王貞濤，張永輝，董慶銘，王曉英，聞建龍

(江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

在農(nóng)作物病蟲(chóng)害防治過(guò)程中，液體化學(xué)藥劑的噴灑是提高防治效果的有效手段之一.荷電噴霧技術(shù)能夠顯著改善液體藥劑的霧化效果，而且霧滴的帶電特性可以促進(jìn)藥劑霧滴在植株葉片表面沉積，尤其是在植株葉片背部［1-4］.近幾十年來(lái)，很多研究者采用試驗(yàn)手段或者數(shù)值方法詳細(xì)研究了荷電噴霧及其在農(nóng)作物病蟲(chóng)害防治中的應(yīng)用、裝置與機(jī)具開(kāi)發(fā)等，主要內(nèi)容涉及霧滴的荷電特性、霧滴粒徑分布與沉積、荷電多相流動(dòng)理論等方面［5-8］.

J.R.Lake等［1］在風(fēng)洞內(nèi)模擬研究了靜電噴霧產(chǎn)生的霧滴在大麥田的沉積量試驗(yàn)，探討了噴嘴尺寸、安裝高度、荷電量和風(fēng)速對(duì)荷電液滴沉積量的影響，并且建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型.S.E.Law［2］總結(jié)回顧了20世紀(jì)靜電噴霧在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究狀況，并展望了未來(lái)的研究與應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì).G.N.Laryea等［3］設(shè)計(jì)了一種壓力旋流霧化噴嘴，詳細(xì)研究了該噴嘴采用靜電噴霧時(shí)的噴霧特性，研究表明該霧化噴嘴形成的霧滴荷電，具有減少殺蟲(chóng)劑的使用量、增加果樹(shù)葉片的沉積量和降低漂移損失等優(yōu)點(diǎn).L.F.Gaunt等［9］證明了荷電噴霧能夠顯著提高殺蟲(chóng)劑霧滴在昆蟲(chóng)上的沉積量，滅蟲(chóng)的時(shí)間明顯縮短.Zhao S.等［10］采用數(shù)值計(jì)算方法研究了不同荷質(zhì)比下荷電顆粒向球形靶的運(yùn)動(dòng)軌跡，研究表明通過(guò)確定顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡及在球形目標(biāo)物上沉積的顆粒數(shù)量，可得出獲得最佳沉降量所要滿足的條件.D.Maski等［11］研究了電極電壓、液體流量以及液體物性對(duì)靜電噴霧中液滴荷電能力的影響，結(jié)果表明流量增加，荷電能力下降.V.R.Mamidi等［12］設(shè)計(jì)了一種由感應(yīng)荷電的壓力旋流霧化噴嘴組成的手壓背負(fù)式噴霧器，并對(duì)電極位置、施加壓力、液體導(dǎo)電性以及電壓等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化以增加系統(tǒng)的效率和有效性.

為了提高靜電噴霧的射程和噴幅，增加生產(chǎn)效率，在實(shí)際生產(chǎn)中常采用軸流式風(fēng)機(jī)以增大荷電霧滴輸運(yùn)的距離［13-16］.軸流式風(fēng)機(jī)適合在低壓下輸送出較大的氣體流量，氣體流速較低，風(fēng)筒出口直徑較大，風(fēng)速衰減緩慢，氣相流場(chǎng)較為均勻.康燦、王曉英等［13-14］采用荷電噴霧進(jìn)行了滅蝗試驗(yàn)研究，探討了霧滴的粒徑與沉積量的分布，并對(duì)比了荷電與非荷電、不同種類和噴量下藥液的滅蝗效果.王貞濤、聞建龍等［15-16］采用高壓靜電噴霧進(jìn)行了室內(nèi)滅菌的試驗(yàn)研究，分析了荷電噴霧與非荷電噴霧對(duì)滅菌效果的影響.

