遠射程風送式噴霧機風場中霧滴粒徑變化規律

宋淑然，陳建澤，洪添勝2,4,，薛秀云，夏侯炳，宋 勇

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遠射程風送式噴霧機風場中霧滴粒徑變化規律

宋淑然1,2,3,4,5，陳建澤6，洪添勝2,4,6※，薛秀云1,2,3,4,5，夏侯炳7，宋 勇1

（1. 華南農業大學電子工程學院，廣州 510642； 2. 國家柑橘產業技術體系機械研究室，廣州 510642； 3. 廣東省農情信息監測工程技術研究中心，廣州 510642； 4. 廣東省山地果園機械創新工程技術研究中心，廣州 510642； 5. 廣州市農情信息獲取與應用重點實驗室，廣州 510642； 6. 華南農業大學工程學院，廣州 510642； 7. 華南農業大學后勤處，廣州 510642）

對風送式噴霧機的研究集中在噴霧機結構的優化、霧滴沉積、霧滴飄移及回收方面，但遠射程風送式噴霧機霧滴在空間風場中的變化規律尚未明確。該文以遠射程風送式噴霧機為試驗平臺，研究霧滴由噴嘴噴出后在風力的裹挾運動過程中霧滴參數（主要指粒徑或直徑）在噴幅內和射程內的變化規律。結果表明，遠射程噴霧機噴出的霧滴粒徑均大于50m，霧滴中粒徑大于400m的粗霧滴體積累計所占的百分比在0.4%以下；在遠射程風送式噴霧機方向水平噴出的霧滴柱中，距離噴嘴7、8、9 m處的7個高度上，霧滴體積中值直徑呈現出從上到下逐漸變大的規律；霧滴在風場中向前運動的過程中，霧滴體積中值直徑的變化分為3個階段：近出風口處高速氣流對霧滴的破碎使得霧滴體積中值直徑變小；在中速氣流作用下，霧滴之間發生碰撞與聚合，霧滴體積中值直徑變大；低速氣流使霧滴發生擴散彌漫、濃度變低，霧滴體積中值直徑在空氣的蒸發作用下變小；風場中的霧滴譜分布中出現了2個譜峰。研究可為遠射程風送式噴霧機的噴霧技術參數的優化提供參考。

噴霧；譜分析；機械；霧滴；中值直徑；遠射程；風送式噴霧機

0 引 言

風送式噴霧是聯合國糧農組織推薦的一種先進高效的施藥技術，被國際公認為是一種僅次于航空噴霧的高效地面施藥技術，同時又是一種自動化程度高，防治效果好，環境污染少的先進施藥技術[1]。國內學者在對風送式噴霧機的研究中，重點圍繞風送式噴霧機結構設計[2-7]、噴霧機氣流場研究[8-10]、霧滴沉積分布研究[11-12]和霧滴漂移研究[13-14]開展。國外相關研究則側重于利用計算機對風送式噴霧機的流場進行仿真[15-18]，研究風送式噴霧機的霧滴覆蓋沉積和穿透性[16,19-23]、風送式噴霧霧滴漂移及霧滴回收[24-29]。前人對風送式噴霧技術的研究重點著眼于風送噴霧過程的始端與末端2個局部：1）關于風送式噴霧機結構的優化設計（始端）；2）關于霧滴的分布優化、霧滴沉積、霧滴飄移性（末端）的研究。針對遠射程風送式噴霧機的霧滴在空間傳輸規律的研究較少。同時，針對果園風助式噴霧機（射程短）的研究較多，而針對遠射程風送式噴霧機的研究報道較少。

無論采用何種噴霧方式，植保機械的作業質量與霧滴直徑大小有直接關系[30]。如果選擇的霧滴大小合適，可以用最小的藥量、最小的環境污染達到最大控制病蟲害的目的。如果實際的霧滴比需要的霧滴大，所浪費的農藥就會以霧滴直徑三次方的速率增長[31]。因此，本文重點研究遠射程風送式噴霧機的噴霧特性，研究霧滴由噴嘴噴出后，在風力的裹挾運動過程中霧滴參數（主要指粒徑或直徑）的變化規律，為遠射程風送式噴霧機的噴霧技術參數的優化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

