周晴晴，薛新宇，周良富，孫 濤，田志偉

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

0 引 言

噴嘴是植保機(jī)械中最重要的霧化零件，霧滴大小直接影響農(nóng)藥霧滴的附著、滑落或飄移[1-4]。然而，目前中國農(nóng)用噴嘴應(yīng)用技術(shù)相對落后，對噴嘴分級及應(yīng)用意識薄弱，農(nóng)民使用自制非標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和同一噴嘴噴施不同藥劑用于不同作物的現(xiàn)象普遍存在[5-6]。導(dǎo)致霧滴飄移和流失嚴(yán)重，農(nóng)藥有效利用率低等問題[7-8]，其部分原因是國產(chǎn)農(nóng)用噴嘴缺乏詳細(xì)的分級方法及應(yīng)用數(shù)據(jù)。受噴嘴生產(chǎn)工藝影響，國內(nèi)外相同型號噴嘴的霧化特性也不盡相同，不能直接采用國外噴嘴的分級結(jié)果來劃分國產(chǎn)噴嘴，因此開展適合于國產(chǎn)噴嘴的分級方法研究具有現(xiàn)實(shí)意義。依據(jù)ASAE S572.1標(biāo)準(zhǔn)，建立國內(nèi)風(fēng)洞條件下參考噴嘴的分級方法是噴嘴分級的前提條件[9]，同時(shí)也為國產(chǎn)噴嘴的分級測試提供技術(shù)與設(shè)備支撐。

霧滴粒徑測量結(jié)果受噴霧液體屬性、流量、噴霧壓力、噴孔形狀及截面積、采樣距離、采集區(qū)域和氣流速度等因素的影響[10-13]，更有文獻(xiàn)[14]顯示相同型號的噴嘴在同樣的測試壓力下，不同測試系統(tǒng)和測試地點(diǎn)獲得的霧滴粒徑結(jié)果差異也很大。如Fritz等[15]在風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)采用激光衍射系統(tǒng)，研究了噴嘴在0.7、3.1和6.7 m/s風(fēng)速下的霧滴粒徑，結(jié)果表明霧滴粒徑隨著氣流速度的增加而增大，建議在較高的氣流速度下，不同尺寸液滴之間的速度差減小[16]，可避免高估小霧滴的數(shù)量。但風(fēng)速不應(yīng)過高，因?yàn)檫^高的風(fēng)速，如大于 305 km/h，將會(huì)引起二次霧化[17]。謝晨等[18-19]采用霧滴粒徑圖像分析儀（PDIA）研究噴嘴的破裂區(qū)長度，結(jié)果表明液膜長度隨著壓力、噴頭孔徑的改變而變化，認(rèn)為破裂區(qū)長度在60 mm以內(nèi)。而ASAE S572.1標(biāo)準(zhǔn)[20]要求采樣距離在200～500 mm之間，目的就是避免測量非完全霧化區(qū)。宋堅(jiān)利等[21-22]采用相位多普勒粒子分析儀（PDPA）分析了扇形噴頭在噴霧扇面中的霧滴粒徑，結(jié)果表明霧滴粒徑分布為中間低、邊緣高的凹面形態(tài)，因此測試過程中采用激光掃描整個(gè)噴射霧流區(qū)[20]，更能準(zhǔn)確地估計(jì)真實(shí)的液滴尺寸。

綜上所述，不同條件下的噴嘴霧滴粒徑的測試結(jié)果，沒有對比和直接利用意義。而基于霧滴譜的噴嘴分級能夠忽略試驗(yàn)室的數(shù)據(jù)差異，獲得同個(gè)噴嘴相同或相近的分級結(jié)果[14]。噴嘴分級應(yīng)嚴(yán)格遵照ASAE S572.1標(biāo)準(zhǔn)[20]要求，測量參考噴嘴和待分類噴嘴的霧滴譜時(shí)應(yīng)使用相同的儀器、測量方法、取樣技術(shù)、掃描技術(shù)、操作員和相似的環(huán)境條件。國外關(guān)于噴嘴分級的研究已注重分級精確性及試驗(yàn)室之間的一致性，如Womac[23]研究了參考噴嘴流量的一致性對對噴嘴霧滴粒徑的影響，為參考噴嘴的選擇提供依據(jù)。Fritz等[24]在美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局（簡稱USDA）航空應(yīng)用技術(shù)中心、林肯大學(xué)、澳大利亞昆士蘭大學(xué) 3個(gè)風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)，建立了參考噴嘴的分級參考圖。結(jié)果表明在相同的測試條件下，不同試驗(yàn)室霧滴粒徑差異在5%以內(nèi)。國內(nèi)關(guān)于噴嘴飄移性能及分級的研究較多[25-28]，而關(guān)于噴嘴霧滴粒徑分級研究較少，如張惠春等[29]在澳大利亞昆士蘭大學(xué)的風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)測量了參考噴嘴的霧滴粒徑參數(shù)，但是卻在不同的風(fēng)速和采樣距離下測試并分級待分類噴嘴，分級結(jié)果有偏差。

