脉冲燃烧器进行了数值分析。研究发现恒定燃烧延迟时间模型可以模拟燃烧器系统的大部分重要特性，为了完全达到解耦效果，解耦室的体积至少要比燃烧室的体积大10倍。随着计算流体力学的不断兴起与发展，将CFD应用至脉动燃烧器的研究也不断成熟，CFD能够构建许多复杂模型进行模拟研究［1520］，进一步推进脉动燃烧的研究与发展。

总体来看，虽然脉动燃烧的理论研究从20世纪就拉开序幕，但由于脉动燃烧是一种复杂的系统，涉及多学科交叉，理论模型仍不是十分成熟，对脉动燃烧机理的解释研究也有待深入。未来CFD商业软件应用于研究脉动燃烧技术仍会是主流趋势，CFD的应用能够耦合脉动燃烧的各影响因素，缩短研究周期。

2.2 脉动燃烧器试验研究

燃烧室、喷管以及单向阀的设计参数为脉动燃烧器的主要结构参数，结构参数直接影响脉动燃烧器工作的声学条件。脉动燃烧器的燃油消耗率属于脉动燃烧器的加热条件。当声热较好的耦合便形成脉动振荡，脉动燃烧器能够成功被驱动，若不能耦合即无法脉动振荡。许多学者对脉动燃烧器的声学条件及加热条件、工作特性、烟气特性及噪声进行试验研究。周宏平等［21， 22］研究了不同声学条件和3种不同加热条件对Helmholtz型有阀自激式脉冲发动机工作频率的影响，声学条件对发动机工作频率的影响较小，加热条件的改变能显著改变发动机的工作频率。徐艳英等［2327］研究了弯尾管Helmholtz型无阀自激脉动燃烧器的传热特性与压力特性。余兵等［28］通过对不同油门开度下的燃烧室内气流压力、温度以及燃油消耗率等工作特性进行研究，得到了油耗与油门开度、温度与频率和油门及温度与压力脉动幅值的关系。陈辉等［29］通过对不同化油器膜片厚度下脉动燃烧器的压力特性进行分析试验以研究脉动燃烧器的工作性能发现化油器膜片厚度为0.2～0.3mm时燃烧范围大，燃烧最稳定。杜志平等［30］分析了Helmholtz型脉冲喷气发动机的噪声源，设计了消音器控制脉冲发动机的噪声。许林云等［31］对Helmholtz型脉冲发动机的声学结构进行分析，建立与之对应的声学模型。

综上，脉动燃烧器的试验研究以较为全面，能够得到工作特性较佳的脉动燃烧器结构参数与加热条件。但试验研究比较基础，多数试验启动方式仍为手动启动。脉动燃烧器的试验研究为基于脉动燃烧器的病虫害防治机具的设计与发展奠定了基础。

3 脉动燃烧器在病虫害防治中的应用研究

3.1 土壤蒸汽消毒机

脉动燃烧器具有结构简单、燃烧强度大、产热系数高及尾气排放量小等特点，如果将其作为热动力源构成蒸汽发生装置应用于土壤蒸汽消毒，能有效解决设施园艺病虫害、环境污染与食品安全等问题。

设施园艺在我国迅速发展，设施栽培连作连茬频繁的土地利用方式具有作物高收益性，但连作连茬加上设施内高温高湿的环境条件，导致土壤中产生各类病原菌与多种害虫。目前，化学防治是土壤病虫害防治快速高效的主要防治方法。但设施作物主要以蔬菜瓜果为主，传统化学防治方法不仅对土壤环境有污染，更易产生较多农残问题影响食品安全以致对人体健康造成危害。如果采用蒸汽消毒这种物理消毒方法，则最为实用、安全、可靠。因设施园艺内部空间小，地块分散，如果能设计一种小型移动式土壤蒸汽消毒机，具有體积小、移动方便、就地消毒等特点，则较适合于设施园艺的土壤消毒。

潘四普等［32］设计了一款基于脉动燃烧器的土壤蒸汽消毒机，其基本原理如图4所示，将脉动燃烧器完全浸没在水筒体中，脉动燃烧器产生的热能传递给水，使水沸腾产生热蒸汽，热蒸汽通过蒸汽输送装置输送至土壤中进行消毒作业。Helmholtz型脉动燃烧器与传统燃烧器相比燃烧强度大、热效率高（总的热效率可达95%或更高），由脉动燃烧器产生的振荡气流为紊态脉动气流，其脉动气流的传热系数是非脉动气流传热系数的2.5～3.2倍。蒋雪松等在脉冲式土壤蒸汽消毒机总体机构的基础上重点对蒸汽输送装置的关键结构参数进行了设计并利用Fluent对土壤传热模型进行了数值模拟，通过分析针头附近温度云图验证了蒸汽输送装置结构合理性。

