馬 旭，郭林杰，溫志成，魏宇豪，肖榮浩，曾 紅

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642）

0 引 言

自走式噴桿噴霧機是目前植保防控的主流機型[1-2]?，F(xiàn)有的自走式噴桿噴霧機仍停留在大容量、大霧滴噴霧水平上，作業(yè)時存在需水量大（水稻噴藥量在750 L/hm2左右）、葉片背部沉積量不足和霧滴分布不均勻等問題。靜電噴霧是是一種新型的低量施藥技術(shù)，與非靜電噴霧相比，靜電噴霧可增加霧滴在植物葉片背面及隱蔽部位的沉積效率、節(jié)省農(nóng)藥稀釋用水，有利于減輕噴霧機負荷、提高農(nóng)藥利用率，已成為國內(nèi)外植保領(lǐng)域研究熱點[3-7]。

Law 等[8-10]通過多年研究得出靜電噴霧最佳霧滴粒徑和電極安裝距離等。Bowen 等[11]從理論與試驗2 個方面闡明了靜電噴霧有助于農(nóng)藥霧滴沉積，豐富了靜電噴霧基礎(chǔ)理論。聞建龍等[12]通過對帶電粒子的受力分析，建立了荷電兩相流的理論基本方程。姚江等[13]利用Maxwell 軟件對單個噴頭的靜電場進行數(shù)值模擬，表明感應(yīng)電場的場強沿軸向迅速衰減。陳匯龍等[14]利用Fluent軟件對單個噴頭的靜電場進行分析，提出較高電壓有利于感應(yīng)充電。賈衛(wèi)東等[15]用PDPA 分析了靜電噴霧場的噴幅、霧滴粒徑及分布，表明靜電可以改善霧滴粒徑分布的均勻性。周良富等[16]通過對靜電噴霧附著率的影響因素分析，發(fā)現(xiàn)充電電壓是影響霧滴在葉背面沉積的最主要因素。楊洲等[17]通過分析果園靜電噴霧的霧滴分布均勻性，得出靜電噴霧系統(tǒng)可提高霧滴吸附能力。顧萬玉[18]對噴桿式靜電噴霧系統(tǒng)進行了設(shè)計，其研究結(jié)果對提高靜電噴霧作業(yè)效率，確定最佳工作參數(shù)具有參考意義。

目前對靜電噴霧的研究主要集中在荷電基礎(chǔ)理論研究、單個噴頭電場仿真以及靜電噴霧霧化效果的試驗研究，對多噴頭電極作用下的靜電噴霧涉及較少。為節(jié)省大田噴霧作業(yè)的農(nóng)藥稀釋用水，并解決葉片背面沉積量不足和霧滴分布不均勻等問題，本文將靜電噴霧與噴桿噴霧技術(shù)相結(jié)合，利用Fluent 軟件建立多噴頭噴霧仿真模型，通過試驗探究了不同參數(shù)組合對噴頭霧化性能的影響，并將得到的最優(yōu)參數(shù)組合應(yīng)用于田間病蟲害防治試驗，以期為靜電噴霧技術(shù)在大型噴桿噴霧機上的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 靜電噴霧基本原理

靜電噴霧是利用高壓靜電在噴頭與靶標(biāo)之間建立靜電場，使噴頭霧化后的霧滴攜帶電荷，在初始動力、重力和電場力的驅(qū)動下，向靶標(biāo)做沉積運動[19]。靜電霧化的過程就是靜電力與液體的表面張力之間相互競爭的過程。霧滴受力模型如圖1 所示，設(shè)霧滴表面張力為σ0，靜電力為 f，表面張力使霧滴產(chǎn)生了一個內(nèi)外壓力差Pσ，電荷之間的相互作用使霧滴內(nèi)產(chǎn)生膨脹力Pe，靜電力 f 與 f*、表面張力σ0與σ*分別為兩對作用力與反作用力。當(dāng)Pe=Pσ時，霧滴處于臨界破裂狀態(tài)，根據(jù)羅惕乾等[20-21]研究結(jié)果，此時有：

