蘭玉彬　張海艷　文　晟　李晟華

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642； 2.國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心， 廣州 510642)

0　引言

靜電噴霧技術(shù)是指利用高壓電極在噴嘴與噴施靶標(biāo)之間建立靜電場，使經(jīng)噴嘴霧化后的霧滴攜帶電荷，在霧滴初始動力、重力和電場力的驅(qū)動下，向靶標(biāo)做沉積運(yùn)動[1]。因?yàn)殪o電場的“靜電環(huán)繞”原理，荷電后的霧滴可以迂回沉積到靶標(biāo)內(nèi)部被遮蓋的部位，如作物葉片背面等，增加霧滴的沉積效果和穿透性。當(dāng)攜帶電荷的霧滴靠近靶標(biāo)時，根據(jù)靜電感應(yīng)原理，靶標(biāo)將產(chǎn)生與霧滴極性相反的電荷，根據(jù)庫倫定律，霧滴與靶標(biāo)之間產(chǎn)生庫倫力，增加霧滴在靶標(biāo)上的粘附性[2-3]。與非靜電條件下相同尺寸的霧滴相比，靜電條件下的霧滴在噴施靶標(biāo)上的潤濕面更大，粘附性更強(qiáng)，增大了噴施藥液與病蟲害的接觸面積和接觸機(jī)會，提高病蟲害的防治效果，降低施藥量[4-6]。楊超珍等[7]建立了感應(yīng)充電過程的電學(xué)模型，探討了電極結(jié)構(gòu)參數(shù)對霧滴荷電效果的影響，為靜電電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。茹煜、周宏平等[8-13]針對噴嘴結(jié)構(gòu)、電極電壓、電極形狀和電極位置等參數(shù)對靜電噴霧霧化和沉積效果的影響進(jìn)行了大量理論與試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)、優(yōu)化多個靜電噴嘴結(jié)構(gòu)、電極結(jié)構(gòu)和電極位置，分析霧滴電暈荷電和感應(yīng)荷電機(jī)理，建立多個不同電極形狀所誘導(dǎo)出的電場空間分布模型，為合理設(shè)計(jì)靜電充電裝置、正確確定霧流場空間分布，保證霧滴擁有足夠的充電時間提供了理論依據(jù)。張京等[14]設(shè)計(jì)了氣液兩相流感應(yīng)式靜電噴嘴，探究了電極電壓和氣液比對靜電噴嘴沉積性能的影響。DU等[15]建立了射流體在電場中破碎過程的物理模型，探究了噴施溶液的物理性質(zhì)和電場強(qiáng)度對溶液霧化過程的影響，為分析和控制霧滴破碎過程提供了理論依據(jù)。PATEL等[16-17]通過理論與試驗(yàn)結(jié)合的方法探究了不同形狀電極和靶標(biāo)的電場分布特點(diǎn)，研究結(jié)果表明，橢圓形靶標(biāo)產(chǎn)生的靜電場最佳，方形內(nèi)開圓形孔的電極產(chǎn)生的靜電場最佳。AL-MAMURY等[18]設(shè)計(jì)了一款低流量、氣流方向可調(diào)的氣液兩相流感應(yīng)式靜電噴嘴，并研究了氣流方向?qū)o電噴嘴噴幅、霧滴分布均勻性及霧滴在靶標(biāo)上沉積效果的影響。

綜上，雖然國內(nèi)外學(xué)者對靜電噴霧的理論與試驗(yàn)進(jìn)行了深入研究，但卻未見有學(xué)者探究電極材料對它的影響。因此，本文以課題組自主研發(fā)的靜電噴嘴作為研究對象，探究電極材料對靜電噴嘴霧化特性、荷電性能和沉積性能的影響。同時，確定課題組設(shè)計(jì)的靜電噴嘴最佳工作參數(shù)，為后續(xù)搭建應(yīng)用于四旋翼電動無人機(jī)的靜電噴霧系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1　理論分析

1.1　噴孔直徑和噴施壓力對霧滴粒徑的影響理論

在泵壓作用下，液體經(jīng)噴嘴的噴孔噴出，形成空心錐形液膜，具有周向和軸向速度的液膜在持續(xù)發(fā)展過程中，因受外界氣體的擾動作用而在其表面形成正弦波。隨著波幅的增大，在液膜的頂端破裂成絲狀液膜，并最終碎化為大量細(xì)小均勻的霧滴，如圖1所示。

圖1　溶液的霧化過程Fig.1　Atomization process1.液膜　2.液絲或液帶　3.液滴

霧滴粒徑和霧滴的均勻性是描述噴霧系統(tǒng)霧化特性的特征參數(shù)，也是影響噴霧系統(tǒng)沉積特性的關(guān)鍵因素[19-20]。RIZK等[21]以旋流噴嘴為研究對象，對空心錐形液膜厚度與噴施參數(shù)、噴嘴參數(shù)的關(guān)系，進(jìn)行了大量理論與試驗(yàn)研究，推導(dǎo)出空心錐形液膜厚度與噴施壓力、噴孔直徑的半經(jīng)驗(yàn)公式為