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)荷電噴霧特性及其應(yīng)用領(lǐng)域的研究已取得了很多重要的結(jié)論與成果，但是風(fēng)送荷電噴霧形成的大量細(xì)小荷電霧滴在到達(dá)目標(biāo)物的輸運(yùn)過(guò)程中，受到靜電場(chǎng)與流場(chǎng)的綜合作用，其輸運(yùn)過(guò)程中存在較多的不確定性因素，因此荷電霧滴在氣相流場(chǎng)作用下的空間粒徑分布與沉積特性仍然是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一，也是更好控制霧滴輸運(yùn)距離與沉積量的重要基礎(chǔ).特別是對(duì)于荷電霧滴的遠(yuǎn)距離輸運(yùn)與沉積、及其空間分布等仍需要進(jìn)一步研究，獲得更加精確的數(shù)據(jù)以指導(dǎo)工程應(yīng)用.

文中將軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)送技術(shù)與靜電噴霧技術(shù)結(jié)合設(shè)計(jì)風(fēng)送荷電噴霧試驗(yàn)裝置，選擇壓力旋流霧化噴嘴，以純水作為霧化介質(zhì)，主要對(duì)荷電與非荷電情況下的霧滴粒徑與沉積質(zhì)量沿噴嘴軸線的分布進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)某一軸線位置沿水平徑向方向上的霧滴沉積質(zhì)量和沿垂直徑向方向上的霧滴粒徑的特性進(jìn)行研究，為風(fēng)送荷電噴霧特性的研究提供一定的參考.

1 試驗(yàn)裝置與設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)裝置如圖1所示，由3個(gè)功能系統(tǒng)組成，一是初次霧化系統(tǒng)，主要包含空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)液箱、閥門(mén)、流量計(jì)、過(guò)濾器和噴嘴;二是靜電霧化系統(tǒng)，包含高壓靜電發(fā)生器、靜電電壓表以及充電電極;三是霧滴遠(yuǎn)距離輸運(yùn)系統(tǒng)，即水平放置的軸流風(fēng)機(jī).噴嘴位于軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)筒中，其軸心與風(fēng)機(jī)軸心處于同一直線上，從而保證形成的氣相流場(chǎng)均勻?qū)ΨQ.

圖1 風(fēng)送荷電噴霧試驗(yàn)裝置

在試驗(yàn)過(guò)程中液體霧化包含2個(gè)過(guò)程:一是液體經(jīng)過(guò)壓力旋流霧化噴嘴，實(shí)現(xiàn)初次霧化過(guò)程;二是在軸流風(fēng)機(jī)形成的氣相流場(chǎng)和噴嘴與充電電極之間形成的靜電場(chǎng)的綜合作用下，初次霧化形成的霧滴實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸運(yùn)過(guò)程以及二次霧化過(guò)程.

1.2 試驗(yàn)參數(shù)的選取

風(fēng)機(jī)選用低噪聲軸流風(fēng)機(jī)，型號(hào)為CDZ2.8，葉輪直徑為280 mm，風(fēng)量為2 745 m3·h-1，全壓為 242 Pa，轉(zhuǎn)速為 2 900 r·min-1，功率為 0.25 kW，噪聲為71 dB.噴嘴選用農(nóng)業(yè)噴霧中常用的低壓旋流霧化噴嘴，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.液體進(jìn)入噴嘴后，通過(guò)2個(gè)液體出口孔沿斜向切槽進(jìn)入旋流室，液體在霧化片通道內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)后經(jīng)噴孔噴出而霧化.噴孔的直徑為1.8 mm.在試驗(yàn)過(guò)程中液體所需的霧化壓力由空氣壓縮機(jī)提供，設(shè)定壓力值為0.20 MPa，噴嘴的流量為1.2 L·min-1.霧滴的荷電方式為感應(yīng)荷電，即由負(fù)高壓靜電發(fā)生器為環(huán)形電極充電，噴嘴與組合電極之間形成靜電場(chǎng)，經(jīng)噴嘴初次霧化的霧滴由于靜電感應(yīng)而帶電.負(fù)高壓靜電發(fā)生器的功率為200 W，最大輸出負(fù)電壓值為100 kV.電極材料為黃銅，直徑為2.0 mm.電極環(huán)所在平面與噴嘴出口平面的距離設(shè)定為20.0 mm.

