錐形風場式防飄移裝置霧滴沉積特性研究

胡 軍 劉昶希 初 鑫 李宇飛 孫舒儀 張 偉

(1.黑龍江八一農墾大學工程學院， 大慶 163319; 2.黑龍江省保護性耕作工程技術研究中心， 大慶 163319)

0 引言

霧滴飄移和沉降是影響植保機械作業效果的重要因素[1-2]。減少霧滴飄移和非靶標區域內的無效沉降一直是植保領域研究的熱點。霧滴飄移是在施藥過程中，從噴頭噴射出的霧滴粒子群因受空間內氣流場的影響而脫離靶標區域、改變沉降位置的一種物理運動過程[3-4]。霧滴飄移受多種因素影響，主要包括霧滴自身因素，如粒徑、理化性質等[5-6]，噴霧工況，如噴霧壓力、高度、角度等[7-8]，空間氣流場分布，如流場大小、方向等[9]，以及載具移動速度和采樣方式[10-12]等。減少霧滴飄移的方法有很多，例如靜電噴霧、氣流輔助式噴霧等。氣流輔助噴霧技術不僅能減少霧滴飄移，還能引導霧滴向靶標部位運動，使作物冠層的孔隙率變大，增加了霧滴穿透性[13-15]。因此，輔助氣流的利用形式和工作參數的選擇也成為影響霧滴飄移和沉降的重要因素。

TSAY等[16]利用Fluent軟件模擬分析了在沒有作物情況下氣流輔助噴霧系統各參數變化對噴霧效果的影響，評估了氣流輔助作用下的霧滴飄移特性。DERKSEN等[17]研究得出，在不同外界風速情況下，氣流輔助噴霧的方式能夠有效減少飄移的發生。QUANQUIN[18]以氣流輔助噴霧機為研究載體，探究了風扇轉速、噴霧壓力和噴霧排放方式對冠層內霧滴沉積的影響，并通過田間試驗確定了行進過程中最佳的噴霧作業高度。文獻[19-22]先后從霧滴沉積特性以及藥液飄失成因等方面對氣流輔助噴霧技術進行了研究，以期通過改變噴霧壓力和噴嘴類型以及利用輔助氣流等方式達到減少藥液飄移、提高霧滴沉積均勻性的目的。賈衛東等[23]在對風幕式噴桿噴霧施藥技術進行大量研究的基礎上，設計了一種雙平板感應式荷電裝置，并對風幕和靜電共同作用下的噴霧特性進行了一系列試驗研究。

在常用標準扇形噴頭上，本文設計一種可以減少霧滴飄移的錐形風場式防飄移裝置，通過室內霧滴飄移沉積試驗明晰錐形風場影響霧滴沉積的規律，以期為該防飄移裝置在不同側風影響下最佳作業參數的選擇提供依據。

1 結構與原理

1.1 結構設計

設計的錐形風場式防飄移裝置結構如圖1所示。該裝置主要由噴頭安裝座和雙層錐形氣流罩兩部分構成，其實物圖如圖2所示。噴頭安裝座采用旋轉卡扣結構，尺寸參照本研究選用的哈滴扇形霧噴頭進行設計。雙層錐形氣流罩根據周良富等[24]的雙氣流道風送原理采用仿形結構設計，最主要的尺寸參數為錐形風道的開口角和錐形風道長度，根據目前常用的扇形噴頭霧錐角將錐形風道開口角設為110°。

圖2 錐形風場式防飄移裝置實物圖Fig.2 Physical drawing of conical air flow anti-drift device1.雙層錐形氣流罩 2.噴頭安裝座

由于過短的錐形風道產生的輔助氣流會對液體霧化過程形成的空心液膜造成不利影響，而過長的錐形風道會對相鄰的噴頭霧化過程造成干擾，且會增加能量的損失。錐形風道長度計算式為

(1)

