賈衛(wèi)東，申 彬，周慧濤，歐鳴雄，龔 辰，陳志剛

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

農(nóng)業(yè)施藥過程中，部分農(nóng)藥霧滴群受到氣流卷挾運動到噴施作物區(qū)域以外，導(dǎo)致農(nóng)藥霧滴的飄移，霧滴飄移是造成環(huán)境污染、農(nóng)藥浪費及農(nóng)藥使用率低的主要因素之一[1-3]。隨著生態(tài)環(huán)境和食品安全等問題日益突出，減少霧滴飄移成為了目前農(nóng)業(yè)施藥領(lǐng)域的重要研究方向[4-5]。側(cè)風(fēng)是影響霧滴飄移的重要原因，側(cè)風(fēng)風(fēng)速越大，農(nóng)藥的飄移率越大[6]。

飄移受到多種因素影響，包括噴頭類型和霧滴粒徑[8-10]、作業(yè)的風(fēng)速和風(fēng)向[11-13]、霧滴速度和運動軌跡[14]等。 王瀟楠等[15]在室內(nèi)無風(fēng)條件下對不同噴頭的飄移潛力進行試驗，表明霧滴大小和工作壓力均為影響飄移的重要因素。劉雪美等[6]采用三維流場的多相流計算流體力學(xué)模型，研究自然風(fēng)等多種因素在連續(xù)相和霧滴粒子群離散相耦合的交互作用，表明輔助氣流速度對霧滴飄移影響顯著。

風(fēng)幕式噴桿噴霧技術(shù)即在噴桿上方通過強制送風(fēng)形成風(fēng)幕，風(fēng)幕氣流強迫霧滴向靶標運動，對側(cè)風(fēng)具有抵抗作用，減少了霧滴的飄移，同時風(fēng)幕氣流吹動作物，對作物葉片和冠層具有翻滾作用，改善了霧滴的沉積和穿透效果[7]。燕明德等[16]運用PDPA對不同條件下的風(fēng)幕式噴桿噴霧兩相流流場進行測試，表明風(fēng)幕氣流可以改善霧滴的粒徑和速度分布，減小飄移。楊洲等[17]進行了噴桿式靜電噴霧機的霧滴飄移試驗，表明側(cè)風(fēng)風(fēng)速和靜電電壓對靜電噴霧霧滴飄移具有顯著的交互作用。目前，對于風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴飄移的研究主要集中在無側(cè)風(fēng)狀態(tài)下的噴頭類型、噴霧壓力及輔助氣流速度等多種因素對于飄移影響的顯著性分析，針對不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕風(fēng)速對霧滴飄移交互作用的研究較少，個別相關(guān)研究集中在流場仿真與數(shù)值分析，而側(cè)風(fēng)作用是實際噴霧作業(yè)時不可避免的問題。

本文通過室內(nèi)試驗風(fēng)場產(chǎn)生不同速度的側(cè)風(fēng)，利用風(fēng)幕式噴桿噴霧噴霧性能測試系統(tǒng)對不同側(cè)風(fēng)和不同風(fēng)幕氣流下的霧滴飄移情況進行試驗研究，探究不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕氣流對風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴飄移的影響規(guī)律，以期為風(fēng)幕式噴桿噴霧機防飄技術(shù)研究和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 霧滴飄移評價指標

1.1 質(zhì)量中心距

質(zhì)量中心距D是衡量噴霧飄移潛力的指標。質(zhì)量中心距越大，表明沉降的霧滴與噴頭噴霧正下方的距離越遠，噴霧在噴頭下方靶標區(qū)的沉降量越少，即飄移越嚴重[18]。質(zhì)量中心距D的計算公式為