(1)

式中hf——液膜厚度，m

S1——流量系數(shù)D0——噴孔直徑，m

μ1——溶液動力粘度，m2/s

p1——噴施壓力，Pa

流量系數(shù)S1的經(jīng)驗(yàn)公式為

(2)

式中m1——溶液的質(zhì)量流量，kg/s

ρ1——溶液密度，kg/m3

WANG等[22]在RIZK的研究基礎(chǔ)上，針對環(huán)狀液膜破碎過程及霧滴粒徑尺寸進(jìn)行了大量的理論推導(dǎo)和試驗(yàn)研究，推導(dǎo)出霧滴粒徑的半經(jīng)驗(yàn)公式為

(3)

式中D——霧滴粒徑，μm

σ1——溶液的表面張力，m/s

ρ2——空氣密度，kg/m3

θ——半噴霧角，(°)

A、B——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)A和B的表達(dá)式為

(4)

(5)

由式(1)～(5)即可得到霧滴粒徑與噴施壓力、噴孔直徑的關(guān)系。

1.2　電極材料對霧滴荷電性能的影響理論

霧滴荷質(zhì)比是描述靜電噴霧系統(tǒng)荷電性能的特征參數(shù)，是提高霧滴在靶標(biāo)上沉積量和沉積均勻性的重要影響因素，尤其影響霧滴在靶標(biāo)反面的沉積量[23-25]。霧滴荷質(zhì)比是靜電場力對霧滴控制能力的表征值。

在實(shí)際應(yīng)用中，主要有3種霧滴充電方法：接觸充電法(25～30 kV，半導(dǎo)電溶液)、感應(yīng)充電法(1～15 kV，導(dǎo)電溶液)和電暈充電法(30～70 kV，導(dǎo)電和不導(dǎo)電溶液均可)。鑒于感應(yīng)充電法具有充電效果好、所需的電極電壓低(遠(yuǎn)低于空氣的擊穿電壓)、對噴霧系統(tǒng)絕緣性要求低等優(yōu)點(diǎn)[26-27]，本文選擇感應(yīng)充電法為霧滴充電。

當(dāng)噴霧系統(tǒng)的靜電作用開啟后，經(jīng)過電場區(qū)域的溶液開始發(fā)生極化，產(chǎn)生與電極極性相反的電荷，完成霧滴充電過程。液膜表面感應(yīng)出的電荷總量是影響霧滴荷質(zhì)比的關(guān)鍵因素，根據(jù)靜電感應(yīng)特征，液膜表面感應(yīng)出的電荷總量與電極材料表面電子密度呈正相關(guān)[28]，因此，電極材料的靜電感應(yīng)能力是影響霧滴荷電效果的關(guān)鍵因素之一。電極材料的靜電感應(yīng)能力取決于電極材料的內(nèi)部性質(zhì)，可從電極材料的費(fèi)米能級和功函數(shù)兩個角度進(jìn)行描述。

在導(dǎo)電過程中，只有費(fèi)米能級附近的電子參與材料的導(dǎo)電過程[29]，因此費(fèi)米能級成為衡量激發(fā)電極材料導(dǎo)電性能所需的最小電壓的表征值，費(fèi)米能級越高的電極材料，所需的激發(fā)電壓越高。

溶液感應(yīng)電荷的密度與電極材料表面電子的密度呈正相關(guān)，因此，電極材料在外電場作用下，保持其表面電子不逸出的能力也是間接影響溶液荷電效果的重要因素。功函數(shù)是電子躍出電極材料所需最小的能量。因此電極材料的感應(yīng)能力與電極材料的功函數(shù)成正比。本文選擇紫銅、黃銅、不銹鋼和鋁作為電極材料，表1是4種電極材料主要成分的費(fèi)米能級，表2是4種電極材料的功函數(shù)。

表1　電極材料的費(fèi)米能級Tab.1　Fermi energies of certain materials

表2　電極材料的功函數(shù)Tab.2　Order of work function of electrode materials

2　靜電噴霧系統(tǒng)霧化與荷電試驗(yàn)

2.1　噴霧系統(tǒng)

噴霧系統(tǒng)如圖2a所示，由水箱、液壓泵(JLm,日井)、壓力調(diào)節(jié)閥(DN25型，永德信)、數(shù)字式壓力表、數(shù)顯流量計(jì)(K24型，東莞冠達(dá)儀表)、靜電噴嘴、高壓電源等組成。高壓電源選擇東文高壓電源有限公司生產(chǎn)的雙極性高壓電源，輸出電壓范圍為0～10 kV，如圖2b所示。

圖2　靜電噴霧系統(tǒng)及噴施設(shè)備Fig.2　Electrostatic spray system and spray equipment1.高壓電源　2.噴霧支架　3.流量計(jì)　4.壓力表　5.壓力調(diào)節(jié)閥　6.液壓泵　7.水箱　8.溫濕度表　9.激光粒度儀　10.法拉第筒　11.靜電噴嘴

