孫道宗，占旭銳，劉偉康，薛秀云,2,3,4，謝家興，李 震,2,3,4，宋淑然,2,3,4，王衛(wèi)星

側(cè)風影響下噴頭傾斜角度對霧滴飄移補償

孫道宗1,3，占旭銳1，劉偉康1，薛秀云1,2,3,4，謝家興1,3，李 震1,2,3,4，宋淑然1,2,3,4※，王衛(wèi)星1,3

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學電子工程學院/人工智能學院，廣州 510642； 2. 國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機械研究室，廣州 510642；3. 廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，廣州 510642； 4. 廣東省山地果園機械創(chuàng)新工程技術(shù)研究中心，廣州 510642）

為研究植保噴霧作業(yè)中在不同風速和噴頭傾斜角度下對水平噴霧的霧滴飄移的影響，設(shè)置3個風速水平（1、2、3 m/s）與4個噴頭傾斜角度水平（0°、15°、30°、45°）進行噴霧試驗，測定了不同水平的霧滴分布，以風速為0、噴頭傾斜角度為0°的常規(guī)作業(yè)水平作為對照組，對垂直和水平兩個方向的霧滴質(zhì)量分布中心與變異系數(shù)進行分析。結(jié)果表明，垂直方向上，側(cè)風風速與噴頭傾斜角度對垂直霧滴質(zhì)量分布中心的影響在±3 cm范圍內(nèi)整體影響較小，而側(cè)風風速與噴頭傾斜角度的增大都會使垂直方向變異系數(shù)減小，在1～3 m/s的風速下垂直方向變異系數(shù)減小的最大值分別為12.3、6.0、16.0個百分點，提高了霧滴在垂直方向上的均勻性。水平方向上，不同風速和噴頭傾斜角度都會對霧滴飄移產(chǎn)生影響，隨著噴頭傾斜角度的增大，霧滴受風速的影響程度會減小，當噴頭傾斜角的補償量超過了當前風速下對霧滴的飄移量，會使霧滴飄移產(chǎn)生過補償，在高風速時噴頭傾斜角度的改變會帶來更大的霧滴飄移改變。側(cè)風風速與噴頭傾斜角度對水平方向上變異系數(shù)會產(chǎn)生較大影響：隨著噴頭傾斜角度的增大，水平變異系數(shù)也隨之增大，而風速的變化使水平變異系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。擬合了噴頭傾斜角度與風速對霧滴飄移的影響模型，并計算出在1、2、3 m/s風速條件下，最佳補償?shù)膰婎^傾斜角度分別為3°、7°、11°。該研究為植保作業(yè)中霧滴飄移改善技術(shù)提供參考。

風速；噴頭；噴霧；飄移補償；霧滴分布

0 引 言

在對果樹進行農(nóng)藥噴灑作業(yè)過程中，由于自然風或者噴霧機行進中產(chǎn)生的橫向風會使霧滴產(chǎn)生飄移，是導致藥液流失、環(huán)境污染及病害防治效果低的重要原 因[1-2]。影響噴霧飄移的因素有很多，從噴霧作業(yè)參數(shù)上來看，有風速[3]、噴霧壓力[4]、噴頭流量[5]、霧滴粒徑[6]、噴頭傾斜角等[7]。茹煜等[8]在風洞條件下分析了多種噴霧參數(shù)對霧滴飄移的影響，建立了霧滴飄移模型以預測不同參數(shù)下的霧滴飄移狀態(tài)。周瑞瓊等[9]建立了風速在0～6 m /s范圍內(nèi)的低速風洞，采用碳纖維棒收集垂直方向和水平方向上含熒光素鈉的霧滴，由熒光分光光度計測定了收集桿上的熒光素鈉的含量，發(fā)現(xiàn)影響霧滴飄移的噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作技術(shù)的參數(shù)因素次序依次為風速、噴頭類型、噴霧介質(zhì)、壓力。孫國祥等[10-13]通過CFD技術(shù)對噴霧過程中霧滴的飄移狀態(tài)進行了分析，得到了不同參數(shù)對霧滴飄移的影響規(guī)律。

目前，已經(jīng)有多種有效控制霧滴飄移的技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到應用[14-17]，如氣流輔助噴霧技術(shù)[18]、超低量防飄移技術(shù)[19]、靜電噴霧技術(shù)[20-21]、變量噴霧技術(shù)[22]等。在噴霧作業(yè)中，對噴霧壓力與噴頭流量等參數(shù)的 調(diào)整雖然會改善霧滴飄移，但是也會對噴霧效果產(chǎn)生影響[23]。而對噴頭傾斜角度的改變可以較好的減小霧滴飄移[24]?，F(xiàn)有的關(guān)于調(diào)整噴頭傾斜角度的研究中，多是 對垂直噴霧的噴頭傾斜角度和飄移量加以分析[25-26]，而在果樹噴霧作業(yè)中常見的水平噴霧下，不同風速與不同噴頭傾斜角度對霧滴沉積、飄移的影響的研究稍有不足。