式中qmax為霧滴的帶電極限值，C；R 為感應(yīng)電極半徑，m；σ1為霧滴帶電后表面張力，N/m；ε0為真空介電常數(shù)，ε0=8. 854×10-12F/ m。

當(dāng)霧滴所攜帶的電荷量超過qmax時，電場力大于表面張力，霧滴發(fā)生破碎。當(dāng)霧滴表面帶電時，表面張力因受靜電力的影響而減小，使霧滴破碎的實際電荷量小于qmax，導(dǎo)致霧滴在荷電量小于極限值時也能發(fā)生分裂，從而細化為粒徑更小的霧滴。

圖1 霧滴受力示意圖 Fig.1 Schematic diagram of droplet force

霧滴充電方法主要有電暈充電、接觸充電和感應(yīng)充電。感應(yīng)充電法具有充電方式簡單、電極電壓低和安全可靠等優(yōu)點[22]，因此本文選擇感應(yīng)法為霧滴充電。目前研發(fā)的感應(yīng)式靜電噴頭主要靠電極感應(yīng)靜電場使霧化區(qū)液滴帶電，感應(yīng)電極容易打濕（見圖2a），造成漏電或霧滴無法荷電。為避免試驗過程中電極被淋濕，本文在原感應(yīng)式靜電噴頭[23]上添加氣流輔助部件來保持感應(yīng)電極干燥，如圖2b 和圖2d 所示，氣流輔助部件內(nèi)部采用階梯結(jié)構(gòu)，底部為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，圓環(huán)內(nèi)徑與噴嘴外徑大小一致，圓環(huán)外徑與感應(yīng)電極內(nèi)徑大小一致，將氣流輔助部件嵌套在感應(yīng)式靜電噴頭中（見圖2c），藥液通過靜電噴頭的噴孔后霧化散開，氣管與氣流輔助部件的寶塔狀連接口連接，由氣泵提供氣流，氣流通過氣流輔助部件均勻分布的出氣孔高速流出，高速氣流將吸附在感應(yīng)電極表面的細小霧滴攜帶走，從而提升感應(yīng)充電穩(wěn)定性。

圖2 靜電噴頭與氣流輔助部件 Fig.2 Electrostatic nozzle and air assisted components

1.2 多噴頭感應(yīng)荷電噴霧試驗平臺

多噴頭感應(yīng)荷電噴霧試驗平臺主要包括3 部分，一是靜電霧化系統(tǒng)，主要包括水箱、水泵（騰飛雙泵噴霧器，0～1.2 MPa）、水管、液壓閥、感應(yīng)式靜電噴頭（額定充電電壓4～8 kV，噴霧水壓0.3～0.5MPa，霧化角60°，流量6 mL/s）、氣泵（冀虎無油空壓機）、氣管、氣流輔助部件、氣壓閥、220 V 移動電源（數(shù)瑞220 V 電源，300 W 純正弦波）和高壓直流電源（東文高壓電源，0～30 kV）；二是荷電特性（荷質(zhì)比、粒徑）檢測儀器，主要包括法拉第筒（青島眾邦儀器，內(nèi)筒直徑350 mm、外筒直徑450 mm、高1 100 mm），電荷量表（青島眾邦儀器，0～40 μC）和激光粒度分析儀（歐美克儀器有限公司，DP-02）；三是沉積特性（均勻性、沉積量）測試材料，包括集霧槽（槽寬50 mm，長2 000 mm），量杯（50 mL）、水敏紙和靶標(biāo)（孕穗期水稻，高90 cm）等。試驗裝置如圖3 所示。

