脈沖式煙霧水霧機(jī)熱力霧化水劑農(nóng)藥效果分析

汪 東 陳 青 許林云 周宏平 侯秀梅

(1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院， 南京 210037； 2.南京森林警察學(xué)院科技處， 南京 210023)

0 引言

脈動(dòng)燃燒是介于常規(guī)穩(wěn)態(tài)燃燒和爆炸燃燒之間的一種燃燒方式[1]。與穩(wěn)態(tài)燃燒器相比，應(yīng)用脈動(dòng)燃燒技術(shù)構(gòu)成的脈動(dòng)燃燒器具有很高的燃燒效率、燃燒強(qiáng)度，以及自動(dòng)排氣和自吸功能，有害廢氣的排放量很低，除單向閥門之外幾乎沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件[1-3]。我國(guó)從20世紀(jì)60年代開始將脈動(dòng)燃燒技術(shù)應(yīng)用于病蟲害防治設(shè)備中，以脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)為熱動(dòng)力、針對(duì)油溶劑農(nóng)藥開發(fā)的脈沖煙霧機(jī)[4-5]的工作效率是同類型常規(guī)噴霧裝備的20倍以上。近幾年，隨著林果業(yè)及蔬菜溫室的大力發(fā)展，市場(chǎng)上又出現(xiàn)了可噴施油溶劑和水霧劑農(nóng)藥的多功能脈沖式煙霧水霧機(jī)[6]。

文獻(xiàn)[7]闡述了脈沖式煙霧水霧機(jī)的工作原理，脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)是農(nóng)藥熱力煙化或霧化的能量動(dòng)力源，整個(gè)系統(tǒng)完全依靠脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的自激自吸形成脈動(dòng)振蕩燃燒過(guò)程，無(wú)需供油泵、供氣泵及供藥泵等耗能裝置。國(guó)內(nèi)外對(duì)常規(guī)噴霧裝備藥液噴頭的液力、氣力霧化方式及霧化理論進(jìn)行了大量研究，形成了行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的霧滴霧化理論計(jì)算公式[8-9]。針對(duì)脈沖煙霧機(jī)及脈沖式煙霧水霧機(jī)的相關(guān)研究主要集中在動(dòng)力源的研究上，如脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性[10-12]、噪聲與控制[13-15]、尾氣成分[16-17]等。而藥液進(jìn)入脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)噴管內(nèi)進(jìn)行熱力霧化的過(guò)程屬于液流進(jìn)入橫向的脈動(dòng)湍流氣流中，其對(duì)應(yīng)的研究幾乎處于空白。國(guó)內(nèi)外主要進(jìn)行了以氣態(tài)射流為主、以氫氣為燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力矢量控制等研究，以液態(tài)射流為主的渦輪燃燒室或以液態(tài)碳?xì)淙紵秊橹鞯某紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究[18-20]，以及以脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)為熱動(dòng)力的干燥用脈動(dòng)燃燒器的霧化試驗(yàn)研究[21-22]。

應(yīng)用高效能脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)排放氣流的高溫?zé)崮芘c紊流動(dòng)能對(duì)農(nóng)藥?kù)F化或煙化的機(jī)理及霧化效果的研究非常匱乏，使這類產(chǎn)品常出現(xiàn)大霧滴或噴口出現(xiàn)滴液或流液的霧化不良現(xiàn)象，尤其是水霧劑農(nóng)藥，更容易出現(xiàn)這些問(wèn)題。本文針對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品6HYW-60S型脈沖式煙霧水霧機(jī)，研究在不同油門開度下不同噴藥量水霧劑農(nóng)藥的熱力霧化效果，以探求脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的熱動(dòng)力與藥液流量之間的最佳匹配關(guān)系。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 脈沖式煙霧水霧機(jī)結(jié)構(gòu)

選用市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品6HYW-60S型脈沖式煙霧水霧機(jī)，基于人工背負(fù)的便攜式要求，外形尺寸為1 165 mm×316 mm×325 mm，凈質(zhì)量只有7.5 kg，在果園內(nèi)進(jìn)行噴霧工作現(xiàn)場(chǎng)如圖1a所示，工作原理見圖1b。脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)由燃燒室與噴管構(gòu)成，整個(gè)工作系統(tǒng)完全依靠脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)體內(nèi)氣流的自激自吸形成脈動(dòng)燃燒振蕩過(guò)程，并利用振蕩過(guò)程中燃燒室內(nèi)氣流的壓力波動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吸油、吸氣及泵藥，無(wú)需額外配備供油泵、供氣泵及供藥泵等耗能裝置。

圖1 脈沖式煙霧水霧機(jī)Fig.1 Pulsed smoker/fogger1.打氣筒 2.化油器 3.油針 4.火花塞 5.油箱 6.燃燒室 7.噴管 8.藥噴嘴 9.噴管口 10.藥開關(guān) 11.藥箱 12.引壓?jiǎn)蜗蜷y 13.計(jì)量管 14.二位三通閥 15.轉(zhuǎn)子流量計(jì) 16.齒輪泵 17.溫度測(cè)點(diǎn)