鑒于以上分析，本文通過試驗風場的恒速風模擬噴霧機行進過程或自然風對噴霧的飄移影響，對水平噴霧在不同風速下的噴頭傾斜角度與霧滴飄移之間的關(guān)系進行研究，以期找到其中的規(guī)律，對實時調(diào)整噴頭傾斜角度以有效改善霧滴飄移的方法提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的噴霧系統(tǒng)主要由電池、水箱、隔膜泵、壓力計、開關(guān)、噴頭組成。其中電池為12 V鉛蓄電池，聚乙烯水（50 L），隔膜泵為SURGEFLO公司的DP-160，流量7 L/min，壓力為0～0.8 MPa；壓力計為廣州指南針傳感器有限公司的PTB203S，量程為0～3 MPa噴頭為“霧的池內(nèi)”公司的JJXP型號噴頭。試驗現(xiàn)場如圖1a所示。

霧滴采集設(shè)備使用的是Salvarani公司的垂直霧滴分布測量儀，其結(jié)構(gòu)如圖1b所示。儀器分為兩排收集單元，交錯排列，在垂直方向上能收集到有效高度內(nèi)的全部霧滴，每個收集單元采集不同高度的霧滴，最低的收集單元高度是55 cm。收集單元收集到的霧滴通過導管流入下方的量筒，量筒讀數(shù)范圍為0～100 mL。儀器可以通過導軌左右移動。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 風速范圍確定

為了研究噴霧作業(yè)的適宜參數(shù)，采用CFD數(shù)值模擬的方法對噴霧過程進行仿真計算。論文選取霧的池內(nèi)公司的型號為JJXP的噴頭作為試驗對象，試驗前通過粒子動態(tài)分析儀測量了不同的噴頭安裝角度下的霧滴粒徑，發(fā)現(xiàn)噴頭安裝角度在本文的試驗參數(shù)范圍內(nèi)對霧滴粒徑幾乎不產(chǎn)生影響，不會對本文試驗形成干擾。

建立與試驗噴霧范圍一致的模擬區(qū)域如圖2所示，模型長3 m，寬2 m，高2 m，噴頭位置處于= 100 cm，=100 cm，=150 cm處，噴霧方向為–，坐標原點為圖1中垂直霧滴分布測量儀的起始測量位置，即霧滴測量儀P欄的左邊緣在軸方向上與噴頭垂直距離為140 cm處，霧滴捕獲面為儀器移動收集霧滴的有效范圍面。選取CFD中的湍流模型來模擬試驗的側(cè)風，并采用K-omega模型。

選取離散相模型，仿真參數(shù)通過粒子動態(tài)分析儀測出，仿真中霧滴粒徑取270m，霧錐角取30°），將噴霧作為離散相，側(cè)風氣流作為連續(xù)相， DPM（Discrete Phase Model）邊界條件設(shè)置為trap，捕獲霧滴，觀察霧滴捕獲面上的霧滴分布以確定噴霧效果。

1～4 m/s側(cè)風風速下的霧滴捕獲面霧滴濃度仿真結(jié)果如圖3所示。圖3為霧滴捕獲面上的霧滴分布。由圖3可知，隨著風速的增大，在霧滴捕獲面上的霧滴分布整體向+方向飄移，霧滴沉積量也逐漸減少，2 m/s時已經(jīng)呈現(xiàn)較嚴重的飄移現(xiàn)象，當風速達到3 m/s時霧滴主要集中在霧滴捕獲面的邊緣，4 m/s時在霧滴捕獲面上的霧滴已經(jīng)不足以達到實際作業(yè)的噴霧效果，因此，試驗時風速水平選擇1～3 m/s。

1.2.2 噴霧試驗設(shè)計

為研究不同的側(cè)風風速與噴頭傾斜角度對橫向噴霧的影響，在0.3 MPa噴霧壓力（JJXP型號噴頭，額定噴霧壓力為0.2 MPa，試驗設(shè)置噴頭距儀器垂直距離為 100 cm，為取得更好噴霧效果，試驗選取0.3 MPa壓力），噴頭高度=150 cm，噴霧距離=100 cm條件下，設(shè)計3個風速水平（1、2、3 m/s）和4種噴頭傾斜角度（0°、15°、30°、45°），并以風速為0、噴頭傾斜角度為0°的水平作為對照組進行霧滴飄移試驗。霧滴分布越接近對照組則說明噴霧效果越好，在植保噴霧作業(yè)中，水平噴霧的霧滴由于受到重力作用對噴霧的垂直分布產(chǎn)生影響，因此，文中也進行了不同風速與噴頭傾斜角下霧滴垂直分布分析。