試驗用遠射程風送式噴霧機[3]，由河南萬豐農林設備有限公司生產，水平射程13 m，噴幅2.29 m（當風機運轉達到平穩時，在送風狀態下，用風速儀測定氣流達2 m/s且與射程方向相垂直的最大距離），空心錐噴嘴；霧滴測試儀器為濟南微納顆粒儀器股份有限公司生產的Winner318C，量程4.6～2 000m，準確性誤差<3%，重復性誤差<3%，綠色激光器波長532 nm，功率30 mW。

試驗樣機中，10個空心錐噴嘴呈圓周狀均勻分布在噴筒的圓形出風口邊沿，噴嘴間隔36°圓心角，每個噴嘴的軸線垂直于噴筒的圓周并向噴筒軸心方向傾斜15°，噴嘴間的直線距離為11.2 cm，10個噴嘴兩兩成組、分5組均勻安裝在噴筒邊沿的不同高度下。

1.2 遠射程風送式噴霧機霧滴參數試驗

1.2.1 霧滴參數試驗

遠射程風送式噴霧機霧滴參數試驗分為無送風時的霧滴參數測定、有送風時噴幅內霧滴參數測定和射程內霧滴參數測定。噴霧試驗時，采用自來水代替藥液，風筒處于水平方向，噴霧壓力1.8 MPa、風機供電頻率50 Hz。試驗現場如圖1所示。

無送風試驗：前期試驗表明，當噴霧壓力P在1.0～2.0 MPa間變化時，噴嘴的霧錐角隨P的變化呈二次多項式關系=?6.765P2+18.48P+58.57 (2=0.986，<0.05)，噴嘴的變化范圍為68.47°～71.23°，當P為1.8 MPa時，=70°；遠射程噴霧機相鄰兩噴嘴噴出的霧滴交匯點距離噴嘴為0.16 m，為使10個噴嘴噴出的霧滴充分交匯，在距離噴嘴水平距離0.5 m、噴筒軸線的上方和下方垂直距離均為0.12 m處進行采樣，用激光粒度儀測量霧滴參數。

送風時噴幅內霧滴測定及射程內霧滴測定示意圖如圖2所示。

送風時噴幅內霧滴測定：前期測定霧滴粒徑時，粒度儀信息提示霧滴柱外圍有霧滴，但濃度過低，無法測量，故研究選取霧滴柱中心區域（?18～18 cm）進行試驗。為研究遠射程風送式噴霧機送風時，在垂直于射程方向上的平面噴幅內不同高度下霧滴的變化，在離噴嘴水平距離（）7、8、9 m處7個高度上（=?18、?12、?6、0、6、12、18 cm），用激光粒度儀測量霧滴參數。

送風時射程內霧滴測定：為研究遠射程風送式噴霧機送風時射程內霧滴參數，在噴筒軸線（中線）方向上，從距噴嘴水平距離=1 m處開始，每隔0.5 m，利用激光粒度儀分別測量風場中的霧滴參數。

1.2.2 指標計算

10、50、90分別指取樣霧滴的體積按霧滴從小到大順序進行累計，其累計值為取樣霧滴體積總和的10%、50%、90%時所對應的霧滴直徑。

NMD（number median diameter）為數量中值直徑，指取樣霧滴的個數按霧滴大小順序進行累計，其累計值為取樣霧滴個數總和的50%所對應的霧滴直徑。

為體積比表面積，指單位體積霧滴的表面積。

SMD（Sauter mean diameter）為索太爾平均直徑，是霧滴粒徑對表面積的加權平均。

VAD（volume average diameter）為體積平均直徑，指取樣霧滴群平均體積所對應的直徑。

NAD（number average diameter）為數量平均直徑，指取樣霧滴群的直徑之和與霧滴群個數之和的比值。

DR（droplet diffusion ratio）為霧滴擴散比，DRNMD50，當DR≥0.67時，表明霧滴的噴灑質量良好[30]。

DW（droplet spectrum width）為霧滴譜寬度，DW90-50。

氣溶膠和粗霧滴分別為50<50m和50>400m的霧滴。

霧滴譜表明霧滴直徑大小分布狀況。

2 結果與分析

2.1 遠射程風送式噴霧機無送風狀態下的霧滴特性

遠射程噴霧機在無送風狀態時霧滴參數值如表1所示。如表1所示，遠射程噴霧機在無送風狀態時，噴嘴噴出的霧滴擴散比DR較小，處于噴筒軸線上方處的霧滴擴散比DR比處于噴筒軸線下方處的霧滴擴散比DR還要小，表明在無送風狀態下，霧滴的噴灑質量較差。