3.2 脉冲烟雾、水雾机

20世纪50年代美国的一些公司主要生产脉冲式烟雾、水雾机，已形成一个较完整体系，如Dyna FOG系列。德国的脉冲式烟雾、水雾机的研发使用也比较早，如TF-35型热烟雾机等，Swing FOG系列烟雾机，Pulse FOG系列烟雾机［33］。绝大多数产品均销往卫生防疫部门。

我国从20世纪50年代末开始研究烟雾、水雾机技术，上海农业药械厂是国内最早研制脉冲式烟雾、水雾机的单位。20世纪70年代浙江省林业科学研究院为林业防治松毛虫也研制了3Y-10型烟雾机，后又于农业农村部南京农业机械化研究所参照西德K2G、K10G型烟雾机研制了3Y-35型手提式烟雾机和3YD-8型背负式烟雾机。侯秀梅等研制了一种新型脉冲烟雾、水雾机能将油溶剂完全烟化以及将水基型药液完全雾化。此类产品大都应用于农业低矮作物的病虫害防治。

经济林一直以来都深受病虫害困扰，经济林主要有高大林木与果木，故应用于林业病虫害防治的脉冲烟雾机需要有较好的弥漫性与较远的喷射距离。20世纪90年代，南京林业大学基于对脉冲喷气式发动机的理论和性能进行深入研究，研制出新型6HY-25型系列脉冲烟雾机，该烟雾机具有结构简单、重量轻、启动容易、操作简单、热效率高、可靠性高等显著优点，适合高大林木林业行业应用。

结合了脉动燃烧技术与烟雾水雾载药技术的病虫害防治产品—脉冲烟雾、水雾机可靠、防治效率高，在病虫害防治中有显著效果。

脉冲烟雾、水雾机的工作原理如下：脉冲烟雾水雾机按下工作按钮，脉动燃烧发动机开始工作，气体经三通阀进入化油器和油箱，进入油箱的气体将油箱中的油压入化油器形成可燃混合气流，可燃混合气流经火花塞点火后燃烧并快速扩展到燃烧室，压力增大，关闭进气单向膜片，气流经尾管喷出，燃烧室压力逐渐降低，低于外界大气压，进气单向膜片打开并且尾管由排气变为进气，燃烧室内自吸进入的可燃混合气体进一步被压缩，被燃烧室内余温点燃，形成一种进气—燃气—排气的周期性燃烧。脉动燃烧器工作过程中，当燃烧室内压力大于大气压时，引压管将高压引入药箱，打开药开关，药液受压从药喷嘴流向尾管，脉动燃烧器工作排出的高温高速尾气将流入尾管的药液裂化、破碎并蒸发为雾滴。脉冲烟雾机工作原理如图5所示。此种Helmholtz型脉动燃烧器能够自激自吸供油燃烧，不再需要供油泵与供药泵。

脉冲烟雾、水雾机喷施药液分：油溶剂药液、水基型药液以及生物农药。

1）  油溶剂药液与水基型药液。衡量以油溶剂药液与水基型药液为喷施液体的脉冲烟雾、水雾机的工作的重要标准是：（烟雾、水雾）雾滴粒径、弥漫特性以及升腾特性。脉冲烟雾、水雾机利用脉动燃烧产生的尾气的热能和动能，使药液受热迅速裂解挥发，烟化、雾化成细小雾滴从喷管喷出，随自然气流飘移渗透到施药对象上。具有防止效率高、用药省等显著特点，在林业上应用广泛。雾滴粒径是衡量雾化效果的一个重要指标，越小粒径的雾滴越能更好地悬浮、扩散，弥漫到防治空间，深入到一般喷雾的雾滴或喷粉的粉粒所不能到达的地方。脉冲式烟雾、水雾机工作产生的高温高速尾气使药液烟化、雾化产生的雾滴粒径大都小于50 μm，能够很好地弥漫扩散，防治效率一般可达到同类常规喷雾或喷粉设备的10倍以上［33］。