注：圖中矩形框為霧滴分布的范圍

1.3 試驗方法

試驗布置如圖4所示，垂直霧滴分布測量儀沿圖中箭頭方向進行移動。噴頭固定在支架上，噴頭水平放置，噴霧方向與垂直霧滴分布測試儀垂直，方向為–方向，風機產(chǎn)生試驗恒速風場，風場方向為+方向，與噴霧方向垂直。使用?，擲T9816風速儀在噴頭處進行風速標定。噴霧液體采用清水代替農(nóng)藥進行試驗，噴頭與測量儀垂直距離為100 cm，噴霧壓力0.3 MPa，噴霧測量時間為 1 min，噴霧高度=150 cm，噴頭傾斜方向由–向–。

1. 風機 2. 垂直霧滴分布測量儀 3. 噴霧支架 4. 噴頭 5. 導軌 6. 測量儀移動方向

將垂直霧滴分布測量儀向–方向沿導軌移動到P欄的左邊緣與噴頭在軸方向距離為140 cm處。此時F欄則處于100 cm處，進行噴霧測量，每次測量讀數(shù)完畢后，將垂直霧滴分布測量儀向+方向移動20 cm，此時P欄處于第一次測量時的K欄的位置。當移動第二次時，P欄就處于第一次測量時的F欄位置，此時P欄與F欄都在該位置記錄過數(shù)據(jù)，設(shè)定該位置為–100 cm，以此類推，直到向+方向移動到P欄在軸方向上與噴頭距離為180 cm的位置停止。

從–100 cm到180 cm的距離上，每隔20 cm為一組，共分為15組（–100，–80，…，160，180），每一組的位置上都有P欄和F欄的測量記錄，將每一組的P欄與F欄的所有量筒讀數(shù)相加，作為一個水平下的該位置采集到的霧滴體積V，如式（1）～（3）所示。

式中是從–100 cm到180 cm距離分成的15組的編號=1，2，…，15；Vp1、Vp3、Vp5、Vp7分別為在第組距離上P欄測得的1、3、5、7號量筒的讀數(shù)，mL；Vp為第組距離上P欄上的量筒讀數(shù)之和，mL；Vf2、Vf4、Vf6分別為在第組距離上F欄測得的2、4、6號量筒的讀數(shù)，mL；Vf為第j組距離上F欄上的量筒讀數(shù)之和，mL。

每組霧滴的體積分數(shù)為

式中P為每組距離上霧滴的體積分數(shù)，%；為分組的總個數(shù)；為每組編號。

對于每一個試驗水平的霧滴受側(cè)風影響的分布情況，用霧滴質(zhì)量分布中心來表示霧滴在垂直或者水平方向上的質(zhì)量集中的一維位置，有側(cè)風時值越接近無風時的值，則表明飄移越少。的計算公式為

式中為霧滴質(zhì)量分布中心，cm；為分組的總個數(shù)；為每組編號；d為每組對應的距離（編號1，2，3，…，15對應距離–100，–80，–60，…，180），cm。

為了分析垂直方向上的霧滴分布情況，由于7個收集單元對應著不同的高度，（編號1～7收集單元對應著155～175 cm的垂直高度，間隔為20 cm）將每個水平測量的數(shù)據(jù)中相同編號的收集單元的數(shù)值相加，作為該高度下的霧滴采集數(shù)值。

使用變異系數(shù)CV來表示霧滴沉積的均勻性程度，變異系數(shù)計算公式如式（6）～（7）所示[27]：

為了更直觀觀察不同水平對霧滴飄移的改善效果，用不同水平的霧滴質(zhì)量分布中心的數(shù)值減去對照組的霧滴質(zhì)量分布中心數(shù)字的絕對值表示對霧滴飄移的補償效果。值越小，說明該水平對霧滴飄移的補償效果越好。的計算如式（8）所示：

式中為霧滴飄移距離補償值，cm； D表示風速m/s、噴頭傾斜角度°下的霧滴質(zhì)量分布中心，cm；0表示對照組的霧滴質(zhì)量分布中心，cm。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧滴垂直分布分析