圖3 多噴頭靜電噴霧試驗裝置 Fig.3 Multi-nozzle electrostatic spray test device

1.3 多噴頭感應(yīng)電場

本文所用的靜電噴頭感應(yīng)電極為圓柱面，因感應(yīng)電極厚度小于1 mm，且主要是電極材料表層電子參與靜電感應(yīng)，故忽略感應(yīng)電極厚度影響，設(shè)圓柱面均勻帶電，半徑為a（m），高L（m），相鄰電極間距H（m），施加高電壓U（kV）時，單個電極所帶電荷為q（C），其電荷面密度為 σ=q/(2πaL)（C/m2）。圖4 為多噴頭感應(yīng)電場模型。O1為電極①的上端面圓心，過O1在電極①徑向建立x1軸、y1軸，在軸向建立z1軸，x1′O1′y1′為積分單元所在平面，到電極上端面距離為z。設(shè)空間任意一點P1的球坐標(biāo)為（r1，φ1，θ1），r1為O1P1長度，φ1為O1P1與z1軸夾角，θ1為O1S1與x1軸夾角，O1S1為O1P1在積分單元面投影向量，圓柱面上取積分單元dq=σadθ1dz，由對稱性可知，P1的電場強度E 與θ 無關(guān)，為了計算簡便，取θ=0°。

圖4 多噴頭感應(yīng)電極空間電場 Fig.4 Space electric field of multi-nozzle induction electrode

當(dāng)電極①單獨作用時，根據(jù)文獻[24-28]，在P1點產(chǎn)生的感應(yīng)電場強度E、E1x、E1y和E1z分別為

式中K(d1) 表示模為d1的第I 類橢圓積分；E(d1) 表示模為d1的第II 類橢圓積分；S、l 和d1分別由式（7）～（9）計算：

電極①和②同時作用時，由于圓柱面電極產(chǎn)生的電場具有對稱性，電極②在P1點的電場強度與P2點相等，根據(jù)各點之間位置關(guān)系，可得電極②在P1的電場強度E2x和E2z，同理可得電極③在P1的電場強度E3x和E3z，當(dāng)噴頭多于3 個時，由于電極間距增加，其余電極在P1點的感應(yīng)電場強度較小，故只考慮電極①、②和③的影響。利用場強疊加原理，可得P1點的感應(yīng)電場強鍍度為

式（10）的計算過程較復(fù)雜，根據(jù)茹煜等[29]的研究結(jié)果，電極附近的感應(yīng)電場對霧滴充電起決定性作用，越靠近電極感應(yīng)電場越大，因此對多噴頭感應(yīng)電場進一步簡化。設(shè)多噴頭感應(yīng)電極分別由點電荷Ⅰ、點電荷Ⅱ和點電荷Ⅲ組成，均為負電荷，各電荷在P1點的電場強度分別為E1′，E2′，E3′，如圖5 所示。設(shè)3 個電極同時作用時的電場強度為E′，根據(jù)場強疊加原理，E′= E1′+ E2′+ E3′，顯然| E′ |＞| E1′ |，說明在感應(yīng)電極附近，多個圓柱面電極的電場強度值經(jīng)過電場疊加后大于單個圓柱面電極的電場強度，但電場疊加是非線性的。

圖5 多噴頭感應(yīng)電場簡化模型 Fig.5 Simplified model of multi-nozzle induced electric field

2 電場強度和霧滴粒徑空間分布的仿真分析

電場和粒徑是決定霧化效果的重要參數(shù)[30-31]，生物最佳粒徑理論[32-33]認為，不同生物靶標(biāo)捕獲的霧滴粒徑范圍不同，只有在最佳粒徑范圍內(nèi)，靶標(biāo)捕獲的霧滴數(shù)量才最多，防治效果也最佳。霧滴粒徑常用體積中徑D50作為評價指標(biāo)，其值越小說明霧滴粒徑越小、霧滴數(shù)量越多、滲透性越好，藥效最佳。為進一步探究多噴頭感應(yīng)電場和霧滴粒徑分布，利用Fluent 16.0 軟件對霧化區(qū)的電場和霧滴粒徑進行仿真分析，采用SIMPLE 算法，定義最大運算步數(shù)1 500，其控制方程如下：