因產(chǎn)品在使用過(guò)程中可通過(guò)旋轉(zhuǎn)化油器上的油針調(diào)節(jié)油門開度以調(diào)節(jié)供油量，而供藥量只能通過(guò)操作藥開關(guān)通藥或關(guān)藥兩種狀態(tài)控制，即實(shí)際供藥量不可調(diào)節(jié)變化。目前，因脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的許多工作機(jī)理不明確且農(nóng)藥通過(guò)脈動(dòng)熱氣流的熱力霧化機(jī)理還處于空白狀態(tài)，供藥量與熱動(dòng)力之間的匹配關(guān)系主要靠各生產(chǎn)廠家的試驗(yàn)確定，在實(shí)際使用過(guò)程中，無(wú)論是脈沖煙霧機(jī)只霧化油溶劑農(nóng)藥，還是脈沖式煙霧水霧機(jī)可分別霧化油溶劑農(nóng)藥和水霧劑農(nóng)藥，總體來(lái)說(shuō)，油溶劑農(nóng)藥比較容易實(shí)現(xiàn)全面霧化，即供藥量與熱動(dòng)力之間具有較寬的匹配范圍，而對(duì)水霧劑農(nóng)藥則較難獲得良好的匹配關(guān)系，常出現(xiàn)霧化出過(guò)大霧滴甚至無(wú)法有效霧化形成流液或滴液現(xiàn)象。因此，本文只研究脈沖式煙霧水霧機(jī)熱力霧化水霧劑農(nóng)藥的霧化效果，且需將6HYW-60S型脈沖式煙霧水霧機(jī)的自動(dòng)供藥系統(tǒng)分離出來(lái)，即將圖1b中對(duì)藥液加壓的引壓?jiǎn)蜗蜷y缷下，形成流量可調(diào)節(jié)且可測(cè)量的供藥裝置，并構(gòu)成圖1c所示的試驗(yàn)測(cè)試裝置，可測(cè)試噴管內(nèi)的氣流溫度與速度、藥液流量、耗油量及熱力霧化后的霧滴粒徑分布等參數(shù)。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

(1)溫度測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)

藥液從藥噴嘴以液流形式流入噴管內(nèi)，該位置點(diǎn)的氣流溫度是直接影響進(jìn)入噴管內(nèi)的藥液能否有效熱力霧化的重要因素，因此以藥噴嘴處噴管內(nèi)軸中心位置及噴管口處為氣流溫度測(cè)試點(diǎn)，如圖1c所示。采用自制的鎢錸熱電偶和溫度顯示儀，并通過(guò)SX-1-10型箱式電阻爐對(duì)其進(jìn)行溫度標(biāo)定及修正，試驗(yàn)時(shí)將熱電偶從噴管口處插入兩測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量。

(2)藥液流量調(diào)節(jié)裝置

藥液流量調(diào)節(jié)裝置由藥噴嘴、藥開關(guān)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、齒輪泵和藥箱組成(圖1c)。

(3)燃油消耗率測(cè)試系統(tǒng)

在試驗(yàn)裝置中對(duì)原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中從油箱至化油器的供油管路中插入一個(gè)二位三通閥，加上一個(gè)50 mL油耗計(jì)量管(圖1c)，構(gòu)成燃油消耗率測(cè)試裝置。試驗(yàn)時(shí)，在脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段及進(jìn)入工作穩(wěn)態(tài)階段前的過(guò)渡階段均由油箱供油，只有進(jìn)入工作穩(wěn)態(tài)階段并進(jìn)行測(cè)試時(shí)才將二位三通閥轉(zhuǎn)由計(jì)量管供油。

(4)氣流速度測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)點(diǎn)

水霧劑農(nóng)藥進(jìn)入噴管內(nèi)進(jìn)行熱力霧化時(shí)，不僅與噴管內(nèi)高溫氣流的熱能有關(guān)，還與噴管內(nèi)氣流流動(dòng)的動(dòng)能有關(guān)。以噴管口的中心點(diǎn)作為測(cè)點(diǎn)，由畢托管與U型管壓力計(jì)構(gòu)成該測(cè)點(diǎn)的靜態(tài)氣流速度測(cè)試裝置。

(5)霧滴粒徑測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)點(diǎn)

水霧劑農(nóng)藥熱力霧化后的霧滴粒徑分布是評(píng)價(jià)熱力霧化效果的重要指標(biāo)，應(yīng)用德國(guó)新帕泰克有限公司HELOS型激光粒度儀及軟件測(cè)量霧滴粒徑分布情況。

無(wú)論是脈沖煙霧機(jī)還是脈沖式煙霧水霧機(jī)，均會(huì)在燃燒室和噴管外部增加一個(gè)冷卻管，一方面對(duì)工作過(guò)程中高溫的燃燒室和噴管起導(dǎo)流冷卻作用，另一方面起安全保護(hù)作用，且冷卻管應(yīng)覆蓋住噴管，即噴管口縮在冷卻管內(nèi)。因此，實(shí)際噴霧出口是指冷卻管口而不是噴管口。以噴霧出口作為水平方面的起始0點(diǎn)，以噴管軸線作為垂直方向的0點(diǎn)，噴管中心距地面1 m，對(duì)應(yīng)的霧滴粒徑測(cè)點(diǎn)分布圖如圖2所示。根據(jù)初步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，霧滴區(qū)域主要集中在距離出口0.6～1.2 m處，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)間隔0.2 m，其他試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)間隔0.3 m。圖2中激光粒度儀可采集數(shù)據(jù)的測(cè)點(diǎn)用黑色表示，無(wú)法采集的測(cè)點(diǎn)用紅色表示。