水平方向噴霧時霧滴會受到重力等因素的影響，導致霧滴在垂直方向的分布偏離正態(tài)分布，圖5為對照組霧滴垂直分布圖。

圖5 對照組霧滴垂直分布圖

由圖5知，風速為0，噴頭傾斜角度為0°時，霧滴在垂直方向上主要分布在95 cm至135 cm高度內(nèi)，并且高度為135 cm處采集的霧滴體積分數(shù)最大，考慮到實際噴霧高度為150 cm，該數(shù)據(jù)符合重力對霧滴分布影響的預期。

圖6為不同噴頭傾斜角度下垂直方向上的霧滴質(zhì)量分布中心。由圖6可知，隨著風速的增大，垂直霧滴質(zhì)量分布中心總體呈現(xiàn)下降趨勢；隨著噴頭傾斜角度的增大，1 m/s風速下的垂直霧滴質(zhì)量分布中心呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在噴頭傾斜角度為30°時取得最大值，2與3 m/s風速的變化量不明顯，處于平穩(wěn)狀態(tài)?？傮w上，在不同噴頭傾斜角度與不同風速下，垂直方向的霧滴質(zhì)量分布中心變化不大，計算得到對照組的數(shù)值為126.1 cm，總體變化幅度在±3 cm，這說明在0～3 m/s風速內(nèi)，0～45°的噴頭傾斜角度改變不會在垂直方向上對霧滴分布產(chǎn)生較大影響。

不同水平下的垂直方向的霧滴分布的變異系數(shù)如表1所示。

由表1可知，對照組垂直方向上噴霧分布的變異系數(shù)為90.3%，相同噴頭傾斜角度下風速從1 m/s到3 m/s、相同風速下噴頭傾斜角度的增大都會導致垂直方向上的變異系數(shù)減小，使垂直方向上霧滴分布更均勻，這可能由于風速的增大使得實心圓錐型噴霧形狀發(fā)生了變化，而霧滴質(zhì)量分布中心的變化并不明顯，導致原本最多集中在135 cm左右的霧滴向臨近的高度擴散。

圖6 不同噴頭傾斜角度下垂直霧滴質(zhì)量分布中心

表1 不同水平下噴霧垂直方向變異系數(shù)

不同風速下噴頭傾斜角度對霧滴垂直分布的影響如圖7所示。和對照組相對比，在115 cm和155 cm高度處的霧滴體積分數(shù)明顯增大，使霧滴垂直分布更均勻，這是由于風速和噴頭傾斜角度的改變會使霧滴到達靶標的時間增加，而水平噴霧的方向?qū)е蚂F部分在垂直方向上分速度大小不為0的霧滴的飄移時間增加，從而在垂直方向上到達了更高或者更低的高度。噴頭傾斜角度的增大使得霧滴向更低處分散，隨著噴頭傾斜角度的增大，95、75、55 cm高度處的霧滴體積分數(shù)要相對增大，而135、155、115 cm處的分布相對對照組來說也更加均勻，從而使得垂直方向霧滴變異系數(shù)變小，這是由于風速和噴頭傾斜角度的增大都會帶來霧滴采集到的體積減小的問題，這可能由于霧滴采集儀器的移動范圍是–100 cm到180 cm，更大的噴頭傾斜角度會與側(cè)風相互作用導致霧滴破碎成更小的霧滴，更大的側(cè)風風速導致細小的霧滴飄移出了霧滴采集范圍。

綜上所述，風速與噴頭傾斜角度的改變對垂直霧滴質(zhì)量分布中心影響不顯著，加大噴頭傾斜角度和風速會改善霧滴垂直分布的均勻程度，但是會影響噴霧總量，實際噴霧作業(yè)時植物不同的噴霧位置的所需噴霧量不同，實際作業(yè)時在不同側(cè)風風速下對噴頭傾斜角度需要慎重選擇。

圖7 不同風速下噴頭傾斜角度對霧滴垂直分布的影響

2.2 霧滴水平分布分析

在0.3 MPa噴霧壓力、150 cm噴霧高度、100 cm噴霧距離下進行噴霧試驗，分析霧滴的水平方向分布。圖8為在不同風速下噴頭傾斜角度對霧滴分布影響圖，橫坐標為距離，縱坐標為該距離上的霧滴體積分數(shù)。

