雙流體噴嘴霧化控制特性研究

石寶寶，石復(fù)習(xí)，陳 軍，蔣宗謹(jǐn)，劉世浩

( 西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100 )

0 引言

目前，獼猴桃園主要施藥設(shè)備有壓力式噴霧器、彌霧機(jī)及風(fēng)送式噴霧機(jī)3種。其中，壓力式噴霧器霧滴直徑分布較大，噴施效果差；彌霧機(jī)購(gòu)置成本高昂，行間轉(zhuǎn)移靈活性差，不適合棚架作業(yè)；風(fēng)送式噴霧機(jī)噴施均勻性差，作業(yè)飄灑嚴(yán)重，環(huán)境污染嚴(yán)重。雙流體霧化是利用一定壓力的空氣或蒸汽，以高速?zèng)_擊速度較低的被霧化液體，將其撕裂成細(xì)小的液滴。雙流體霧化噴嘴主要用于增濕、冷卻降溫及噴霧涂層等等，具有霧化均勻、霧化粒徑穩(wěn)定區(qū)間大、氣體與液體可獨(dú)立控制等特點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)變量施藥，可廣泛應(yīng)用于果園精準(zhǔn)施藥，目前尚未得到廣泛應(yīng)用[1-4]。

雙流體霧化噴嘴是實(shí)現(xiàn)雙流式噴霧的核心部件，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)于高黏度和低黏度的液體都有良好的霧化性能，并且在保證霧化效果的基礎(chǔ)上，容易通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓和液體流量，靈活改變氣壓與液體流量來(lái)控制噴施距離、噴施量等特性參數(shù)，從而滿足不同條件的噴施要求[5-7]。將雙流體噴嘴應(yīng)用于獼猴桃園施藥噴霧，對(duì)于降低農(nóng)藥用量，減少藥液飄灑，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量施藥具有重要作用。

目前，針對(duì)雙流體噴施的研究主要有霧滴粒徑、霧滴速度、霧滴個(gè)數(shù)、流量、霧化角及噴孔直徑等方面的研究。盧平等在雙流體霧化特性試驗(yàn)中，利用了PIV測(cè)量技術(shù)，測(cè)試了不同氣液比下的霧滴粒徑，霧化顆粒平均粒徑隨著氣液比的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；王貞濤等利用了相位多普勒粒子動(dòng)態(tài)分析儀測(cè)試了噴嘴不同孔徑下的霧滴粒徑和不同工作壓力下的霧滴軸向平均滴速，獲取了噴孔直徑為1.2mm噴嘴具有更好的霧化效果，選用0.3MPa或者0.4MPa的工作壓力較為合適[8-9]。

本文以扇形噴嘴、廣角圓形噴嘴、圓形噴嘴3種雙流體噴嘴為研究對(duì)象，根據(jù)獼猴桃果園的架型結(jié)構(gòu)、樹形大小和樹冠密度等作業(yè)條件，在設(shè)定氣壓和液體流量條件下，獲取雙流式噴射霧化作業(yè)的控制參數(shù)，探討了氣壓與貫穿距、氣壓與霧化角及氣壓與液體流量的關(guān)系，確定了影響雙流體噴嘴霧化效果的主要因素及最佳控制參數(shù)，為雙流體噴嘴的變量施藥作業(yè)系統(tǒng)的構(gòu)建，提供基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用東莞市沙鷗噴霧系統(tǒng)有限公司、D-1/4-SS+SUC23-SS、D-1/4-SS+SUC11-SS、D-1/4-SS+SUK30-SS型號(hào)的雙流體霧化噴嘴。試驗(yàn)臺(tái)選用4040鋁型材搭建，噴射控制所需的儀器全部安置于試驗(yàn)臺(tái)上。試驗(yàn)裝置由行走系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)及液路系統(tǒng)3部分組成。行走系統(tǒng)包括底架等；氣路系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、氣源處理器、節(jié)流閥、氣體流量計(jì)及氣體壓力表等；液路系統(tǒng)包括藥箱、齒輪泵、單向閥、液體流量計(jì)、液體壓力表及雙流體噴嘴等。試驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖如圖1所示。

1.空氣壓縮機(jī) 2.氣源處理器 3.節(jié)流閥 4.氣體流量計(jì) 5.氣體壓力表 6.雙流體噴嘴 7.液體壓力表 8.液體流量計(jì) 9.單向閥 10.齒輪泵 11.藥箱圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system