圖2 霧滴粒徑測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution map of droplet size measuring points

1.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

油門開度：旋轉(zhuǎn)化油器上的油針(圖1c)可調(diào)節(jié)進(jìn)油量，油針可旋轉(zhuǎn)角度為90°，將油針旋轉(zhuǎn)角度4等分，并設(shè)定油門開度0°、22.5°、45°、67.5°、90°共5個(gè)位置點(diǎn)。

藥液流量：6HYW-60S型脈沖式煙霧水霧機(jī)產(chǎn)品型號(hào)中的“60”是指噴水霧時(shí)藥液流量為60 L/h，本文以清水代替水霧劑農(nóng)藥作為試驗(yàn)用液體，流量分別為20、40、60、80 L/h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不噴藥時(shí)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

如圖1c所示，手動(dòng)操作打氣筒啟動(dòng)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作，但藥液供給系統(tǒng)中的藥開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，測(cè)試不同油門開度工況下的燃油消耗率、噴管內(nèi)藥噴嘴及噴管口處的中心氣流溫度與噴管口處的中心流速，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 脈沖式煙霧水霧機(jī)不噴藥時(shí)各參數(shù)值Tab.1 Parameter values of pulsed smoker/fogger without spraying

油門開度在0°～90°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)變化時(shí)，燃油消耗率相應(yīng)變化范圍為1.46～1.65 kg/h，總變化量只有0.19 kg/h，比最小油門開度0°增加了13.0%，因此油門開度的調(diào)節(jié)對(duì)燃油消耗率的改變并不大，且油門開度處于最小開度0°時(shí)，油針并沒(méi)有堵住油嘴，而是保持一定開度，一般為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)開度；油門處于最大開度90°時(shí)的燃油消耗率只比油門開度67.5°時(shí)高0.01 kg/h，說(shuō)明油門開度67.5°時(shí)已接近全開狀態(tài)。最小開度是由廠家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究確定的，油門開度過(guò)小則無(wú)法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

藥噴嘴處噴管截面中心的氣流溫度高達(dá)1 000℃左右，總體來(lái)說(shuō)隨著油門開度的加大，即燃油消耗率不斷增加，其溫度對(duì)應(yīng)逐步增加，從油門開度0°時(shí)的968℃，達(dá)到最大油門開度時(shí)1 083℃，共增加了115℃；各油門開度下，噴管口氣流溫度比藥噴嘴中心氣流溫度出現(xiàn)了明顯下降，平均下降了255℃。這并不表示從藥噴嘴至噴管出口這段近400 mm的噴管內(nèi)氣流通過(guò)管壁與外界的熱交換及熱輻射產(chǎn)生的熱量損失造成大幅度的溫度下降，而是由于脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)燃燒工作時(shí)氣流在噴管內(nèi)沿噴管軸向來(lái)回振蕩，在噴管口因燃燒室內(nèi)處于負(fù)壓階段，噴管內(nèi)氣流會(huì)產(chǎn)生倒吸，從而使噴管口處周圍的外界冷空氣與剛排出的熱氣流形成的混合氣流產(chǎn)生回吸進(jìn)入到噴管內(nèi)，使噴管口處氣流溫度發(fā)生明顯下降。經(jīng)過(guò)前期大量研究，一般氣流回吸深度為150 mm左右，即不會(huì)回流至藥噴嘴處，因此藥噴嘴處的氣流溫度是完全來(lái)自于燃燒室內(nèi)燃燒完后的脈動(dòng)氣流的平均溫度。

噴管內(nèi)的氣流速度沿噴管軸向來(lái)回脈動(dòng)變化，一般呈簡(jiǎn)諧曲線變化關(guān)系，且脈沖式煙霧水霧機(jī)的脈動(dòng)頻率一般為100 Hz左右，現(xiàn)有常規(guī)的氣流速度測(cè)試裝置還無(wú)法測(cè)試噴管內(nèi)氣流的瞬時(shí)流速，采用皮托管只能測(cè)試噴管口處氣流的平均流速。噴管口處的氣流速度從油門開度0°時(shí)的87.0 m/s逐步增加到最大油門開度90°時(shí)的最高值99.2 m/s，增加了14.0%。

2.2 噴藥狀態(tài)

2.2.1噴管口氣流溫度與速度

脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，打開藥開關(guān)(圖1c)，藥液(清水)從藥噴嘴進(jìn)入噴管內(nèi)，利用噴管內(nèi)熱氣流的高溫?zé)崮芎兔}動(dòng)紊流動(dòng)能將藥液流熱力霧化形成細(xì)小水霧滴群流，此時(shí)噴管口處的氣流(或霧滴群流)溫度及速度的測(cè)試值見表2。

表2 噴藥狀態(tài)下噴管口氣流溫度與氣流速度Tab.2 Temperature and velocity of gas flow at nozzle under spray condition