圖2 低壓旋流霧化壓力噴嘴示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

文中試驗(yàn)內(nèi)容包括軸流風(fēng)機(jī)氣流速度測(cè)量、霧滴荷質(zhì)比與電流測(cè)量、霧滴粒徑與沉積質(zhì)量測(cè)量3個(gè)部分.為避免霧滴運(yùn)動(dòng)受到外界自然風(fēng)場(chǎng)的影響，試驗(yàn)在密閉室內(nèi)進(jìn)行.在進(jìn)行霧滴粒徑與沉積質(zhì)量測(cè)量試驗(yàn)中，首先研究在噴嘴軸線上，不同荷電電壓以及非荷電情況下，霧滴粒徑以及沉積質(zhì)量與測(cè)量點(diǎn)位置的關(guān)系.然后考察在某一確定軸線位置，沿水平徑向方向上的沉積質(zhì)量以及沿垂直徑向方向上的霧滴粒徑與測(cè)量點(diǎn)位置的關(guān)系.測(cè)量點(diǎn)的具體布置如圖3所示.

圖3 霧滴粒徑與沉積量的測(cè)量點(diǎn)布置

以噴嘴出口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以噴嘴軸線為x軸，水平徑向?yàn)閥軸，垂直徑向z軸建立三維直角坐標(biāo)系.在x軸上每隔0.5 m設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，共設(shè)置16個(gè)，記錄其坐標(biāo).然后在x軸上2.0 m和3.0 m處沿y軸和z軸正負(fù)方向上每隔10 cm設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，共設(shè)置4個(gè)，記錄其坐標(biāo).

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 軸流風(fēng)機(jī)氣流速度

軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力作用使得空氣的流動(dòng)為一種軸對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)射流，其速度矢量可分解為軸向速度、徑向速度和切向速度.為消除徑向速度和切向速度的影響，對(duì)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造［16］，在風(fēng)機(jī)出口處增加收縮段和導(dǎo)流板，以提高空氣流速的均勻程度.圖4為軸流風(fēng)機(jī)軸心速度衰減曲線.

圖4 軸線風(fēng)速衰減曲線

u0為噴口截面上的平均速度，uθmax，urmax，uxmax分別為各截面處最大切向、徑向和軸向速度.由圖4可看出，未加裝導(dǎo)流板時(shí)，各分速度隨x/D的增大而迅速衰減，特別是urmax和uθmax，當(dāng)x/D＞4.0，二者幾乎可忽略不計(jì).加裝導(dǎo)流板后，uθmax，urmax2個(gè)分速度隨x/D的增大而迅速衰減到非常小的值，與軸向最大速度uxmax相比可忽略不計(jì).然而軸向速度卻顯著增加，約為未加裝導(dǎo)流板時(shí)的2倍，這時(shí)軸流風(fēng)機(jī)形成的空氣流動(dòng)射流可認(rèn)為是不旋轉(zhuǎn)的軸對(duì)稱圓柱射流，因此在風(fēng)機(jī)出口處安裝導(dǎo)流板可提高氣流軸向速度，增加噴霧射程.

2.2 霧滴荷質(zhì)比與電流

霧滴荷電量是影響霧滴的粒徑分布、運(yùn)動(dòng)軌跡以及沉積量分布等噴霧特性的重要技術(shù)參數(shù).通常以荷質(zhì)比作為霧滴荷電量多少的評(píng)定參數(shù).文中的試驗(yàn)采用法拉第筒法對(duì)霧滴的荷質(zhì)比進(jìn)行測(cè)量.荷質(zhì)比的計(jì)算公式為

式中:β為單個(gè)霧滴的荷質(zhì)比;q為霧滴群荷電量;I為電流強(qiáng)度;t為測(cè)量時(shí)間;m為霧滴群質(zhì)量.

荷質(zhì)比與電流的測(cè)量結(jié)果如圖5所示，荷質(zhì)比與電流均隨著電壓的升高而逐漸增大.荷電電壓在0～15 kV范圍內(nèi)，霧滴荷電效果最為明顯，而且荷電電壓最穩(wěn)定.當(dāng)荷電電壓大于15 kV時(shí)，電極會(huì)發(fā)出“嗞嗞”聲;當(dāng)荷電電壓達(dá)到20 kV時(shí)，電極產(chǎn)生放電現(xiàn)象，荷電電壓出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)增大荷電電壓，電壓發(fā)生擊穿現(xiàn)象，從而失去荷電能力.因此，試驗(yàn)過(guò)程中荷電電壓選擇小于20 kV，在對(duì)比荷電與非荷電噴霧的沉積分布與霧滴粒徑分布時(shí)，荷電電壓設(shè)置為13 kV.