表1 遠射程噴霧機無送風時霧滴參數

在霧滴柱中的不同高度上（值不同），霧滴的50（為便于分析，同一處只取霧滴代表性參數50進行分析）也不同，下方的霧滴比上方的霧滴大。主要原因可能是，在無送風情況下噴霧，霧滴沒有氣流提供的動能，作用在霧滴上的力主要是重力和空氣的阻力，當霧滴處于靜止的空氣中時，在重力的作用下會加速下降，直到重力與空氣阻力達到平衡。=?0.12 m處的霧滴處于霧柱的下方，此處的霧滴一部分來自裝在噴筒出口下部的噴嘴，一部分來自裝在噴筒出口上部的噴嘴所噴出霧滴的沉降，上方霧滴在重力作用下加速下降時，霧滴之間發生碰撞聚合形成大霧滴，使得=?0.12 m處50變大。從=?0.12和0.12 m處采樣點上的霧滴譜（圖3）可以看出，=?0.12 m處霧滴譜中大霧滴所占的比例比=0.12 m處的大。

a.=0.5 m、=0.12 m

b.=0.5 m、=?0.12 m

圖3 遠射程噴霧機無送風時霧滴譜

Fig.3 Droplets spectrum of long-range air-assisted sprayer without blowing

2.2 遠射程風送式噴霧機噴幅內霧滴特性

射程內7、8、9 m處不同高度的霧滴參數如表2所示。

根據試驗測定的數據，繪制出遠射程風送式噴霧機射程內=7、8、9 m處霧滴參數50隨高度的變化曲線如圖4所示（為便于分析，同一處只取50進行分析）。從圖4看出，50在不同的水平高度下，呈現出從上到下逐漸變大的規律，說明霧滴在同一個垂直平面上，下部的霧滴體積中值直徑比上部的霧滴體積中值直徑大，其主要原因可能是，在此區域中（7 m≤≤9 m），由于風速的減弱，霧滴由風力推動的前行速度逐漸降低，重力對霧滴的作用明顯，上層霧滴在重力的作用下下降，下降過程中發生霧滴間的聚合匯成大霧滴。

表2 遠射程風送式噴霧機噴幅內不同高度的霧滴參數

注：10和90分別指按體積從小到大順序排列的霧滴累計值為取樣霧滴體積總和的10%和90%時所對應的霧滴直徑。下同。

Note:10and90are diameters of droplets with cumulative volumes that are 10% and 90% of the total when droplet volume ranks from small to large; Same as below.

距離噴嘴7、8、9 m處，在霧滴柱的上、下不同水平高度的霧滴譜如圖5所示（為便于分析，同一處只取最上部=18 cm和最下部=?18 cm的2個采樣點進行分析）。

將圖5a～5f與圖3a～3b對比分析可以看出，有風送時的霧滴譜中出現了2個譜峰，與無風送時的霧滴譜分布有明顯不同，表明處于風場中的霧滴含有了2種成分：1）由噴嘴霧化作用產生的霧滴（譜峰在90m左右）；2）由風場中的霧滴傳輸運動作用產生的另一種粒徑的霧滴（譜峰在170m左右），即風場的作用使霧滴的粒徑分布發生了變化。其原因是，在風的助力裹挾作用下，風送式噴霧機吹出的霧滴柱中（流速大、壓強小）存在卷吸現象，一些霧滴在前行過程中，霧滴間發生聚合而形成大粒徑的霧滴。

