對沖噴頭噴霧場液滴分布特性試驗

董福龍 周宏平 茹 煜 施明宏 陳 青 易克傳

(1.南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院， 南京 210037； 2.安徽科技學(xué)院機械工程學(xué)院， 鳳陽 233100)

0 引言

目前，裝有扇形噴頭的噴桿式噴霧機被廣泛應(yīng)用于大田作物的病蟲害防治中[1]，水平桿上的噴頭按一定間隔安裝，作業(yè)時相鄰的噴霧扇形面部分疊合，以保證某一噴霧高度處水平方向上各點藥液噴灑一致，從而實現(xiàn)施藥液量均勻的目的。然而，扇形噴頭噴霧扇面內(nèi)不同位置處的液滴直徑是不相同的，這就造成噴霧機噴桿上各噴頭噴霧扇形面疊合后液滴直徑分布的不均勻，相鄰兩噴頭扇形邊緣疊合區(qū)的液滴比未疊合區(qū)的扇面中心區(qū)域的液滴大很多，而液滴直徑對農(nóng)藥在靶標(biāo)上沉積行為和防治效果又有重要影響[2]，這就導(dǎo)致在某一噴霧高度處水平方向上各點處的液滴在靶標(biāo)上的沉積行為不同，致使防治效果存在差異。農(nóng)林作物病蟲害防治的最終目標(biāo)是要達到防治效果均勻、無防效不足或藥害的現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于均勻施藥[3]，因此研究改善扇形噴頭的液滴直徑分布，優(yōu)化噴桿上噴頭安裝參數(shù)，對提高噴桿式噴霧機工作效率、控制減少藥害和提高藥液利用率有重要意義。

圖1 噴霧裝置Fig.1 Atomization device

已有研究發(fā)現(xiàn)藥液的液滴直徑分布情況是影響農(nóng)藥在靶標(biāo)上沉積量和分布均勻性的主要因素[4-5]。當(dāng)前許多新成分農(nóng)藥的選用量不超過70 g/hm2，使用此用量的農(nóng)藥要充分發(fā)揮效用必須使噴霧器產(chǎn)生能夠均勻分布在靶標(biāo)上的液滴[6]。而噴頭是噴霧機噴霧系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，作業(yè)過程中的施藥量、液滴大小和粒徑均勻度等衡量噴霧質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)都由其性能決定[7]。呂曉蘭等[8]對扇形噴頭霧化場液滴的空間分布和運動進行分析,發(fā)現(xiàn)液滴直徑在逐漸遠離噴頭的截面上呈現(xiàn)中間小邊緣大的凹形橢球面分布, 液滴速度在軸線方向呈現(xiàn)中間大邊緣小的山丘形分布；祁力鈞等[9]通過試驗研究了噴嘴類型、噴霧壓力及布置高度等因素對液滴分布均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)噴嘴類型對液滴分布均勻性影響較大，布置高度影響較小，提高噴施壓力有助于改善液滴粒徑均勻性；TUCK等[10]對扇形噴嘴在農(nóng)業(yè)噴霧中液滴尺寸和速度進行研究，發(fā)現(xiàn)獲得均勻良好的靶標(biāo)覆蓋率的方法是減小液滴譜的同時增大液滴速度，其中提高液滴粒徑均勻度更為重要。扇形噴頭由于能實現(xiàn)從小到中等范圍的液滴直徑，防飄性較好且能產(chǎn)生高沖擊力的液柱流或扇形噴霧，所以廣泛應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)[11]，但是存在噴霧扇形面內(nèi)液滴直徑中間小兩側(cè)偏大的粒徑均勻性較差的問題[3，12-13]，本文研究基于射流和撞擊流耦合作用的對沖噴頭[14-15]的噴霧場，并運用徑向不均勻指數(shù)來分析噴霧場液滴分布均勻性問題。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗噴頭的噴霧裝置如圖1所示，圖1a為裝配情況，圖1b為設(shè)計的噴頭試制樣件，圖1c為新型噴頭工作原理圖。作為研究熱點之一的撞擊流是一種較新穎的技術(shù)方法,目前廣泛應(yīng)用在化學(xué)工程領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)兩射流發(fā)生撞擊能一定程度上均化液滴群粒徑[16-17]，粒徑均化表明在撞擊過程中大液滴破碎的傾向較大，而且撞擊越強烈越有利于粒徑均化。試驗的噴頭樣件是基于射流和撞擊流耦合作用原理，使兩股相向撞擊的射流改變成以一定夾角相向高速沖擊，并用一個噴頭(或噴霧裝置)實現(xiàn)，以獲得大小均勻的液滴直徑。

