霧化網格在果樹植保噴霧中的應用與試驗

薛秀云，楊振宇，梁馨琪，羅 欽，呂石磊,2,3，李 震

·專題：綠色植保與減量增效施藥技術·

霧化網格在果樹植保噴霧中的應用與試驗

薛秀云1,2,3,4，楊振宇1，梁馨琪1，羅 欽1，呂石磊1,2,3，李 震1,2,3,4※

（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. 農業農村部華南熱帶智慧農業技術重點實驗室，廣州 510642；4. 梅州市華農大振聲現代農業裝備研究院，梅州 514781）

針對目前一些植保機械在噴灑農藥的過程中難以兼顧低飄移和高沉積的問題，該研究將霧化網格應用在果樹植保噴霧作業中，使噴頭噴出的大粒徑霧滴在接近靶標處撞擊網格二次霧化為小霧滴。為了研究霧滴撞擊網格后的粒徑和速度分布以及沉積特性，以網格孔徑、噴頭與網格的距離為變量，以二次霧化后霧滴的速度和粒徑分布、噴霧角、霧滴覆蓋率、沉積量和飄移量為指標進行試驗研究。試驗結果表明：放置孔徑為461、350和227m網格時測量點的霧滴平均速度比沒有網格時的2.35 m/s分別降低23.40%、13.90%、29.00%，最大平均粒徑比沒有網格情況下的192.5m分別降低19.5%、14%、10%；隨著網格孔徑的減小，二次霧化后霧滴的噴霧角有逐漸降低的趨勢；放置350和227m孔徑網格時果樹冠層各層內沉積均勻性相近，沉積量變異系數最高分別為88.08%和74.22%，遠低于461m 孔徑網格的162.98%；放置350m 孔徑網格時霧滴穿透性較好，各層之間沉積量變異系數最高為10.08%，低于461和227m 孔徑網格的44.09%和18.25%。在該研究試驗條件下，350m 孔徑網格的沉積效果優于461和227m 孔徑網格，噴頭與網格的距離對霧滴覆蓋率和沉積量沒有顯著影響，使用霧化網格的霧滴飄移較少，非靶標區平均霧滴飄移量為靶標區沉積量的7.58%。研究結果可為果園無人機噴霧作業優化提供參考。

噴霧；UAV；霧滴破碎；金屬絲網；覆蓋率；沉積量

0 引 言

植保噴霧是當前病蟲害防治的主要方式，植保機械是植保噴霧中至關重要的因素[1-3]。目前國內果園施藥仍以手動噴霧器大容量淋雨式噴霧為主，并且用藥結構單一，農藥使用不規范，平均農藥利用率僅為20%～30%[4-7]，大量藥液被浪費，一部分原因是小粒徑藥液霧滴在從噴頭噴出到附著在靶標上的過程中，容易受到環境風的影響而發生飄移。改進植保機械和施藥技術能夠減小飄移，有效提高農藥利用率[8-10]。

霧滴大小顯著影響其在作物上的沉積以及在空氣中的飄移，霧滴越小越容易飄移，而小霧滴卻能較好地粘附在靶標上，相同施藥量下，小霧滴越多，藥液在靶標上的附著率越高[11]。

針對目前大多數噴霧器難以兼顧霧滴低飄移和高沉積的問題，本文提出使用霧化網格的方法。使噴頭噴出的大粒徑液滴在接近靶標處撞擊網格，二次霧化為小液滴。

根據現有的理論，液滴與金屬網格的相互作用是復雜的動力學過程，包括碰撞、滲透和破碎，網格參數和液滴屬性都會影響撞擊的過程。Brunet等在液滴撞擊疏水性網格的試驗中首次捕捉到了二次液滴的生成，并研究了網格形狀對撞擊的影響[12]。Ryu等指出，與疏水網格相比，超疏水網格增強了液滴通過網格的滲透性[13]。Xu等認為，液滴碰撞過程是由慣性壓力和水錘壓力之間的競爭決定的[14]。Kumar等對水滴撞擊超疏水紡織品進行了試驗研究，分析了液滴碰撞速度對液滴最大擴展直徑、接觸時間和滲透質量的影響[15-16]。Soto等的研究中提出了一個預測水滴滲透質量和液滴撞擊網格后最大擴散直徑的模型[17-18]。Moitra等針對液體射流撞擊超疏水金屬網格，研究了液體性質（密度、表面張力和黏度）和網格屬質（孔徑、絲徑）對液體的穿透前水躍、穿透速度和穿透后空間分布的影響[19]。

