不同轉(zhuǎn)速和不同水平風(fēng)速對(duì)離心式噴頭噴霧漂移的影響

盧佳節(jié)，陳家兌，吳揚(yáng)東，王 波

(貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550025)

0 引言

近年來(lái)，在利用農(nóng)藥大幅度提高糧食產(chǎn)量的同時(shí)，人們已開(kāi)始關(guān)注農(nóng)藥植保對(duì)食用糧食安全和生態(tài)環(huán)境污染的問(wèn)題。在農(nóng)藥植保噴灑領(lǐng)域，高性能?chē)婌F是提高農(nóng)藥防治效果和減少農(nóng)藥使用量的主要技術(shù)手段，而霧滴漂移是影響農(nóng)藥防治效果和農(nóng)藥使用量的關(guān)鍵因素之一[1]。霧滴漂移是指噴霧系統(tǒng)噴灑出的霧滴被氣流運(yùn)動(dòng)脅迫脫離靶區(qū)的一種物理運(yùn)動(dòng)，不僅會(huì)造成農(nóng)藥浪費(fèi)，達(dá)不到防治效果，還會(huì)引起非靶區(qū)環(huán)境污染等問(wèn)題[2-4]。

影響植保機(jī)械的霧滴漂移有很多因素，包括噴霧系統(tǒng)的工作壓力、霧滴直徑、水平風(fēng)速及氣體流動(dòng)速度等[5-8]。侯永瑞研究發(fā)現(xiàn)，改變噴霧壓力可以細(xì)化霧滴直徑，但會(huì)引起霧滴漂移而脫離目標(biāo)附著點(diǎn)[9]。Wolf R E試驗(yàn)表明：霧滴直徑低于100μm在環(huán)境溫度為25℃的情況下，霧滴移動(dòng)0.75m后，霧滴直徑會(huì)因?yàn)檎舭l(fā)而減少一半[10]。Ellis M C B等人試驗(yàn)研究表明：農(nóng)藥助劑的添加會(huì)使霧滴直徑發(fā)生明顯的變化，從而影響霧滴的漂移距離[11]。Vol. N結(jié)合數(shù)值模擬的方法研究氣體流速對(duì)噴霧漂移的影響，發(fā)現(xiàn)氣體流速對(duì)霧滴漂移影響較大[12]。劉雪美等人采用三維流場(chǎng)的多相流計(jì)算流體力學(xué)模型，研究了自然風(fēng)與多種因素的交互作用，發(fā)現(xiàn)空氣流動(dòng)速度對(duì)霧滴漂移會(huì)產(chǎn)生顯著影響[13]。王瀟楠等人在無(wú)風(fēng)條件下對(duì)液力式噴頭進(jìn)行了霧滴漂移潛力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作壓力和霧滴直徑都是霧滴漂移的主要影響因素[14]。劉東華等人在風(fēng)洞下做氣體壓力對(duì)霧滴漂移的影響試驗(yàn)，測(cè)得了不同氣體壓力對(duì)霧滴漂移的影響程度和趨勢(shì)[15]。賈衛(wèi)東等人利用室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)探究了不同水平風(fēng)速和風(fēng)幕氣流對(duì)霧滴漂移的影響規(guī)律[16]。楊洲等人對(duì)靜電噴霧系統(tǒng)組霧滴漂移試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水平風(fēng)速和電壓對(duì)霧滴漂移有明顯的交互影響[17]。這些研究主要以系統(tǒng)工作壓力、霧滴直徑、農(nóng)藥添加劑、氣體流速及溫度等作為試驗(yàn)參數(shù)研究液力式噴頭系統(tǒng)的噴霧漂移情況；而針對(duì)離心式噴頭的轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速對(duì)離心式噴頭的噴霧漂移交互影響理論分析和試驗(yàn)研究很少。

為了研究離心式噴頭轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速對(duì)離心式噴頭的噴霧漂移的影響，本文從能量角度建立了霧滴漂移的理論描述和搭建了室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)試驗(yàn)方式測(cè)出霧滴直徑，然后采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)噴頭轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速對(duì)噴霧漂移的影響規(guī)律進(jìn)行深入研究。研究結(jié)果將為農(nóng)用航空離心噴霧系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供參考，使其可以根據(jù)不同水平風(fēng)速選擇適合的噴頭工作轉(zhuǎn)速，從而獲得較好的防治效果。