水箱中的水經(jīng)過液壓泵加壓后，經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)閥、壓力表、流量計(jì)，輸送到噴嘴處。通過噴嘴的噴孔霧化成細(xì)小均勻的霧滴，由激光粒度儀測量霧滴的粒徑信息，由法拉第筒測量霧滴的荷電量。管道內(nèi)水流通過流量計(jì)進(jìn)行測量。管內(nèi)壓力通過壓力表進(jìn)行測量。通過調(diào)壓閥對管道內(nèi)水流壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過電壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)電壓。

2.2　靜電噴嘴

圖3　靜電噴嘴Fig.3　Electrostatic nozzle1.上殼體　2.導(dǎo)流柱　3.旋流腔　4.下殼體　5.電極座　6.電極　7、9.橡膠墊圈　8.旋流閥芯

靜電噴嘴采用課題組設(shè)計(jì)的旋流噴嘴，如圖3a所示,由上殼體、橡膠墊圈、導(dǎo)流柱、旋流閥芯、旋流腔、下殼體、電極座和電極等部分組成。旋流閥芯是旋流噴嘴的核心部件之一，加壓的液體經(jīng)過旋流閥芯上的旋流槽后，產(chǎn)生角動量并形成螺旋運(yùn)動，并在旋流腔中旋轉(zhuǎn)加速，溶液經(jīng)噴嘴的噴孔噴出后，仍保持一定程度的螺旋運(yùn)動，加強(qiáng)了外界對液膜的擾動作用，加速液膜破碎，增強(qiáng)了液膜破碎程度。旋流槽數(shù)量直接影響噴嘴的體積流量，而旋流槽的螺旋角則對霧滴的體積中徑有較為明顯的影響，隨著旋流槽角的增大，霧滴的體積中徑增大[20]。因此，為了保證霧化效果，實(shí)現(xiàn)低流量噴霧，此旋流閥芯開兩條對稱的、旋流角為30°的旋流槽,如圖3c所示。旋流腔上的噴孔直徑設(shè)計(jì)了1.00、1.25、1.50 mm 3個系列，如圖3d所示。靜電噴嘴總長97 mm，可通過快插接頭與輸液管連接。表3為3個旋流噴嘴分別在6個噴施壓力條件下的流量信息。

表3　靜電噴嘴流量Tab.3　Flow rate of electrostatic nozzles　mL/min

2.3　電極

圖4　電極Fig.4　Electrode

為了增大霧滴與電極重疊區(qū)域，提高霧滴荷電效果，電極設(shè)計(jì)為圓柱與圓錐拼接式電極，電極與電極座連接部分設(shè)計(jì)為圓柱形，與噴霧區(qū)域重合部分設(shè)計(jì)為圓錐形，如圖4a所示。在250 kPa無靜電噴施條件下，旋流噴嘴的霧化角達(dá)到65°，因此電極錐角設(shè)計(jì)為65°，防止霧滴打濕電極，影響霧滴荷電效果，同時保證電極與液膜距離最小，電極與霧流場重疊區(qū)域最大。電極總高35 mm，與霧流場重疊區(qū)域高20 mm。

電極座設(shè)計(jì)為2個階梯式空心半圓柱，圖4b所示是電極座的其中一半。通過螺釘和螺母將電極座緊固在噴嘴外殼的凸臺上，通過電極上的螺旋凸起和電極座上的螺旋槽將二者旋合在一起。圖4c是4種材料電極加工后的實(shí)物圖。

2.4　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了確定本課題組自主研發(fā)的3個系列靜電噴嘴的最佳作業(yè)參數(shù)，同時，探究電極材料對靜電噴嘴霧化和荷電效果的影響，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了電極材料、噴施壓力、噴孔直徑和電極電壓4個試驗(yàn)因素，各因素水平如表4所示。

表4　試驗(yàn)因素水平Tab.4　Experimental factors and levels

2.4.1霧滴粒徑測定試驗(yàn)

采用DP-02型激光粒度儀(歐美克儀器有限公司)進(jìn)行霧滴粒徑信息采集和計(jì)算。試驗(yàn)時，靜電噴嘴放置于激光發(fā)射裝置與激光接收裝置正中間、激光光束正上方0.35 m處。依據(jù)表4依次進(jìn)行試驗(yàn)，每個水平重復(fù)3次。試驗(yàn)時，室內(nèi)溫度為(23.4±3)℃，濕度為(50±5)%。

霧滴譜相對寬度是霧滴均勻性的評價指標(biāo)。根據(jù)中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[30]，霧滴譜相對寬度(RSF)定義為：90%累積體積直徑(Dv0.9)和10%累積體積直徑(Dv0.1)的差值與霧滴體積中徑(Dv0.5)的比。霧滴譜相對寬度越靠近1，代表噴霧系統(tǒng)霧化霧滴的均勻性越好。本文定義UF為霧滴譜相對寬度(RSF)與1差值的絕對值，根據(jù)UF值，可直接描述噴霧系統(tǒng)所霧化霧滴的均勻性。

2.4.2霧滴荷質(zhì)比測定試驗(yàn)