混合相連續(xù)性方程：

式中ρf是流體密度，kg/m3；→是速度矢量，m/s；t 是時間，s。

荷電相動量方程：

式中ρl是液體密度，kg/m3；p 是靜壓，Pa；是重力作用項，N/m3；為液相力，N/m3；為電場力，N/m3；

氣相動量方程：

式中ρg是氣體密度，kg/m3；是重力作用項，N/m3；為氣相力，N/m3；

組分傳輸方程：

式中Yi為i 組分的體積分數(shù)，%；Ji是組分i 的擴散通量，kg/(m2·s)；Si代表出口的回流流量，kg/s。

2.1 仿真模型

仿真模型如圖6a，長、寬、高分別為1 300 、700 和500 mm，感應(yīng)電極為直徑20 mm、高10 mm 的圓柱面，噴孔直徑為1 mm，中間噴頭上端面中心位于坐標(biāo)原點，其余噴頭與中間噴頭間距200 mm 或300 mm。利用ICEM CFD16.0 軟件進行網(wǎng)格劃分，主體采用六面體單元，以提高計算速度，對電極和噴孔附近區(qū)域采用O 型網(wǎng)格進行局部細化，網(wǎng)格數(shù)量為624 514，如圖6b。

圖6 仿真模型及網(wǎng)格劃分 Fig.6 Simulation model and mesh generation

2.2 邊界條件

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，以充電電壓6 kV 和噴霧水壓0.5 MPa 時的實測值作為邊界條件，此條件下，噴頭流量為 6 mL/s，出口流速為 8 m/s。采用 k-ε 中的Realizable 模型，入口設(shè)置為液體速度入口，速度為8 m/s，出口選擇 outflow。采用 Fluent 中的 DPM（ Discrete Phase Model ） 模 塊， 噴 射 源 選 擇pressure-swirl-atomizer，采用泰勒破碎模型，材料為water，噴射源入口壓力為0.5 MPa，出口壓力為1 個標(biāo)準大氣壓，每個噴射源的流量為 6 mL/s，采用Eulerian-Lagrangian 耦合算法。采用Fluent 拓展模塊MHD（Magneto Hydro Dynamical），選擇Electrical Potential，環(huán)形電極材料設(shè)置為steel，充電電壓設(shè)置為6 kV。

2.3 仿真結(jié)果與分析

2.3.1 電場強度空間分布

圖7 為x 軸方向-100 mm 到100 mm 區(qū)間的不同高度截面上的平均電場強度變化曲線，可以看出，在噴頭附近電場強度衰減迅速，隨著遠離噴頭，衰減速度逐漸變慢，從20 mm 到200 mm 截面處，相鄰噴頭間距200、300 mm 和單噴頭的電場強度分別衰減了79.4%、86.2%和94.8%，說明霧滴的充電過程主要集中在電極附近，3個噴頭的電場分布均勻性優(yōu)于單噴頭，間距小的均勻性好于間距大的，這是因為單個噴頭作用時，感應(yīng)電場強度中間高四周低，分布均勻差，而3 個噴頭同時作用時，相鄰噴頭的感應(yīng)電場存在重疊區(qū)域，重疊區(qū)域的感應(yīng)電場強度用高于單個噴頭，而且噴頭間距越小電場強度疊加值越大，電場強度的空間分布越均勻。圖8 為單噴頭和不同間距的多噴頭在不同高度截面上的電場強度云圖。由圖8 可知，距離噴頭電極越近電場強度越大，3 個噴頭的電場強度要高于單個噴頭，噴頭間距減小，電場強度增加明顯。

圖7 不同高度截面上的平均電場強度曲線 Fig.7 Curve of average electric field intensity on cross sections at different heights

2.3.2 霧滴粒徑分布

圖9 為噴霧水壓0.5 MPa、噴頭間距200 mm 時的霧滴粒徑分布仿真結(jié)果，將非靜電與靜電噴霧條件下仿真得到的霧滴粒徑導(dǎo)出到CFD-post 中進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果如圖10 所示。仿真結(jié)果表明，霧滴粒徑分布基本符合正態(tài)分布，在噴霧水壓0.5 MPa、噴頭間距200 mm 時，非靜電和靜電噴霧的霧滴粒徑尺寸的最大范圍分別為150～170 μm 和 130～150 μm，D50分別為 159.8 和139.5 μm，靜電噴霧的霧滴體積中徑比非靜電噴霧減小12.7%。