1 霧滴漂移率

1.1 霧滴理論漂移率

農(nóng)藥噴灑過(guò)程中霧滴漂移會(huì)受到多方面因素的影響，忽略施藥工具、操作方式等因素，造成離心式噴霧系統(tǒng)霧滴漂移的主要因素是霧滴直徑的大小、噴頭的轉(zhuǎn)速及施藥環(huán)境的水平風(fēng)速。在霧滴噴灑過(guò)程中，假設(shè)霧滴是球形的，霧滴之間沒(méi)有相互作用且霧滴吸附在植株表面之前一直保持球形不破碎，則單個(gè)霧滴質(zhì)量為

(1)

式中m—霧滴的質(zhì)量；

d—霧滴的直徑；

ρ—霧滴的密度。

霧滴脫離離心霧化盤(pán)的一瞬間的初始速度為

(2)

式中v1—霧滴離開(kāi)離心霧化盤(pán)的速度；

vt、vm—霧滴在離心霧化盤(pán)邊的切向與徑向速度，可分別表示為[18]

vt=πDdn

(3)

(4)

式中Dd—離心霧化盤(pán)的直徑；

n—離心霧化盤(pán)的轉(zhuǎn)速；

σ—霧滴的表面張力；

ρ—霧滴的密度；

γ—霧滴對(duì)離心霧化盤(pán)的粘度。

由于霧滴質(zhì)量太小，離心霧化盤(pán)對(duì)霧滴的粘度過(guò)大，因此霧滴的徑向速度可以忽略不計(jì)，則v1=vt。霧滴在空氣中受到氣體的阻力為Fd，F(xiàn)d表示為[19]

(5)

式中Cd—空氣的阻力系數(shù)；

Re—雷洛數(shù)；

μ—?dú)怏w的粘度。

當(dāng)Re<2×105時(shí)，Cd的表達(dá)式為[20]

(6)

由式(6)可以計(jì)算出Cd的值。因此，在沒(méi)有水平風(fēng)速的情況下，根據(jù)能量守恒定律霧滴的飛行距離為

(7)

式中h—噴頭與目標(biāo)物之間的高度。

計(jì)算得到霧滴沿切線方向的飛行距離后，可以求得無(wú)風(fēng)時(shí)離心霧化盤(pán)中心到霧滴落點(diǎn)之間的直線距離S1。直線距離與飛行距離的關(guān)系可以表示為

(8)

有水平風(fēng)速的情況下，假設(shè)水平風(fēng)速為vs，則霧滴在水平風(fēng)速作用下的速度可以表示為

v2=bvs

(9)

式中b—修正系數(shù)。

通過(guò)大量的試驗(yàn)證明b取0.87較為合理。因此，根據(jù)能量守恒定律，有水平風(fēng)速時(shí)霧滴的飛行距離為

(10)

則有風(fēng)時(shí)的霧滴與離心霧化盤(pán)的直線距離S2與飛行距離的關(guān)系可以表示為

(11)

因此，霧滴的理論漂移率為

(12)

1.2 霧滴試驗(yàn)漂移率

根據(jù)GB/T24681-2009《植物保護(hù)機(jī)械霧滴漂移的田間測(cè)量方法》，霧滴漂移率是衡量霧滴漂移的重要指標(biāo)。霧滴漂移率是直觀地反應(yīng)噴霧系統(tǒng)在噴灑過(guò)程中的漂移情況。試驗(yàn)過(guò)程霧滴漂移率的計(jì)算公式為

(13)

式中βS—霧滴試驗(yàn)漂移率；

i—不同采樣范圍內(nèi)V型槽的數(shù)量；

M—噴頭噴霧總質(zhì)量。

通過(guò)霧滴試驗(yàn)漂移率可以評(píng)價(jià)霧滴的漂移情況，霧滴試驗(yàn)漂移率越大，說(shuō)明霧滴在目標(biāo)作物靶區(qū)沉積量少，則霧滴抗漂移很弱。通過(guò)式(12)、式(13)可以得出霧滴漂移率的理論計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)量值。

2 試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

搭建了離心噴霧系統(tǒng)試驗(yàn)裝置研究噴霧漂移，系統(tǒng)主要由電機(jī)調(diào)速器、水箱、直流隔膜水泵、壓力表、水管管、開(kāi)關(guān)閥、噴桿及旋轉(zhuǎn)噴頭等組成，如圖1所示。電機(jī)調(diào)速器選擇信達(dá)電器公司生產(chǎn)的XD-12V-36V，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，輸入電壓為直流12V，輸出為0～36V可調(diào)。水箱采用聚乙烯材料制作，容量為10L。避免漏電危險(xiǎn)導(dǎo)流管采用PVC材料制作。水泵選擇石家莊普蘭迪公司生產(chǎn)的PLD-1206型直流隔膜泵，壓力范圍為0～1.0MPa,通過(guò)調(diào)壓開(kāi)關(guān)控制壓力。壓力表選擇中國(guó)紅旗儀表公司生產(chǎn)的水氣通用壓力表，測(cè)量范圍為0～1.6MPa。離心噴霧系統(tǒng)工作時(shí)，液體首先從水箱由水管進(jìn)入水泵，經(jīng)水泵加壓后流向固定在噴桿上的噴頭，為噴頭提供恒定的壓力水，通過(guò)電機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.水箱 2.水泵 3.調(diào)壓開(kāi)關(guān) 4.壓力表 5.水管 6.開(kāi)關(guān)閥 7.離心噴頭 8.噴桿 9.電機(jī)調(diào)速器圖1 離心噴霧原理圖Fig.1 Schematic of Centrifugal spray system