本試驗(yàn)在南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所（簡稱NJS）的低速風(fēng)洞內(nèi)，建立參考噴嘴分類的參考圖?；陟F滴譜的噴嘴分類方法，測量并分級Teejet和Lurmark扇形霧系列噴嘴，驗(yàn)證分級方法的正確性。并將蘇州藍(lán)翱精密塑膠有限公司的扇形霧噴嘴 F110系列、實(shí)心圓錐霧噴嘴YZS80系列、空心圓錐霧噴嘴 YZK80系列噴嘴（簡稱Lanao F110、YZS80、YZK80）霧滴粒徑分級，對完善國產(chǎn)噴嘴的技術(shù)參數(shù)、便于用戶選擇噴嘴型號及確定工作壓力具有指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要包括 NJS-1型植保低速風(fēng)洞（非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制，試驗(yàn)段尺寸為7.5 m×1.2 m×1.8 m，風(fēng)速0.5～10 m/s，氣流紊流度小于1%）、直線導(dǎo)軌（導(dǎo)軌行程100 cm，移動(dòng)速度6 cm/s）、DP-02型激光粒度儀（珠海歐美克儀器有限公司，重復(fù)性誤差＜3%，測試范圍1～1 500 μm）、3WZ-25型三缸柱塞泵（物理農(nóng)林機(jī)械科技有限公司，轉(zhuǎn)速430～850 r/min，流量7.5～15.5 L/min）、壓力表（上海自動(dòng)化儀表有限公司，量程為0～1 MPa，精度0.4級），壓力表的壓力入口位于噴嘴出水口前端，壓力表放置在與激光相同高度位置上、風(fēng)速儀（日本Kanomax公司，量程0～50 m/s，精度±2%）以及流量測試所用的秒表、水桶、電子秤等。

試驗(yàn)裝置具有3個(gè)特點(diǎn)，1）風(fēng)洞的頂部安裝直線導(dǎo)軌，在風(fēng)洞頂部打孔，將直角折彎的銅制噴管的頂端穿過孔固定在導(dǎo)軌滑塊上，噴管底端安裝噴嘴?？刂茖?dǎo)軌電機(jī)正反轉(zhuǎn)，使噴嘴能夠上下滑動(dòng)。2）在風(fēng)洞的壁面兩側(cè)距噴嘴順風(fēng)方向30.5 cm且風(fēng)洞高度的中點(diǎn)處打孔，激光的發(fā)射端和接收端分別放置在風(fēng)洞壁面的兩側(cè)，激光經(jīng)發(fā)射端穿過孔到達(dá)接收端。3）噴嘴的噴霧方向與風(fēng)速方向相同，且扇形噴嘴的噴霧面與激光垂直。試驗(yàn)示意圖如圖1所示。