對(duì)應(yīng)于噴管口處與氣流相混合的水霧滴群的測(cè)試溫度不超過(guò)100℃，因?yàn)樵跓犭娕嫉奶筋^上會(huì)使經(jīng)過(guò)探頭處的水霧沉降在探頭上，探頭始終處于潮濕狀態(tài)，且現(xiàn)有測(cè)量方法也無(wú)法分別測(cè)量出霧滴群中的氣流溫度與霧滴溫度，因此所測(cè)溫度作為霧滴群流平均溫度。因此藥液在噴管內(nèi)進(jìn)行熱力霧化時(shí)，將藥噴嘴處近1 000℃的高溫?zé)釟饬鳎杆傧陆档絿姽芸谔幍?5℃左右。藥液流量增加，溫度呈小幅下降。最小油門開度0°工況下，當(dāng)流量從20 L/h增加4倍至80 L/h，溫度只下降了8℃；最大油門開度90.0°時(shí)，對(duì)應(yīng)的流量變化下溫度也只下降了13℃。在同一藥液流量噴霧工作狀態(tài)下，油門開度增大對(duì)應(yīng)耗油率增加，溫度上升變化非常小，綜合考慮所有藥液流量工況下，最小油門開度增大至最大油門開度下總體平均溫度只上升了4.3℃。

表2中的氣流速度即流速是指噴管口處氣流的靜態(tài)速度，也稱為平均流速或穩(wěn)態(tài)流速。打開藥開關(guān)，藥液流入噴管內(nèi)熱氣流中，噴管口處的流速明顯下降，即使在最小流量20 L/h工況下，油門開度0°時(shí)，流速?gòu)牟粐娝帟r(shí)的87.0 m/s下降為71.4 m/s，下降了17.9%；在該流量工況下，其余各油門開度22.5°、45°、67.5°、90°對(duì)應(yīng)的下降幅度分別為18.5%、15.3%、17.5%、16.4%，可見均出現(xiàn)了類似程度的下降。說(shuō)明藥液流入到噴管內(nèi)，需要消耗噴管內(nèi)氣流的熱量和動(dòng)能進(jìn)行霧化，同時(shí)霧化后形成的細(xì)小霧滴群會(huì)加入到氣流中，使氣流形成新的混合質(zhì)量流，且質(zhì)量明顯增加，從而使流速出現(xiàn)明顯的下降。當(dāng)藥液流量從20 L/h增加到40 L/h時(shí)，最小油門開度比最大油門開度工況下的流速下降略大一些，分別下降了6.1、4.0 m/s，其余3種油門開度工況的流速下降非常小，均低于2.0 m/s；當(dāng)藥液流量進(jìn)一步增大到60 L/h時(shí)，比上一流量變化區(qū)間引起的流速下降幅度有所增大，平均下降了6.2 m/s；當(dāng)藥液流量增大到最大流量80 L/h時(shí)，流速呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，這一流量變化區(qū)間所引起的平均流速下降了17.4 m/s。

綜上所述，藥液流入噴管內(nèi)進(jìn)行熱力霧化時(shí)，不僅消耗噴管內(nèi)熱氣流的熱能與動(dòng)能，使氣流的溫度與流速明顯下降，將藥液由液流狀態(tài)轉(zhuǎn)化為霧滴群流狀態(tài)。油門開度的增大與藥液流量的增加只使噴管口處的氣流溫度出現(xiàn)較小幅度的變化，而藥液流量對(duì)中低流量工況下的流速影響較小，但當(dāng)藥液流量大到一定程度如達(dá)到80 L/h時(shí)，則流速會(huì)出現(xiàn)明顯的下降；同時(shí)油門開度對(duì)流速存在較明顯的影響，流量從低到高4種流量工況下，最大油門開度比最小油門開度對(duì)應(yīng)的流速分別提升16.1%、20.8%、23.9%、42.3%，說(shuō)明流量越大，不同油門開度工況引起的流速相對(duì)變化越大。

2.2.2霧滴粒徑

在圖2所示的霧滴粒徑測(cè)點(diǎn)布置圖中，從噴霧出口開始的水平方向0.3～1.2 m、垂直方向±0.3 m范圍內(nèi)布置了35個(gè)測(cè)點(diǎn)，另外加上在水平位置1.5、1.8 m處中心軸線上的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，共37個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)每一測(cè)點(diǎn)位置處還分別有4個(gè)油門開度22.5°、45°、67.5°、90°和4個(gè)藥液流量20、40、60、80 L/h的組合工況均進(jìn)行了霧滴粒徑測(cè)試，因本文篇幅有限，對(duì)霧滴體積中徑(Volume median diameter, VMD)進(jìn)行分析時(shí)，只取噴管軸線上距噴霧出口0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8 m這6個(gè)位置測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 沿噴管軸線方向上各測(cè)點(diǎn)的霧滴體積中徑Tab.3 Droplet volume mean diameter of each measuring point along nozzle axis μm

2.2.2.1霧滴體積中徑

當(dāng)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)正常后，打開藥開關(guān)，藥液經(jīng)藥噴嘴流入噴管內(nèi)，經(jīng)高溫脈動(dòng)氣流的熱力霧化后，從噴霧出口噴射進(jìn)入外部環(huán)境中，從噴霧出口剛噴出來(lái)的霧滴流，還沒(méi)有完全形成一顆顆的霧滴，仍存在著許多細(xì)絲條狀小藥流，且用HELOS型激光粒度儀還無(wú)法檢測(cè)出來(lái)，直至距噴口0.6 m處才能檢測(cè)到霧滴粒徑信息。