在已有理論研究基礎上，本文擬對噴頭與網格的距離、網格孔徑對霧滴通過網格后的粒徑和速度分布、噴霧角、霧滴覆蓋率和沉積量以及霧滴飄移量的影響進行試驗研究，以期為后續植保無人機噴霧與霧化網格結合的噴霧技術研究提供參考，解決果樹網格大棚模式下無人機植保作業的困境。

1 材料與方法

1.1 霧化網格的應用原理

霧化網格的應用場景如圖1所示。首先噴頭噴出大粒徑霧滴，不易受環境風影響而產生飄移，隨后大粒徑霧滴在接近靶標處撞擊金屬網格，二次霧化成粒徑更小的霧滴，霧滴與靶標的距離足夠近，不易產生飄移，同時由于霧滴粒徑減小，霧滴在靶標葉片上發生反彈和破碎的可能性減小，有利于霧滴附著在靶標上，提高霧滴覆蓋率和沉積量。

1.噴頭 2.大粒徑霧滴 3.不銹鋼網格 4.小粒徑霧滴 5.靶標樹

1.2 試驗材料

試驗所使用的金屬網格為不銹鋼網格，包括461、350和227m共3種孔徑規格，試驗噴頭為304不銹鋼實心錐形噴頭（2.4 mm孔徑）。根據GB/T 20084—2006，這3種孔徑與植保噴霧中細霧和粗霧相對應[20]，根據Zhang等的研究，噴霧撞擊網格破碎形成的霧滴粒徑由網格孔徑決定[21]。因此經過這3種孔徑霧化網格后的霧滴粒徑分別為461、350和227m左右，與常規噴頭霧滴粒徑相近[22]，因此選用這3種孔徑規格。后續可用其他無人機噴頭進行試驗。

1.3 試驗方法

為了研究噴霧撞擊網格后的粒徑和速度分布、霧滴沉積和飄移特性，試驗分為3部分：第1部分利用相位多普勒測試儀（Phase Doppler Anemometry，PDA，丹麥Dantec Dynamics A/S）研究噴霧撞擊并穿過網格后霧滴在空間的粒徑和速度分布[23-24]，第2部分利用高速相機（德國PCO公司，型號pco.dimax cs1）研究噴霧撞擊網格后噴霧角的變化情況[12,17,25]。第3部分利用水敏紙、濾紙和尼龍繩等測量和分析噴霧撞擊網格后的霧滴在靶標上的覆蓋率、沉積量和下風向霧滴的飄移量。