圖8 不同風速下噴頭傾斜角度對霧滴水平分布的影響

由圖8可以看出，在風速為0，噴頭傾斜角度為0°時，體積分數(shù)整體呈現(xiàn)正態(tài)分布，由于噴頭傾斜角度是逆時針往負方向偏轉(zhuǎn)，隨著噴頭的偏轉(zhuǎn)角度從0°到45°，噴霧分布整體向負方向偏移，霧滴受到向正方向的風場的影響，會整體向正方向偏移，當噴頭向負方向偏轉(zhuǎn)時，噴頭出口速度在水平方向的速度與風場水平方向上的分速度相反，會減小一部分風場對霧滴的影響，而當噴頭傾斜角度過大時，在抵消風場水平方向的風速度外，會使噴霧產(chǎn)生負方向的飄移。為了直觀分析不同角度對霧滴飄移的補償效果與對霧滴均勻性的影響，計算了不同水平下的霧滴質(zhì)量分布中心與水平方向上的霧滴分布變異系數(shù)，如表2所示。

由表2霧滴質(zhì)量分布中心的數(shù)據(jù)對比可知，以側(cè)風風速為0，且噴頭傾斜角度為0°時為對照組，霧滴質(zhì)量分布中心為73.23 cm，說明無風且噴頭無傾斜時霧滴大部分集中在73.23 cm左右。在相同的噴頭傾斜角度下，隨著風速的增大，霧滴質(zhì)量分布中心逐漸增大，說明風場對霧滴飄移的影響隨之增加。在相同風速下，噴頭傾斜角度的增大會導致霧滴質(zhì)量分布中心的減小，在風速為 1 m/s時，45°的噴頭傾斜角度使霧滴質(zhì)量分布中心呈現(xiàn)負數(shù)。相對于1和2 m/s來說，45°噴頭傾斜角度下2到3 m/s之間的霧滴質(zhì)量分布中心的數(shù)值變化更大，可能由于在高風速下，噴頭的霧滴初始速度方向與風場速度方向之間的夾角對霧滴的破碎影響更大[28]，導致更多的大霧滴破碎成小霧滴，霧滴粒徑變小會使霧滴飄移量增大[29]，使之超過了測量范圍，而受儀器精度影響，過小的微量霧滴難以被采集。

表2 不同風速與噴頭傾斜角度下水平方向霧滴質(zhì)量分布中心與變異系數(shù)

由表2中水平方向變異系數(shù)數(shù)據(jù)對比可知，在相同風速下，隨著噴頭傾斜角度由0°到45°增大，霧滴水平方向變異系數(shù)相應增大，在風速為1 m/s時增量為1.79、34.34、14.35個百分點；在風速為2 m/s時增量為3.97、27.74、8.21個百分點；在風速為3 m/s時增量為0.88、1.81、2.03個百分點，說明在更大的風速時噴頭傾斜角度的改變會導致更小的變異系數(shù)變化量，但總體來說，水平變異系數(shù)在增大。在相同噴頭傾斜角度下，隨著風速的增大，霧滴水平方向變異系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，變異系數(shù)在風速為2 m/s條件下達到最高值。在1 m/s與2 m/s的風速下，隨著噴頭傾斜角度的增大，水平方向變異系數(shù)增長幅度都較大，總體增速呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，增長速度最快在15°到30°之間，可能由于15°與0°的噴頭傾斜角度對霧滴粒徑和速度方向影響較小，而到達15°與30°之間某個角度時，對霧滴粒徑與速度方向的影響達到了一個臨界值，使之水平方向變異系數(shù)發(fā)生突變，表2中1與2 m/s風速下的霧滴質(zhì)量分布中心與3 m/s相比變化幅度更大，也印證了這一點。在3 m/s時，由于風速較大，初始霧滴粒徑相對于低風速而言更小，更多的細小霧滴飄失在較遠距離，未被儀器采集到，因此，在相同噴頭傾斜角度下，風速為3 m/s時的水平變異系數(shù)反而更小。

計算得到不同水平的響應面如圖9所示。由圖9可知，在風速為1和2 m/s情況下，隨著噴頭從0°增大到45°，值逐漸增加，代表飄移補償效果變差，而在風速為3 m/s時，飄移補償值呈現(xiàn)先減小，后增大的過程。這是由于1和2 m/s的風速相對較小，在噴頭傾斜角度為0°時的值處于5 cm以下，飄移程度較小，而噴頭傾斜角度從15°到45°繼續(xù)增大時，就超過了在該風速下的最佳補償角度，于是呈現(xiàn)過補償?shù)臓顟B(tài)，即霧滴向反方向產(chǎn)生飄移。而當風速在3 m/s，噴頭傾斜角度處于0°時，值為14.14 cm，當噴頭傾斜角度調(diào)整為15°，值減小為6.36 cm，說明霧滴飄移得到了改善，但當噴頭傾斜角度在30°和45°時，又出現(xiàn)了過補償現(xiàn)象，使霧滴向反方向飄移。