由表3可看出，當(dāng)油門處于最小開度22.5°，藥液流量為最小值20 L/h工況下，水平位置0.6 m處的霧滴體積中徑(D50)非常大，達(dá)到321 μm，即霧滴群中存在許多321 μm左右的大霧滴，前進(jìn)到0.8 m處大霧滴明顯減少，D50迅速下降為94 μm，前進(jìn)至1.0 m降至最低值59 μm，超過(guò)1.0 m之后的D50開始隨噴施距離不斷增大，至1.8 m增大至78 μm，比1.0 m處的最低值上升了32.2%。當(dāng)藥液流量增加至40 L/h時(shí)，0.6 m處的D50只有50 μm，且在整個(gè)軸線上各測(cè)點(diǎn)的D50均處于極小變化范圍(50～56 μm)內(nèi)，平均D50為53 μm。當(dāng)藥液流量進(jìn)一步增加至60 L/h，各測(cè)點(diǎn)的D50進(jìn)一步下降，只是在1.8 m處略大一些，但總體平均值也只有50 μm；而當(dāng)藥液流量增加至最大值80 L/h時(shí)，D50上升，平均值比流量60 L/h時(shí)上升了20.0%。總體來(lái)說(shuō)，在最小流量20 L/h工況下，雖然此時(shí)噴管內(nèi)氣流具有足夠的熱能和動(dòng)能，且需熱力霧化的藥液量也較少，在距噴管口近處反而未能獲得充分的霧化，存在較大的不均勻霧滴；加大流量后，均能霧化成較細(xì)較均勻的霧滴，且當(dāng)藥液流量為60 L/h時(shí)，藥液霧化得最充分，D50最低；另外，藥液在細(xì)小的噴管內(nèi)進(jìn)行熱力霧化時(shí)，并沒(méi)有形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的單顆霧滴群，從噴霧出口噴出進(jìn)入空氣中時(shí)，處于噴霧出口附近，也只是細(xì)小的絲狀霧滴流，且噴霧出口附近外部剛噴出的氣流還處于紊流脈動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)與外部環(huán)境中的冷空氣混合、擾動(dòng)、碰撞，使絲狀霧滴流進(jìn)一步霧化成均勻細(xì)小的單顆霧滴，基本在0.6～0.8 m區(qū)域范圍內(nèi)，獲得完全霧化，超過(guò)這個(gè)距離，某些細(xì)小霧滴會(huì)存在相互碰撞結(jié)合，D50會(huì)反向開始略微上升。因此，藥液流量應(yīng)與脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的熱動(dòng)力相互匹配，才能獲得最佳的霧化效果。

當(dāng)油門開度增大至45.0°，在各油門開度工況下對(duì)應(yīng)各藥液流量，各測(cè)點(diǎn)位置的D50的變化趨勢(shì)與油門開度22.5°時(shí)基本相當(dāng)，仍然是藥液流量處于最小值20 L/h，0.6 m處藥液存在相當(dāng)大的霧滴，還沒(méi)有完全霧化，直至0.8 m才獲得有效的霧化，但D50仍較大；其余各藥液流量工況下，雖然D50的變化趨勢(shì)與油門開度22.5°時(shí)基本相當(dāng)，但對(duì)應(yīng)各藥液流量的平均D50均比油門開度22.5°時(shí)低5 μm左右，說(shuō)明隨著油門開度的增大，氣流溫度及氣流速度增大，更有利于藥液的霧化。

當(dāng)油門開度進(jìn)一步增大至67.5°及90.0°時(shí)，藥液最小流量20 L/h的霧化效果更差，甚至到0.8 m處仍存在較大的霧滴，致使D50相當(dāng)大。對(duì)應(yīng)40、60、80 L/h的藥液流量工況，霧化情況與前兩種油門開度基本相似，只不過(guò)對(duì)應(yīng)各藥液流量的平均D50進(jìn)一步降低，當(dāng)油門處于最大開度90.0°時(shí)，對(duì)應(yīng)3種藥液流量的平均D50分別為42、40、47 μm。這說(shuō)明，隨著油門開度增大，燃油消耗率增大，只對(duì)40～80 L/h較大藥液流量工況的藥液霧化有進(jìn)一步細(xì)化霧滴的效果，而對(duì)20 L/h的小藥液流量，不僅沒(méi)有強(qiáng)化霧化效果，相反使霧化距離進(jìn)一步增大，在較長(zhǎng)距離的霧滴群中出現(xiàn)較大霧滴，這些霧滴很有可能不會(huì)進(jìn)一步霧化而是直接落向地面，無(wú)法使藥液充分霧化并有效應(yīng)用到防治目標(biāo)物上。

2.2.2.2霧滴粒徑分布

應(yīng)用HELOS型激光粒度儀對(duì)脈沖式煙霧水霧機(jī)在噴水霧工況下進(jìn)行測(cè)試，生成霧滴粒徑分布圖，如圖3所示。圖3a為油門開度90.0°及藥液流量80 L/h工況下測(cè)點(diǎn)(1.0 m，0)(對(duì)應(yīng)水平距離與垂直距離)處的霧滴粒徑分布情況，圖中有2條曲線，一條呈現(xiàn)正態(tài)分布的曲線為霧滴群中處于各直徑的霧滴體積占霧滴總體積的百分比，即反映各直徑的霧滴量分布概率情況，稱霧滴粒徑分布概率曲線；另一條呈現(xiàn)連續(xù)遞增的曲線，即對(duì)霧滴量分布概率曲線從低至高不斷累加，形成對(duì)應(yīng)小于等于某一霧滴直徑的所有累計(jì)量。反映一群霧滴粒徑分布的主要指標(biāo)參數(shù)為D10、D50、D90，分別表示小于此粒徑的霧滴體積累計(jì)值占全部霧滴體積的10%、50%、90%。如圖3a所示，在當(dāng)前工況下，D10為21 μm，D50為47 μm，D90為87 μm，即絕大部分的霧滴直徑均處于霧滴體積中徑47 μm附近，超出87 μm及低于21 μm的霧滴體積量分別只有10%，但超出87 μm的大霧滴數(shù)量遠(yuǎn)小于低于21 μm的小霧滴數(shù)量。

