植保靜電噴霧系統參數性能研究

林 甄，梁盛開，謝金冶，潘嘉震，陳國良

（1.三亞學院理工學院，海南 三亞 572022；2.三亞學院陳國良院士工作站，海南 三亞 572022）

傳統粗放式藥液噴灑植保噴霧作業方式存在飄灑嚴重、農藥利用率差、工作效率低、操作人員勞動強度大，對植株作用效果不佳等問題。靜電噴霧技術采用靜電噴霧方式對植株施藥，提高藥液使用效率，降低成本，減少環境污染，應用范圍廣泛，適合生長形態不規則植株。Carlton 等研究靜電噴霧霧滴抗漂移性能，為靜電噴霧后續研究提供實踐依據與理論基礎[1]。袁會珠等比較不同噴霧沉積率，驗證不同噴頭效率差異[2]。張東彥、劉武蘭、陳成功等論證荷質比為檢測靜電噴霧性能重要指標[3-5]。Delete等利用CFD模擬普通風送噴霧霧滴沉積特性[6]。Lastow 等探討水在直流電場霧化穩定性，研究霧化后霧滴粒徑與分布規律[7]。陳志剛等利用荷電技術使霧滴帶上電荷，研究非荷電噴霧，試驗表明霧化性與沉積率存在關聯[8]。陸軍驗證靜電噴霧下，霧滴的靶標潤濕和沉積性能[9]。韓樹明、張麗麗、Maski等研究靜電噴霧技術在植保領域理論分析與應用研究，驗證靜電噴霧可行性，并依據靜電噴霧理論提出相應過程數學模型[10-12]，為文章提供參考。周宏平、袁晴春等設計高壓水靜電噴霧裝置并作可靠性試驗研究，開展靜電噴霧裝置改進及效果試驗[13-14]。Duga等采用CFD軟件模擬并研究靜電噴霧霧滴漂移特性[15]。

目前學界側重于探討靜電噴霧可靠性，但對靜電噴霧參數影響作業指標缺少系統研究。因此，本文創新性設計靜電噴霧試驗平臺，分析測試不同參數下靜電噴霧沉積率和吸附率，獲得最優參數組合，提升靜電噴霧性能，結合CFD 方法對靜電噴霧過程作仿真模擬，驗證結果有效性。

1 試驗系統

本文試驗系統由4 個模塊組成，如圖1 所示，分別為動力模塊、供電模塊、高壓模塊和數據采集模塊。結合臺架試驗靜電噴霧參數，歸納與總結數據，提升當前靜電噴霧效率，進一步論證靜電噴霧可靠性。

圖1 系統架構Fig.1 System architecture

本系統四大模塊功能如下：

①供電模塊：提供穩定12 V輸出，電池采用三串聯二并聯方式保證輸出穩定性，且可持續電流為6A。

②動力模塊：采用充電式DP-1036 型號雙隔膜泵，工作電壓為12 V，為高壓噴霧持續提供動力，保證其穩定性。

③高壓模塊：可調節式大功率高壓靜電發生器，可調節0～80 kV，輸入電壓為12 V，有供電模塊提供電源，額定功率1.2 W，產生高壓供靜電供感應式靜電噴頭使用。

④數據采集模塊：采用高精度萬能表，測定靜電發生器靜電，電壓各項數值，使用壓力表監控隔膜泵，獲取壓力數據。利用生物染色劑，提高霧滴可見度，同時使用數據處理軟件MATLAB采集數據，提高識別準確率和效率。

各器件主要參數如表1所示。

表1 各器件主要參數Table 1 Main parameters of each device

2 試驗過程

分析噴霧參數對霧滴沉積效果影響，噴霧參數為噴霧壓力、荷電電壓；霧滴沉積效果指標主要包括霧滴吸附率、荷質比、霧滴粒徑等。參考李芳麗、茹煜、王軍鋒等研究，針對不同噴霧參數即噴霧壓力以及不同荷電電壓作測試，求得最優噴霧參數[16-18]。通過論證分析噴霧參數對噴霧指標影響，驗證靜電噴霧作業效果。

2.1 不同噴霧水壓力下沉積率數值測定

對隔膜泵監控流量，在不同水壓力下，篩選適合試驗的4 個不同水壓力數據，分別為0.20、0.30、0.40 和0.50 MPa。在關閉高壓靜電發生器情況下，分別對不同噴霧水壓作A、B、C、D 4組試驗，求得不加高壓靜電情況下最優沉積效果。每組試驗選取同一片植株葉子，每次試驗均持續1 min，對最終效果拍照并分析圖像。