扇形噴頭的液滴直徑分布狀態(tài)由噴頭的終端出水口形狀決定[18]，因此在設(shè)計時主要考慮對沖噴頭終端噴孔出水口形狀的尺寸。對沖噴頭外形尺寸根據(jù)裝配部件的尺寸要求確定；兩個出水口與單孔扇形噴頭出水口設(shè)計要求一樣，本次設(shè)計的對沖扇形噴頭兩個出水口的孔徑和切槽角分別為1 mm和30°，兩出水口之間距離7 mm，兩射流撞擊前噴霧面與垂直撞擊面夾角是15°，兩側(cè)噴孔的射流在撞擊面碰撞后形成垂直向下的噴霧扇形面。

1.2 試驗設(shè)計

扇形噴霧場中液滴直徑在某一水平高度的液滴分布情況對藥液在靶標(biāo)上的沉積行為和防治效果有重要影響，粒徑均勻的液滴在靶標(biāo)上的沉積分布對病蟲害防治有積極良好效果。試驗研究對沖噴頭扇形噴霧場的液滴直徑分布特性對改善噴霧作業(yè)過程中噴霧機工作效率、提高防治效果和藥液利用率有重要指導(dǎo)意義。

采用圖2所示的噴頭霧化性能測試系統(tǒng)對對沖噴頭扇形噴霧場的液滴直徑進行測試，該系統(tǒng)由藥液霧化系統(tǒng)和液滴直徑測試系統(tǒng)兩部分組成。藥液霧化系統(tǒng)主要由測試噴頭霧化裝置和藥液供給系統(tǒng)組成，藥液供給系統(tǒng)由水箱、電動機、柱塞泵、水壓調(diào)節(jié)閥、流量計、壓力表及連接管等組成；液滴直徑測試系統(tǒng)主要由安裝有WX5-RODOS軟件的計算機和新帕泰克有限公司(德國)生產(chǎn)的HELOS/QUTXEL激光粒度記錄儀等組成。試驗在常溫、無風(fēng)的室內(nèi)進行，介質(zhì)為清水。

圖2 噴頭霧化性能測試系統(tǒng)Fig.2 Test system for atomization performance of nozzle1.噴頭 2.激光粒度儀

試驗前將噴頭安裝在試驗臺架上，如圖2所示，噴頭體軸線垂直向下，以對沖噴頭終端兩噴孔出水口中點的連接線中點為原點，垂直向下方向為z軸正方向，激光粒度儀接收端垂直穿過噴霧扇形面，水平向右為x軸正方向，垂直于噴霧扇形面向外為y軸正方向。x、y和z軸方向符合右手螺旋關(guān)系。

按照儀器操作規(guī)程和液滴直徑測試方法進行試驗。由于裝有扇形噴頭的噴桿式噴霧機在作業(yè)時要求噴頭與作物(或靶標(biāo))保持約300 mm的距離[19]，試驗在距離原點沿z軸正方向100、200、300、400 mm水平高度上測試4個測試面的液滴直徑，如圖3所示。根據(jù)文獻[8，20]測得，噴施壓力0.3 MPa、距離噴頭終端噴孔出水口500 mm處時對沖噴頭的噴幅為425 mm，為評價噴霧場液滴分布情況，對如圖3所示測試點進行測量，100 mm水平高度測量距軸線-35、0、35 mm處的液滴直徑，200 mm水平高度測量距軸線-70、-35、0、35、70 mm處的液滴直徑，300 mm水平高度測量距軸線-105、-70、-35、0、35、70、105 mm處的液滴直徑，400 mm水平高度測量距軸線-140、-105、-70、-35、0、35、70、105、140 mm處的液滴直徑，每個測試點數(shù)值取重復(fù)測試3次的平均值。