圖3 測(cè)點(diǎn)(1.0 m，0)處的霧滴粒徑分布圖Fig.3 Droplet size distributions at measuring point (1.0 m, 0)

通常霧滴群的霧滴粒徑分布規(guī)律基本服從如圖3a所示的正態(tài)曲線分布規(guī)律，但脈沖式煙霧水霧機(jī)在噴水霧時(shí)，不同工況下、不同測(cè)點(diǎn)位置處的霧滴粒徑分布存在多種不同的分布形態(tài)。如圖3b所示，為油門開度90°、藥液流量20 L/h工況下，于測(cè)點(diǎn)(1.0 m，0)位置處的霧滴粒徑分布圖，霧滴粒徑分布概率曲線存在兩個(gè)波峰，可認(rèn)為由完全不同中心值的兩組正態(tài)曲線疊加而成，即霧滴群中存在兩組中心直徑相差較大的霧滴群，HELOS型激光粒度儀的分析軟件無(wú)法分別給出兩組霧滴群的體積累積值。在當(dāng)前工況下，全部霧滴的D10為38 μm，D50為65 μm，D90為504 μm；曲線的兩個(gè)峰值點(diǎn)A和B對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為46、410 μm，兩組霧滴群各自的D50用A和B對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)上的霧滴粒徑近似表示，分別用D50(A)(46 μm)表示較小粒徑的一組霧滴群的體積中徑，用D50(B)(410 μm)表示較大粒徑的一組霧滴群的體積中徑。

(1)沿單一軸向的霧滴粒徑分布

因不同工況、不同測(cè)點(diǎn)的霧滴粒徑分布概率曲線各不相同，為直觀體現(xiàn)，無(wú)法將所有測(cè)點(diǎn)所有工況下霧滴粒徑分布圖全部呈現(xiàn)，本文只將油門處于最大開度90°時(shí)，且只將噴管軸線上各測(cè)點(diǎn)的霧滴粒徑分布圖及D10、D50、D90列入表4中；并將油門開度90°、藥液流量60 L/h工況下，水平方向0.6～1.2 m與垂直方向-0.3～0.1 m范圍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的霧滴粒徑分布圖及D10、D50、D90列入表5中。

由表4可看出，在最低藥液流量20 L/h工況下，在距噴霧出口0.6～1.2 m范圍的噴管軸線上的霧滴粒徑分布圖上，不僅會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)波峰，且兩個(gè)波峰頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的霧滴粒徑均分別落在45、410 μm附近，即霧滴群里明顯存在粗細(xì)完全不同的兩組霧滴，且兩組霧滴含量隨距噴霧出口距離發(fā)生變化，距噴霧出口0.6、0.8 m兩個(gè)位置點(diǎn)的霧滴群里以中心粒徑410 μm的大霧滴群為主，致使兩位置點(diǎn)總體霧滴分布的D10、D50、D90基本相當(dāng)且各項(xiàng)值均較高，其中霧滴體積中徑D50分別高達(dá)346、334 μm；霧滴噴灑前進(jìn)到1.0 m處，則中心霧滴粒徑45、410 μm的兩組霧滴群的含量基本相當(dāng)，即大霧滴群數(shù)量明顯減少，致使D50出現(xiàn)明顯下降，降至65 μm，D90仍高達(dá)504 μm，說(shuō)明仍有體積分?jǐn)?shù)10%的大霧滴直徑超過(guò)504 μm；當(dāng)進(jìn)一步前進(jìn)至1.2 m處，總霧滴群里以中心霧滴粒徑45 μm的小霧滴群為主，且總體D50進(jìn)一步下降至55 μm；當(dāng)霧滴繼續(xù)噴灑至1.5、1.8 m處，霧滴群里只剩下以霧滴體積中徑為57、50 μm的一組霧滴群，且D90明顯下降至100 μm左右。對(duì)于霧滴群里410 μm左右的大霧滴并不會(huì)隨著離噴霧出口越遠(yuǎn)，會(huì)自動(dòng)地進(jìn)一步霧化成小霧滴而逐步減少，這些大霧滴從噴霧出口處所獲得的動(dòng)能難以飛行過(guò)遠(yuǎn)，只能逐步掉落向地面，致使距離噴霧出口越遠(yuǎn)，霧滴群中的大霧滴逐步減少，直至1.5 m遠(yuǎn)處只剩下55 μm左右的小霧滴群。