離心噴霧系統(tǒng)的噴頭采用定制的離心旋轉(zhuǎn)噴頭，如圖2所示。

1.電機(jī)外殼 2.水管 3.螺紋桿 4.離心霧化盤(pán) 5.電機(jī)圖2 離心旋轉(zhuǎn)噴頭結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Centrifugal rotary nozzle structure

當(dāng)液體從水管進(jìn)入離心霧化盤(pán)以后，離心霧化盤(pán)跟隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，液體會(huì)被離心霧化盤(pán)邊緣細(xì)化成霧滴甩出離心霧化盤(pán)完成噴灑作業(yè)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究不同轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速對(duì)離心噴霧系統(tǒng)的噴霧漂移影響，根據(jù)相關(guān)的參考資料并查閱了農(nóng)業(yè)種植地區(qū)的水平風(fēng)速變化幅度和離心式旋轉(zhuǎn)噴頭轉(zhuǎn)速的變化范圍，試驗(yàn)安排了4種不同水平風(fēng)速和5種噴頭不同轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)安排如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素Table 1 Experimental variables

本文用風(fēng)機(jī)來(lái)模擬0～5m/s變化自然風(fēng)，根據(jù)式(14)的混沌方程利用變頻器控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)生產(chǎn)自然風(fēng)，即

Xn+1=a·[Xn+0.8-2sin(2π,Xn)]

(14)

其中，Xn+1為第n+1時(shí)刻的水平風(fēng)速(m/s)；Xn為第n時(shí)刻的水平風(fēng)速(m/s)；a為風(fēng)的強(qiáng)度系數(shù)，取值1.067[21]；方程提供的變化自然風(fēng)平均值為2.5m/s,水平風(fēng)速范圍為0～5m/s。由于霧滴直徑是影響霧滴漂移的主要因素且在理論計(jì)算中會(huì)用到霧滴的直徑，因此還安排了不同轉(zhuǎn)速下的霧滴直徑測(cè)量。

2.3 室內(nèi)試驗(yàn)

2.3.1 霧滴直徑測(cè)量試驗(yàn)

采用顯微鏡測(cè)量法測(cè)量霧滴直徑，顯微鏡測(cè)量法成本低、易操作、效率高[22]。霧滴收集裝置由玻璃擋板、載玻片和支撐臺(tái)組成。玻璃擋板通過(guò)螺釘支腳安裝在支撐臺(tái)上，在玻璃擋板中間設(shè)置有半徑為5mm的圓孔，用于控制霧滴的通過(guò)數(shù)量。載玻片放置在玻璃擋板圓孔正下方的支撐臺(tái)臺(tái)面上，用于收集測(cè)量區(qū)域的霧滴。載玻片上表面涂上一層硅油防止不同霧滴相融。在采樣過(guò)程中，沿著載玻片長(zhǎng)度方向，人工移動(dòng)載玻片收集霧滴。為防止多個(gè)霧滴落在同一地點(diǎn)，載玻片移動(dòng)速度應(yīng)高于霧滴噴灑速度。采樣結(jié)束后，取出載玻片并用液體石蠟迅速地把載玻片上收集到的霧滴蓋上，防止液體揮發(fā)；然后，利用寶視德88-56000型顯微鏡對(duì)采集到霧滴進(jìn)行直徑測(cè)量。寶視德88-56000型顯微鏡放大倍數(shù)為40～640倍，自帶CCD相機(jī)可以在觀察的同時(shí)完成圖像采集。在試驗(yàn)過(guò)程中，顯微鏡的放大倍數(shù)選擇100倍對(duì)霧滴進(jìn)行圖像采集，然后將采集好的圖像導(dǎo)入AutoCAD中對(duì)其進(jìn)行標(biāo)注直徑再除以放大倍數(shù)得出其測(cè)量直徑，最后乘以修正系數(shù)0.86即得到霧滴直徑真實(shí)值[23]。通過(guò)以上描述的霧滴直徑測(cè)量過(guò)程來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速值為1 000、2 000、3 000、 4 000、5 000r/min時(shí)霧滴的直徑。