圖9 不同試驗水平霧滴飄移補償值L

以風速、噴頭傾斜角度為自變量，值為因變量，使用Origin軟件進行多元線性回歸，如式（10）所示。

式中為飄移距離補償值，cm；為風速，m/s；為噴頭傾斜角度，(°)。該多元線性回歸模型調(diào)整后2值為0.95，說明該回歸模型具有較好的相關(guān)性，其中，變量的系數(shù)為6.59，大于變量的系數(shù)1.70，說明側(cè)風風速對霧滴飄移的影響大于噴頭傾斜角度，通過多元線性回歸模型取整計算出1、2、3 m/s風速下對水平霧滴飄移距離補償最優(yōu)噴頭傾斜角度分別為3°、7°、11°，與上述試驗規(guī)律相符合，但由于噴霧效果還受霧滴沉積量與霧滴粒徑等參數(shù)影響，當風速過大時，這些參數(shù)變化量過大，回歸模型誤差加大，因而該回歸模型適用于在低風速條件下對霧滴飄移補償效果進行預測計算。

2.3 最優(yōu)補償驗證

2.3.1 最優(yōu)補償驗證試驗設(shè)計

根據(jù)上節(jié)得到的不同風速下的最優(yōu)補償角度，設(shè)計噴霧試驗進行驗證。試驗對象為仿真樹，大小為2 m × 2 m，小冠開心形樹冠，用以模擬田間枝葉茂密的果樹冠層。為驗證不同的側(cè)風風速與噴頭傾斜角度對橫向噴霧的補償效果，在0.3 MPa噴霧壓力、噴頭高度為150 cm、噴頭到仿真樹距離為100 cm條件下，在3個風速水平（1、2、3 m/s、）及其對應的由2.2節(jié)計算得到的最優(yōu)補償角度（3°、7°、11°）條件下進行霧滴飄移試驗，并以側(cè)風風速為0 m/s、噴頭傾斜角度為0°作為對照組。

注：圖b中1～9為采樣點編號。

試驗中，以恒速風場模擬噴霧過程中的側(cè)風影響，設(shè)定噴頭方向與仿真樹垂直時為0°，噴頭傾斜角度方向為側(cè)風的方向的反方向，噴頭傾斜角度調(diào)整示意圖如圖10a所示。仿真樹霧滴采樣如圖10b所示，其中采樣均分為左中右三層，呈九宮格形，相鄰兩層之間間隔50 cm，最下一排距地面50 cm，給每個采樣點設(shè)置一個編號，如圖10b中采樣點上的數(shù)字所示，共計9個采樣點。每個采樣點采用回形針固定水敏紙（76 mm×26 mm）。每次試驗結(jié)束，按照編號順序逐一收集霧滴干燥的水敏紙，放入塑封袋中，帶回試驗室處理。水敏紙采用掃描儀進行掃描，掃描后的圖像采用ImageJ軟件進行圖像處理，得到仿真樹冠層的霧滴覆蓋率與變異系數(shù)。

試驗數(shù)據(jù)采用 Excel 2019 進行記錄和整理，采用 Origin 9. 1 進行圖形繪制。為測試對比不同水平下的噴霧沉積與飄移狀態(tài)，本文以水平方向上同一位置的樹冠采樣點霧滴覆蓋率來衡量霧滴飄移程度，以垂直方向上同一高度的樹冠采樣點霧滴覆蓋率變異系數(shù)來衡量冠層的霧滴均勻性。

2.3.2 最優(yōu)補償驗證試驗結(jié)果

試驗中按照果樹葉片生長角度布置水敏紙，霧滴在水敏紙上的分布能夠近似表達藥液在葉片上的分布。不同水平下的部分采樣點水敏紙掃描圖像及圖像處理界面如圖 11所示，不同風速與噴頭傾斜角度下霧滴覆蓋率如表3所示。