霧化特性研究中，空氣壓縮機(jī)和齒輪泵是試驗(yàn)裝置中的動(dòng)力源，由氣源處理器進(jìn)行氣體動(dòng)力的穩(wěn)定并且調(diào)節(jié)氣壓的大小；節(jié)流閥對(duì)氣路系統(tǒng)進(jìn)行氣體調(diào)節(jié)，產(chǎn)生壓力損失，防止過(guò)大氣流將液流頂回去；氣體壓力表和流量計(jì)監(jiān)測(cè)氣路系統(tǒng)管路中的壓力和流量。液路系統(tǒng)中單向閥可以有效防止液體回流，液體壓力表和流量計(jì)監(jiān)測(cè)液路系統(tǒng)管路中的壓力和流量。氣液雙流體試驗(yàn)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 雙流體試驗(yàn)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of twin-fluid test system

霧化特性試驗(yàn)過(guò)程中使用到3種噴嘴，這3種噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致，只是空氣帽不同，現(xiàn)給出雙流體扇形噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.氣體入口 2.氣體出口 3.擋圈 4.雙流體出口 5.空氣帽 6.液體出口 7.液體入口 8.可調(diào)針閥圖2 雙流體扇形噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of twin-fluid sector nozzle

采用相同的齒輪泵壓力，調(diào)節(jié)噴霧氣壓進(jìn)行霧化特性試驗(yàn)，工作氣壓范圍1.5～4.0bar，標(biāo)準(zhǔn)齒輪泵電壓為12V。通過(guò)固定泵壓條件下，改變氣壓得到3種雙流體噴嘴的噴射特性參數(shù)，通過(guò)壓力表和流量計(jì)檢測(cè)噴嘴氣體入口和液體入口前的壓力和流量。試驗(yàn)裝置設(shè)定為噴嘴霧化，噴嘴高度距離地面1.2m，與地面水平放置，噴霧時(shí)該裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)氣源處理器實(shí)現(xiàn)氣液雙流式變量噴霧。

1.2 試驗(yàn)方法

以空氣和清水作為工作介質(zhì)進(jìn)行雙流體霧化試驗(yàn)研究，將試驗(yàn)裝置按圖1搭建即可，對(duì)于不同氣壓下的霧化特性參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，保證噴嘴水平分布，噴嘴出口水平噴射，在地面放置皮尺和濕敏紙，可以有效測(cè)量貫穿距的大小；在進(jìn)行霧化角的測(cè)量時(shí)，噴嘴垂直分布，距離地面高度1.2m，噴霧角度的背景粘貼藍(lán)色紙張，便于更好地用相機(jī)拍攝圖片。根據(jù)圖2雙流體扇形噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖可知：空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣和清水分別通過(guò)氣體入口和液體入口進(jìn)入噴嘴，隨之產(chǎn)生1路液體，3路氣體，且在空氣帽處混合霧化，形成細(xì)小霧滴，最終在雙流體出口處實(shí)現(xiàn)噴霧；每次試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，以確保獲得更精確的數(shù)據(jù)。

2 霧化特性試驗(yàn)

2.1 氣壓對(duì)霧化角的影響

霧化角是指霧化流場(chǎng)邊界間的夾角，根據(jù)上述搭建的試驗(yàn)裝置，將噴嘴垂直布置，豎直向下噴霧，設(shè)定齒輪泵電壓值為12V，改變氣壓得到不同霧化條件的角度，固定相機(jī)拍攝霧化角圖片。圖3～圖5分別給出了廣角圓形噴嘴、圓形噴嘴、扇形噴嘴在氣壓p為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0bar下的霧化霧炬圖。

(a) p=1.5bar (b) p=2.0bar

(c) p=2.5bar (d) p=3.0bar

(e) p=3.5bar (f) p=4.0bar圖3 廣角圓形噴嘴霧化霧炬圖Fig.3 Wide angle circular nozzle spray map

(a) p=1.5bar (b) p=2.0bar

(c)p=2.5bar (d) p=3.0bar

(e) p=3.5bar (f) p=4.0bar圖4 圓形噴嘴霧化霧炬圖Fig.4 Circular nozzle spray map

(c) p=2.5bar (d) p=3.0bar

(e) p=3.5bar (f) p=4.0bar圖5 扇形噴嘴霧化霧炬圖Fig.5 Fan nozzle spray torch chart

從圖3～圖5中可以看出：扇形噴嘴的霧化錐角適中，霧炬較為飽滿，霧化顆粒沿霧炬徑向分布較為均勻，且以極細(xì)的霧滴形式存在，整體霧化效果良好。其中，在氣壓為2.0bar下霧化角基本最大，當(dāng)p為2.0bar時(shí)，圖3廣角圓形噴嘴的霧錐角最大約55°，霧滴分布有交叉、重疊；圖4圓形噴嘴的霧錐角約為14°；圖5扇形噴嘴約為90°。