采用圖5所示法拉第筒(不銹鋼制成；筒直徑400 mm，高800 mm；外筒直徑500 mm，高1 000 mm)和電荷量表(0～40 μC)測量霧滴所攜帶的電荷量Qc。依據(jù)表4進(jìn)行試驗(yàn)，每個水平重復(fù)3次。試驗(yàn)時，室內(nèi)溫度為(26±3)℃，濕度為(86±6)%。霧滴荷質(zhì)比為

(6)

其中

M=ρ1V

(7)

V=qt

(8)

式中C——霧滴荷質(zhì)比，mC/kg

I——霧滴群電流，A

t——噴施時間，min

M——噴施時間內(nèi)霧滴的總質(zhì)量，kg

V——噴施時間內(nèi)溶液的體積，m3

q——噴嘴流量，mL/min

圖5　法拉第筒和電荷量表Fig.5　Faraday cage and charge scale

2.5　結(jié)果分析

2.5.1噴施壓力對霧滴粒徑的影響

以靜電作用未開啟時，靜電噴嘴的霧化效果為例，分析噴施壓力和噴孔直徑對霧滴粒徑的影響，如圖6所示。

圖6　霧滴體積中徑隨噴施壓力變化曲線Fig.6　Variation curves of diameter with pressure

圖6描述了3個噴嘴的霧滴粒徑隨噴施壓力的變化情況及霧滴粒徑的理論值與試驗(yàn)結(jié)果的擬合情況。從圖6可知，3個噴嘴中，噴孔直徑為1.00 mm的噴嘴所霧化的霧滴最細(xì)，當(dāng)噴孔直徑從1.00 mm增加至1.50 mm，霧滴體積中徑分別增大了10.6%和21.6%。3個噴嘴所霧化的霧滴的試驗(yàn)結(jié)果與理論值(公式(1)～(5))的相對誤差分別為0.5%、0.8%和3.3%。

從噴施壓力角度分析圖6可知：霧滴粒徑隨噴施壓力的增加，出現(xiàn)階段性變化。當(dāng)噴施壓力從60 kPa增加至170 kPa時，3個噴嘴的霧滴體積中徑迅速降低，且分別降低了57.6%、53.7%和65.8%。當(dāng)噴施壓力從170 kPa增至240 kPa時，霧滴粒徑減小較緩，3個噴嘴的霧滴體積中徑依次降低了12.3%、15.0%和16.4%。

2.5.2電極電壓對霧滴粒徑的影響

圖7　霧滴體積中徑隨電壓的變化曲線Fig.7　Variation curves of diameter with applied voltage

圖7是噴孔直徑為1.00 mm的靜電噴嘴，霧滴粒徑隨電極電壓的變化規(guī)律。從電極電壓對霧滴粒徑的影響角度分析，靜電作用開啟后，霧滴粒徑開始出現(xiàn)減小趨勢，當(dāng)電極電壓超過8 kV后，霧滴粒徑隨電極電壓的增加而出現(xiàn)增大趨勢。這是因?yàn)椋寒?dāng)電極電壓小于8 kV時，電極工作方式為感應(yīng)充電，但當(dāng)電極電壓增加至8 kV以上后，電極的工作方式開始由感應(yīng)充電轉(zhuǎn)換為電暈放電，導(dǎo)致電場混亂，影響霧滴充電效果，降低靜電作用對霧滴碎裂產(chǎn)生的影響。

在4種電極材料中，紫銅的費(fèi)米能級最低，功函數(shù)最大，靜電感應(yīng)能力最強(qiáng)，因此，當(dāng)電極材料為紫銅時，溶液表面電子密度最高，達(dá)到瑞利極限而繼續(xù)發(fā)生碎裂的霧滴更多，因此出現(xiàn)圖7所示的現(xiàn)象：電極材料為紫銅時，靜電噴嘴霧化效果最好。

2.5.3噴施壓力對霧滴分布均勻性的影響

圖8為3個噴嘴在不同噴施壓力條件下，非靜電條件下(在非靜電和不同噴施壓力條件下)霧滴均勻性的試驗(yàn)結(jié)果，從圖8可知，3個噴嘴霧滴的均勻性隨噴施壓力的變化趨勢是一致的：隨噴施壓力的增加，UF值減小，霧滴譜相對寬度變窄，霧滴均勻性被提高；當(dāng)噴施壓力從60 kPa增加至240 kPa時，3個噴嘴霧滴均勻性分別提高了80.5%、92.9%和96.3%。

圖8　UF值隨噴施壓力的變化曲線Fig.8　Variation curves of UF with pressure

當(dāng)噴施壓力保持不變，從圖8可知，噴孔直徑和霧滴均勻性出現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)噴孔直徑從1.00 mm增加至1.50 mm時，霧滴均勻性分別提高了15.1%和17.1%。