當(dāng)藥液流量增加到40 L/h工況時(shí)，只有在距噴霧出口1.0 m處，霧滴粒徑分布圖呈現(xiàn)單一峰值的正態(tài)分布曲線，且霧滴體積中徑D50只有43 μm，但在其他幾個(gè)位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的霧滴粒徑分布圖中均不是標(biāo)準(zhǔn)的單一正態(tài)分布曲線，由兩組中心霧滴粒徑約為25、45 μm均較小的霧滴群組成，只不過(guò)不同測(cè)點(diǎn)處的各自霧滴群的含量略有變化，使得總體D50均較小，處于40～45 μm較小波動(dòng)范圍內(nèi)；且D90處于0.6、1.0 m兩點(diǎn)值較大一些，分別為116、98 μm，其他各測(cè)點(diǎn)均不超過(guò)74 μm。當(dāng)藥液流量進(jìn)一步增加到60、80 L/h時(shí)，霧滴粒徑分布情況與40 L/h非常相似，只是60 L/h工況下所有位置點(diǎn)的D10、D50、D90均達(dá)到最低值，說(shuō)明在該工況下，藥液流量加入到燃燒室和噴管內(nèi)的脈動(dòng)振蕩氣流中進(jìn)行熱力霧化形成新的振蕩氣流/霧滴群流的耦合程度最高，霧化最徹底最全面；藥液流量增加至最大值80 L/h時(shí)，各位置點(diǎn)的D10、D50、D90開始上升，且距噴霧出口越遠(yuǎn)，上升越高。

總體來(lái)說(shuō)，最低流量20 L/h時(shí)的藥液熱力霧化效果最差，霧滴群中存在著霧滴體積中徑約為45、410 μm的兩組霧滴群，距噴霧出口越近，大霧滴量越大。當(dāng)藥液流量增加至40 L/h及以上時(shí)，霧滴流里已不存在410 μm左右的大水霧群，反而分裂為更細(xì)小的以25、45 μm為中心的兩組霧滴群，致使霧滴體積中徑D50大大降低，處于36～55 μm范圍內(nèi)，且藥液流量為60 L/h時(shí)，霧化最充分，0.8 m測(cè)點(diǎn)處，不僅D50達(dá)到最低值36 μm，且D90也只有52 μm。藥液在噴管內(nèi)熱力霧化后，從噴霧出口剛噴出來(lái)時(shí)，還沒(méi)有完全霧化，霧滴相互之間還存在連帶的絲條狀，在流量為40 L/h及以上時(shí)，0.8 m處已將噴管內(nèi)的動(dòng)能和熱能充分利用完，達(dá)到霧化的最佳值，超過(guò)該距離后，小霧滴會(huì)出現(xiàn)碰撞聚合，使總體霧滴粒徑略有所增大。

(2)平面區(qū)域內(nèi)的霧滴粒徑分布

由以上分析可知，藥液流量為60 L/h時(shí)霧化最充分，以藥液流量60 L/h及油門處于最大開度90°工況下，分布在圖2所示的水平位置0.6～1.2 m與垂直位置±0.3 m范圍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的霧滴粒徑及分布圖見表5。表5只顯示圖2中該區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)為黑點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果，而測(cè)點(diǎn)為紅點(diǎn)表示試驗(yàn)時(shí)無(wú)法測(cè)試到相應(yīng)值，沒(méi)有列入表中，因此黑點(diǎn)所組成的區(qū)域基本可以認(rèn)為從噴霧出口所噴出霧滴流的覆蓋范圍。

位于噴管軸線上的4個(gè)測(cè)點(diǎn)霧滴粒徑分布情況已在上面進(jìn)行了分析。將水平位置0.6 m處垂直線上3個(gè)測(cè)點(diǎn)的霧滴粒徑分布曲線進(jìn)行比較，均存在兩個(gè)波峰且兩個(gè)波峰對(duì)應(yīng)的霧滴體積中徑均為25、45 μm的兩組小霧滴群，且軸中心位置處的D10、D50、D90均為最小值，D90只有58 μm，說(shuō)明噴射至此處的霧滴已獲得良好的霧化效果，形成均勻細(xì)小的霧滴群；位于上方0.1 m處的霧滴粒徑分布情況與中心點(diǎn)基本相似，只是D10、D50、D90略大一些，D50大了5 μm，達(dá)到44 μm；位于下方-0.1 m處的霧滴流中不僅存在霧滴體積中徑分別為25、45 μm的兩組小霧滴群，還存在另一組曲線中以小波峰形態(tài)出現(xiàn)的霧滴體積中徑約為150 μm的少量較大霧滴群，這樣不僅使D50與中心測(cè)點(diǎn)相比增大了12 μm，相對(duì)增加了30.8%，還使D90增大到116 μm，為中心測(cè)點(diǎn)的2倍，霧滴均勻度明顯變差。