圖5 霧滴荷質(zhì)比與電流

2.3 霧滴粒徑與沉積質(zhì)量

采用微納激光粒度分析儀(Winner 318型)測(cè)量待測(cè)點(diǎn)的霧滴粒徑.首先將荷電電壓依次設(shè)置為0，5，8，13，19 kV，記錄每一點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行10次，將所得結(jié)果取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示.

圖6 不同荷電電壓下的霧滴粒徑沿軸向分布

從圖6可看出，無(wú)論荷電與否，霧滴粒徑基本呈現(xiàn)單峰分布，在x=1.0 m處的霧滴粒徑最大且在100 μm以上，隨著測(cè)量點(diǎn)與噴嘴出口距離的增大，霧滴粒徑先增大后減小.在同一測(cè)量點(diǎn)處，隨著荷電電壓的升高，霧滴粒徑逐漸減小，在0～13 kV最為明顯.結(jié)果表明:對(duì)霧滴荷電不改變霧的滴粒徑分布與軸向距離的關(guān)系，即荷電噴霧與非荷電噴霧，隨著軸向距離的增大，霧滴粒徑均是先增大后減小;霧滴荷電后，不同粒徑的霧滴荷電能力不同，當(dāng)其荷電量超過(guò)瑞利極限后，霧滴在靜電力、表面張力、慣性力以及黏性阻力的共同作用下破碎成小霧滴.相同試驗(yàn)條件下，荷電霧滴的平均粒徑可達(dá)到非荷電霧滴的60%，可見(jiàn)荷電對(duì)霧滴破碎有著重要的影響.

同樣地測(cè)量x=2.0 m以及x=3.0 m處沿垂直徑向(z方向)上的測(cè)量點(diǎn)的霧滴粒徑，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.

圖7 非荷電噴霧與荷電噴霧沿z方向的粒徑分布情況

從圖7中可以看出，非荷電噴霧時(shí)，霧滴粒徑沿垂直徑向(z方向)基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布，即噴嘴軸線上的霧滴粒徑最小，隨著徑向距離的增大，霧滴粒徑逐漸增大.荷電噴霧時(shí)，霧滴粒徑沿著z軸正方向呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)，即粒徑較大的霧滴分布在噴嘴下方區(qū)域，而粒徑較小的霧滴分布在噴嘴上方區(qū)域，關(guān)于x軸呈現(xiàn)出不對(duì)稱分布.這是由于霧滴荷電后，不同間距的霧滴之間存在大小不等以及方向不同的庫(kù)倫斥力作用.相比于非荷電噴霧，霧滴所受的來(lái)自其他霧滴的庫(kù)倫斥力的合力作用突出，加之氣流和重力等共同作用，使得粒徑較小的霧滴上揚(yáng)，粒徑較大的霧滴下沉，大霧滴與小霧滴分離.結(jié)果表明，荷電噴霧有助于實(shí)現(xiàn)大小霧滴的分離，這對(duì)于不同空間位置對(duì)霧滴粒徑做要求的工程應(yīng)用具有重要意義.

采用單位面積的霧滴沉積質(zhì)量作為霧滴沉積特性的一個(gè)評(píng)定參數(shù).測(cè)量點(diǎn)的布置如圖3所示，在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)上放置直徑為89 mm的玻璃皿用來(lái)接收沉降的霧滴.在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，將玻璃皿口遮擋住，待軸流風(fēng)機(jī)以及噴霧達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，開(kāi)啟玻璃皿的遮擋，開(kāi)始秒表計(jì)時(shí)為300 s，然后迅速將玻璃皿封住，防止由于玻璃皿內(nèi)的霧滴蒸發(fā)而造成測(cè)量誤差.最后，關(guān)閉試驗(yàn)裝置.稱重時(shí)將玻璃皿外表擦干后，使用高精度(±0.01 g)的電子天平測(cè)出每個(gè)玻璃皿的質(zhì)量，然后減去未接收霧滴時(shí)的玻璃皿質(zhì)量，再根據(jù)玻璃皿的直徑計(jì)算出單位面積的霧滴沉積質(zhì)量，即可得相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的霧滴沉積狀況.