2.5.4電極電壓對霧滴分布均勻性的影響

圖9描述了噴孔直徑為1.50 mm的噴嘴，噴施壓力為210 kPa，在電極材料分別為紫銅、黃銅、不銹鋼和鋁時，霧滴均勻性隨電極電壓的變化規(guī)律。從圖9知，靜電作用開啟后，UF值迅速減小，說明相比于常規(guī)噴霧，靜電作用可以提高霧滴的均勻性。電極電壓對霧滴均勻性的影響規(guī)律與電極電壓對霧滴粒徑的影響規(guī)律相似，電極電壓在8 kV以內(nèi)時，UF值隨電極電壓的增加而減小，減小趨勢較為平緩；電極電壓超過8 kV后，霧滴均勻性隨電極電壓增加出現(xiàn)降低趨勢，電極材料為紫銅時，霧滴均勻性最好。

圖9　UF值隨電壓的變化曲線Fig.9　Variation curves of UF with applied voltage

2.5.5噴施壓力對霧滴荷質(zhì)比的影響

圖10描述了電極電壓為8 kV、電極材料為紫銅時3個噴嘴的霧滴荷質(zhì)比隨噴施壓力的變化規(guī)律。從噴施壓力角度分析圖10可知，當(dāng)噴施壓力在170 kPa以內(nèi)時，隨噴施壓力的增加，霧滴荷質(zhì)比逐漸增大，當(dāng)噴施壓力超過170 kPa后，隨著噴施壓力的增加，霧滴荷質(zhì)比出現(xiàn)減小的趨勢。這可能是因?yàn)椋簢娛毫?70 kPa時，溶液的介質(zhì)弛豫時間與霧滴破碎時間恰好相等。當(dāng)噴施壓力在170 kPa以內(nèi)時，溶液介質(zhì)弛豫時間始終小于霧滴破碎時間，保證在霧滴碎裂前，溶液已經(jīng)完成充電過程。而隨著噴施壓力的增加，霧滴繼續(xù)發(fā)生霧化，碎裂為更細(xì)小的霧滴，增加霧滴在電場里繼續(xù)感應(yīng)出電荷的能力，因此，噴施壓力在170 kPa以內(nèi)時，隨噴施壓力的增加，霧滴荷質(zhì)比呈增大趨勢。當(dāng)噴施壓力超過170 kPa時，霧滴碎裂時間已經(jīng)超過介質(zhì)弛豫時間，說明：當(dāng)溶液還沒有充分荷電，就已經(jīng)碎裂為霧滴，離開最佳荷電區(qū)域，向靶標(biāo)沉積了，導(dǎo)致霧滴荷質(zhì)比隨噴施壓力的增加而呈減小趨勢。

圖10　霧滴荷質(zhì)比隨噴施壓力變化曲線Fig.10　Variation curves of charge to mass with pressure

噴孔直徑D0直接影響液膜厚度hf和霧滴粒徑，通過對霧滴粒徑的影響間接影響霧滴荷質(zhì)比。從圖10可知，3個噴嘴中，噴孔直徑為1.00 mm的噴嘴霧滴荷電效果最好。當(dāng)噴孔直徑由1.50 mm縮小至1.00 mm時，霧滴荷質(zhì)比依次增加了6.8%和7.1%。

2.5.6電極電壓對霧滴荷質(zhì)比的影響規(guī)律

圖11描述了噴孔直徑為1.00 mm噴嘴，在紫銅、黃銅、不銹鋼和鋁4種電極材料噴施條件下(噴施壓力為170 kPa)，霧滴荷質(zhì)比隨電極電壓的變化。從圖11分析知，4種電極材料的充電效果依次為：紫銅、黃銅、不銹鋼、鋁，在4種電極材料中，紫銅費(fèi)米能級最低，激發(fā)紫銅費(fèi)米面周圍的電子進(jìn)入導(dǎo)帶、參與導(dǎo)電過程所需的能量最小，相同的施加電壓條件下，紫銅材料被激發(fā)出參與導(dǎo)電過程的電子最多，電子活躍程度最高，產(chǎn)生的電場也最強(qiáng)。此外，4種電極材料中，紫銅功函數(shù)最大，因此紫銅維持其表面電子最大化的能力最強(qiáng)。因此在相同的電極電壓下，紫銅表面擁有最高的電子密度，根據(jù)靜電感應(yīng)特征，紫銅做電極材料時，溶液表面的電子密度最大，碎裂后，霧滴攜帶的電荷量最多，荷質(zhì)比最大。

圖11　霧滴荷質(zhì)比隨電壓的變化曲線Fig.11　Variation curves of charge to mass with applied voltage

霧滴荷質(zhì)比隨電極電壓的變化曲線類似一條半拋物線，電極材料為紫銅，電極電壓為8 kV時，霧滴荷質(zhì)比最大，最大值為0.22 mC/kg。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，確定此靜電噴嘴最佳作業(yè)參數(shù)為：最佳噴施壓力為170 kPa，最佳電極電壓為8 kV，紫銅為最佳電極材料。噴孔直徑為1.00 mm的噴嘴霧化和荷電效果最好。因此，以噴孔直徑D0=1.00 mm的靜電噴嘴為例，在最佳噴施條件下，測試其在靜電作用關(guān)閉和開啟兩種條件下的霧滴沉積情況，分析靜電作用對霧滴沉積的影響。