對(duì)于水平位置0.8 m處垂直線上的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，中心位置處?kù)F滴均勻細(xì)小，±0.1 m處上下兩點(diǎn)的霧滴粒徑分布曲線形態(tài)與中心點(diǎn)基本一致，存在兩個(gè)同樣的波峰，只是D10、D50、D90均比中心點(diǎn)略大一些，且下方點(diǎn)的值比上方點(diǎn)值更高一些，下中上各點(diǎn)的D50分別為48、36、42 μm；處于下方-0.2 m處的霧滴粒徑分布圖出現(xiàn)了明顯變化，雖然只有一個(gè)主峰，但不是標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布曲線形態(tài)，以總體霧滴體積中徑D50等于110 μm為中心形成分布較寬較散的霧滴群，致使D90高達(dá)326 μm。對(duì)于水平位置1.0 m處垂直線上的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，中心點(diǎn)處以標(biāo)準(zhǔn)的單一波峰的正態(tài)分布曲線呈現(xiàn)，D10、D50、D90均為最低值；±0.1 m處上下兩點(diǎn)的霧滴粒徑分布曲線形態(tài)與0.8 m處對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的霧滴粒徑分布基本一致，只是D10、D50、D90略大一些，但非常接近；但最下方-0.2 m處的霧滴粒徑分布曲線與點(diǎn)(0.6 m，-0.1 m)處非常相似，且D10、D50、D90基本一致。距噴霧出口1.2、1.0 m處相對(duì)應(yīng)的垂直位置4個(gè)測(cè)點(diǎn)的分布情況大體一致，只是在(1.0 m，0)處?kù)F滴粒徑分布為單峰，而在(1.2 m，0)處又恢復(fù)成兩個(gè)波峰形態(tài)，但對(duì)應(yīng)霧滴體積中徑為25 μm的小霧滴群量較少即波峰又低矮又窄，但處于最下方-0.3 m處的霧滴粒徑分布曲線是以D50等于84 μm為中心的具有1個(gè)明顯的較寬波峰的正態(tài)分布曲線。

表5 油門開度90°、藥液流量60 L/h工況下霧滴粒徑及分布Tab.5 Droplet size and distribution under 90° throttle opening and 60 L/h liquid flow

總體來(lái)說(shuō)，霧滴從噴霧出口噴出至水平距離1.2 m范圍內(nèi)，中心軸線上的霧滴流不論存在單一峰還是存在兩個(gè)峰，D10、D50、D90均較小，即整個(gè)霧滴均細(xì)小均勻，霧化充分；中心軸線上方的霧滴只比中心點(diǎn)處略大一些，但下方霧滴明顯增大，且距中心軸線越遠(yuǎn)的下方，霧滴增大得越明顯，即霧滴流中出現(xiàn)較大霧滴群的量逐步增加。這主要是由脈沖式煙霧水霧機(jī)的工作原理與熱力霧化特征所決定的，脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)在噴管內(nèi)所產(chǎn)生的高溫高速脈動(dòng)氣流將藥液熱力霧化后，從噴管口噴出后的霧滴流只在噴管口附近存在一定量的脈動(dòng)回吸現(xiàn)象，超過(guò)一定距離如達(dá)到0.6 m后，不可能再形成回吸，只不過(guò)霧滴流以周期性氣流壓力和速度不斷往前推進(jìn)，同時(shí)又因噴管內(nèi)徑非常小，只有30 mm，因此沿噴管中心軸線附近范圍內(nèi)的霧滴流才具有較高的動(dòng)能，即具有較高的噴射速度，而在噴管軸線±0.1 m處及下方更遠(yuǎn)處的區(qū)域內(nèi)，進(jìn)入由中心氣流帶的邊緣附近通過(guò)與周邊空氣混合、卷繞形成的邊緣區(qū)域，霧滴會(huì)重新碰撞聚合。從而造成軸中心位置處?kù)F滴群最均勻細(xì)小，上方霧滴略大，較大一些的霧滴會(huì)因重力作用匯聚在下方區(qū)域。因藥液流量60 L/h及油門開度90°為最佳霧化工況，在整個(gè)區(qū)域內(nèi)均形成良好的霧化效果，因此地面上看不到霧化不良的大顆霧滴跌落至地面形成明顯的潮濕現(xiàn)象。但在其他一些組合工況下，因霧化不良，產(chǎn)生大量的大霧滴，地面則會(huì)出現(xiàn)潮濕甚至出現(xiàn)明顯的積水現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)噴藥時(shí)，噴管口處的氣流溫度與速度產(chǎn)生非常明顯的變化，由不噴藥時(shí)700℃左右的高溫氣流下降為75℃左右的霧滴流，相應(yīng)的氣流速度下降了16%左右。油門開度及藥液流量對(duì)霧滴流溫度的影響非常小，但對(duì)霧滴流速度的影響非常明顯，油門開度增大，霧滴流速度明顯增加，藥液流量增大，霧滴流速度明顯下降。

(2)在各油門開度下，對(duì)最小藥液流量20 L/h的霧化效果均不佳，尤其距噴霧出口較近處存在大量的300 μm以上的較大霧滴，這些大霧滴極易跌落至地面，無(wú)法有效噴施到目標(biāo)物上。藥液流量增大至40 L/h及以上時(shí)，各油門開度下的霧滴體積中徑均較小，同一工況下各位置點(diǎn)的平均值不超過(guò)60 μm，說(shuō)明熱力霧化的霧滴粒徑明顯小于常規(guī)液力及氣力霧化的粒徑。

(3)從噴霧出口噴出的霧滴流中，噴管中心軸線上的霧滴細(xì)小均勻、霧化充分；中心軸線上方的霧滴一般比中心點(diǎn)處稍大，但下方霧滴明顯增大，且距中心軸線越遠(yuǎn)處?kù)F滴增大越明顯，即霧滴流中出現(xiàn)較大霧滴群的量逐漸增加。以藥液流量60 L/h及油門開度90°為最佳霧化工況，在整個(gè)噴施區(qū)域內(nèi)均形成良好的霧化效果。