圖8 電場強度空間分布 Fig.8 Spatial distribution of electric field strength

圖9 靜電噴霧的霧滴粒徑分布仿真結(jié)果 Fig.9 Simulation results of droplet size distribution of electrostatic spray

圖10 非靜電和靜電噴霧的霧滴粒徑分布 Fig.10 Droplet size distribution of non electrostatic and electrostatic spray

3 霧化特性試驗

3.1 霧滴荷質(zhì)比

采用法拉第筒法對單個噴頭進行不同充電電壓、噴霧水壓的荷質(zhì)比測試。靜電發(fā)生器正高壓輸出端與靜電噴頭電極相連，噴頭距法拉第筒300 mm，待噴霧穩(wěn)定后開始計時，用電荷量表測出10 s 內(nèi)法拉第筒內(nèi)筒霧滴的總電荷量Q（mC），用量杯收集內(nèi)筒內(nèi)的霧滴并用電子稱測其質(zhì)量M（kg），計算出荷質(zhì)比C（C=Q/M），結(jié)果如圖11 所示。

圖11 不同噴霧水壓下單噴頭噴霧的霧滴荷質(zhì)比隨充電電壓的變化曲線 Fig.11 Change curve of droplet charge-mass ratios with charging voltage for single nozzle spraying with under different spray water pressures

由圖11 可知，對于同一噴霧水壓，充電電壓低于7 kV 時，充電電壓對單噴頭噴霧的霧滴荷質(zhì)比的影響趨于正線性相關(guān)；充電電壓高于7 kV 時，霧滴荷質(zhì)比隨充電電壓增加而減小，這是由于隨著充電電壓的增加，空氣介質(zhì)被擊穿，導(dǎo)致圓柱面電極變?yōu)殡姇灧烹?，使得霧滴的荷電能力減弱。當(dāng)電壓相同時，霧滴荷質(zhì)比隨噴霧水壓的增大而減小，試驗條件下的最大荷質(zhì)比為0.21 mC/kg。

采用同樣方法進行多噴頭噴霧的荷質(zhì)比測試，選取影響較大的充電電壓、噴霧水壓和噴頭間距作為試驗因素，根據(jù)靜電噴頭的額定工作電壓，將充電電壓設(shè)為5、6 和7 kV 三個水平，由于選用的靜電噴頭在噴霧水壓0.3 MPa 時就能達到良好的霧化效果，從節(jié)水省藥角度，將噴霧水壓設(shè)為0.3、0.4 和0.5 MPa 三個水平，根據(jù)噴頭霧化角60°和噴霧機作業(yè)高度300～500 mm，將噴頭間距設(shè)為200、250 和300mm 三個水平。按三因素三水平進行正交試驗，每個測試重復(fù)3 次取平均值，試驗因素及其水平如表1 所示，試驗結(jié)果如表2 所示，方差分析結(jié)果如表3 所示。

表1 試驗因素與水平 Table 1 Factors and levels of experiments

表2 試驗結(jié)果表明，各因素對霧滴荷質(zhì)比影響大小的順序為充電電壓＞噴頭間距＞噴霧水壓。由表3 可知，充電電壓對荷質(zhì)比的影響極其顯著，噴頭間距對荷質(zhì)比的影響顯著，噴霧水壓對荷質(zhì)比的影響不顯著。這是因為在最佳充電電壓附近，充電電壓繼續(xù)增加，空氣將被擊穿，會使充電方式由感應(yīng)充電變?yōu)殡姇灣潆?，降低了充電效果。而噴霧水壓增加，霧滴初始速度變大，霧滴粒徑略有減小，但霧滴帶電量逐漸接近飽和，因而噴霧水壓的變化對霧滴荷質(zhì)比的變化影響不大。

表2 試驗方案與結(jié)果 Table 2 Test scheme and results

試驗測得霧滴荷質(zhì)比的最佳參數(shù)組合為噴頭間距200 mm、充電電壓6 kV、噴霧水壓0.4 MPa，此時霧滴荷質(zhì)比是0.26 mC/kg，比同一條件下單噴頭噴霧的荷質(zhì)比提高了52.9%。而噴頭間距200 mm 的平均荷質(zhì)比與間距250 和300 mm 時相比分別提高了15.8%和22.2%。