3　靜電噴霧系統(tǒng)沉積試驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

沉積試驗(yàn)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的食品級誘惑紅染色劑作為噴施溶液，2.5 cm×7.5 cm的銅版紙作為霧滴采集卡，兩棵龍血樹作為沉積靶標(biāo)(龍血樹葉子的表面特征與水稻相似)。兩棵植物的總高為115 cm，冠層高60 cm，冠幅寬55 cm，兩棵植物并排放置于手推車上，并排放置后的植物總冠幅為100 cm(植物相鄰側(cè)部分重疊)。每棵植物分為3個采樣層，如圖12所示，每個采樣層布7個采樣點(diǎn)，具體布點(diǎn)方式如圖13所示。噴霧系統(tǒng)總高310 cm，噴嘴放于兩棵植物的正中間，距離植物冠層150 cm，如圖14所示。

圖12　布點(diǎn)圖Fig.12　Diagram of collection point distribution

圖13　布點(diǎn)示意圖Fig.13　Sketch of collection point distribution

圖14　沉積試驗(yàn)圖Fig.14　Deposit test of electrostatic spray system

3.2　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前將兩株植物并排放置于手推車上，待噴霧系統(tǒng)開啟并穩(wěn)定工作后，人推手推車以3 m/s的速度從噴嘴正下方駛過，完成霧滴沉積過程。試驗(yàn)重復(fù)3次。每次試驗(yàn)完成后，令銅版紙上的霧滴干燥3～5 min，然后按照序號收集銅版紙，并逐一放入相應(yīng)的密封袋中，帶到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空噴施霧化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。用掃描儀將收集的銅版紙逐一進(jìn)行掃描，掃描后的圖像通過imageJ軟件進(jìn)行分析，獲得霧滴在作物葉片上的具體沉積情況。圖15是使用噴孔直徑D0=1.00 mm的噴嘴，在靜電和非靜電兩種情況下，在同一采樣點(diǎn)上的霧滴沉積情況。

圖15　霧滴在銅版紙上的沉積Fig.15　Evaluation of spray deposition in coated paper

3.3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1靜電作用對噴嘴噴幅和霧滴沉積密度的影響

圖16描述了噴孔直徑為1.00 mm噴嘴，在靜電作用和非靜電作用兩種噴施條件下，霧滴在各個采樣點(diǎn)的沉積情況。從圖16可知，相比于其他采樣點(diǎn)，在a、b、c和A、B、C 6個采樣點(diǎn)處，霧滴沉積量較多，從g/G采樣點(diǎn)開始，隨著采樣點(diǎn)與兩植物中心距離越來越遠(yuǎn)，霧滴的沉積量也呈下降趨勢。根據(jù)文獻(xiàn)[31-32]規(guī)定:在飛機(jī)進(jìn)行超低容量的農(nóng)業(yè)噴灑作業(yè)時，作業(yè)對象的霧滴覆蓋密度達(dá)到15個/cm2以上就達(dá)到有效噴幅。從圖16知，在非靜電作用下，噴孔直徑為1.00 mm的噴嘴，有效噴幅在g/G采樣點(diǎn)附近。施加靜電作用后，噴孔直徑為1.00 mm噴嘴的有效噴幅擴(kuò)大至采樣點(diǎn)e/E附近，有效噴幅大約增大了50 cm。

圖16　1.00 mm噴嘴霧滴的沉積情況Fig.16　Droplet number of electrostatic nozzle

相比于非靜電噴霧，在靜電噴霧的條件下，噴孔直徑為1.00 mm的噴嘴在3個采樣層的沉積密度由上至下分別增加了23、19、10個/cm2。其中，在第2采樣層，噴嘴的沉積密度提高了19.04%，在第3采樣層，噴嘴的沉積密度提高了33.33%。試驗(yàn)表明，靜電作用可以有效提高霧滴在作物上的沉積效果；在靜電力的驅(qū)動下，霧滴可以穿透植物頂層，迂回沉積到植物內(nèi)層。

3.3.2靜電作用對不同粒徑霧滴沉積效果的影響

表5、6分別是噴孔直徑為1.00 mm的靜電噴嘴，在非靜電和靜電噴施條件下，各級霧滴在各個采樣層的沉積情況。由表5、6可知，靜電作用開啟后，50～80 μm區(qū)間的霧滴在3個采樣層的沉積數(shù)量均增加了2倍，在80～120 μm區(qū)間，霧滴的沉積量也增加了近1倍；120 μm以上的各級霧滴，在靜電作用開啟后，霧滴沉積量在3個采樣層也依次增加了11.2%、-0.6%、16.2%、9.3%、49.5%、63.6%，161.9%、120%、53.5%、48.3%、41.7%、146%，-14.6%、18.8%、55%、25.9%、36.6%、104.1%。這表明，隨著霧滴粒徑的增大，靜電力對霧滴的控制能力呈現(xiàn)下降趨勢，其中，靜電力對50～120 μm區(qū)間的霧滴的驅(qū)動作用最好。