沉積率即為噴霧靶標覆蓋率，根據靶標單位面積上霧滴數計算得出，根據下列公式，對沉積率作測定檢驗。

式中，pt-霧滴粒徑（μm）；Nt-水電阻（r·cm-2）；St-霧滴對地電容（μF·cm-1）。

2.2 不同靜電電流下沉積率數值測定

根據以上試驗，得出0.50 MPa 水壓下效果最優，則本次試驗均采用0.50 MPa水壓。表2選取不同靜電電壓，得出4組靜電電流，分別為15、20、30 和40 μA。為求得不同靜電電流下最優沉積效果，在關閉高壓靜電發生器情況下，分別對不同噴霧水壓作E、F、G、H 4組試驗。每組試驗選取同一片植株葉子，每次試驗均持續1 min，對最終效果拍照并分析圖像。

不同高壓靜電電壓下，測量靜電電流，結果如表2所示。

表2 高壓靜電發生器數值Table 2 High voltage electrostatic generator numerical

本試驗采用感應式荷電法，根據公式（2）和（3），對噴霧霧滴荷質比作測定檢驗。

式中，A-噴霧霧滴荷質比（mC·kg-1）；η-電荷吸附效率（%）；εw-霧滴介電常數（F·cm-1）。

3 結果與討論

3.1 水壓力對霧滴沉積率影響

不同水壓力參數試驗結果如表3所示。

表3 不同水壓下試驗結果Table 3 Experimental results under different water pressure

關閉高壓靜電發生器，在不同壓力值試驗后分別拍照，得到靶標霧滴沉積圖像，分析圖像，記錄靶標粒徑分布，并計算霧滴沉積率。

圖2～5為不同水壓下，4組試驗霧滴半徑與霧滴數量霧滴粒徑分布圖，在不同水壓下存在效果差異，可判斷不同水壓對應霧滴沉積效果也存在差異，且不同壓力下噴出霧滴霧化效果不同，霧滴粒徑存在差異。

當噴霧水壓為0.20 MPa 時，試驗時間1 min，霧滴對靶標沉積效果和霧滴粒徑如圖2所示。

當噴霧水壓為0.30 MPa 時，試驗時間1 min，霧滴對靶標沉積效果和霧滴粒徑如圖3所示。

當噴霧水壓為0.40 MPa時，試驗時間為1 min，霧滴對靶標沉積效果和霧滴粒徑如圖4所示。

當噴霧水壓為0.50 MPa 時，試驗時間1 min，霧滴對靶標沉積效果和霧滴粒徑如圖5所示。

圖2 試驗A沉積效果與粒徑分布Fig.2 Experiment A deposition effect and particle size distribution

圖3 試驗B沉積效果與粒徑分布Fig.3 Experiment B deposition effect and particle size distribution

圖4 試驗C沉積效果與粒徑分布Fig.4 Experiment C deposition effect and particle size distribution

圖5 試驗D沉積效果與粒徑分布Fig.5 Experiment D deposition effect and particle size distribution

通過試驗可知普通噴霧與靜電噴霧的噴霧效果差距。具體水壓力沉積率參數如表4所示。

由表4 可知，0.20 MPa 水壓下，沉積率為3.15%，與其他壓力相比較其穩定性與沉積率均相差較遠。當水壓升高到0.30 MPa 時，沉積率上升為4.49%，增加1.34%，增加顯著。噴霧水壓力提升到0.40 MPa，沉積率達到5.65%，增加1.16%，較試驗B 有所放緩。在0.50 MPa 噴霧水壓下時，沉積率達到6.64%頂峰值，增加0.99%，較試驗C放緩，可看出沉積率隨壓力增加而增加，但達到一定值后，增長放緩，且0.50 MPa 噴霧水壓情況下（試驗D）沉積率高出平均值1.6575%，與其他水壓力相比，效果最佳。