表3 荷質(zhì)比方差分析 Table 3 Variance analysis of charge-mass ratio

3.2 霧滴粒徑分布

采用DP-02 激光粒度儀進行霧滴粒徑信息采集。試驗時，激光光束位于霧化測試區(qū)正中間，距噴頭300 mm 處。分別對非靜電和靜電（6 kV）噴霧下，噴頭間距200、250和300 mm，噴霧水壓0.3、0.4 和0.5 MPa 條件下的霧滴粒徑（體積中徑D50）進行測試，試驗結(jié)果如表4 所示。

表4 表明，霧滴體積中徑隨噴霧水壓的增加而減小，與非靜電噴霧相比，靜電噴霧能夠減小霧滴粒徑，在試驗條件下，噴頭間距越小，霧滴粒徑減小越明顯。這是因為靜電噴霧使霧滴的表面張力減小，而噴頭間距越小，電場強度越大，霧滴表層同性電荷間的排斥力也越大，使得液滴更容易破裂成較小的液滴。噴霧水壓0.5 MPa，噴頭間距200 mm 時，非靜電與靜電噴霧的霧滴體積中徑D50分別為147.3 和121.6 μm，靜電噴霧的D50比非靜電噴霧減小了17.4%，與相同條件D50的仿真結(jié)果誤差分別為8.5%和14.7%，試驗與仿真結(jié)果基本吻合。

表4 不同噴霧方式下不同水壓和噴頭間距的D50 測量結(jié)果 Table 4 D50 measurement results of with different spray water pressure and nozzle spacing under different spray modes

3.3 霧滴分布均勻性

試驗依據(jù)GBT 24677.2—2009《噴桿噴霧機試驗方法》[34]進行，噴頭距集霧槽的高度為500 mm，集霧槽傾角10°，每個槽口正對一個量杯，設(shè)定中間噴頭對準集霧槽正中位置，并記該位置為0，用量杯收集集霧槽每個槽口的霧滴沉積體積。分別對非靜電和靜電（6 kV）噴霧時，噴頭間距200 、250 和300 mm，噴霧水壓0.3 、0.4 和0.5 MPa 條件下的霧滴分布均勻性進行試驗，試驗系統(tǒng)見圖12。用每個槽口霧滴沉積體積的變異系數(shù)[35-36]（CV，Coefficient of Variation）來評判價噴霧均勻性，試驗結(jié)果如表5 所示。

式中σb為每個集霧槽槽口霧滴沉積體積的標(biāo)準差，mL；μ 為槽口霧滴沉積體積平均值，mL；xi為每個槽口霧滴沉積體積，mL；n 為收集霧滴的集霧槽槽口數(shù)量。

圖12 霧滴分布均勻性試驗 Fig.12 Test of uniformity of droplet distribution

由表5 可知，荷電能夠有效減小霧滴分布的變異系數(shù)，提高霧滴沉積均勻性。增大噴霧水壓，霧滴分布變異系數(shù)整體上有減小的趨勢，這是由于噴霧水壓增大，霧滴初始速度變大，霧滴運動范圍擴大，空間分布更均勻。當(dāng)充電電壓6 kV，噴頭間距250 mm，噴霧水壓0.4 MPa 時，霧滴分布變異系數(shù)最小，比相同條件下非靜電噴霧減小了32.1%，繼續(xù)增加噴霧水壓至0.5 MPa，霧滴分布變異系數(shù)增大了12.0%，這是由于噴霧水壓太大，霧化重疊區(qū)范圍擴大，沉積量增大，霧滴分布均勻性變差。

表5 不同噴霧水壓下霧滴沉積體積均值和變異系數(shù) Table 5 Mean value and variation coefficient of droplet deposition volume under different spray water pressure