圖8為荷電和非荷電噴霧時(shí)，噴嘴軸線上(x方向)的單位面積的霧滴沉積質(zhì)量測(cè)量結(jié)果.

圖8 霧滴沿軸向的沉積質(zhì)量分布

由圖8可知，隨著軸向距離的增大，單位面積的霧滴沉積質(zhì)量先增大后減小，呈現(xiàn)單峰分布;從噴嘴出口到x=3.0 m，非荷電噴霧時(shí)的單位面積的霧滴沉積質(zhì)量比荷電噴霧時(shí)的效果好，這是由于非荷電噴霧時(shí)，霧滴粒徑較大且大部分由于重力作用而沉降，而荷電噴霧時(shí)，霧滴粒徑較小，而且霧滴之間存在庫(kù)倫斥力作用，在風(fēng)力作用下，小粒徑霧滴沿軸線輸運(yùn)得更遠(yuǎn)而沉降，這也是在3.0～8.0 m，荷電噴霧的霧滴沉積量明顯高于非荷電時(shí)的原因.在x=3.0 m處，荷電噴霧的霧滴沉積質(zhì)量比非荷電噴霧的提高了18%，而且隨x值的增大，提高幅度也逐漸增大，在x=8 m處，提高幅度達(dá)3.5倍，這說(shuō)明風(fēng)送荷電噴霧能夠在較遠(yuǎn)的輸運(yùn)距離上獲得較好的沉積效果.

荷電噴霧與非荷電噴霧沿水平徑向的霧滴沉積質(zhì)量測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.

圖9 霧滴沿水平徑向的沉積質(zhì)量分布

由圖9可知，荷電與非荷電2種情況下，霧滴的沉積質(zhì)量均隨著與軸線距離的增大而減小，即在軸線上取得最大值.如果規(guī)定單位面積的沉積質(zhì)量在0.005 g·cm-2以上的區(qū)域?yàn)橛行У某练e區(qū)域，那么，非荷電噴霧時(shí)，有效的沉積區(qū)域?yàn)?0.3～0.3 m，而荷電噴霧時(shí)，則為-0.4～0.4 m，說(shuō)明荷電噴霧產(chǎn)生的沉積區(qū)域大于非荷電噴霧的.這是由于在荷電噴霧過(guò)程中，霧滴帶有相同極性的電荷，霧滴之間產(chǎn)生了相互排斥的作用力，霧滴在輸運(yùn)過(guò)程中彌散程度加劇，因而沉積質(zhì)量沿水平徑向(y方向)分布更加寬闊.

3 結(jié)論

1)對(duì)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造后，產(chǎn)生的氣流有助于增加噴霧射程，以及對(duì)霧滴的荷質(zhì)比與電壓關(guān)系的研究，有助于確定霧滴粒徑和沉積質(zhì)量測(cè)量試驗(yàn)的荷電電壓.

2)荷電噴霧與非荷電噴霧的霧滴粒徑與沉積質(zhì)量均隨著軸向距離的增加先增大后減小，呈現(xiàn)出單峰分布，對(duì)霧滴荷電，使得霧滴粒徑減小，軸向距離3.0～8.0 m時(shí)的霧滴沉積質(zhì)量增加.

3)對(duì)比x=2.0和3.0 m處，荷電噴霧與非荷電噴霧的霧滴粒徑沿垂直徑向(z方向)以及霧滴沉積質(zhì)量沿水平徑向(y方向)的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，荷電噴霧能夠?qū)崿F(xiàn)大小霧滴分離，即較小霧滴位于噴嘴軸線上方，較大霧滴位于噴嘴軸線下方，而且荷電噴霧使得霧滴的有效沉積區(qū)域由非荷電噴霧時(shí)的-0.3～0.3 m增加為-0.4～0.4 m.

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