將圖5 a、5c、5e（=18 cm）分別與圖5 b、5d、5f（=?18 cm）對應比較，可以看出，在距離噴嘴系統的水平距離處，處于霧滴柱中下方（=?18 cm）的大霧滴占比（霧滴譜中右邊的峰值）均比處于霧滴柱中上方（=18 cm）的大霧滴占比高，說明在距離噴嘴7、8、9 m處，一些霧滴在重力的作用下下降且這一過程也存在著霧滴間的聚合，使風送式噴霧機噴幅內霧滴譜的分布發生了改變，即=?18 cm的霧滴譜中的2個峰的高度為左低右高；而=18 cm的霧滴譜中的2個峰的高度為左高右低。

2.3 遠射程風送式噴霧機射程內霧滴特性

從距噴嘴水平距離=1 m處開始，每隔1 m，測量噴筒軸線（中線）方向上的風速，列于表3中。

表3 遠射程風送式噴霧機噴筒軸線氣流風速

從距噴嘴水平距離=1 m處開始，每隔0.5 m，利用激光粒度儀進行霧滴采樣，分別測量噴筒軸線（中線）方向上，風場中的霧滴參數。試驗數據如表4所示。試驗中發現，各個采樣點上均沒有直徑小于50m的氣溶膠出現，表明這種遠射程噴霧機抗霧滴漂移能力較強；粒徑大于400m的粗霧滴體積累計所占的百分比均在0.4%以下，說明粗霧滴稀少，可以忽略由粗霧滴所引起的由于霧滴過大而直接從植物葉面滴落到土壤中所造成的農藥污染；為1.5～7 m時，DR均大于0.67，表明在此區間內，霧滴直徑較均勻；此區域外的點，擴散比DR小于但接近于0.67。

將表1中的50與圖4中的50的數值進行對比分析可以看出，無風送時的50值均小于有風送時的50值。初步分析如下：無風送時，霧滴只受到液力的作用發生霧化，霧滴參數僅僅和液體壓力、噴嘴特性及液體性質有關；有風送時，霧滴受到液力的霧化與風力的輸送2種作用，霧滴參數在這2種作用力下發生了變化：霧滴在風的助力裹挾作用下向前運動的同時，風送式噴霧機吹出的霧滴柱中（流速大、壓強小）存在卷吸現象，一些霧滴在前行過程中，發生聚合而使50變大。

根據霧滴擴散比的數據可以分析霧滴的噴灑質量，有送風時的霧滴擴散比（表4中的DR均值為0.70）比無送風時的霧滴擴散比（表1中DR均值為0.61）大，且大于0.67，說明與無送風情況相比，有送風時噴霧機的霧滴噴灑質量較好，即風力提高了霧滴的噴灑質量。

表4 遠射程風送式噴霧機射程內霧滴參數

為了解遠射程風送式噴霧機霧滴在風場中運動時參數的變化，繪制出如圖6所示的霧滴參數隨霧滴傳輸距離變化的曲線。由圖6可以看出，遠射程風送式噴霧機噴出的霧滴，其參數隨距離不同而有所變化。

根據各參數的變化趨勢，分析霧滴傳輸的規律：1）90、DW、VAD、50和SMD變化規律相似，根據其在射程中的變化特點，將射程分為3個區間，各個區間影響霧滴運動及參數變化的因素不同，而使得霧滴參數在不同的區域具有不同的變化規律：在距離噴嘴1 m＜≤2 m的區間內（此區域的風速大于18.7 m/s），這種速度的氣流對霧滴粒徑具有很強的剪切和擾動作用，使噴嘴噴出的霧滴發生進一步破碎，故此區間中的霧滴粒徑隨距離增加而變小。同時，此區間的霧滴在高速氣流中獲得能量，以較高的速度向前傳輸。此區間內霧滴的受力主要是氣流的作用，氣流對霧滴的作用以破碎和向前推動為主。距離噴嘴2 m＜≤8 m區間內，風速介于6.8～13.3 m/s之間，此區間內充滿了獲得氣流動能的霧滴，越遠離噴嘴，霧滴向前的運動速度越低；霧滴運動方向上前后速度的不同加劇了相互碰撞和聚合作用，使霧滴粒徑變大；同時，處于霧柱中上方的霧滴，在重力作用下加速下降，也存在著霧滴間的聚合，這是該區域內霧滴粒徑變大的因素之一。此區間內霧滴的受力表現為重力沉降和氣流推動的共同作用，在向前傳輸過程中存在著碰撞聚合。當距離噴嘴＞8 m后，風速≤6 m/s，霧滴在出風口處所獲得的氣流的動能，大部分消耗在運動中克服空氣的阻力上，同時，氣流從出風口吹送到＞8 m的過程中，風速越來越低，霧滴柱的徑向范圍不斷變大，霧滴在氣流中呈擴散和彌漫運動，霧滴的顆粒密度變小，霧滴間的碰撞聚合不再占優勢，霧滴柱中的大霧滴不斷降落而脫離霧滴柱；其余的霧滴在向前運動的同時，受空氣的蒸發作用而變小。