圖1 噴嘴霧滴粒徑測試示意圖Fig.1 Sketch map of nozzle’s droplet size measurement

1.2 噴嘴選擇

參考噴嘴有5個(gè)，分別是噴霧系統(tǒng)公司TeeJet 11001、11003、11006、8008和6510不銹鋼芯扇形噴嘴。待分類噴嘴共24個(gè)，分別是美國噴霧系統(tǒng)公司Teejet F110不銹鋼芯扇形噴嘴（01～08號）8種、英國劍橋 Lurmark F110塑料扇形噴嘴（015～05號）5種；國產(chǎn)Lanao F110塑料扇形噴嘴（015～05號）5種、YZS80塑料圓錐實(shí)心霧噴嘴（02～04號）3種、YZK80塑料圓錐空心霧噴嘴（02～04號）3種。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在低速風(fēng)洞內(nèi)測試參考噴嘴和待分類噴嘴的流量和霧滴粒徑，測試壓力、風(fēng)速、采樣距離和采樣區(qū)域的設(shè)置如下。參考噴嘴 TeeJet 11001、11003、11006、8008和 6510的參考壓力分別為 0.45、0.3、0.2、0.25、0.2 MPa。待分類噴嘴的測試壓力為0.2、0.3、0.4 MPa。為避免高估小霧滴的數(shù)量，同時(shí)為了與Fritz等[24]在USDA航空應(yīng)用技術(shù)中心的數(shù)據(jù)對比，氣流速度采用6.7 m/s。同理采樣距離和采樣區(qū)域與Bradley的試驗(yàn)參數(shù)相同，如圖1所示，采樣距離為30.5 cm，采樣區(qū)域是此采樣距離下激光掃描的整個(gè)噴霧截面。確定采樣區(qū)域的具體操作方法是：啟動(dòng)絲桿，驅(qū)動(dòng)噴嘴從上到下滑動(dòng)。當(dāng)噴霧區(qū)域到達(dá)激光且遮光比達(dá)0.5%時(shí)計(jì)時(shí)開始，當(dāng)噴霧區(qū)間遠(yuǎn)離激光且遮光比減小到0.5%時(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束。在粒徑分析系統(tǒng)軟件中設(shè)置激光粒度儀的采樣時(shí)間，使激光檢測時(shí)間與噴霧面行程時(shí)間相吻合。試驗(yàn)過程中所用的噴霧介質(zhì)是清水。

1.4 試驗(yàn)方法及步驟

參考噴嘴和待分類噴嘴的流量和霧滴粒徑測試步驟如下：1）按圖1搭建好試驗(yàn)裝置，確保系統(tǒng)運(yùn)行良好。2）打開風(fēng)洞風(fēng)機(jī)，調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，用風(fēng)速儀測量風(fēng)洞的風(fēng)速為（6.7±0.2）m/s。3）開啟液泵，調(diào)節(jié)噴霧壓力至測試壓力。4）采用水桶和電子秤測試1 min內(nèi)噴嘴噴灑水的質(zhì)量測得流量。選擇與參考流量相差±40 mL/min以內(nèi)[20]的參考噴嘴用于建立霧滴譜，選擇與生產(chǎn)廠家標(biāo)定流量相差±5%以內(nèi)[23]的待分類噴嘴用于進(jìn)行噴嘴分類。5）啟動(dòng)絲桿，讓噴嘴從上到下滑動(dòng)。當(dāng)噴霧區(qū)域到達(dá)激光且遮光比達(dá)0.5%時(shí)開始測試，測試結(jié)束后保存測量結(jié)果，記錄測定的10%、50%和90%體積直徑即DV10、DV50和 DV90以及直徑小于 100 μm 的噴霧體積百分比即V＜100 μm（%vol）的值。6）每組試驗(yàn)至少重復(fù)測量3次，要求保存和記錄的霧滴微分分布呈單峰分布，且 3次重復(fù)數(shù)據(jù)尤其是 DV50的偏差在±5%以內(nèi)。7）當(dāng)改變壓力或更換噴嘴時(shí)，重復(fù)試驗(yàn)步驟3）～6）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SAS統(tǒng)計(jì)分析軟件，采用最小顯著差數(shù)（LSD）的多重比較方法，顯著水平α為0.05，比較NJS和USDA參考噴嘴的測試數(shù)據(jù)顯著差異性，分析不同試驗(yàn)設(shè)備對霧滴粒徑測量結(jié)果的影響。