霧滴通過液壓法產生，增加壓力，使液滴瞬間霧化，同時給予水不同壓力，液滴霧化程度也不同，液滴霧化后粒徑與水壓呈正相關。壓力過小，則導致霧滴粒徑較大，自身質量大，難以落在靶標上實現沉積；壓力過大，則霧滴隨風飄散，霧滴分布不均勻，同樣難以沉積。本研究使用噴頭，在0.20 MPa 壓力下，粒徑分布混亂沉積效果不理想，原因為水壓太小，霧滴難以分布均勻且沉積。收集并對比試驗數據，發現0.5 MPa水壓下各項參數指標均優于0.30、0.40 MPa水壓，霧滴自然降落，沉積明顯。

3.2 不同靜電電流對霧滴沉積率影響

不同靜電電流參數試驗方案和結果見表5。

表4 水壓力沉積率參數Table 4 Water pressure deposition rate parameter

表5 不同靜電電流下試驗方案和結果Table 5 Experimental schemes and results of different electrostatic currents

經先前試驗得出最優噴霧壓力，本次試驗水壓全部采用0.50 MPa，打開高壓靜電發生器并僅改變靜電電流參數。靜電噴霧試驗完成后，分別對沉積效果拍照，與先前試驗方法相同，采用圖像分析方式。

由圖6～9可知，本次試驗整體沉積效果均比關閉高壓靜電發生器情況下較好，霧滴粒徑分布與之相比也更均勻。與此同時，可見靜電噴霧在靜電電流改變同時，沉積效果與霧化效果也隨之改變。

噴霧水壓為0.50 MPa，靜電電流為15 μA，試驗時間1 min，霧滴對靶標沉積效果和霧滴粒徑如圖6所示。噴霧水壓為0.50 MPa，靜電電流為20 μA，試驗時間1 min，霧滴對靶標沉積效果和霧滴粒徑如圖7 所示。噴霧水壓為0.50 MPa，靜電電流為30 μA，試驗時間1 min，霧滴對靶標沉積效果和霧滴粒徑如圖8 所示。 噴霧水壓為0.50 MPa，靜電電流為40 μA，試驗時間1 min，霧滴對靶標沉積效果和霧滴粒徑如圖9所示。雖然靜電噴霧整體噴霧效果均比普通噴霧沉積率高且效果佳[19-21]，但靜電噴霧在不同靜電電流下存在噴霧效果差距。

由試驗計算得出，靜電電流為15 μA時沉積率最佳，為10.13%，且荷質比為0.409 mC·kg-1，荷質比最小，當靜電電流升至20 μA 時，沉積率降為7.18%，荷質比升高為0.545 mC·kg-1，沉積效果變差，可見靜電對沉積率影響較顯著，當靜電電流升高為30 μA時，沉積率再度下降為5.16%，荷質比升高為0.818 mC·kg-1，沉積效果最差，當靜電電流40 μA時，沉積率雖有所回升，為6.58%，但荷質比已升高為1.090 mC·kg-1，功耗太大且不穩定。

圖6 試驗E沉積效果與粒徑分布Fig.6 Experiment E deposition effect and particle size distribution

圖7 試驗F沉積效果與粒徑分布Fig.7 Experiment F deposition effect and particle size distribution

圖8 試驗G沉積效果與粒徑分布Fig.8 Experiment G deposition effect and particle size distribution

圖9 試驗H沉積效果與粒徑分布Fig.9 Experiment H deposition effect and particle size distribution

圖10 沉積率柱狀圖Fig.10 Histogram of deposition rate

對比不同水壓和靜電電流下沉積率可知，在不開啟靜電發生器情況下，沉積效果明顯比打開靜電發生器效果差，原因為在噴霧過程中打開靜電發生器后，超高靜電電壓瞬間電離噴頭附近空氣，當霧滴噴出時附帶電荷，且在噴頭附近形成靜電電場，作用于霧滴，使霧滴向極性相反靶標漂移從而實現沉積。

施加高壓靜電的噴霧試驗參數如表6所示。根據試驗結果驗證證明其靜電電流為15 μA 情況下（試驗E）靜電噴霧性能最佳。

表6 試驗參數Table 6 Experimental parameters

3.3 不同靜電電流對霧滴沉積率影響

為驗證試驗參數有效性與穩定性，優化試驗結果，即水壓為0.50 MPa，靜電電流為15 μA仿真霧化過程。靜電噴霧霧化過程仿真模擬過程，因靜電噴霧有靜電勢場出現，需對靜電噴霧環境建模，利用ANSYS Fluent 軟件中UDF 模塊對環境變量設置靜電場，然后選擇湍流k-e 模型，離散相模型，入口int 為速度入口，出口out 為壓力出口，壓力為0.50 MPa；電極面靜電電流設為15、40 μA，其他面均為壁面。在Gambit 軟件里建立幾何體模型，在ICEM CFD 軟件里劃分模型邊界，如圖11所示。水壓為0.50 MPa 時，不施加高壓靜電，仿真模擬噴霧過程，模擬效果如圖12 所示。水壓力為0.50 MPa 時，開啟靜電發生器，設置靜電電流為15、40 μA 分別仿真模擬噴霧霧化過程，效果如圖13所示。