圖3 噴霧扇形面測試點Fig.3 Spray sector test points

1.3 評價方法

液滴尺寸與分布情況是衡量噴霧霧化質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，在植保噴霧中經(jīng)常采用體積中徑(VMD)來評價霧化質(zhì)量和表示霧化特性。VMD是表示將取樣液滴的體積按液滴從小到大的順序累積，當(dāng)累積值等于取樣液滴體積總和的50%時所對應(yīng)的液滴直徑(也用DV50表示)。

徑向不均勻指數(shù)(Radial nonuniformity index, RNI)是設(shè)計出的一種新的非量綱指標(biāo)[21]，主要用來量化流化床和其它多相流系統(tǒng)中流動參數(shù)徑向變化的程度，已證明是對徑向流動結(jié)構(gòu)的一個很好的度量；趙娜等[22]利用徑向不均勻指數(shù)來研究航空噴嘴噴霧場液滴周向分布特性，證明其比使用常規(guī)方法更簡便。本文用徑向不均勻指數(shù)來定量表征對沖噴頭噴霧場液滴分布均勻性問題。其表達式為

式中s(D)——標(biāo)準(zhǔn)差

Dmax、Dmin——D測量值的最大值和最小值

徑向不均勻指數(shù)R(D)介于0到1之間，其值越大說明液滴分布均勻性越差。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 噴霧場液滴分布特性

噴施壓力在0.3～0.8 MPa范圍變化時，對沖噴頭噴霧扇形面內(nèi)的液滴直徑尺寸分布情況如圖4所示。z軸正方向垂直距離為H，x軸方向水平距離為L，圖中圓點表示在該測試點測得的液滴直徑，圓點下數(shù)值表示在該測試點測得的液滴體積中徑(μm)。

圖4 噴霧場液滴直徑變化趨勢Fig.4 Trends of droplet size change in spray field

由圖4可見，隨著噴施壓力的增大，沿z軸正方向，即測試面1、2、3、4處，液滴直徑逐漸變小，例如噴施壓力在0.8 MPa時，液滴直徑沿軸線方向從219 μm減小至138 μm；在同一水平高度，液滴直徑呈現(xiàn)中間液滴直徑較大且均勻一致而兩側(cè)液滴直徑偏小的情況，隨著噴施壓力的增大兩邊測試點處液滴直徑會接近中間區(qū)域位置液滴直徑，例如噴施壓力0.4 MPa在300 mm測試面上，-35～35 mm區(qū)間的液滴直徑在265～268 μm，而在靠近噴霧扇形面邊緣處距軸線105 mm處的液滴直徑是較小的250～252 μm，當(dāng)噴施壓力增至0.7 MPa時，在-105～105 mm區(qū)間的液滴直徑在156～165 μm，變動范圍相差9 μm，雖然隨著噴施壓力的增加噴霧扇形面的噴幅會略有增大，但總體上液滴直徑在同一水平高度上會趨向一致，圖4d～4f都說明此規(guī)律；噴施壓力大于0.7 MPa時，在200 mm和400 mm水平高度位置處的液滴直徑有接近300 mm位置處液滴直徑的趨勢，例如噴施壓力在0.3 MPa時，軸線上的液滴直徑是300 μm，在200 mm和400 mm處的液滴直徑分別是325 μm和269 μm，差值都在25 μm以上，而當(dāng)噴施壓力增至0.8 MPa時，在軸線上的液滴直徑是155 μm，而在200 mm和400 mm處的液滴直徑分別是168 μm和138 μm，差值不超過17 μm；植保機械噴頭的噴施壓力一般都在0.2～0.5 MPa，當(dāng)壓力超過0.5 MPa時，液滴直徑減小量很小，而對沖噴頭在噴施壓力大于0.6 MPa時，液滴直徑還可快速減小，表明其可實現(xiàn)較寬的調(diào)壓范圍，具有良好的調(diào)壓特性。