將上述噴霧條件下所得的霧化霧炬圖轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)曲線，研究氣壓對(duì)霧化角的影響，如圖6所示。在齒輪泵電壓值為12V的情況下，3種噴嘴的霧化角都隨著氣壓的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在氣壓一定的情況下，扇形噴嘴的霧化角最大，廣角圓形噴嘴的霧化角次之，圓形噴嘴的霧化角最小。

由圖6可以看出：圓形噴嘴在氣壓值為3.5bar時(shí)，霧化角為0°，可見在氣壓值為3.5bar及以后圓形噴嘴不再有液體，不適合噴霧；廣角圓形噴嘴在4.0bar時(shí)霧化角亦為0°，霧化過(guò)程中沒有液體，不適合噴霧；而扇形噴嘴在整個(gè)控制氣壓變化范圍內(nèi)都有均勻的霧滴分布，可見在氣壓變化的過(guò)程中扇形噴嘴優(yōu)于廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴。

圖6 氣壓對(duì)霧化角的影響Fig.6 Effect of air pressure on atomizing angle

2.2 氣壓對(duì)貫穿距的影響

根據(jù)噴嘴霧化霧炬圖，噴霧從噴嘴到最大彌散處的總距離為貫穿距。測(cè)試貫穿距時(shí)利用搭建的試驗(yàn)平臺(tái)，將齒輪泵電壓值設(shè)定為12V不變，調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)輸出的氣壓，氣壓范圍1.5～4.0bar，利用皮尺和水敏紙的效果測(cè)試出對(duì)應(yīng)的貫穿距。

圖7為雙流體扇形噴嘴、廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴的氣壓與貫穿距的關(guān)系曲線。調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)輸出氣壓的大小得到噴霧霧滴的貫穿距，為實(shí)現(xiàn)變量噴霧提供了對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系。

將這些數(shù)據(jù)用EXCEL處理，得出3種噴嘴下氣壓與貫穿距的擬合關(guān)系式分別為

L1=-0.2357p12+1.605p1-0.2593

(1)

L2=-1.6p22+7.12p2-5.12

(2)

L3=-2.2571p32+9.7457p3-6.1886

(3)

圖7 氣壓對(duì)貫穿距的影響Fig.7 Effect of air pressure on penetration

由圖7可以看出：在液路系統(tǒng)齒輪泵電壓設(shè)定為12V不變時(shí)，扇形噴嘴、廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴的貫穿距均隨著氣壓的增大先增大后減小。其中，圓形噴嘴和廣角圓形噴嘴在氣壓為2.5bar時(shí)貫穿距基本最大，扇形噴嘴在氣壓為2.5bar下貫穿距為2.2m，在3.5bar時(shí)貫穿距基本達(dá)到最大，為2.6m，都符合獼猴桃園的實(shí)際情況；在氣壓大于3.5bar時(shí)，廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴的貫穿距都為0，說(shuō)明此時(shí)噴嘴出口處基本無(wú)液體，不適合霧化。但是對(duì)于一般的果園來(lái)說(shuō)，一定壓力下的貫穿距就可以保證霧滴的有效穿透性，過(guò)大的貫穿距會(huì)造成藥液浪費(fèi)。針對(duì)獼猴桃園的樹高、葉幕層等綜合考慮來(lái)說(shuō)，扇形噴嘴優(yōu)于廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴，且選用2.5bar的氣壓較為合適。

2.3 氣壓對(duì)流量的影響

在液路系統(tǒng)齒輪泵電壓給定12V的情況下，依據(jù)搭建的試驗(yàn)平臺(tái)，調(diào)節(jié)氣源處理器，改變空氣壓縮機(jī)的輸出氣壓值，噴嘴的可調(diào)針閥放到最大位置，可以保證液體的最大流量，氣路的節(jié)流閥開到最大，使霧化效果最佳。想要驗(yàn)證氣路與液路系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，氣路控制氣壓，液路控制流量，故此求證氣壓對(duì)流量的相關(guān)關(guān)系。圖8為氣壓對(duì)液體流量的影響。