圖11 采樣點與圖像處理

表3 不同風速與噴頭傾斜角度下霧滴覆蓋率

從表3可以看出，在1 m/s的側(cè)風影響下，噴頭傾斜角度為0°時，相對于對照組來說，左側(cè)區(qū)域霧滴覆蓋率減小了9.62個百分點，中間區(qū)域霧滴覆蓋率增加了4.27個百分點，右側(cè)區(qū)域增加了0.86個百分點，說明在側(cè)風影響下，霧滴整體向右側(cè)偏移；當噴頭傾斜角度為3°時，左側(cè)區(qū)域與右側(cè)區(qū)域的霧滴覆蓋率與對照組相當，而中間區(qū)域比對照組相比降低5.67個百分點，總體霧滴漂移呈現(xiàn)減小的趨勢，其原因可能因為側(cè)風與噴頭之間夾角大于90°時，側(cè)風對霧滴破碎的影響加劇，產(chǎn)生了更多粒徑更小的霧滴，粒徑更小的霧滴受側(cè)風影響更大，從而會使最大飄移距離增大，但整體霧滴飄移有所改善。風速為2 m/s，噴頭傾斜角度為0°時，左側(cè)霧滴覆蓋率減少了12.99個百分點，中間區(qū)域增大了3.60個百分點，右側(cè)區(qū)域增大了23.10個百分點，說明隨著風速的增大，霧滴整體向右側(cè)飄移加劇，導致右側(cè)區(qū)域覆蓋率大幅度增加，而左側(cè)大幅度減小，當噴頭傾斜角度調(diào)整為7°時，三個區(qū)域的覆蓋率與對照組接近，分別變化了+4.36、–1.97、+1.60個百分點，整體霧滴飄移補償效果良好。風速為3 m/s，噴頭傾斜角度為0°時，與對照組相比，左側(cè)區(qū)域霧滴覆蓋率下降了18.80個百分點，中間區(qū)域增大了2.01個百分點，右側(cè)區(qū)域增大了24.61個百分點，可以看到風速增大到3 m/s時，整體霧滴飄移程度進一步加大，但是在中間區(qū)域，隨著風速的增大霧滴覆蓋率波動并不明顯，原因可能是在噴霧距離100 cm的條件下，中間區(qū)域是實心圓椎噴頭的主要噴霧區(qū)域，隨著風速增大，霧滴整體向右飄移，右側(cè)已經(jīng)超過了仿真樹的范圍，大量霧滴無法采集，而左側(cè)區(qū)域噴霧覆蓋率減小較為明顯，但是中間區(qū)域仍是主要噴霧區(qū)域。當噴頭傾斜角度為11°時，霧滴覆蓋率在左中右側(cè)與對照組相比更為接近，分別變化了+8.92，+6.49，+6.90個百分點，相對于噴頭角度為0°時有明顯改善。

為了研究在不同水平下噴霧作業(yè)的均勻性，對同一高度的霧滴采樣點數(shù)據(jù)進行分析，計算得到不同高度采樣點的霧滴覆蓋率變異系數(shù)，變異系數(shù)越大說明霧滴均勻性越差，不同風速與噴頭傾斜角度下霧滴覆蓋率變異系數(shù)如表4所示。

由表4可以觀察到，在1 m/s風速下，隨著噴頭傾斜角度從0°增大到3°，采樣點高度為150 cm處的霧滴覆蓋率變異系數(shù)降低了56.88個百分點，高度為100 cm處降低了28.19個百分點，50 cm處基本保持不變，說明風速在1 m/s時，調(diào)整噴頭傾斜角度后霧滴均勻性有所提高。側(cè)風風速為2 m/s時，隨著噴頭傾斜角度的增大，高度為50 cm與100 cm處的霧滴覆蓋率變異系數(shù)分別降低了 37.19、43.11個百分點，但150 cm高度處的變異系數(shù)增大了35.54個百分點?？赡苡捎?50 cm高度較高，受側(cè)風與重力等因素影響，導致變異系數(shù)增大的趨勢較為明顯。風速為3 m/s時，隨著噴頭角度從0°調(diào)整為11°，各高度下變異系數(shù)都明顯增大，并以高度150 cm處最為明顯，增大了52.26個百分點，而100 cm與150 cm處的均勻性也相應降低。說明隨著側(cè)風風速的增大，相同高度的霧滴均勻性呈現(xiàn)先變好后變壞的趨勢，綜合霧滴漂移程度與霧滴均勻性來看，在1 m/s處噴頭傾斜角對側(cè)風風速的補償效果最好。

表4 不同風速與噴頭傾斜角度下霧滴覆蓋率變異系數(shù)

3 結(jié) 論

論文研究了橫向噴霧在3個風速和4個噴頭傾斜角度下，垂直與水平兩個方向上的霧滴分布狀態(tài)，并著重分析水平方向上受風場影響時噴頭傾斜角度對霧滴飄移的影響，得到以下結(jié)論：

1）垂直方向上，風速和噴頭傾斜角度對霧滴質(zhì)量分布中心影響的總體變化幅度在±3 cm，風速與噴頭傾斜角度的增大會使垂直方向的變異系數(shù)相應減小，提高霧滴在垂直方向上的均勻性。