1.3.1 霧滴粒徑和速度分布試驗

本文定義撞擊網格前的單個液滴為母液滴，母液滴撞擊網格后破碎產生的液滴為子液滴，由多個母液滴或子液滴組成的液滴群為霧滴。霧滴粒徑和速度分布試驗如圖2所示。

1.計算機 2.噴頭 3.激光發射器 4.不銹鋼網格 5.激光產生器 6.多普勒信號分析儀 7.信號接收器

將噴頭固定，并使噴頭垂直向下噴霧，噴霧壓力為0.5 MPa，使用清水進行試驗。將長×寬×高為2.5 m×0.7 m×1.3 m的鋁型材架子放置在噴頭下方，將0.7 m×0.7 m的金屬網格固定在架子上并處于噴頭正下方，調整噴頭與網格的距離為30 cm，此距離的霧滴經過了噴霧過程的液膜及韌帶區域的第1次和第2次破碎，霧滴整體成型，霧滴形態不會發生較大變化[26]。 PDA系統為單點測量，設置測量點時選擇噴霧中軸線方向距離噴頭35～55 cm處，即網格下方5～25 cm處，間隔5 cm。對于每個高度，以噴霧中軸線為起點，測量至噴霧邊緣，間隔5 cm。PDA系統的發射激光為波長514.5 nm綠光及488 nm藍光，發射探頭和接收探頭焦距為800 mm，散射角度為67°。每個測量點測量2 000個霧滴數據或60 s，當測量數據量達到2 000而測量時間未達到60 s，或者測量時間達到60 s而數據量未達到2 000，系統會自動移動到下個測量點進行測量。測量結束后將網格撤出，對相同的測量點測量無網格情況下霧滴的粒徑和速度分布，并與放置網格的結果進行對比，分析網格對霧滴速度和粒徑的影響。

根據Su等的研究[27]，單液滴撞擊網格后子液滴的平均粒徑與網格孔徑的關系為

當母液滴的大小和撞擊速度固定時，式（1）右側為固定值，子液滴的粒徑與孔徑成正比。當噴霧撞擊網格時，子液滴形成更為密集，互相之間更易融合成大液滴，子液滴的粒徑與網格孔徑的關系將更為復雜。

1.3.2 噴霧角試驗

噴霧角對噴霧的作用面積有較大影響，單個液滴撞擊網格破碎后的子液滴會向周圍擴散，形成噴霧角。為了確切獲得噴霧撞擊網格后噴霧角的變化情況，使用配備Nikon AF-S 24-85 mm/2.8-4D IF鏡頭的高速相機對噴霧撞擊網格的動態過程進行拍攝，拍攝頻率為3 086幀/s，曝光時間為27 ms，光圈大小為F5.6，鏡頭焦距為85 mm，在拍攝過程中，拍攝條件保持不變，以確保數據處理中的比例尺保持一致。噴霧角試驗如圖3所示。

1.計算機 2.噴頭 3.光源 4.不銹鋼網格 5.高速相機

將光源、噴頭和高速相機依次固定好，網格和鋁型材架固定在噴頭正下方，光源、高速相機和網格處于同一水平面上。改變噴頭的位置以調節噴頭與網格的距離，在噴頭與網格垂直距離為10、30、50 cm處進行測試，獲取噴霧撞擊網格的動態過程，然后通過ImageJ軟件測量噴霧在撞擊網格前后的噴霧角變化。

1.3.3 霧滴覆蓋率、沉積量及飄移量試驗

當霧滴覆蓋率較高（>17%）時，霧滴之間的疊加會導致沉積量出現較大的偏差[29]，而化學分析采樣器可獲得精確沉積量數據。因此本研究使用水敏紙和濾紙2種采樣器進行試驗，水敏紙測量霧滴覆蓋率，濾紙測量霧滴沉積量，如圖4、圖5所示。以柑橘樹為靶標，根據JB/T 9782—2014[30]，將柑橘樹分為上、中、下3個平面，間隔為0.5 m，將每個平面以前、中、后3條線進行劃分，間距25 cm，再將平面以左、中、右3條線進行劃分，于線的交點位置布置采樣點，一共27個采樣點，根據采樣點的布置，上、中、下3層分別標記為A、B、C，A層的前、中、后3個位置分別記為A1、A2、A3，左、中、右3個點分別記為A1-1、A1-2、A1-3、A2-1、A2-2、A2-3、A3-1、A3-2、A3-3。每個采樣點按編號放置一張水敏紙（重慶六六山下植?？萍加邢薰荆┖鸵粡垶V紙（上海半島實業有限公司，孔徑0.22m），水敏紙形狀為邊長為76 mm×26 mm的矩形，濾紙形狀為直徑50 mm的圓形。使用長、寬、高分別為2.5 m×0.7 m×2 m的鋁型材架子放置在果樹上方，將0.7 m×0.7 m的金屬網格固定在架子上，網格與果樹間距約為25 cm，噴頭從網格上方10、30、50 cm處垂直向下噴霧，每次噴霧1 s。試驗使用甲基橙染色劑濃度為0.5 g/L的蒸餾水溶液作為噴霧液。