由于對沖噴頭液滴直徑在噴霧扇形面內(nèi)具有中間液滴直徑較大且均勻一致而兩側(cè)液滴直徑偏小的特點，對安裝在噴霧機噴桿上的各噴頭來說，噴霧扇形面疊合后會形成分布均勻的液滴直徑噴霧面，相鄰兩噴頭扇形邊緣疊合區(qū)的液滴直徑趨向或接近未疊合區(qū)的扇面中間區(qū)域的液滴直徑，從而獲得良好均勻一致的液滴直徑，這有利于藥液在靶標(biāo)上的沉積并實現(xiàn)較好的病蟲害防治。

對于對沖噴頭液滴直徑在噴霧扇形面內(nèi)呈現(xiàn)中間液滴直徑較大且均勻一致而兩側(cè)液滴直徑偏小的特點進行分析，認為對沖噴頭的霧化全過程可劃分為射流區(qū)、分裂區(qū)和霧化區(qū)(圖5)。

圖5 霧化過程示意圖Fig.5 Schematic of atomization process

(1)在射流區(qū)，由于對沖噴頭射流霧化是通過一個噴頭(或霧化裝置)實現(xiàn)的，兩股充分加速后形成的高速射流在噴頭終端出水口附近以一定夾角相向高速流動，噴霧射流會在很短距離(很短時間)內(nèi)受到空氣擾動而變成非常薄的液層，射流區(qū)發(fā)生在兩射流離開出水口至射流撞擊中心一定距離處(兩射流未發(fā)生撞擊)。

(2)在分裂區(qū)，繼續(xù)運動的液層會在慣性力和氣-液交界面產(chǎn)生的擾動與外力作用下橫向切斷而產(chǎn)生分裂，該霧化稱為第1次霧化(即擾動霧化)；兩液層在撞擊面(撞擊中心)相互撞擊，由于射流的撞擊引起高動量的傳遞，再加上液體分子是緊密聚集的凝聚狀態(tài)，在撞擊時液體之間必然發(fā)生強烈的相互作用，有液體流團或(和)分子之間相互碰撞、剪切、擠壓等作用，致使液團(液滴)尺寸迅速減小，撞擊會使噴霧射流流團或(和)大液滴破碎，較小液滴相互結(jié)合(并聚)成大一些的液滴，總體上使流團或(和)液滴在撞擊區(qū)趨向一致，達到均化，噴施壓力越大，撞擊越激烈則流團或(和)液滴均化越明顯，該霧化稱為第2次霧化(即撞擊霧化)；由于液體相撞擊流間強烈的動量傳遞和相互作用必然導(dǎo)致強烈的微觀混合和在撞擊區(qū)產(chǎn)生壓力波動，同時射流帶動的空氣在撞擊時也會發(fā)生沖擊和振蕩，這意味著流團或分子之間會發(fā)生振動，使得部分能量轉(zhuǎn)化為振動能，致使流團或(和)液滴進一步霧化，故在該區(qū)域又發(fā)生了第3次霧化(即振蕩霧化)。根據(jù)霧化機理把3次霧化分別命名為擾動霧化、撞擊霧化和振蕩霧化。對沖噴頭撞擊分裂模型如圖6所示。扇形噴頭在分裂區(qū)僅發(fā)生第1次霧化(即擾動霧化)，而對沖噴頭經(jīng)歷了3次霧化，形成了分割尺寸均勻的流團或(和)液滴，其對后續(xù)霧化區(qū)形成良好均勻一致的液滴直徑有重要影響。

圖6 噴頭撞擊分裂模型Fig.6 Splitting model of impinging nozzle

(3)在霧化區(qū)，產(chǎn)生分裂且趨向一致均化的流團或(和)液滴繼續(xù)發(fā)展進行線性運動(在流體動力學(xué)中這種線型液滴的軌跡稱為流線，其具有流線形狀不隨時間變化且流線不能交叉也不能彎折的特點)，在氣動力、慣性力、粘性力和表面張力等各種力的相互作用下，進一步分裂破碎成細小均勻的液滴，其運動軌跡與軸線方向形成了一定的夾角，形成噴霧扇形面，當(dāng)夾角大于某一角度時，兩側(cè)液滴運行距離增加的同時受各種力(重力、空氣阻力等)作用會使液滴尺寸減小，這就造成噴霧扇形面兩側(cè)液滴尺寸偏小的情況。