式中D—飄移質(zhì)量中心距(%)；

i—V 型槽編號(1～50)；

z—V 型槽總個數(shù)；

mi—第i個V型槽內(nèi)的霧滴質(zhì)量(kg)；

di—第i個V型槽中心到噴頭的水平距離(mm)。

1.2 飄移率

飄移率β是霧滴飄失程度的最直觀衡量指標。飄移率β越小，沉降在靶標區(qū)域的有效霧滴越多，表明霧流抗飄失能力越強。飄移率β的計算公式[11]為

式中β—飄移率(%)；

k—不同采樣范圍內(nèi)V型槽的數(shù)量；

M—試驗用噴頭的實際噴霧總量(g)。

2 試驗方法與設(shè)計

2.1 試驗裝置

本試驗安排在江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室進行，采用了自制的風(fēng)幕式噴桿噴霧噴霧性能測試系統(tǒng)(見圖1)進行霧滴飄移試驗。

1.隔膜泵 2.藥箱 3.軸流風(fēng)機 4.變頻器 5.風(fēng)幕氣囊 6.風(fēng)速儀 7.噴桿 8.扇形噴頭 9.壓力表 10.智能流量計 11.開關(guān)閥

該測試系統(tǒng)由風(fēng)幕控制部分、噴霧調(diào)節(jié)部分及噴桿運動控制部分3部分組成。風(fēng)幕控制部分包括軸流風(fēng)機、變頻器和風(fēng)幕氣囊，通過變頻器控制軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速，利用KA31型熱線風(fēng)速儀對風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速進行標定，軸流風(fēng)機與風(fēng)幕氣囊均固定于機架上且兩者密封聯(lián)接。噴霧調(diào)節(jié)部分包括隔膜泵、藥箱、開關(guān)閥、壓力表、智能流量計、噴桿和噴頭。噴桿運動控制部分由滾珠絲杠、噴桿及U型卡環(huán)組成，噴桿的前后和上下運動是通過滾阻絲杠的傳動實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)U型卡環(huán)可以改變噴桿繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)角度。該系統(tǒng)主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)幕式噴桿噴霧測試系統(tǒng)的主要技術(shù)參

2.2 試驗設(shè)計

為研究不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕風(fēng)速對風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴飄移的影響規(guī)律，首先進行風(fēng)幕氣流不同作用方式下的防飄移對比試驗，確定最佳風(fēng)幕氣流作用位置，然后進行飄移測量試驗。設(shè)計5個風(fēng)幕風(fēng)速水平和4種側(cè)風(fēng)風(fēng)速，如表2所示。

本文所述風(fēng)幕風(fēng)速和側(cè)風(fēng)風(fēng)速均為該類風(fēng)穩(wěn)定作用時噴頭中心位置處的平均風(fēng)速，風(fēng)向與該類風(fēng)相同，1～5變化非恒速風(fēng)用來模擬變化自然風(fēng)，采用混沌方程向變頻器輸入數(shù)據(jù)[19]來生成，即

xn+1=a·[xn+0.8-2sin(2π·xn)]

其中，xn+1為第n+1 時刻的風(fēng)速(m/s)；xn為第n時刻的風(fēng)速(m/s)；a為風(fēng)的強度系數(shù)[19]，取值 1.067。方程提供的模擬自然風(fēng)的平均風(fēng)速為 2.4 m/s，風(fēng)速范圍為 1～5 m/s。

2.2.1 測量坐標系的設(shè)置

選取噴頭噴霧中心點為坐標原點，選取豎直向下為y軸正方向，側(cè)風(fēng)氣流方向為x軸正方向，與yox平面垂直向外為z軸正方向，噴頭中心點與風(fēng)幕出風(fēng)口中心的水平距離為Dx(mm)，風(fēng)幕氣流形成的風(fēng)場在x軸方向具有一定厚度，但本文定義風(fēng)幕氣流在豎直方向垂直于x軸且過風(fēng)幕出風(fēng)口中心點的截面到噴頭中心的距離亦為Dx，即認為噴頭中心點到風(fēng)幕的距離就是到風(fēng)幕中心截面的距離，噴頭中心點與出風(fēng)口中心的垂直距離為Dy(mm)。圖2為試驗測試坐標系。