試驗結束后，分析不同孔徑網格對霧滴沉積特性的影響，分析結果表明，與另外兩種孔徑網格相比，放置350m 孔徑網格的沉積量、覆蓋率、霧滴均勻性和穿透性均較優，因此選用其進行霧滴飄移量檢測。增加噴頭與網格的相對高度至1、2和3 m。設計并制作4組收集裝置，測量霧滴在下風向3、5、7和9 m處同一豎直平面不同高度的霧滴分布。收集裝置高×寬為2 m×1 m，由直徑為2 cm的硬聚氯乙烯管材搭建而成。收集裝置從0.3 m起至1.8 m為止，每隔0.3 m布置一根長1 m、直徑2 mm的尼龍繩（祥宇繩網）作為霧滴收集器，使用鳳尾夾將其固定在收集裝置上，每個收集裝置上布置6根，單次試驗共計24根。金屬網格和樹上霧滴收集裝置的布置方法相同。試驗時使用風速儀（標智儀表，GM8902）對環境風速進行測量，環境風速在2.1～4.3 m/s。

1.噴頭 2.不銹鋼網格 3.靶標樹 4.飄移霧滴收集裝置

圖5 霧滴沉積試驗現場和采樣器

1.4 評價指標

1.4.1 霧滴粒徑和速度

霧滴在空間中的速度大小和方向由PDA（Phase Doppler Anemometry）測量獲得，PDA 探頭將采集到的霧滴信息傳輸到PDA 配套軟件BSAFlow Software 處理，獲得霧滴在空間中的速度。每個采樣點選擇沿豎直向下與水平方向的速度進行統計，然后計算合速度，之后使用Origin 2018軟件進行處理，得到霧滴的粒徑和速度分布圖。

1.4.2 噴霧角

使用高速相機拍攝獲取噴霧撞擊網格時噴霧角的變化情況，如圖6所示，圖中網格孔徑為461m，噴頭距離網格10 cm，其中和的大小由ImageJ軟件獲得，噴頭噴霧角和二次霧化霧滴的噴霧角分別表示為2和2。

注：λ為噴頭噴霧角的1/2，（°）；θ為噴霧在穿過網格后霧滴邊緣與鉛垂線的夾角，（°）。

1.4.3 霧滴覆蓋率、沉積量及飄移量

每次試驗完成后，待采樣點水敏紙和濾紙完全干燥，立即將所有樣品（水敏紙、濾紙、尼龍繩）避光保存，將水敏紙、濾紙以及尼龍繩收集保存在規格為22 cm×15 cm塑料自封袋中，避免樣品之間交叉污染，全天試驗結束后將當天獲取的樣品運輸至實驗室避光、陰涼處儲存，隨后對樣品進行處理和測定。處理樣品時，對水敏紙使用掃描儀（HP LaserJet Pro M126nw MFP）在600 dpi分辨率灰度下進行掃描，并使用ImageJ軟件分析霧滴覆蓋率，根據GB/T 20084—2006，霧滴覆蓋率為目標物上霧滴所覆蓋的表面積與目標物總表面積的比值[20]，由式（6）計算得到：

1.4.4 霧滴沉積的均勻性和穿透性

為表征各采集點之間的霧滴沉積均勻性和沉積穿透性，本研究以果樹上每層不同采集點之間霧滴沉積量的變異系數（Coefficient of Variation，CV）來衡量霧滴的沉積均勻性，以A、B、C三層之間霧滴沉積量的CV來衡量霧滴沉積穿透性；其中，變異系數值越小表示霧滴沉積越均勻，穿透性越好。依據ISO24253-1，噴霧沉積量的算術平均值、標準差和變異系數計算公式為[33]