綜上，霧滴荷質(zhì)比最佳的噴霧參數(shù)組合為噴頭間距200 mm、充電電壓6 kV 和噴霧水壓0.4 MPa；霧滴均勻性最佳的噴霧參數(shù)組合是充電電壓6 kV、噴頭間距250 mm和噴霧水壓0.4 MPa。在充電電壓6 kV，噴霧水壓0.4 MPa時，霧滴荷質(zhì)比隨噴頭間距改變的變化不大，且噴頭間距越大，對于噴幅一定的噴霧機所需噴頭數(shù)量越少，能達到省水省藥目的，因此確定充電電壓6 kV、噴頭間距250 mm和噴霧水壓0.4 MPa 為靜電噴霧最佳參數(shù)組合。

4 霧滴沉積性能試驗

對噴頭間距250 mm，噴霧水壓0.4 MPa，靜電（6kV）與非靜電噴霧下的霧滴沉積性能進行試驗與分析。試驗采用6 穴（10～15 株/穴）水稻作為試驗對象，行距300 mm，株距150 mm，用水敏紙作為霧滴采集卡，按下、中、上3 個采樣層設(shè)置于中間2 穴水稻上，采樣層距水稻基部高度分別為10、45 和80 cm，每個采樣層設(shè)置正反2個采樣點，測點布置如圖13a 所示。

試驗時，噴頭距離水稻冠層300 mm，待噴霧系統(tǒng)開啟并穩(wěn)定工作后，靶標(biāo)以1m/s 的速度從噴頭正下方駛過，試驗重復(fù)3 次。每次試驗完成后，將水敏紙（如圖13c、13d）進行灰度掃描，掃描后的圖像通過重慶六六山下植?？萍加邢薰狙邪l(fā)的專業(yè)霧滴分析軟件image py 進行分析，獲得霧滴在單位面積（1 cm2）上的附著率和沉積量，試驗結(jié)果如圖14 示。

由圖14a 可知，靜電噴霧上、中、下3 個采樣層的葉片正面附著率分別為122、92 和61 個/cm2，比非靜電噴霧分別提高了27.1%、37.3%和45.2%，背面附著率由非靜電噴霧時的8、0 和0 個/cm2提高到了26、17 和12 個/cm2；由圖14b 可知，靜電噴霧時，上、中、下3 個采樣層的葉片正面沉積量分別為0.26、0.18 和0.14 μg/cm2，比非靜電噴霧分別減少25.7%、25.0%和12.5%。試驗結(jié)果表明，靜電在提高霧滴正面附著率的同時還能夠減少其沉積量，增加了霧滴空間分布的均勻性。這是因為靜電力使霧滴粒徑減小、數(shù)量增加、空間分布趨向均勻，隨著霧滴數(shù)量的增加，其沉積在靶標(biāo)的概率顯著增加，但由于霧滴粒徑較小，所以霧滴的沉積質(zhì)量反而減小。

圖13 霧滴沉積性能試驗 Fig.13 Droplet deposition performance test

圖14 上、中、下層葉片正反面的單位面積霧滴沉積量 Fig.14 Droplet deposition per unit area on the front and back of upper, middle and lower layer leaves

5 田間病蟲害防治效果試驗

2019 年10 月15 日，在廣東省肇慶市沙浦基地水稻田進行不同施藥方式的田間病蟲害防治對比試驗（圖 15），試驗當(dāng)天為晴天，無持續(xù)風(fēng)向，風(fēng)力3 級，田間溫度32°，相對濕度62%。試驗樣機分別采用東風(fēng)井關(guān)3WP-500 噴桿式噴霧機（常規(guī)噴頭）和改進的帶靜電噴頭的噴桿式噴霧機，在原井關(guān)3WP-500 噴桿式噴霧機上更換靜電噴頭，增加高壓靜電發(fā)生器（東文高壓電源）和220 V 移動電源（數(shù)瑞220 V 電源，300W 純正弦波），工作參數(shù)為充電電壓6 kV、噴霧水壓0.4 MPa 和噴頭間距250 mm。