2.3.2 霧滴漂移率試驗(yàn)

離心噴霧系統(tǒng)霧滴漂移試驗(yàn)示意圖如圖3所示。

1.V型槽 2.離心噴頭 3.噴桿 4.水平風(fēng) 5.風(fēng)機(jī) (a) 試驗(yàn)布置示意圖

(b) 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖3 霧滴漂移試驗(yàn)圖Fig.3 Droplet drift test chart

如圖3(a)可知：霧滴漂移的試驗(yàn)裝置主要由風(fēng)機(jī)、霧滴收集器、噴灑系統(tǒng)等組成。該霧滴收集器由V型槽斜下方的塑料杯構(gòu)成，V型槽的數(shù)量為25個(gè)，每?jī)蓚€(gè)V型槽之間的間距為0.15m，采樣面積為6m×2m。以噴頭正下方為起點(diǎn)沿著風(fēng)的方向每一列編號(hào)為1，2，…，25。試驗(yàn)環(huán)境為沒(méi)有自然風(fēng)、周?chē)h(huán)境溫度(25±1)℃、濕度68%，噴霧的壓力設(shè)定為0.3MPa,噴頭距離采樣面為0.6m。利用風(fēng)機(jī)模擬自然風(fēng)，通過(guò)改變變頻器頻率調(diào)整風(fēng)機(jī)水平風(fēng)速的大小，用標(biāo)智水平風(fēng)速儀標(biāo)定測(cè)量地點(diǎn)的水平風(fēng)速。根據(jù)表1安排試驗(yàn)，用清水代替農(nóng)藥進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)的時(shí)間為40min。用電子天平測(cè)量每個(gè)收集容器內(nèi)水的質(zhì)量，并記錄數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次取平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同轉(zhuǎn)速對(duì)霧滴直徑的影響

在霧滴直徑試驗(yàn)過(guò)程中，噴頭與測(cè)量位置高度為0.6m，離心式噴頭噴霧系統(tǒng)的壓力0.3MPa，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知：流速保持不變的情況下，在設(shè)定影響因素的參考范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，霧滴直徑變化呈減小趨勢(shì)變化；在高速轉(zhuǎn)速下，霧滴直徑細(xì)化非常明顯。造成這種情況的原因可能是離心霧化盤(pán)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，液體在離心霧化盤(pán)上沿徑向快速分散開(kāi)來(lái)并形成一層很薄的液膜；同時(shí)，在離心力的作用下，當(dāng)液膜到達(dá)離心霧化盤(pán)邊緣時(shí)厚度會(huì)進(jìn)一步變小，且齒狀結(jié)構(gòu)的離心霧化盤(pán)轉(zhuǎn)速越高細(xì)化霧滴的能力越強(qiáng)。

表2 不同轉(zhuǎn)速下的霧滴直徑Table 2 Diameter of droplets at different speeds

3.2 不同水平風(fēng)速和轉(zhuǎn)速對(duì)霧滴漂移的影響

本次理論描述和試驗(yàn)主要分析了轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速對(duì)霧滴漂移的影響，根據(jù)有關(guān)研究資料相關(guān)參數(shù)取值如下：ρ為1g/cm3、Dd為0.6m。噴灑霧滴直徑不超過(guò)200μm時(shí)，Re取值69.9，μ為1.81×10-5Pa·s，Cd為1.29，h取0.6m，b取0.87[18-21]。霧滴直徑d由表2可得出，把它們代入式(1)～式(13)得到霧滴漂移的理論值。理論漂移率和試驗(yàn)漂移率結(jié)果如表3所示。分析表3的數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)水平風(fēng)速不變時(shí)，理論漂移率與試驗(yàn)漂移率都隨著噴速增大而增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，理論漂移率和試驗(yàn)漂移率也都隨著水平風(fēng)速的增大而增大。

2) 水平風(fēng)速不同時(shí)，高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速之間的漂移率變化幅度也不同，如水平風(fēng)速在1m/s時(shí)，5 000r/min與1 000r/min之間的理論漂移率和試驗(yàn)漂移率相差10%；水平風(fēng)速在5m/s時(shí)，5 000r/min與1 000r/min之間的理論漂移率和試驗(yàn)漂移率相差了53.1%不止3倍。這可能是在水平風(fēng)速不大時(shí)，霧滴在重力、表面張力、剪應(yīng)力及空氣阻力的共同作用下，霧滴保持動(dòng)態(tài)平衡，自然噴灑。當(dāng)水平風(fēng)速過(guò)大時(shí)，過(guò)大的水平風(fēng)速加快了空氣中分子的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，帶動(dòng)霧滴水分子快速運(yùn)動(dòng)，增大了霧滴的揮發(fā)速度，使霧滴的質(zhì)量在噴灑過(guò)程快速變小，霧滴離開(kāi)其原來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，使霧滴的漂移距離更遠(yuǎn)。