2）  生物农药。衡量以生物农药为喷施液体的脉冲烟雾、水雾机工作的重要标准是：生物农药的生物活性。许林云等［34］配制了甘油与水体积比55∶45、65∶35、75∶25三种苏云金芽孢杆菌热雾剂制剂，研究储存温度与时间对生物药剂的活性影响发现，存储时间和温度对制剂生物活性均会产生影响，存储时间越长，苏云金芽孢杆菌活菌数越少，温度的影响更大，在50 ℃存储条件下，活菌数在1～7天内出现了65.4%的显著下降。3种制剂中65∶35制剂活性稳定性较好。柴油热雾剂经过脉冲烟雾机热力雾化后的出口烟雾温度远远高于3种苏云金芽孢杆菌制剂，说明柴油不能直接作为苏云金芽孢杆菌热雾剂的油溶剂。3种苏云金芽孢杆菌制剂在经过烟雾机高温热力雾化后生物活性下降并不明显。说明油水混合型作为生物农药热雾剂的溶剂是可行的。李璐［35］对白僵菌油烟剂与烟雾载药技术进行研究，将剂型与施药方式结合，主要测定了常规喷雾及烟雾雾化（如瞬时高温）对菌体活力的影响。发现：制剂A1呈烟后制剂活力降幅稍大为1.7%，A2和A3两种制剂活性略有降低，但并不显著，降幅分别为1.4%和1.3%，可见烟雾剂呈烟后孢子仍然保持高活力，进一步说明甘油作为白僵菌油烟剂溶剂的可行性和可操作性。

常见的脉冲烟雾、水雾机主要是手持式和背负式。这两种形式依靠人力进行操作，施药效率有限，并且药液对人体有一定的伤害。未来脉冲烟雾、水雾机将向不依靠人力的机具发展［36］。

4 存在问题

在众多学者的研究下，脉动燃烧器已在农林病虫害防治领域得到了较快发展。但是目前脉动燃烧器的研究侧重于基础应用性研究，缺少脉动燃烧机理研究，脉动燃烧技术仍处于发展初期。脉动燃烧病虫害防治装备也存在一些问题与不足。

1）  便携式脉动燃烧病虫害防治装备存在人机工程学缺陷。脉动燃烧病虫害机械主要在林间进行作业，目前投入实践使用的脉冲式烟雾、水雾机主要为便携式机具。便携式装备载药后重量较大，对操作人员背负压力较大，且其工作时产生的水雾与烟雾易对操作人员健康产生一定的影响，存在人机工程学缺陷。

2）  土壤蒸汽消毒机热动力源耦合关系不明确。土壤蒸汽消毒机采用多脉动燃烧器为热动力源，热效率较高。但多脉动燃烧器间耦合关系不明确，易造成熄火。

3）  脉动燃烧机理研究仍不够深入。脉动燃烧技术是多学科交叉的复杂系统，涉及许多领域的理论知识。目前脉动燃烧技术主要以试验研究为主，对脉动燃烧技术的机理性研究仍较基础不够深入。脉动燃烧器的开发仍以试验为主，未形成可靠的经验公式。

4）  脉动燃烧器结构简单，病虫害防治装备智能化程度低。投入病虫害防治装备生产使用的脉动燃烧器，结构较简单且多手动泵气启动。进气量对于脉动燃烧器的启动与工作有很大影响。手动泵气进气量不够精准，易降低启动效率。随着电子电气技术的发展，定量远程控制等将使脉动燃烧病虫害防治装备向着智能化的方向发展。

5 发展对策

针对上述脉动燃烧病虫害防治装备发展中存在的问题，结合现状对未来脉动燃烧病虫害防治机械提出以下可行性对策及建议。

1） 脉动燃烧器结构与装备机型创新性突破。现有脉动燃烧器多为传统的单燃烧室单尾管结构形式，可在此基础上创新研制传热效率更高的多脉动燃烧器并联结构或单燃烧室多尾管結构。目前研发的脉动燃烧病虫害防治装备以便携式装备为主，未来将向中大型、车载式发展。开发大型车载式烟雾水雾机可以克服林地陡峭背负施药重量大、对操作人员压力较大的问题。大型车载式脉冲烟雾、水雾机防治速率有显著提高，能够高效防治大面积林地。

2）  脉动燃烧病虫害防治装备智能化。脉动燃烧器目前的试验研究中仍以手动启动为主，在后续研究中可以研究远程控制启动系统及进气流量精准控制的智能化装置。中大型、车载式装备无人化作业也将成为智能化发展趋势，可避免病虫害防治作业中脉冲烟雾、水雾机所喷施的药液直接与人接触对人体的伤害。

3）  现代化技术的运用。复杂的脉动燃烧技术研究过程中将理论与基础应用性研究并进，采用更先进的技术探究脉动燃烧的机理。应用CFD发展耦合燃烧、声学以及传热等多因素的数值模拟，探究脉动燃烧深层机理，缩短研究周期，为提高脉动燃烧稳定性提供理论依据。高速摄影技术的运用也将推动脉动燃烧器工作过程燃烧机理的研究与阐释。

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基金項目：江苏省现代农机装备与技术示范推广项目（NJ2020—19）

第一作者：许林云，女，1965年生，江苏南京人，博士，教授，博导；研究方向为植保机械装备与技术。E-mail： lyxu@njfu.edu.cn