2）水平方向上，風速的大小和噴頭傾斜角度的大小都對霧滴的飄移量產(chǎn)生影響影響，并且兩者呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，風速的影響程度大于噴頭傾斜角度。隨著噴頭傾斜角度向風速的負方向的增加，霧滴受風速的影響程度會減小，當噴頭傾斜角的補償量超過了當前風速下對霧滴的飄移量，會使霧滴飄移產(chǎn)生過補償，數(shù)據(jù)表明，在 1、2、3 m/s風速下對水平霧滴飄移補償最優(yōu)噴頭傾斜角度分別為3°、7°、11°。

3）水平方向上，噴頭傾斜角度的增大會導致在有效噴霧范圍內(nèi)噴霧變異系數(shù)增大，使霧滴均勻性降低，而風速的增大導致變異系數(shù)先增大后減小，本試驗中在風速為2 m/s水平下達到峰值。

在高風速時噴頭傾斜角度的改變會帶來更大的霧滴飄移，這可能由于高風速時與噴霧速度的夾角會產(chǎn)生更嚴重的霧滴破碎效果，影響霧滴整體分布，在不同參數(shù)下對霧滴破碎的影響還需進一步研究以優(yōu)化本文擬合模型。

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Compensation of spray angle to droplet drift under crosswind

Sun Daozong1,3, Zhan Xurui1, Liu Weikang1, Xue Xiuyun1,2,3,4, Xie Jiaxing1,3, Li Zhen1,2,3,4, Song Shuran1,2,3,4※, Wang Weixing1,3

(1.510642;2.510642;3.510642;4.510642)

This study aims to explore the effects of side spray in the plant protection spraying on the droplet drift under different wind speeds and nozzle tilt angles. A sprayed test was performed on the three wind speed levels (1, 2, and 3 m/s), and four nozzle tilt angles (0°, 15°, 30°, and 45°). The droplet distribution was also measured under different levels. The control group was also set as a wind speed of 0 m/s, and the nozzle tilt angle of 0°. The mass distribution center of droplet and the coefficient of variation were then determined in the vertical and horizontal directions. The results show that there was a relatively small influence of crosswind wind speed and nozzle tilt angle on the droplet mass distribution center in the range of ±3 cm in the vertical direction. Specifically, the increase of crosswind wind speed and nozzle tilt angle caused the new variation in the vertical direction. The maximum decrease of coefficient of variation in vertical direction at 1-3 m/s wind speed is 12.3, 6.0 and 16.0 percentage points respectively. By contrast, there was a greatly different influence of the wind speeds and nozzle tilt angles on the droplet drift in the horizontal direction. The influence of the fog droplets on the wind speed decreased, as the tilt angle of the nozzle increased toward the negative direction of the wind speed. The fog droplets drifted excessively, when the compensation amount of the nozzle tilt angle exceeded the drift amount of the fog droplets under the current wind speed. The tilt angle of the nozzle at high wind speeds was greatly contributed to a greater change in the droplet drift. The speed of crosswind wind and the tilt angle of the nozzle presented a greater impact on the coefficient of variation in the horizontal direction. Furthermore, the horizontal coefficient of variation increased, whereas, the change of wind speed caused the horizontal coefficient of variation to increase first and then decrease, as the tilt angle of the nozzle increased. Consequently, the best compensated nozzle tilt angles were 3°, 7° and 11° under the conditions of 1, 2, and 3 m/s. This finding can provide a strong reference for the improvement technology of droplet drift in plant protection spraying.

wind speed; nozzles; spray; drift compensation; droplet distribution

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.010

S224.3

A

1002-6819(2021)-21-0080-10

孫道宗，占旭銳，劉偉康，等. 側(cè)風影響下噴頭傾斜角度對霧滴飄移補償[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(21)：80-89.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.010 http://www.tcsae.org

Sun Daozong, Zhan Xurui, Liu Weikang, et al. Compensation of spray angle to droplet drift under crosswind[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 80-89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.010 http://www.tcsae.org

2021-08-11

2021-10-30

國家自然科學基金項目（31671591，31971797）；廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團隊建設(shè)專項資金（2020KJ108）；廣州市科技計劃項目（202002030245）；財政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部：國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助；廣東省教育廳特色創(chuàng)新類項目（2019KTSCX013）；大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201910564147）

孫道宗，博士，副教授，研究方向為噴霧技術(shù)及傳感器技術(shù)應用。 Email：sundaozong@scau.edu.cn

宋淑然，博士，教授，研究方向為噴霧技術(shù)及測控技術(shù)。Email：songshuran@scau.edu.cn