2 結果與分析

2.1 霧滴粒徑和速度分布特性

圖7為噴霧壓力0.5 MPa時不同噴霧條件下霧滴的粒徑和速度分布圖。總體上看，距離噴頭較近的區域霧滴的速度較大，距離噴頭350 mm處霧滴平均速度為1.59～3.07 m/s，距離噴頭550 mm處霧滴平均速度為0.8～2.97 m/s。從圖7中還可看出，錐形噴霧邊緣區域霧滴速度較小，邊緣區域霧滴速度最大為1.86 m/s，低于錐形噴霧中心的3.08 m/s。與沒有放置網格的情況相比，噴頭下方放置網格時，噴霧撞擊并穿透網格后的速度明顯下降，沒有放置網格時，測量點的平均速度為2.35 m/s，放置461、350和227m 孔徑網格時測量點的平均速度分別為1.80、2.02、1.67 m/s，比沒有放置網格分別減少了23.40%、13.90%、29.00%，這說明網格能有效降低噴霧的運動速度。霧滴速度較大時，撞擊靶標后更易發生破碎、飛濺，或者反彈，導致霧滴脫離靶標[34]，因此，霧化網格有利于提高霧滴在植被上的沉積效果，從而減少農藥流失和浪費。

從圖7中還可以看出，在距離噴頭較近的區域霧滴粒徑較小，遠離噴頭的區域霧滴粒徑較大，霧滴粒徑沿軸向和徑向有增加的趨勢，錐形噴霧邊緣的霧滴粒徑范圍為90.8～192.5m，噴霧中心的霧滴粒徑范圍為58.4～108.9m。這主要是由于霧滴在空氣中流動時，霧滴與霧滴之間發生相互碰撞，并融合成粒徑更大的霧滴。與沒有放置網格的情況相比，噴頭下方放置網格的情況下，霧滴的最大平均粒徑有所減小。沒有網格時，測量點最大的平均粒徑為192.5m，放置461、350和227m孔徑網格時，測量點最大的平均粒徑分別為155.0、165.6和173.3m，分別比沒有網格情況下降了19.5%、14%、10%，說明霧化網格在一定程度上能夠降低噴霧的粒徑，而小粒徑的霧滴能夠增加霧滴的密度和覆蓋率[35]，提高施藥效果。從圖7中還可以看出，孔徑更小的網格霧滴的粒徑反而更大，這是由于孔徑較小的網孔之間的距離小，霧滴穿過網格后霧滴之間的距離更小，霧滴之間反而更容易融合成大霧滴。

圖8為軸向不同距離處的平面測量點霧滴粒徑CV值，表示不同平面內霧滴粒徑的分散程度，CV值越小，表明霧滴粒徑分布越均勻。從圖中可以看出，隨著與噴頭距離的增加，CV值有上升趨勢，當網格孔徑為461和227m 時，CV值均小于沒有網格的情況。而當網格孔徑為350m時，與噴頭距離為350和450 mm時，CV值小于沒有網格的情況，其他距離的CV值與沒有網格情況相當?？傮w上，放置網格后霧滴的CV值低于沒有放置網格的情況，這表明霧化網格能在一定程度上優化霧滴的粒徑分布。放置網格的霧滴平均CV值為21.5%，比NY/T 650—2017[36]中對常規量機動噴霧分布均勻性要求的50%低28.5個百分點，說明霧化網格的噴霧均勻性較優。

2.2 噴霧穿過網格后噴霧角的變化

3種網格孔徑以及噴頭與網格3種距離條件下，噴霧角的變化如表1所示。從表1中可以看出：噴頭與網格距離為10 cm時二次霧化的噴霧角最大，為84.179°，比無網格情況下的63.813°大20.366°。這是由于當噴頭與網格距離最小時，霧滴撞擊網格的速度最大，導致霧滴穿過網格后向四周擴散，使得噴霧角更大。在461m孔徑網格、噴頭與網格距離為10和30 cm以及350m孔徑網格、噴頭與網格距離為10 cm的條件下，二次霧化霧滴的噴霧角大于沒有放置網格的情況，這使得噴霧范圍進一步擴大。從表1中還可以看出，隨著網格孔徑的減小，二次霧化后霧滴的噴霧角逐漸降低，這是由于當網格孔徑減小時，霧滴難以穿過網格，導致霧滴穿過網格的速度減小，霧滴向外擴散的幅度變小，從而使二次霧化霧滴的噴霧角減小。