1.6 基于霧滴譜的分級方法

根據(jù)參考噴嘴 TeeJet 11001、11003、11006、8008和6510不銹鋼芯扇形噴嘴的霧滴粒徑與累積體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，建立噴嘴分類的參考圖?？梢允褂?DV10、DV50和DV90值的折線圖來簡化。折線圖把霧滴粒徑分為 6個(gè)區(qū)間，從小到大分別對應(yīng)霧滴粒徑的6個(gè)類別：很細(xì)（VF）、細(xì)（F）、中等（M）、粗（C）、很粗（VC）、極粗（XC）。在參考圖上畫待分類噴嘴的霧滴譜折線圖。當(dāng)待測噴嘴霧滴譜的折線圖處于參考圖單個(gè)分類類別中，而不打斷參考曲線時(shí)，則按折線所在的區(qū)間將待測噴嘴分類。當(dāng)待測噴嘴霧滴譜折線打斷參考曲線，但不穿過2個(gè)區(qū)間時(shí)，則按大部分折線所在的區(qū)間將待測噴嘴分類。當(dāng)待測噴嘴霧滴譜折線穿過2個(gè)及2個(gè)以上區(qū)間時(shí)，則忽略Dv90區(qū)域超大霧滴的影響，按DV10所在的區(qū)間將待測噴嘴分類，以指示液滴最小尺寸。在噴嘴分類中把參考噴嘴霧滴粒徑的平均值+標(biāo)準(zhǔn)差作為噴嘴分類的實(shí)際上限[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 參考噴嘴霧滴粒徑分析與分級

參考噴嘴TeeJet11001、11003、11006、8008和6510在參考壓力下南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所霧滴粒徑平均值及標(biāo)準(zhǔn)差見表1。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和USDA對比[24]，USDA的風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為 9.8 m×1.2 m×1.2 m，風(fēng)速范圍是 0～8 m/s，采用Sympatec HELOS Vario激光衍射儀測量霧滴粒徑，動(dòng)態(tài)粒徑測量范圍是0.5～3 500 μm。兩個(gè)試驗(yàn)室數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果如表1所示，11003和11006號噴嘴無顯著差異，11001、8008和6510號噴嘴霧滴粒徑分布有顯著差異，且 11001噴嘴 NJS霧滴的測量值大于USDA，8008和 6510號噴嘴 NJS霧滴的測量值小于USDA。這是由于Sympatec HELOS Vario激光衍射儀和DP-02激光粒度儀測量范圍不同，2個(gè)儀器對細(xì)霧滴和粗霧滴的測量值存在偏差。且風(fēng)洞系統(tǒng)、噴嘴運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)不同，導(dǎo)致部分參考噴嘴霧滴粒徑的測試結(jié)果存在顯著差異。由于 2個(gè)試驗(yàn)室數(shù)值相差不大且總體趨勢一致，因此測試數(shù)據(jù)可以用作本試驗(yàn)室的噴嘴霧滴粒徑分級的參考臨界值。

表1 2個(gè)試驗(yàn)室參考噴嘴的霧滴粒徑分布與方差分析Table 1 Droplet size distribution and variance analysis of reference nozzle in two laboratories

根據(jù)參考噴嘴DV10、DV50和DV90的值，繪出NJS風(fēng)洞試驗(yàn)室噴嘴分類的參考折線圖。如圖 2所示，TeeJet 11001、11003、11006、8008、6510噴嘴霧滴粒徑折線分別表示：很細(xì)/細(xì)（VF/F）、細(xì)/中（F/M）、中/粗（M/C）、粗/很粗（C/VC）、很粗/極粗（VC/XC）的臨界值。數(shù)值低于 11001型噴嘴的為很細(xì)，介于 11001型噴嘴與11003型噴嘴的為細(xì)，以此類推，把霧滴粒徑分為很細(xì)、細(xì)、中等、粗、很粗、極粗 6個(gè)等級。另外，由于本文待分類噴嘴級別在很細(xì)（VF）到極粗（XC）之間，所以沒有測量參考噴嘴 IP-16和 6515對應(yīng)的極細(xì)/很細(xì)（XF/VF）和極粗/超級粗（XC/UC）的類別。

圖2 NJS風(fēng)洞試驗(yàn)室霧滴粒徑分級參考圖Fig.2 Reference map for droplet size classification in NJS wind tunnel laboratory

2.2 基于霧滴譜的分級方法驗(yàn)證

根據(jù)噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa壓力下霧滴譜折線所在的區(qū)間，把美國噴霧系統(tǒng)公司Teejet F110不銹鋼芯扇形系列噴嘴、英國劍橋 Lurmark F110塑料扇形系列噴嘴分級。霧滴粒徑平均值與噴嘴分級結(jié)果見表2。對比噴嘴分級結(jié)果與廠家標(biāo)稱的噴嘴級別[30]，發(fā)現(xiàn)Teejet F110-03噴嘴在0.2 MPa壓力下測試級別比標(biāo)稱級別粗一個(gè)等級；Lurmark F110-04噴嘴在0.3 MPa壓力下，測試級別比標(biāo)稱級別細(xì)一個(gè)等級，見表 2中加粗部分。原因一是由于上述噴嘴在上述壓力下的霧滴粒徑逼近噴嘴分級的臨界線，且測量結(jié)果存在波動(dòng)性，所以導(dǎo)致分級結(jié)果的誤判；二是由于廠家測試條件和測試方法與本試驗(yàn)不同，導(dǎo)致分級結(jié)果存在個(gè)別不一致現(xiàn)象。由于絕大部分噴嘴及其壓力下的測試級別與廠家標(biāo)稱的噴嘴級別相符，表明NJS風(fēng)洞試驗(yàn)室建立的霧滴粒徑分級參考圖以及基于霧滴譜的噴嘴分級方法適用于噴嘴的分級。