圖8 氣壓對(duì)液體流量的影響Fig.8 Effect of air pressure on liquid flow

由圖8可以看出：扇形噴嘴、廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴這3種噴嘴對(duì)應(yīng)的液體流量都隨著氣壓的增大而減小，減小幅度為扇形噴嘴低于廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴。其中，在氣壓一定時(shí)，扇形噴嘴的流量最大，廣角圓形噴嘴的流量次之，圓形噴嘴的最小。在氣壓為2.5bar時(shí)，扇形噴嘴的流量為0.315L/min，廣角圓形噴嘴的流量為0.233L/min，圓形噴嘴的流量為0.182L/min。改變氣路系統(tǒng)中氣壓的大小，液路系統(tǒng)中液體流量隨著變化，可見該套試驗(yàn)系統(tǒng)中氣液相互影響，相互制約。

在氣路系統(tǒng)中，噴嘴氣流量的大小決定了空壓機(jī)的選型，因此合適的氣路系統(tǒng)必須要有合適的空壓機(jī)。在液路系統(tǒng)齒輪泵電壓為12V不變時(shí)，調(diào)節(jié)氣源處理器改變空氣壓縮機(jī)輸出的氣壓值，得出氣流量的大小。圖9為氣壓對(duì)氣流量的影響。

圖9 氣壓對(duì)氣體流量的影響Fig.9 Effect of air pressure on gas flow

由圖9可以看出：扇形噴嘴、廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴這3種噴嘴對(duì)應(yīng)的氣體流量都隨著氣壓的增大而增大；當(dāng)氣壓一定時(shí)，廣角圓形噴嘴所消耗的氣體流量最大，扇形噴嘴次之，圓形噴嘴最小。由于圓形噴嘴的霧化出口僅有一個(gè)圓形口，出口截面積最小，所以對(duì)應(yīng)的氣體流量最小；而廣角圓形噴嘴的出口有6個(gè)細(xì)小的圓形口，使得出口截面積最大，所以對(duì)應(yīng)的氣體流量最大；扇形噴嘴的雙流體出口為一弧度，截面積處于中間，對(duì)應(yīng)的氣體流量處于中間。當(dāng)氣壓為2.5bar時(shí)，扇形噴嘴的氣體流量為90L/min，廣角圓形噴嘴的氣體流量為98L/min，圓形噴嘴的氣體流量為80L/min，均處于空氣壓縮機(jī)額定流量120L/min內(nèi)，滿足試驗(yàn)要求。

2.4 氣路系統(tǒng)上氣壓的損失

在氣路系統(tǒng)中，有節(jié)流閥的添加及一些管路通路上的儀表通孔，長(zhǎng)度不一致的硬質(zhì)管路都造成了氣路系統(tǒng)上的壓力損失，壓力的損失導(dǎo)致氣體流量的減少。在噴霧過(guò)程中，節(jié)流閥處于最大開通狀態(tài)，壓力表放置于雙流體噴嘴氣體入口前面，通過(guò)比較氣源處理器和氣體壓力表的大小，得到氣路系統(tǒng)整個(gè)管路的壓力損失。液路系統(tǒng)上齒輪泵的電壓給定12V，測(cè)試氣路系統(tǒng)上3種噴嘴的壓力損失，如圖10所示。

圖10 氣路系統(tǒng)上的壓力損失Fig.10 Pressure loss on the gas path system

根據(jù)圖10氣路系統(tǒng)上的壓力損失可以看出：在氣壓變化范圍內(nèi)圓形噴嘴壓力損失最小，在氣壓為1.5～2.0bar時(shí)，扇形噴嘴損失最大，廣角圓形噴嘴次之；在2.0～4.0bar時(shí)，廣角圓形噴嘴損失最大，扇形噴嘴次之。

3 結(jié)論

1)在相同的齒輪泵壓力下，噴嘴霧化角的大小隨著氣路系統(tǒng)下氣壓的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，綜合霧化效果和霧化角度，扇形噴嘴優(yōu)于廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴。

2)根據(jù)氣壓與貫穿距的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析得出：3種噴嘴的貫穿距均隨著氣壓的增大先增大后減小，在氣壓為2.5bar時(shí)，貫穿距基本達(dá)到最大值；針對(duì)獼猴桃園具體形狀尺寸，扇形噴嘴的貫穿距優(yōu)于圓形噴嘴和廣角圓形噴嘴。

3)雙流體噴嘴在霧化過(guò)程中，氣路系統(tǒng)中的氣壓對(duì)氣體流量和液體流量都有直接的影響，隨著氣壓的增大氣體流量增大，而液體流量隨著氣壓的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，氣路與液路系統(tǒng)的壓力和流量相互影響，相互制約。

4)在氣路系統(tǒng)傳輸過(guò)程中，空壓機(jī)輸出的壓力會(huì)在管路與儀表通孔中損失，在氣壓變化范圍內(nèi)圓形噴嘴壓力損失最小。