圖15 田間施藥試驗 Fig.15 Field spray test

試驗農(nóng)藥為多種藥劑綜合防治[37-38]，按等面積農(nóng)藥使用量一致原則配制2 種不同濃度藥液，第1 種為苯甲·丙環(huán)唑120 mL，呲蚜酮90 g，高效氯氰菊酯300 mL，先正達福龍48 g，毒死蜱300 mL，加水配制成300 L 藥液，用于東風(fēng)井關(guān)3WP-500 噴桿式噴霧機（常規(guī)噴頭）進行非靜電施藥方式試驗。第2 種為苯甲·丙環(huán)唑200 L，呲蚜酮150 g，高效氯氰菊酯500 mL，先正達福龍80 g，毒死蜱500 mL，加水配制成200 L 藥液，用于改裝的帶靜電噴頭的噴桿式噴霧機進行靜電施藥方式試驗。另外設(shè)置0.40 hm2未施藥水稻田作為空白對照，每公頃的需水量和藥箱滿載作業(yè)面積如表6 所示。

表6 不同噴頭施藥的田間病蟲害防效試驗結(jié)果 Table 6 Test of field experiment on diseases and insect pests control effect with different spray nozzles

施藥開始前按五點取樣法在田間選取5 個采樣區(qū)，將水敏紙分別布置在水稻葉片的下、中、上3 個采樣層，采樣層距離水稻田地面高度分別為10、45 和80 cm，每個采樣層分布正反2 個采樣點，統(tǒng)計不同施藥方式下霧滴的沉積量。施藥前先測定田間蟲口數(shù)量，施藥試驗7 d 后，分別測定不同施藥區(qū)和對照區(qū)的蟲口數(shù)量，依據(jù)農(nóng)藥田間藥效試驗準則標(biāo)準GB/T 17980.4—2000[38]計算田間病蟲害（稻飛虱和二化螟）的蟲口減退率和防治效果。試驗結(jié)果見表6。

由表6 可知，常規(guī)噴頭施藥的需水量大，藥液大部分沉積在水稻上層葉片的正面，在中下層和葉片背面的沉積量很少；改進的靜電噴頭施藥的需水量比常規(guī)噴頭施藥減少了60%，但在水稻中下層和葉片背面的藥液沉積量都有所增加，上、中和下3 個采樣層背面的霧滴附著率由非靜電噴霧的8、0 和0 個/cm2提高到了34、14 和6 個/cm2。改進的靜電噴頭施藥的病蟲害防治效果為92.1%，略低于常規(guī)噴頭施藥方式的95.0%，但差異不顯著，滿足防治效果要求。靜電噴霧時噴霧機的滿載（500 L）作業(yè)面積提高了1.5 倍，有利于減少田間作業(yè)時配藥次數(shù)，提高作業(yè)效率。

6 結(jié) 論

1）本文基于電場強度理論與仿真分析，探討了多噴頭靜電噴霧空間電場分布規(guī)律，表明霧滴的荷電過程主要集中在噴頭電極附近，仿真得到的霧滴粒徑在非靜電與靜電條件下的結(jié)果和試驗測試結(jié)果的誤差分別為8.5%、14.7%。

2）室內(nèi)試驗表明，靜電噴霧的最佳作業(yè)參數(shù)組合為充電電壓6 kV、噴霧水壓0.4 MPa 和噴頭間距250 mm，較非靜電噴霧，霧化均勻性提高了32.1%，上、中、下3個采樣層的葉片正面的霧滴附著率分別提高了27.1%、37.3%和45.2%，葉片背面的霧滴附著率分別提高到了26、17 和12 個/cm2，沉積質(zhì)量分別減少了25.7%、25.0%和12.5%，表明靜電噴霧在提高霧滴附著率的同時能夠減少霧滴沉積質(zhì)量，節(jié)約農(nóng)藥用量。

3）田間試驗結(jié)果表明，靜電噴霧能夠提升霧滴在水稻中下層和葉片背部的沉積量，靜電噴頭與常規(guī)噴頭施藥的病蟲害防治效果分別為92.1%和95.0%，防治效果基本一致，且靜電噴頭施藥的需水量減少了60%，滿載時的作業(yè)面積提高了1.5 倍，顯著提高了田間工作效率。