2.2 噴霧場液滴分布均勻特性

借助于徑向不均勻指數(shù)，對噴施壓力在0.3～0.8 MPa范圍內(nèi)變化時的液滴霧化規(guī)律進行分析。表1給出了不同噴射壓力下100、200、300、400 mm測試面的R(DV50)值。

表1 R(DV50)的分布特性Tab.1 Distribution characteristics of R(DV50)

由表1可見，噴施壓力在0.3～0.8 MPa范圍變化時，在100 mm水平高度測試面上的R(DV50)不小于0.59，其液滴直徑分布特性最差，主要是由于測試位置離噴頭出水口較近且測試點較少，液滴未充分霧化且噴霧扇形面較小，實際作業(yè)中一般不選擇該位置；一般情況R(DV50)隨著噴施壓力增大而減小，如在100 mm位置處從0.63降至0.59；R(DV50)隨著噴霧距離的增大而減小，如壓力在0.6 MPa時，其值從0.61降至0.48，表明在測試范圍內(nèi)噴霧場液滴直徑均勻性隨著噴霧距離的增加而變好；噴施壓力0.3～0.4 MPa在400 mm處的R(DV50)為0.51～0.52，比在300 mm處的0.49～0.51大一些，說明在300 mm水平高度附近噴霧場液滴直徑均勻性較好，這與李秉禮[19]指出的裝有扇形噴頭的噴桿式噴霧機在作業(yè)時要求噴頭與作物保持300 mm距離建議相符合；隨著噴施壓力的增大液滴飄移會對測試結(jié)果有一定影響，壓力0.8 MPa時在200～400 mm范圍內(nèi)的R(DV50)是0.49～0.54，比0.7 MPa時的0.47～0.49增大一些，說明噴霧場液滴直徑均勻性會隨著噴施壓力增加變差；噴施壓力在0.6～0.7 MPa范圍時，R(DV50)在0.47～0.51范圍內(nèi)變化，噴霧場在該壓力范圍內(nèi)相對具有良好的液滴均勻分布特性；由于已知的R(DV50)都在0.5上下，說明該噴頭噴霧扇形面液滴直徑分布相對較差，表征結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，能總體上反映噴霧場液滴直徑的非均勻性。

3 結(jié)論

(1)提出的基于射流和撞擊流耦合作用的對沖噴頭經(jīng)試驗證明具備可行性，該噴頭為精準(zhǔn)施藥技術(shù)提供了技術(shù)支持。

(2)對沖噴頭噴霧扇形面的液滴直徑呈現(xiàn)中間液滴直徑較大且均勻一致而兩側(cè)液滴直徑偏小的特性，如噴施壓力0.4 MPa在300 mm水平高度測試面上，中間的液滴直徑在265～268 μm，而靠近邊緣處的液滴直徑在250～252 μm，該特性有利于解決噴桿式噴霧機大田作業(yè)時液滴直徑分布不均勻的問題。同時對沖噴頭具有較寬的壓力調(diào)節(jié)范圍，在噴施壓力大于0.6 MPa時液滴直徑還可快速減小。

(3)提出了在霧化過程的分裂區(qū)經(jīng)歷3次霧化(即擾動霧化、撞擊霧化和振蕩霧化)是造成液滴直徑均勻一致的根本原因。

(4)把徑向不均勻指數(shù)應(yīng)用于植保噴頭噴霧場液滴分布特性的定量表征分析，發(fā)現(xiàn)徑向不均勻指數(shù)能總體上反映噴霧場液滴直徑的非均勻性。噴施壓力在0.6～0.7 MPa時，對沖噴頭噴霧場具有相對良好的液滴均勻分布特性。