表5　1.00 mm噴嘴各級粒徑霧滴沉積數(shù)量(非靜電)Tab.5　Number of droplet deposits of different droplet size ranks

表6　1.00 mm噴嘴各級粒徑霧滴沉積數(shù)量(靜電作用)Tab.6　Number of droplet deposits of different droplet size ranks

在非靜電作用下，80～120 μm區(qū)間內(nèi)的霧滴沉積數(shù)所占比例最高，為28.7%，其他區(qū)間的霧滴沉積比例相差不大。靜電作用開啟后，50～80 μm區(qū)間段內(nèi)的霧滴沉積比例明顯增大；180 μm以下霧滴沉積數(shù)占據(jù)了總沉積數(shù)的66.91%，是此噴嘴主要沉積區(qū)間段。

4　結(jié)論

(1)最佳噴施壓力為170 kPa，最佳電極電壓為8 kV，紫銅為最佳電極材料，噴孔直徑D0=1.00 mm的噴嘴霧化和荷電效果最好。

(2)靜電作用開啟后，靜電噴嘴的有效噴幅增加了約50 cm。在3個采樣層的沉積密度依次增加了23、19、10個/cm2。

(3)靜電作用開啟后，50～80 μm區(qū)間的霧滴沉積增加量最明顯，約增加了2倍，120 μm以上的霧滴，霧滴沉積粒數(shù)隨霧滴粒徑的增大呈下降趨勢。

(4)靜電噴嘴沉積的霧滴主要是180 μm以下的霧滴，適合最佳生物粒徑為180 μm及以下的作物。

1SINGH M, GHANSHYAM C, MISHRA P K, et al. Current status of electrostatic spraying technology for efficient crop protection[J]. AMA, Agricultural Mechanization in Asia Africa & Latin America, 2013, 44(2):46-53.

2PATEL M K, SAHOO H K, GHANSHYAM C. High voltage generation for charging of liquid sprays in air-assisted electrostatic nozzle system[J]. IETE Journal of Research, 2016, 62(3): 424-431.

3LARYEA G N, NO S Y. Development of electrostatic pressure-swirl nozzle for agricultural applications[J]. Journal of Electrostatics, 2003, 57(2): 129-142.

4沈從舉,賈首星,湯智輝,等. 農(nóng)藥靜電噴霧研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2010,32(4):10-13.

SHEN Congju, JIA Shouxing, TANG Zhihui, et al. Research actuality and application prospects of pesticide electrostatic spraying[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010,32(4):10-13.(in Chinese)

5PATEL M K, PRAVEEN B, SAHOO H K, et al. An advance air-induced air-assisted electrostatic nozzle with enhanced performance[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2017, 135:280-288.

6PATEL M K, SAHOO H K, NAYAK M K, et al. Plausibility of variable coverage high range spraying: experimental studies of an externally air-assisted electrostatic nozzle[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2016, 127:641-651.

7楊超珍,吳春篤,陳翠英. 環(huán)狀電極感應(yīng)充電機(jī)理及其應(yīng)用研究[J]. 高電壓技術(shù), 2004,30(5):9-11.

YANG Chaozhen, WU Chundu, CHEN Cuiying. Mechanism of induction charge of ring electrode and its application[J]. High Voltage Engineering, 2004,30(5):9-11.(in Chinese)

8茹煜,鄭加強(qiáng),周宏平,等. 航空雙噴嘴靜電噴頭的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2007,38(12):58-61,57.

RU Yu, ZHENG Jiaqiang, ZHOU Hongping,et al. Design and experiment of double-nozzle of aerial electrostatic sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007,38(12):58-61,57. (in Chinese)

9周宏平,茹煜,舒朝然,等. 航空靜電噴霧裝置的改進(jìn)及效果試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012,28(12):7-12.

ZHOU Hongping, RU Yu, SHU Chaoran, et al. Improvement and experiment of aerial electrostatic spray device[J]. Transactions of the CSAE, 2012,28(12):7-12. (in Chinese)

10茹煜,金蘭,周宏平,等. 基于圓錐管狀電極的高壓靜電場對霧滴荷電的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2014,40(9):2721-2727.

RU Yu, JIN Lan, ZHOU Hongping, et al. Effect of high-voltage electrostatic field on droplet charging based on cone-shaped electrode[J]. High Voltage Engineering, 2014,40(9):2721-2727. (in Chinese)

11茹煜,鄭加強(qiáng),周宏平,等. 感應(yīng)充電噴頭環(huán)狀電極誘導(dǎo)電場的分布研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008,24(5):119-122.

RU Yu, ZHENG Jiaqiang,ZHOU Hongping, et al. Electric field distribution produced by circular electrode of induce charging nozzle[J]. Transactions of the CSAE, 2008,24(5):119-122.(in Chinese)

12茹煜,賈志成,周宏平,等. 荷電霧滴運(yùn)動軌跡的模擬研究[J]. 中國農(nóng)機(jī)化, 2011(4):51-55.