式中l——錐形風道長度

h——液膜高度

α——噴頭霧錐角

根據空心液膜位于10 cm處的形成位置并結合式(1)將錐形風道長度設為17.5 cm。在保證風量的前提下，通過縮小夾層間隙(即出風口面積)來提高氣流速度，本研究設計夾層間隙寬度為1 cm。供風裝置采用KOMAX型風機，風管與進風口直徑設為2 cm。

1.2 防飄原理

在噴霧作業過程中，自然風風向的變化不規則。根據宋堅利等[25]研究的扇形噴頭扇面末端及兩側霧滴更易發生飄移的理論，本文設計的仿霧形風場可以與自然風形成合力，引導扇面邊界的細小霧滴向靶標處沉降。當自然風方向自左向右時，自然風會與風場A形成一個合風場，合風場的方向指向作物，如圖3所示。大部分霧滴在風場A的作用下會加速向作物表面沉積，少數霧滴仍會向右飄移，這時風場B會進一步阻擋霧滴的飄移，從而提高沉積效果。

圖3 錐形輔助風場防飄原理圖Fig.3 Anti-drift schematic of conical wind field

2 試驗材料與方法

2.1 試驗儀器

試驗采用氣流輔助噴霧沉積量檢測系統。該系統主要構成有：可移動式氣流輔助噴霧試驗臺(圖4)、SFG型可調速軸流風機(模擬到達靶標作物側風風速范圍0～4 m/s、風量1 900 m3/h、轉速1 400 r/min)、精密型熱線風速儀(VT-100型)、KOMAX小型風機(提供錐形風風速范圍0～20 m/s)、Winner 318型激光粒度儀、Deposit Scan軟件、丹麥HARDI F-03-110型扇形噴頭等。

圖4 可移動式氣流輔助噴霧試驗臺Fig.4 Mobile air-assisted spray test bed1.風機 2.水泵 3.水箱 4.錐形風場式防飄移裝置 5.可移動滑道

2.2 試驗設計

2.2.1防飄移驗證試驗

為了更直觀地表述防飄原理，以純凈水為噴霧介質，利用植保綜合試驗臺分別在只有風場A作用或風場A、B同時作用這2種條件下對裝置進行防飄移驗證試驗(圖5)。試驗條件均為：側風風速2 m/s、錐風風速15 m/s、噴霧壓力0.3 MPa、噴霧高度500 mm、HARDI F-03-110型扇形噴頭、噴霧時間60 s，每組試驗進行3次取平均值。

圖5 防飄移原理驗證試驗裝置示意圖Fig.5 Proof test drawing of drift proof principle of device1.量筒(編號1～26) 2.集霧槽 3.水箱 4.控制閥 5.流量表 6.壓力表 7.錐形風場式防飄移裝置 8.風機

2.2.2霧滴沉積均勻性試驗

為探究錐形風場對相鄰噴頭噴霧作業產生的影響，本文在沉積特性綜合試驗開展前，利用植保綜合試驗臺對安裝錐形風場式防飄移裝置前、后的霧滴沉積均勻性進行試驗(圖6)。試驗條件：錐風風速0 m/s或15 m/s、噴霧壓力0.3 MPa、噴霧高度500 mm、HARDI F-03-110型扇形噴頭、噴霧時間60 s，每組試驗進行3次取平均值。

圖6 霧滴沉積均勻性試驗Fig.6 Proof test drawing of deposition proof principle of device1.量筒(編號1～45) 2.集霧槽 3.水箱 4.控制閥 5.流量表 6.壓力表 7.錐形風場式防飄移裝置

2.2.3霧滴沉積特性綜合試驗

試驗調節噴頭到植株頂端的高度為500 mm，并選用16盆綠蘿植株構成的矩形區域作為霧滴沉積數據采集區，采用五點取樣法將3次試驗的平均值作為試驗數據，利用愛普生V19型掃描儀對收集的水敏紙進行分類掃描(將此試驗中同一取樣點位置的水敏紙歸為一類)。并通過Deposit Scan軟件對水敏紙進行區域提取、比重設置、閾值調整以及碎片化等處理，將處理結果導入Origin進行整理分析。