2.3 霧滴覆蓋率

不同試驗條件下霧滴覆蓋率如圖9所示。在所有試驗條件下，A、B、C層的霧滴覆蓋率逐漸降低，覆蓋率隨著與噴頭距離的增大而逐漸減小，在接近地面處霧滴覆蓋率最小。而噴頭與網格的距離對覆蓋率沒有明顯的影響。

注：圖中箭頭代表測量點霧滴速度的方向和大小，實心圓代表霧滴粒徑。

圖8 與噴頭不同距離處平面內粒徑的霧滴變異系數CV

圖10為3種網格孔徑下噴頭與網格不同距離時的霧滴平均覆蓋率。從圖10中可以看出，網格孔徑為461和350m 時，霧滴覆蓋率的變化規律接近，噴頭與網格的距離對霧滴覆蓋率影響不大。但網格孔徑為227m，噴頭與網格距離為10 cm時，霧滴覆蓋率明顯小于噴頭與網格距離為30和50 cm的情況，這是由于噴頭與網格的距離較近時，噴霧與網格接觸的面積較小，并且由于227m孔徑較小，霧滴難以穿透網格，有一部分液體留在網格上方，導致穿透網格的霧滴較少，進而覆蓋率較小。有網格情況下，平均霧滴覆蓋率為41.94%，比NY/T 650—2017[36]中對常規噴霧藥液覆蓋率要求的33%高8.94個百分點。

表1 有無霧化網格的霧滴噴霧角對比

圖9 各測試條件下的霧滴覆蓋率

圖10 噴頭與網格不同距離時的平均霧滴覆蓋率

2.4 霧滴沉積量

霧滴沉積量試驗結果如表2所示，無網格時，噴頭位置與有網格時相同。從表2中可以看出，噴頭與網格距離的增大對霧滴沉積量影響不大，霧滴的沉積量隨網格孔徑的減小而減小，網格孔徑為461m時霧滴平均沉積量最大，為0.727L/cm2，網格孔徑為227m時霧滴沉積量最小，為0.586L/cm2，網格孔徑為350和227m情況下，霧滴沉積量分別比461m孔徑網格情況減少6.7%和19.3%。這是由于當網格孔徑減小時，霧滴難以穿過網格，穿過網格的霧滴量減少，從而霧滴沉積量減小。

2.5 霧滴沉積均勻性和穿透性

從表2中可以看出，當網格孔徑為461m時，果樹上單層采樣點之間的CV值和各層之間的CV值較大，單層最大CV值達到162.92%，各層之間最大CV值達到44.09%，表明霧滴沉積均勻性-較差，并且霧滴穿透性能相對另兩個網格較差。對于孔徑為350和227m的網格，試驗結果表明霧滴在單層各采樣點之間最大的CV值不超過90%，各層之間最大CV值不超過20%，這表明在使用350和227m孔徑網格時霧滴的均勻性和穿透性能較好。

表2 霧滴沉積量試驗結果

2.6 霧滴飄移量

將噴頭與網格的距離調高后進行的霧滴飄移量試驗，結果如表3所示。從表3中可以看出，霧滴飄移量隨著噴頭與網格之間距離的增加而增加，隨著下風向距離的增加而減少。在所有試驗中，下風向距離9 m的位置都沒有檢測到霧滴飄移量，表明該試驗條件下霧滴的最大飄移距離不超過9 m，較大霧滴的抗飄移能力較高。

試驗中將果樹上的采樣點定義為靶標區，將霧滴飄移的收集裝置定義為非靶標區，圖11為噴頭與網格不同距離情況下，放置350m 孔徑網格與無網格時，靶標區和非靶標區的平均霧滴沉積量，從圖11可以看出，使用網格法時，靶標區的平均霧滴沉積量隨著噴頭與網格距離的增大而減小，而非靶標區的平均霧滴沉積量隨著噴頭與網格距離的增大而增大。放置350m 孔徑網格條件下，靶標區的平均霧滴沉積量為0.249L/cm2，非靶標區的平均霧滴飄移量為0.019L/cm2，為靶標區霧滴沉積量的7.58%。在噴頭與網格距離為3 m時，靶標區和非靶標區的平均霧滴沉積量差距最小，在這種條件下靶標區的平均霧滴沉積量也遠大于非靶標區的平均霧滴沉積量，表明使用網格能有效抑制霧滴的飄移，并且靶標區的霧滴沉積量較高。從圖11中還可以看出，放置網格時霧滴在靶標區的沉積量低于無網格情況，這表明網格對霧滴有一定的阻礙作用，導致靶標區的霧滴沉積量減少，而對非靶標區則沒有影響，這也表明液滴的飄移主要發生在霧滴從噴頭噴出到撞擊網格的過程。