圖2 測試坐標系圖

2.2.2 風(fēng)幕氣流不同作用方式下的防飄對比試驗

以噴桿所在位置為基準，定義側(cè)風(fēng)上風(fēng)向為前方，根據(jù)噴頭中心與風(fēng)幕出風(fēng)口中心的水平距離，將風(fēng)幕氣流作用方式分為噴桿前方、噴桿上方、噴桿后方，噴霧壓力取0.5MPa，側(cè)風(fēng)風(fēng)速為5m/s，風(fēng)幕風(fēng)速15m/s，噴頭中心與風(fēng)幕出風(fēng)口中心的垂直距離Dy為最小距離10mm，調(diào)節(jié)水平距離Dx為-120、-60、0、60、120mm；噴霧持續(xù)1min后關(guān)閉開關(guān)，等待30s后對燒杯內(nèi)收集的霧滴進行稱重；每組試驗重復(fù)3次，測定風(fēng)幕氣流不同作用方式下的霧滴飄移數(shù)據(jù)。試驗時無自然風(fēng)，環(huán)境溫度為(25±1)℃，相對濕度為64%。

2.2.3 霧滴漂移試驗

1)試驗系統(tǒng)。霧滴飄移試驗系統(tǒng)由風(fēng)幕式噴桿噴霧測試系統(tǒng)與霧型收集裝置搭建組成，該霧型收集裝置在水平方向上布置有50個用以接收沉積霧滴的V形槽，V形槽平面傾斜角度為5°，試驗布置如圖3(a)所示。噴桿上對稱布置4個Lechler ST110-01標準扇形噴頭，噴頭間距30cm，集霧采樣面為6m×2.5m矩形平面，每個V型槽出口端下方放置一個燒杯(容量200mL)，并將燒杯從左至右依次編號1～50。噴頭所在yoz平面與集霧采樣面交線為基準線，左側(cè)為正，右側(cè)為負。側(cè)風(fēng)風(fēng)場為1.5m×1.5m的平面無邊界風(fēng)[19]，側(cè)風(fēng)風(fēng)機與噴頭所在yoz平面距離為2m。

2)試驗過程。噴霧壓力取0.5MPa，噴頭與風(fēng)幕出風(fēng)口垂直距離Dy取最小距離10mm，水平距離Dx為0，噴頭距離集霧采樣面600mm。依據(jù)表2安排試驗，每次噴霧時間為1min，用BS210S電子天平依次稱取每個燒杯內(nèi)水的質(zhì)量，并記錄，每組試驗重復(fù)3次；試驗時無自然風(fēng)，環(huán)境溫度為(26±1)℃，相對濕度為66%。圖3(b)為霧滴飄移試驗現(xiàn)場圖。

試驗開始前收集4個噴頭在0.5MPa壓力下噴霧1min時間的總噴霧量，并用電子天平稱重記錄；每組試驗噴霧結(jié)束后，等待30s后待集霧槽內(nèi)水流干后再對燒杯依序號稱量。

1.V形槽 2.霧滴群邊緣 3.扇形噴頭 4.噴桿 5.側(cè)風(fēng) 6.側(cè)風(fēng)風(fēng)機

(b) 霧滴飄移試驗現(xiàn)場圖

3 結(jié)果與分析

3.1 防飄對比試驗結(jié)果與分析

圖4為風(fēng)幕氣流不同作用方式下霧滴飄移率變化情況。由圖4可知：風(fēng)幕氣流與噴桿水平距離越小，飄移率越低；相等水平距離下，風(fēng)幕氣流位于噴桿前方時的飄移率高；風(fēng)幕氣流位于噴桿正上方時霧滴飄移率最小(21%)，略小于位于噴桿后方時，考慮到風(fēng)幕氣流對靶標葉片具有翻滾作用并可增大霧滴動能，加快霧滴到達靶標。因此，在防飄效果無顯著差異的情況下，風(fēng)幕式噴桿噴霧作業(yè)時選擇風(fēng)幕氣流作用于噴桿正上方的方式。

圖4 風(fēng)幕氣流不同作用方式對霧滴飄移率的影響

3.2 無風(fēng)幕作用時側(cè)風(fēng)對對霧滴飄移的影響

關(guān)閉風(fēng)幕風(fēng)機，風(fēng)幕風(fēng)速為0，噴霧壓力0.5MPa，設(shè)定側(cè)風(fēng)風(fēng)速分別為0、1、3、5、7m/s，進行噴霧飄移試驗，圖5為無風(fēng)幕作用時的飄移質(zhì)量中心距。