2）10與NAD變化規律相似，在1 m＜≤8 m區間內，處于緩慢上升趨勢，說明在此區間中，小霧滴按體積從小到大順序累積，占霧滴體積總和的10%時所對應的直徑在變大，即小霧滴所占的成份在減小；同時，將霧滴按照從小到大排序并將霧滴數目二等分，等分點的霧滴粒徑NAD在變大，說明霧滴群整體的粒徑在緩慢變大；＞8 m后，10與NAD均呈下降趨勢，說明在此區間，小霧滴的所占成份將變大，霧滴越來越細小，說明此區域中的蒸發使得霧滴繼續變小，這與前面分析的規律極為相近。

綜上所述，遠射程風送式噴霧機的霧滴傳輸主要經歷以下3個過程：近出風口處高速氣流對霧滴的破碎使得霧滴粒徑變小；中速氣流作用下，霧滴間的碰撞使霧滴聚合、粒徑變大；低速氣流使霧滴擴散彌漫、蒸發作用而使霧滴粒徑變小。

圖7是遠射程風送式噴霧機霧滴在距離出風口8 m處的霧滴譜。由圖7中可以看出，處于射程內不同點處風場中的霧滴，霧滴譜分布中也出現了2個譜峰，這與無送風時的霧滴譜分布明顯不同（圖3所示），說明風場中的霧滴除了有噴嘴霧化產生一定粒度分布的霧滴外，在風場的影響及霧滴傳輸運動的影響下，霧滴的聚合使霧滴的粒徑發生了變化，出現了大粒徑霧滴的分布。

3 討 論

粒度測量是在被測顆粒假定為球形的前提下進行的，但霧滴并不一定是標準的球形。測試顆粒粒徑的技術和方法有多種，除顯微鏡法屬于直接測量顆粒的絕對幾何尺寸外，其余方法測得的粒徑都不是絕對的幾何概念上的尺寸，而是所謂的“等效粒徑”，其中激光衍射法測試的結果重復性好，精度高，適用性強[32]。本文使用激光粒度儀進行試驗研究，在每次試驗前，多次測試同一個樣品，結果基本相同，保證了儀器測量結果的穩定性。

強光會影響激光粒度儀測量的準確性，為此，本文均在晚上進行霧滴粒度測量試驗，盡量避免陽光對測試結果可信度的影響。

4 結 論

本文以遠射程風送式噴霧機為試驗平臺，分別研究了無送風時、有風送時霧滴在噴幅內不同高度下及射程內不同距離上參數的變化規律，對霧滴在風場中的運動及參數變化進行了分析，獲得以下結論：

1）與無送風情況相比，有送風時噴霧機的霧滴噴灑質量較好；

2）遠射程風送式噴霧機噴出的霧滴粒徑均大于50m，抗霧滴漂移能力較強；粗粒徑霧滴稀少，霧滴粒徑較均勻；在與噴嘴相同距離時的不同高度下，重力對霧滴的作用顯著，使霧滴聚合匯成大霧滴；

3）近出風口處的高速氣流的破碎所用是霧滴粒徑變小的重要因素；射程末端的低速氣流使霧滴在擴散彌漫中因蒸發作用而使霧滴直徑變小；在中速氣流下，霧滴柱中的卷吸作用使霧滴間發生聚合而形成粒徑大的霧滴；重力及風場對霧滴作用的機理有待進一步研究。