3)相同水平風(fēng)速下，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)4 000r/min時(shí)，理論漂移率的值總是比試驗(yàn)漂移率的值大。出現(xiàn)這種情況的原因可能是在理論計(jì)算時(shí)會(huì)把霧滴的重力勢(shì)能計(jì)算在內(nèi)。由表2可知，在高轉(zhuǎn)速時(shí)，霧滴細(xì)化能力加強(qiáng)，霧滴直徑小于73μm，因此在實(shí)際噴灑過(guò)程中，霧滴本身的重力勢(shì)能已經(jīng)對(duì)霧滴漂移距離沒(méi)有影響了，造成了理論漂移率的值會(huì)比試驗(yàn)測(cè)得漂移率的值要略大。

4)在高轉(zhuǎn)速時(shí)，水平風(fēng)速對(duì)霧滴漂移率的影響非常嚴(yán)重，如5 000r/min、水平風(fēng)速為1m/s時(shí)，霧滴的理論漂移率和試驗(yàn)漂移率分別為 17.2%和16.7%；而水平風(fēng)速為5m/s下，理論漂移率和試驗(yàn)漂移率都超多了74%。其主要原因可能是當(dāng)霧滴直徑很小時(shí)，霧滴對(duì)水平風(fēng)速變化感知非常敏感，水平風(fēng)速細(xì)微變化就會(huì)造成霧滴漂移率過(guò)大。這表明，在采用離心噴頭噴灑時(shí)，水平風(fēng)速和轉(zhuǎn)速不能同時(shí)過(guò)高。

5)水平風(fēng)速在0～5m/s循環(huán)變化時(shí)的試驗(yàn)漂移率和水平風(fēng)速恒為3m/s的漂移率變化基本相同。這可能是霧滴漂移主要是有水平風(fēng)速的平均速度決定的，0～5m/s變化自然風(fēng)的平均值為2.5m/s，數(shù)值接近3m/s。

6)通過(guò)理論計(jì)算得出漂移率和試驗(yàn)漂移之間的誤差不超過(guò)3%，說(shuō)明從能量角度對(duì)霧滴的噴霧性能進(jìn)行理論描述是可行、合理的。

表3 轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速對(duì)霧滴漂移的影響Table 3 Effect of rotating speed and horizontal wind speed on droplet drift

續(xù)表3

4 結(jié)論

離心式噴頭在用于農(nóng)業(yè)植保噴霧系統(tǒng)上的優(yōu)點(diǎn)是霧滴細(xì)化能力強(qiáng)，噴灑面積較大。離心式噴頭在農(nóng)藥噴灑過(guò)程中，轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速都會(huì)產(chǎn)生霧滴漂移，嚴(yán)重影響其噴灑效果，因此需要準(zhǔn)確掌握影響規(guī)律。本文通過(guò)分析不同轉(zhuǎn)速下的霧滴直徑測(cè)量，及不同轉(zhuǎn)速和不同水平風(fēng)速交互影響的霧滴理論漂移率和霧滴試驗(yàn)結(jié)果表明：離心噴頭轉(zhuǎn)速增大，霧滴直徑開(kāi)始變小，轉(zhuǎn)速越大霧滴直徑變小越明顯；噴頭轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速對(duì)理論漂移率和試驗(yàn)漂移率都成正相關(guān)影響，漂移率隨著噴頭轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速增大而增大；離心噴頭在高轉(zhuǎn)速時(shí)，水平風(fēng)速對(duì)漂移率影響很大，漂移率會(huì)隨著水平風(fēng)速的增加而急劇上升；在植保防治方面，轉(zhuǎn)速和水平風(fēng)速同時(shí)增大時(shí)，霧滴漂移率隨著增大，轉(zhuǎn)速越高、水平風(fēng)速越大霧滴漂移率越嚴(yán)重，達(dá)不到植保噴灑要求。因此，離心式噴頭在有風(fēng)的植保作業(yè)時(shí)更適合低轉(zhuǎn)速工作。通過(guò)霧滴漂移率的試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，其誤差不大。這說(shuō)明從能量方面來(lái)對(duì)霧滴漂移進(jìn)行理論描述是符合實(shí)際的。