圖5 無風(fēng)幕作用時的霧滴飄移質(zhì)量中心距

由圖5可知：霧滴的飄移質(zhì)量中心距隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增大而逐漸增大，側(cè)風(fēng)對霧滴飄移有顯著影響；對上述數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，得到0.5MPa壓力無風(fēng)幕作用下不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速時的霧滴飄移質(zhì)量中心距變化規(guī)律，即

y= 272.14x+ 225,R= 0.99

飄移質(zhì)量中心距與側(cè)風(fēng)風(fēng)速擬合方程的相關(guān)系數(shù)R接近于1，說明線性回歸方程的擬合度較好。

通過線性回歸方程可知：霧滴飄移質(zhì)量中心距隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增大變化明顯，因為霧滴在側(cè)風(fēng)作用下沿著下風(fēng)向的動能很大，霧滴受到側(cè)風(fēng)作用，霧滴會向距離噴頭更遠的地方飄移。從圖5中曲線與y軸交點可知：當側(cè)風(fēng)風(fēng)速為0(無側(cè)風(fēng))時，飄移質(zhì)量中心距為168mm，即霧滴依然產(chǎn)生了飄移。這是液滴霧化過程中相互碰撞并在空氣阻力作用下水平運動的結(jié)果，說明側(cè)風(fēng)并不是決定飄移的唯一因素，霧滴霧化后的擴散作用即可產(chǎn)生飄移，但飄移潛力相對較小；當側(cè)風(fēng)風(fēng)速上升為1m/s，即剛開始側(cè)風(fēng)作用時，霧滴飄移質(zhì)量中心距(623mm)較無側(cè)風(fēng)時增加了近3倍，說明較小側(cè)風(fēng)即可對飄移質(zhì)量中心距產(chǎn)生很大影響。

3.3 不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕風(fēng)速對霧滴飄移的影響規(guī)律

側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕氣流共同作用時，可得到霧滴飄移率和霧滴飄移質(zhì)量中心距的變化規(guī)律。

3.3.1 不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕風(fēng)速對霧滴飄移率的影響

由圖6可知：同一側(cè)風(fēng)風(fēng)速時，霧滴飄移率隨風(fēng)幕風(fēng)速的增大基本呈先減小后略有回升的趨勢。風(fēng)幕出口風(fēng)速5m/s增加至10m/s時，霧滴飄移率下降最快，側(cè)風(fēng)風(fēng)速5m/s時，風(fēng)幕出口風(fēng)速由5m/s增加至10m/s，霧滴飄移率下降達23%。這是由于在6m×2.5m的采樣范圍內(nèi)，5m/s的氣流形成的輔助流場的邊界不能對側(cè)風(fēng)流場形成完全隔擋，而出口風(fēng)速增加至10m/s時，輔助氣流流場在此采樣范圍內(nèi)可對側(cè)風(fēng)流場形成完全的阻礙作用，因此飄移率下降最為明顯。

圖6 不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕風(fēng)速下的霧滴飄移率變化規(guī)律

風(fēng)幕風(fēng)速從5m/s增加至20m/s時，霧滴飄移率基本呈線性下降規(guī)律，當風(fēng)幕出口風(fēng)速為20m/s時飄移率最低，表明最佳的防飄風(fēng)幕風(fēng)速區(qū)間為5～20m/s，最佳的防飄風(fēng)幕風(fēng)速為20m/s。風(fēng)幕出口風(fēng)速超過20m/s后，飄移率出現(xiàn)小幅度提升。其中，當側(cè)風(fēng)風(fēng)速5m/s時，風(fēng)幕風(fēng)速由20m/s增加至25m/s時，霧滴飄移率增加了6%，即風(fēng)幕氣流增強至一定程度時防飄效果反而會下降。這是因為風(fēng)幕風(fēng)速過大，輔助氣流使霧滴破碎加快，霧滴粒徑變小，質(zhì)量變輕，霧滴自身飄移潛力增大，過大的風(fēng)速還加劇了霧滴的蒸發(fā)，使霧滴總質(zhì)量變小；同時，氣流吹進集霧槽中會造成氣流反彈，反彈回來的氣流對細小霧滴的沉降具有阻礙作用，造成霧滴懸浮，懸浮的細小霧滴飄移潛力更大，造成了霧滴總體飄移率的回升。風(fēng)幕風(fēng)速不斷增大，減少霧滴飄移的同時又具有增大飄移的作用，因此必須選擇合適的風(fēng)幕風(fēng)速，才能達到較好的防飄效果。