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Variation of droplet diameter in wind field for long-range air-assisted sprayer

Song Shuran1,2,3,4,5, Chen Jianze6, Hong Tiansheng2,4,6※, Xue Xiuyun1,2,3,4,5, Xiahou Bing7, Song Yong1

(1.,,510642,; 2.,,510642,; 3.,510642,; 4.,510642,; 5.,510642,; 6.,,510642,; 7.,,510642,)

Research in the air-assisted spraying field has been focusing on optimization of structure, droplets deposition, droplets drift and recovery. But the droplets transfer in wind field is not clear yet. In this study, we investigated the variation of droplet parameter especially diameter in wind field for long-range air-assisted sprayer. The droplets parameters of long-range air-assisted sprayer was measured and calculated and analyzed after the droplets were ejected from the nozzles by using a prototype and laser particle size analyzer. The testing prototype had the horizontal spraying range of 13 m and spraying width 2.29 m. During the test, the sprayer sprayed water instead of pesticides liquid under the plunger pump pressure of 1.8 MPa. The experiments of droplets parameters included 3 situations: 1) the droplets were sprayed from the nozzles without air blowing; 2) the droplets were sprayed within the width under the condition of the long-range air-assisted sprayer; and 3) the droplets were sprayed within the range under the condition of the long-range air-assisted sprayer. In the test of spraying within the width, droplets were sampled in 7 different heights at 7, 8 and 9 m away from the nozzles. In the test of spraying within the range, droplets sampling points were arranged along with the sprayer duct axis, starting with 1 m away from the nozzles position and separated from each other by 0.5 m. The results showed that there was only 1 peak in the droplets spectrum distribution and the droplets diffusion ratio was relatively small when the long-range air-assisted sprayer did not blow. The diffusion ratio was 0.70 with wind, higher than 0.61 without blowing condition. The diffusion ratio with wind was higher than 0.67, indicating that the spraying effect and droplet quality were better under the condition with wind than that without blowing. Within the spraying width, the droplets volume median diameter became large along the direction from top to bottom of the droplets column, or the lower droplets were larger than the upper in the same vertical plane of the droplets column. In the last 2 situations with wind, the droplets volume median diameters were all larger than 50m and the volume cumulative percentage of large droplets diameter larger than 400m was lower than 0.4%. In addition, two peaks were found in the droplets spectrum, which was different from the 1 peak in the situation without blowing. The wind speed was higher than 18.7 m/s within 1-2 m away from the nozzle, 6.8-13.3 m/s in 2-8 m away from the nozzle, and not less than 6 m/s in 8-10 m away from the nozzle, respectively. In general, the moving and forward transmission of droplets in wind was mainly divided into the following 3 stages: 1) within 1-2 m distance near the nozzles position, high speed air flow broke the droplets twice and thus made the droplets smaller; 2) In the middle of the range, the droplets diameter became larger due to collision and aggregation with the moving and transmission under the medium speed air flow; 3) In the end of the range, the droplets diameter decreased because of the evaporation and diffusion in the low speed flow. The study provides information for sprayer design and optimization.

spraying; spectrum analysis; machinery; droplets; median diameter; long-range; air-assisted sprayer

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.008

S491; S224.3

A

1002-6819(2017)-06-0059-08

2016-11-12

2017-02-15

國家自然科學基金項目（31671591）；“揚帆計劃”引進創新創業團隊專項（201312G06）；廣東省科技計劃項目（2015B090901031）；廣州市科技計劃項目（201607010362）；現代農業產業技術體系建設專項資金（CARS-27）

宋淑然，河北安國人，教授，博士，主要從事噴霧技術及測控技術研究。廣州 華南農業大學電子工程學院，510642。Email：songshuran@scau.edu.cn

洪添勝，廣東梅縣人，教授，博士，主要從事農業工程、機電一體化和信息技術應用研究。廣州 華南農業大學工程學院，510642。Email：tshong@scau.edu.cn