此外，考慮到施藥機械移動作業引起的霧滴隨風飄失，本次霧滴沉積特性綜合試驗所需的側風風速由可移動噴霧試驗臺移動速度與軸流風機風速(模擬自然風)共同提供。

為了分析側風風速、錐風風速以及噴霧壓力等因素對霧滴沉積分布情況的影響，首先進行錐風風速單因素試驗，控制移動噴霧臺以速度2 m/s穿過噴霧區域(即此時軸流風機風速0 m/s，側風風速2 m/s)，在噴霧壓力為0.3 MPa，錐風風速分別為0、5、10、15、20 m/s的情況下分析霧滴沉積密度、覆蓋率、沉積量以及體積中徑的變化。其次進行噴霧壓力單因素試驗，將錐風風速設定為5 m/s，調節噴霧壓力為0.2～0.4 MPa，每組試驗較前一組增加0.02 MPa，共計11組試驗用于分析噴霧壓力對霧滴沉積量的影響。

通過對錐風風速和噴霧壓力單因素試驗結果進行分析，確定了多因素試驗的取值范圍。為探究不同側風風速、錐風風速以及噴霧壓力共同作用下的霧滴沉積效果，分析了這3個因素的影響主次程度并建立響應曲面模型。對所得模型進行優化與試驗驗證，從而得出最佳作業參數。

3 試驗結果與影響因素分析

3.1 防飄移驗證試驗

通過改變施加在HARDI F-03-110型扇形噴頭上的風場條件，得到霧滴飄移分布如圖7所示。

圖7 施加2種不同風場時霧滴飄移分布Fig.7 Droplet drift distribution when applying two different wind fields

由圖7可以看出，當僅有風場A作用時，單側錐風對于霧滴飄移的抵抗效果較差，側風對噴頭均勻性的不利影響較為嚴重。

霧滴飄移率計算公式為

(2)

式中β——飄移率，%

i——U型槽對應量筒編號，i=1,2,…,26

N——量筒總數

Mi——第i個量筒中收集的液體質量，kg

MZ——實際噴霧總質量，kg

將試驗數據整理后，代入式(2)得，施加兩側錐風比僅施加一側錐風的霧滴飄移率降低了31.2%。由此可得，在A、B兩側錐風的雙重作用下，霧滴的飄移潛力更小、沉積效果更好，從而驗證了1.2節提出的本裝置防飄移原理。

3.2 霧滴沉積均勻性試驗

對相鄰噴頭施加錐形風場前后，得到的霧滴沉積均勻性分布如圖8所示。

圖8 施加錐形風場前后霧滴沉積均勻性分布Fig.8 Uniform distribution of droplet deposition before and after applying conical wind field

從圖8可以看出，當施加錐形風場時，噴頭的有效噴幅變大，霧滴沉積均勻性有所提高。沉積均勻性試驗結果表明，霧液量分布變異系數降低了2.7%。

3.3 單因素試驗

3.3.1錐風風速

在側風風速為2 m/s，噴霧壓力為0.3 MPa，錐風風速為0～20 m/s，體積中徑、霧滴沉積密度、沉積量以及霧滴覆蓋率的變化趨勢如圖9、10所示。

圖9 不同錐風風速下霧滴沉積密度和體積中徑變化曲線Fig.9 Trends in droplet coverage density and mid-volume diameter at different cone wind speeds

圖10 不同錐風風速下霧滴沉積量和覆蓋率變化曲線Fig.10 Trends in droplet deposition and coverage at different cone wind speeds