3.3.2不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕風(fēng)速對霧滴飄移質(zhì)量中心距的影響

前文已得：側(cè)風(fēng)風(fēng)速越大，霧滴飄移質(zhì)量中心距也越大。從圖7進一步可知：在同一側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，霧滴的飄移質(zhì)量中心距與風(fēng)幕風(fēng)速呈負相關(guān)關(guān)系。這是因為霧滴飄移質(zhì)量中心距反應(yīng)飄移霧滴相對于噴頭中心的分布情況，風(fēng)幕輔助氣流離開出口后向四周擴散，形成一個穩(wěn)定的保護流場，對側(cè)風(fēng)氣流具有抵消作用，風(fēng)幕風(fēng)速越大，抵消作用越明顯，霧滴向側(cè)風(fēng)下風(fēng)向的飄移動能越小，霧滴的飄移質(zhì)量中心距也就越小。

圖7 不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕風(fēng)速下的霧滴飄移質(zhì)量中心距變化規(guī)律

對比圖6，以側(cè)風(fēng)風(fēng)速5m/s時為例：無風(fēng)幕作用時，霧滴飄移質(zhì)量中心距為1 630mm；當有風(fēng)幕作用、出口風(fēng)速為5m/s時，質(zhì)量中心距降至796mm，下降了51.1%；繼續(xù)增大風(fēng)幕風(fēng)速，霧滴飄移質(zhì)量中心距下降更為明顯，說明風(fēng)幕輔助氣流有效減小飄移率的同時，對霧滴在噴頭下方的分布也具有顯著影響。

由圖6和圖7可知：相同風(fēng)幕出口風(fēng)速下，3m/s恒速風(fēng)和1～5m/s變化的非恒速風(fēng)(模擬田間作業(yè)時的不穩(wěn)定自然風(fēng))之間的飄移率及飄移質(zhì)量中心距無顯著差異，說明側(cè)風(fēng)平均風(fēng)速是影響霧滴飄移的主要因素，為以室內(nèi)試驗?zāi)M田間作業(yè)情況進一步提供了依據(jù)。

4 結(jié)論

1)風(fēng)幕氣流對噴桿的作用方式不同，風(fēng)幕的防飄移效果不同，風(fēng)幕氣流與噴桿的水平距離越小，霧滴的飄移率越低。綜合考慮風(fēng)幕氣流對霧滴的加速作用，風(fēng)幕氣流作用于噴桿正上方為風(fēng)幕式噴桿噴霧作業(yè)的最佳作用方式。

2)無風(fēng)幕作用時，霧滴的飄移質(zhì)量中心距隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加線性上升，側(cè)風(fēng)是霧滴飄移的主要影響因素。

3)同一側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，霧滴飄移率隨著風(fēng)幕風(fēng)速的增大呈先快速再平穩(wěn)減小后略有回升的趨勢；風(fēng)幕風(fēng)速為5～20m/s時，飄移率呈線性下降規(guī)律，最佳的防飄風(fēng)幕風(fēng)速區(qū)間為5～20m/s；過大的風(fēng)幕風(fēng)速反而造成防飄效果下降，最佳防飄風(fēng)幕風(fēng)速為20m/s。在同一側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，霧滴的飄移質(zhì)量中心距與風(fēng)幕風(fēng)速呈負相關(guān)關(guān)系，風(fēng)幕輔助氣流有效減小飄移率的同時，對霧滴在噴頭下方的分布具有顯著影響。

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