圖11 靜電場下噴霧模型Fig.11 Spray model under electrostatic field

圖12 普通噴霧仿真模擬Fig.12 General spray simulation

圖13 靜電噴霧仿真模擬Fig.13 Static spray simulation

由圖12、13 可知，普通霧滴霧化情況效果不佳，空間范圍內霧滴粒子群整體分布不均勻且覆蓋范圍較小，對施加高壓靜電噴霧而言，同樣為0.50 MPa 水壓，施加高壓靜電噴霧在空間范圍內霧滴粒子群整體分布均勻，呈不斷擴散趨勢，對于靶標而言，施加靜電噴霧分布更均勻且作用面積更廣，與普通噴霧相比，可增強對靶標沉積效果。

結合圖13 兩組模擬結果可知，靜電噴霧間存在較大差異，在靜電噴霧中靜電電流分別為15、40 μA，更新時間間隔均為0.001 s，持續時間100 s時，二者噴霧霧滴均呈擴張覆蓋趨勢，隨靜電電流減小，霧滴粒子群擴散效果越明顯，靜電電流15 μA均勻性優于靜電電流40 μA。為更直觀體現參數靜電效果，設置一組小噴射口觀察水顆粒走向如圖14 所示，仿真結果與試驗結果和預期理論吻合，試驗仿真驗證本文靜電噴霧參數具有一定準確性與穩定性。

圖14 水顆粒走向Fig.14 Water particle trend

結合試驗結果以及仿真效果，為驗證試驗有效性，通過噴霧水壓，靜電電流以及試驗時間對霧滴沉積效果作分析，發現對噴霧結果進一步優化，得到更準確試驗參數結果。

則建立以下公式：

式中，Pni-霧滴沉積期望值；τni-單位時間內霧滴沉積平均像素（dpi·s-1）；Tk-試驗時間（s）；ηni-霧滴沉積率（%）。

針對噴霧水壓和靜電電流對霧滴沉積率影響。設Pni為試驗霧滴沉積期望值，試驗時間Tk取1 min，Pni在不同噴霧水壓n下，和不同靜電電流i下，公中τni與ηni，也對應有不同值，導致Pni值出現變化，Pni數值越大，即噴霧沉積率越高，噴霧效率越高。

由表7～8 可知，不同水壓下沉積期望與試驗結果預期相符合，僅改變噴霧壓力參數時，噴霧吸附效率存在遞增關系，且0.5 MPA處為最優。添加靜電電流情況下，計算結果也與預期相符合，在15 μA情況下，P值明顯最高為5.39253。結合噴霧數據仿真模擬與計算，驗證其參數穩定性與可靠性，對實際運用優化改進有重要意義。

表7 不同壓力下對期望值計算結果Table 7 Calculation results of expected values under different pressures

表8 不同靜電電流，0.5 MPa下對期望值計算結果Table 8 Calculation results of expected value under different electrostatic current and 0.5 MPa pressure

4 結 論

本文將不同水壓下沉積率和不同靜電電流下沉積率作試驗分析。試驗表明，靜電噴霧效果比普通噴霧效果更佳，在0.50 MPa 水壓下，沉積率為6.64%，相較于0.20、0.30 和0.40 MPa 水壓沉積率更佳。靜電電流為15 μA 時，荷質比達到0.409 mC·kg-1，沉積率為10.13%，較于噴頭噴霧，靜電噴霧性能大幅提升，此時噴霧效果優于15、20、30和40 μA靜電電流，因此靜電電流15 μA靜電噴霧性能最佳。實際工作情況時影響霧滴沉積效果因素較多，如噴霧參數、植株靶標特性、噴施藥液物理特性、外界環境因素等，后續針對不同噴霧參數沉積效果開展分析，深入研究靜電噴霧技術可有效提高作業效率和施藥效果。