2.3 國產(chǎn)系列噴嘴粒徑分級

根據(jù)Lanao F110、YZS80、YZK80系列噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa壓力下霧滴譜所在的區(qū)間，把噴嘴分級。霧滴譜及噴嘴分級結(jié)果見表3、表4和表5。

表2 Teejet F110不銹鋼芯扇形系列噴嘴與Lurmark F110塑料扇形系列噴嘴霧滴粒徑與分級Table 2 Droplet size and classification of Teejet F110 stainless steel fan series nozzles and Lurmark F110 fan series nozzles

表3 Lanao F110系列噴嘴的霧滴粒徑及分級Table 3 Droplet size and classification of Lanao F110 series nozzles

表4 Lanao YZS80系列噴嘴的霧滴粒徑及分級Table 4 Droplet size and classification of Lanao YZS80 series nozzles

表5 Lanao YZK80系列噴嘴的霧滴粒徑及分級Table 5 Droplet size and classification of Lanao YZK80 series nozzles

由表3、表4和表5可知，針對同一型號的噴嘴，隨著噴霧壓力的增加，霧滴粒徑減小，分級級別變化趨勢是由粗變細(xì)。針對不同型號的噴嘴，在噴嘴序號和噴霧壓力相同的情況下，霧滴粒徑由大到小的順序是：YZS80＞F110＞YZK80。

3 結(jié)論與討論

本文根據(jù)ASAE S572.1標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范測試方法和程序，在NJS-1型風(fēng)洞試驗(yàn)室對參考噴嘴、Teejet、Lurmark和Lanao噴嘴進(jìn)行霧滴譜測試，得到了如下結(jié)論：

1）農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所（NJS）和美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局（USDA）2個(gè)實(shí)驗(yàn)室的參考噴嘴測試結(jié)果數(shù)值相差不大且總體趨勢一致，表明 NJS-1型風(fēng)洞參考噴嘴測試數(shù)據(jù)可以用作本試驗(yàn)室的噴嘴霧滴粒徑分級的參考臨界值。在此基礎(chǔ)上建立了NJS試驗(yàn)室霧滴粒徑分級的參考圖，總結(jié)了基于霧滴譜的分級方法，把霧滴粒徑分為很細(xì)、細(xì)、中等、粗、很粗、極粗 6個(gè)等級。

2）Teejet、Lurmark扇形霧系列噴嘴除了 Teejet F110-03噴嘴在0.2 MPa壓力下測試級別比標(biāo)稱級別粗一個(gè)等級、Lurmark F110-04噴嘴在0.3 MPa壓力下，測試級別比標(biāo)稱級別細(xì)一個(gè)等級之外，其余噴嘴的測試級別與廠家標(biāo)稱的噴嘴級別相符。表明 NJS-1型風(fēng)洞試驗(yàn)室建立的霧滴粒徑分級參考圖以及基于霧滴譜的噴嘴分級方法適用于噴嘴分級。

3）將基于霧滴譜的噴嘴分級方法用于國產(chǎn)Lanao噴嘴的分級，得到了Lanao F110、YZS80、YZK80系列噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa壓力下的霧滴譜及噴嘴級別。完善了國產(chǎn)噴嘴的霧化特性參數(shù)，便于用戶選擇噴嘴型號以及確定適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)參數(shù)。

本文只分析了風(fēng)速為6.7 m/s條件下噴嘴霧滴粒徑及分級結(jié)果。其他低風(fēng)速條件同樣可以采用本文描述的霧滴粒徑測試方法以及基于霧滴譜的噴嘴分級方法進(jìn)行測試和分級。如果沒有風(fēng)速，建議噴霧方向垂直向下。