由圖9、10可以看出，錐形風場加快了霧滴的沉降速度，從而使沉積均勻性得到提高。當錐風風速在0～10 m/s區間內時，霧滴覆蓋率、霧滴沉積密度、沉積量都與錐風風速呈明顯正相關，霧滴體積中徑略微變大。當錐風風速開始增大時，錐風風力小于霧滴自身的表面張力，不能使霧滴發生分裂。但是由于整個霧滴群的霧滴體積中徑都不相同，因此霧滴獲得動能也不同，導致霧滴之間有碰撞合并現象。隨著風速的繼續增大，錐風風力大于霧滴表面張力，霧滴會發生破裂，即霧滴粒徑變小。當錐風風速在10～15 m/s內時，霧滴覆蓋率、霧滴沉積密度、沉積量呈緩慢增長趨勢，霧滴體積中徑基本保持不變。當錐風風速在15～20 m/s時，各指標略微有所下降，趨于平穩，霧滴的體積中徑下降的趨勢較為明顯。原因為當錐風風力過大時，霧滴克服其表面張力并發生破裂的速度加快，形成細小的霧滴，自身存在的飄移潛力增大，導致霧滴沉積量等指標有所下降。

在相同試驗條件與采集面積下，有錐風作用時的霧滴體積中徑較無錐風時平均降低了11.7%，霧滴覆蓋率、沉積密度、沉積量分別提高了21.9%、26.7%、22.6%。

3.3.2噴霧壓力

為確保試驗的準確性，在噴霧壓力單因素試驗結束后，取3次試驗的平均值作為最終的試驗結果。噴霧壓力與霧滴沉積量的關系曲線如圖11所示。

圖11 霧滴沉積量隨噴霧壓力的變化曲線Fig.11 Curve of droplet deposition versus spray pressure

從圖11可以看出，當其他因素不變時，隨著噴霧壓力的增大，霧滴沉積量先增大后減小，但是總體變化幅度不大。當噴霧壓力為0.2 MPa時，沉積量最低，為2.13 μL/cm2，當噴霧壓力為0.3 MPa時，沉積量最高，為2.44 μL/cm2。增大噴霧壓力會減小霧滴粒徑。當噴霧壓力開始增大時，霧滴體積中徑變化較小，并且壓力增大后動能增加，霧化效果較好，因此沉積量有所增加。但是當噴霧壓力繼續增大時，液體經過噴嘴分裂成的霧滴體積中徑越來越小，使其自身飄移潛力增大，因此霧滴沉積量有所下降。

3.4 多因素試驗

3.4.1試驗方案與結果分析

根據Box-Behnken正交試驗方案設計三因素三水平響應面分析試驗，試驗因素編碼如表1所示，試驗方案與結果如表2所示，X1、X2、X3為因素編碼值。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Test factors codes

表2 試驗方案與結果Tab.2 Test scheme and response value

3.4.2回歸模型建立

運用Design-Expert 8.0.6軟件對表2中的試驗數據進行多元回歸擬合，建立側風風速、噴霧壓力、錐風風速和霧滴沉積量的回歸方程為

(3)

通過F檢驗得到P值以確定各個因素對響應值的影響顯著性，如表3所示。

由表3可得出，響應模型中P<0.01，表明文中所建立的響應模型極顯著；R2大于0.98，顯示模型擬合度高。 根據表3中各因素的顯著性水平，選擇P<0.05的因素進行模型優化，得出優化后的回歸方程為

(4)

由圖12、13可以看出，霧滴沉積量的標準化殘差分布圖基本呈正態分布，霧滴沉積量的預測值和試驗值的相關性較高。

表3 方差分析結果Tab.3 Variance analysis results

通過以上對模型擬合方差分析的結果表明，霧滴沉積量與各因素間的回歸模型較好。

3.4.3各因素交互作用

在上述回歸方程分析的基礎上，運用Design-Expert 8.0.6軟件繪制響應曲面，分析側風風速x1、噴霧壓力x2、錐風風速x3對響應值(沉積量)的影響。各因素交互作用對霧滴沉積量的影響如圖14所示。

圖12 霧滴沉積量標準化殘差分布Fig.12 Standardized residual distribution of droplet deposition

圖13 霧滴沉積量預測值與試驗值相關性曲線Fig.13 Correlation between predicted and experimental values of droplet deposition