表3 霧滴飄移量試驗結果

圖11 噴頭與網格不同距離時靶標區與非靶標區的平均霧滴沉積量

3 結 論

本研究提出一種霧化網格的方法，利用液滴穿過網格破碎的特性，在壓力旋流噴頭下方放置網格，使得噴霧在撞擊網格后再一次的霧化，利用PDA（Phase Doppler Anemonetry）研究了不同條件下二次霧化后粒徑和速度分布，并且通過水敏紙、濾紙和尼龍繩研究霧滴的沉積和飄移特性。對試驗結果分析后得到主要結論如下：

1）霧化網格法能夠有效的降低霧滴的速度和粒徑，461、350和227m孔徑網格下，霧滴的速度和粒徑分別比無網格情況下降低了23.40%、13.90%、29.00%和19.5%、14%、10%，在噴頭到網格的區間內，大粒徑霧滴不易飄移，在霧滴撞擊網格后速度和粒徑減小，且由于網格距離果樹較近，霧滴可飄移空間較少，故可規避小粒徑霧滴易飄移的缺點，并保留小霧滴在靶標上不易反彈、覆蓋率高的優勢。噴頭與網格的距離對霧滴沉積量和覆蓋率沒有顯著的影響。

2）網格孔徑以及噴頭與網格的距離能影響霧滴噴霧角變化程度，在一定條件下二次霧化的霧滴噴霧角會變大，如在網格孔徑為461m、噴頭與網格距離為10 cm條件下，二次霧化霧滴的噴霧角比無網格時噴霧角大20.366°，能擴大噴霧的范圍。隨著孔徑的減小，二次霧化霧滴的噴霧角有逐漸減小的趨勢。

3）網格的孔徑對霧滴沉積的均勻性和穿透性有較大影響，放置孔徑為461m網格時各層內采樣點沉積量的CV最大為162.98%，沉積均勻性最差，孔徑為350和227m網格時沉積均勻性相近，采樣點沉積量的變異系數值在33.51%～88.08%之間。放置孔徑為350m網格時各層之間霧滴沉積量CV最小，CV在0.8%～10.08%之間，表明霧滴穿透能力更好，綜上在本試驗條件下，放置孔徑為350m網格沉積效果要優于孔徑為461和227m網格。

4）放置網格并噴灑大霧滴的條件下，具有較低的霧滴飄移量，且在靶標區霧滴沉積量有較高水平，非靶標區平均霧滴飄移量為靶標區沉積量的7.58%。放置網格會對霧滴在靶標上的沉積有一定阻礙作用，而對霧滴飄移沒有影響，說明霧滴飄移主要發生在霧滴從噴頭噴出到撞擊網格的過程。

后續將結合植保無人機噴霧與霧化網格法，通過大量果園田間試驗獲取數據來明確針對不同施藥參數、環境參數與飄移率之間的關系，探索建立植保無人機噴霧與霧化網格法結合的飄移模型，并評估網格對藥液造成的損失，為植保無人機噴霧與霧化網格法結合的作業參數及網格參數選擇提供參考。

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Application and experiments of the atomization mesh used on the plant protection spraying in orchards

Xue Xiuyun1,2,3,4, Yang Zhenyu1, Liang Xinqi1, Luo Qin1, Lyu Shilei1,2,3, Li Zhen1,2,3,4※

(1.,,510642, China; 2.,,510642,; 3.,,510642,; 4-,514781,)