RU Yu, JIA Zhicheng, ZHOU Hongping, et al. Research on moving trajectory simulation of charged droplets[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011(4):51-55. (in Chinese)

13茹煜,周宏平,賈志成. 霧滴荷電特性對其沉積分布及黏附靶標(biāo)的影響[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)板, 2014,38(3):129-133.

RU Yu, ZHOU Hongping, JIA Zhicheng. Charging characteristics of droplets effect on the distribution and adhesion of droplets on target[J]. Journal of Nanjing Forestry University: Natural Sciences Edition, 2014,38(3):129-133.(in Chinese)

14張京,宮帥,宋堅(jiān)利,等. 氣液兩相感應(yīng)式靜電噴頭性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(12):107-110.

ZHANG Jing, GONG Shuai, SONG Jianli, et al. Performance of two-phase gas-liquid electrostatic induction nozzle[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011,42(12):107-110. (in Chinese)

15DU W, CHAUDHURI S. A multiphysics model for charged liquid droplet breakup in electric fields[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2017, 90: 46-56.

16PATEL M K, SAHOO H K, NAYAK M K, et al. Electrostatic nozzle: new trends in agricultural pesticides spraying[C]∥National Conference on Emerging Fields in Engineering and Sciences, 2015.

17PATEL M K, SHAMRMA T, NAYAK M K, et al. Computational modeling and experimental evaluation of the effects of electrode geometry and deposition target on electrostatic spraying processes[J]. International Journal of Computer Applications, 2015, 124(2):10-15.

18AL-MAMURY M, BALACHANDRAN W, AL-RAWESHIDY H, et al. Computation model of electrostatic spraying in agriculture industry[C]∥Excerpt from the Proceedings of the 2014 COMSOL Conference in Cambridge, 2014.

19王玲,蘭玉彬, HOFFMANN W C,等. 微型無人機(jī)低空變量噴藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與霧滴沉積規(guī)律研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2016,47(1):15-22.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160103&journal id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298. 2016.01.003.

WANG Ling, LAN Yubin, HOFFMANN W C, et al. Design of variable spraying system and influencing factors on droplets deposition of small UAV[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016,47(1):15-22. (in Chinese)

20文晟,蘭玉彬,張建桃,等. 農(nóng)用無人機(jī)超低容量旋流噴嘴的霧化特性分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016,32(20):85-93.

WEN Sheng, LAN Yubin, ZHANG Jiantao, et al. Analysis and experiment on atomization characteristics of ultra-low-volume swirl nozzle for agricultural unmanned aviation vehicle[J]. Transactions of the CSAE, 2016,32(20):85-93. (in Chinese)

21RIZK N K, LEFEBVRE A H. Internal flow characteristics of simplex swirl atomizers[J]. Journal of Propulsion and Power, 1985, 1(3): 193-199.

22WANG X F, LEFEBVRE A H. Mean drop sizes from pressure-swirl nozzles[J]. Journal of Propulsion and Power, 1987, 3(1): 11-18.

23FUKUDA T, SUZUKI A, LIAO Y, et al. Influence of spray conditions on droplet charge per unit volume for electrospray deposition[J]. Journal of Aerosol Science, 2014, 77:38-49.

24MASKI D, DURAIRAJ D. Effects of electrode voltage, liquid flow rate, and liquid properties on spray chargeability of an air-assisted electrostatic-induction spray-charging system[J]. Journal of Electrostatics, 2010, 68(2):152-158.

25JAIN M, JOHN B, IYER K N, et al. Characterization of the full cone pressure swirl spray nozzles for the nuclear reactor containment spray system[J]. Nuclear Engineering & Design, 2014, 273(4):131-142.

26朱和平, 冼福生, 高良潤. 靜電噴霧技術(shù)的理論與應(yīng)用研究綜述[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 1989,20(2):53-59.

ZHU Heping, XIAN Fusheng, GAO Liangrun. Summary of research on electrostatic spraying techneque theory and its application[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,1989,20(2):53-59. (in Chinese)

27ZHAO S, CASTLE G S P, ADAMIAK K. The effect of space charge on the performance of an electrostatic induction charging spray nozzle[J]. Journal of Electrostatics, 2005, 63(3): 261-272.

28PATEL M K, GHANSHYAM C, KAPUR P. Characterization of electrode material for electrostatic spray charging: theoretical and engineering practices[J]. Journal of Electrostatics, 2013, 71(1):55-60.

29王貞濤, 董慶銘, 王軍鋒,等. 靜電場中霧滴表面誘導(dǎo)電荷對霧滴破碎的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2015, 41(1):300-305.

WANG Zhentao, DONG Qingming, WANG Junfeng, et al. Effect of induced surface charge on droplets breakup in electrostatic field[J]. High Voltage Engineering, 2015,41(1):300-305. (in Chinese)

30MH/T1008.1—1997中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):第1部分飛機(jī)噴灑設(shè)備性能技術(shù)指標(biāo)[S].1997.

31MH/T1002—1995中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):第1部分農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)[S].1995.

32MH/T1040—2011中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):第1部分航空噴灑設(shè)備的噴施率和分布模式測定[S].2011.