圖14 各因素對霧滴沉積量影響的響應曲面Fig.14 Effect of various factors on amount of droplet deposition

由圖14a可知，當錐風風速為15 m/s，側風風速恒定不變時，隨著噴霧壓力的增大，霧滴沉積量呈上升趨勢；當噴霧壓力達到峰值后，霧滴體積中徑過小，自身飄移潛力變大，導致霧滴沉積量呈下降趨勢。當噴霧壓力恒定不變時，隨著側風風速的增加，飄移越來越嚴重，因此霧滴的沉積量逐漸減少。

由圖14b可知，當噴霧壓力為0.3 MPa，側風風速恒定不變時，隨著錐風風速的增加，其抵擋側風的能力增強，并加速了霧滴的沉降，使霧滴沉積量呈上升趨勢；當錐風風速達到峰值后，霧滴破碎加快，飄移潛力增大，導致沉積量呈下降趨勢。當錐風風速恒定不變時，隨著側風風速不斷增大，霧滴飄移越來越嚴重，因此霧滴的沉積量逐漸減少。

由圖14c可知，當側風風速為3.5 m/s，噴霧壓力恒定不變時，隨著錐風風速的增加，霧滴沉積量呈先上升后下降的趨勢。當錐風風速恒定不變時，隨著噴霧壓力的逐漸增大，霧滴沉積量同樣呈先上升后下降的趨勢。

因此，適當增加噴霧壓力和錐風風速有助于提高霧滴沉積量，3種因素對霧滴沉積量的影響由大到小為錐風風速、側風風速、噴霧壓力。

3.4.4模型優化與試驗驗證

為了滿足施藥要求，提高農藥利用率，本文進一步確定最佳組合參數，以實現在該氣流輔助裝置的作用下，霧滴沉積量能夠達到最優。結合本試驗影響因素的邊界條件，定義約束條件為

(5)

利用Design-Expert 8.0.6設計軟件得到各參數優化求解后的影響曲面如圖15所示。當側風風速2 m/s、噴霧壓力為0.34 MPa、錐風風速設為16.53 m/s時，可得霧滴沉積量最優值為3.14 μL/cm2。當側風風速大于2 m/s時，應該降低噴霧壓力，增加錐風風速，從而保證較優的霧滴沉積量。

圖15 模型優化后各因素對霧滴沉積量影響的響應曲面Fig.15 Effect of various factors on amount of droplet deposition after model optimization

為了驗證該優化方案的準確性，根據Design-Expert 8.0.6優化得出的因素取值：當側風風速2 m/s時，將噴霧壓力設成0.34 MPa、錐風風速為16.53 m/s進行5次試驗并取其平均值，5次重復試驗結果為3.12、3.16、3.11、3.14、3.12 μL/cm2，平均值為3.13 μL/cm2，與響應曲面優化的結果基本吻合。

4 結論

(1)設計的錐形風場式防飄移裝置可以起到細化霧滴粒徑、提高霧滴沉積效果的作用。當側風風速2 m/s時，在錐形風場輔助作用下，霧滴體積中徑較無錐形風場平均降低了11.7%，在相同采集面積下，霧滴覆蓋率、沉積密度、沉積量分別提高了21.9%、26.7%、22.6%。

(2)進行了室內多因素霧滴飄移沉積試驗，以側風風速、錐風風速、噴霧壓力為因素建立了二次回歸模型，并繪制了響應曲面。結果表明，3種因素對霧滴的沉積特性均有較為顯著的影響，影響由大到小依次為錐風風速、側風風速、噴霧壓力。

(3)當側風風速2 m/s、噴霧壓力為0.34 MPa、錐風風速設為16.53 m/s時，可得霧滴沉積量最優值為3.14 μL/cm2。當側風風速大于2 m/s時，應該降低噴霧壓力、增大錐風風速，從而保證較優的霧滴沉積量。試驗驗證所得結果與模型預測結果基本吻合。