Plant protection spraying has been the main way to prevent crops from pests and diseases at present. However, the average utilization rate of pesticides is only 20% to 30% in manual sprayers and large-capacity rain spraying, particularly with water consumption of 600-1 200 L/hm2. The current pesticide spraying cannot fully meet the requirement of intensive agriculture in recent years. Among them, a large number of droplets with small particle sizes are susceptible to drifting by ambient wind. In this study, the mesh atomization of droplets was applied to reduce the wind drift for the high utilization rate of pesticides in the process of plant protection spraying. A systematic optimization was also made to investigate the secondary atomization characteristics of the droplets and the deposition effect of the droplets after the spray hits the mesh. The experimental variables were set as the pore size and the distance between the nozzle and the mesh. Phase Doppler Anemometry (PDA) was used to measure the velocity and particle size distribution of droplets after secondary atomization. A high-speed camera was selected to capture the spray angle. A 0.5 g/L methyl orange aqueous solution was prepared as a spray solution. The water-sensitive and filter tests were carried out to determine the droplet coverage and deposition amount, in order to evaluate the droplet deposition characteristics of the mesh atomization. The test results showed that: 1) the mesh effectively reduced the speed of the droplets. The average velocities of the measurement points were 1.80, 2.02, and 1.67 m/s under the mesh with pore sizes of 461, 350, and 227m, respectively. There were 23.40%, 13.90%, and 29.00% lower than those without the mesh (2.35 m/s). 2) The mesh reduced the particle size of the droplets. The maximum average particle sizes of the measurement points were 155.0, 165.6, and 173.3m under the mesh with the pore size of 461, 350, and 227m, respectively, which were 19.5%, 14%, and 10% lower than those without the mesh (192.5m). 3) The spray angle of the droplet was varied in the pore size of the mesh and the distance between the nozzle and the mesh. Specifically, the maximum spray angle was 84.179° for the secondary atomized droplets at the pore size of 461m and the 10cm distance between the nozzle and the mesh, which was 20.366° larger than that without the mesh. 4) There was a great influence of pore size on the uniformity and penetration of the droplet deposition. The coefficient of variation of the deposition rate was between 33.51% and 88.08% at the sampling point of the mesh with the pore size of 350 and 227m, respectively, indicating similar deposition uniformity. By contrast, the maximum coefficient of variation of the deposition rate was 162.98% at the sampling points in each mesh layer with a pore size of 461m, indicating relatively less deposition uniformity. The better penetration of droplets was achieved in the mesh with the pore size of 350m, where the coefficient of variation of deposition between layers was between 0.8 % and 10.08 %. The better deposition was obtained in the mesh with the pore size of 461m in this case, compared with the pore size of 461 and 227m. There was no significant effect of the distance between the nozzle and the grid on the droplet coverage and deposition volume. In terms of the grids and large spraying droplets, the average droplet drift in the non-target area was 7.58 % of the deposition in the target area, indicating better performance after optimization. This finding can provide a strong reference to select the spraying and mesh parameters for the combination of plant protection UAV spray and mesh atomization.

spray; UAV; droplet breaking; wire mesh; spray coverage; deposit rate

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.001

S491

A

1002-6819(2022)-18-0001-10

薛秀云，楊振宇，梁馨琪，等. 霧化網格在果樹植保噴霧中的應用與試驗[J]. 農業工程學報，2022，38(18)：1-10.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.001 http://www.tcsae.org

Xue Xiuyun, Yang Zhenyu, Liang Xinqi, et al. Application and experiments of the atomization mesh used on the plant protection spraying in orchards[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 1-10. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.001 http://www.tcsae.org

2022-04-24

2022-08-26

國家自然科學基金項目（31971797，32271997）；財政部和農業農村部：國家現代農業產業技術體系資助項目；國家重點研發計劃項目（2020YFD1000107）；廣東省現代農業產業技術體系創新團隊建設專項資金（2022KJ108）

薛秀云，博士，高級實驗師，研究方向為植保機械與施藥技術。Email：xuexiuyun@scau.edu.cn

李震，博士，教授，研究方向為機電一體化技術應用。Email：lizhen@scau.edu.cn