山地管道恒壓噴霧中噴霧壓力和孔徑對霧滴粒徑的影響

代秋芳,　洪添勝,　宋淑然,　薛秀云,　鄭君彬

(1. 南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室, 廣州　510642;2. 華南農業大學工程學院, 廣州　510642; 3. 華南農業大學電子工程學院, 廣州　510642)

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山地管道恒壓噴霧中噴霧壓力和孔徑對霧滴粒徑的影響

代秋芳1,3,洪添勝1,2*,宋淑然1,3,薛秀云3,鄭君彬3

(1. 南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室, 廣州510642;2. 華南農業大學工程學院, 廣州510642; 3. 華南農業大學電子工程學院, 廣州510642)

為提高農藥利用率,研究山地果園管道恒壓噴霧系統中噴霧壓力和孔徑對霧滴粒徑參數的影響,利用激光粒度儀,測量3種孔徑空心圓錐霧噴頭在8種壓力下的6種霧滴粒徑參數數據,分析各粒徑級霧滴的分布情況,給出霧滴粒徑大小及其隨壓力和孔徑的變化趨勢,進行了霧滴參數的多元線性回歸,建立基于壓力的霧滴參數模型。結果表明:粒徑大于100 μm的霧滴(小于0.3%)和粒徑為0～20 μm的霧滴(小于0.5%)可忽略不計,霧滴粒徑主要分布于20～40 μm(79.5%～92.8%);霧滴均較細小,全部為氣溶膠;孔徑越小,壓力越大,霧滴越細小;6種霧滴粒徑參數與孔徑和壓力均有良好的二元線性關系(R2分別為0.928、0.956、0.949、0.949、0.889和0.815);6種霧滴粒徑參數均隨壓力呈二次多項式變化規律,決定系數R2均達到了0.894以上。研究結果對山地果園管道恒壓噴霧中噴頭的選型、噴霧壓力的調整及噴霧效果的優化有重要參考意義。

山地果園;管道恒壓噴霧;霧滴粒徑參數;噴霧壓力;孔徑

霧滴粒徑參數是反映霧滴大小的主要指標[1-2],直接影響霧滴的飄移[3]、沉積[4-7]和藥效的發揮[8],從而影響農藥的利用率[9]和噴霧效果[10-11]。國內外學者采用各種方法對霧滴粒徑進行測量[12],用圖像處理技術對霧滴進行顯微識別[13],利用高速攝像機結合數字圖像處理技術對霧滴粒徑分布和霧滴的運動進行分析[14-15],利用激光粒度儀測量霧滴譜[16],同時對影響噴頭霧滴粒徑參數的各種因素進行了分析[17-18]。但這些研究多為測量在較低壓力噴霧時噴頭的霧滴,大多集中在單因素對霧滴粒徑的影響分析,而對適合果園需求的高壓力噴霧時噴頭的霧滴大小研究較少,主要影響因素與霧滴大小之間的相關關系研究也較少。

我國南方果園多為山地果園,多采用低矮密植型種植模式,移動式噴霧機械很難進入[19-20],為此筆者所在團隊研究了果園管道恒壓噴霧控制系統。由于管道噴霧無需機具在果園中移動,具有省力、省工、噴霧效果好等優點,適合山地果園使用[21]。管道噴霧依靠液泵形成的較高壓力,將藥液在噴頭處進行霧化并施向靶標,但管道內藥液的壓力隨作業人數的不同會產生波動,同時,藥液在管道中流動時會出現壓力損失,導致整個管網系統藥液壓力不穩定且各點壓力各不相同。管道恒壓控制裝置可根據管道中壓力的實際值與設定值間的誤差及誤差變化趨勢,在線調整模糊PID的參數,經帶有變速積分、微分先行優化算子的增量式PID算法計算,獲得控制量以控制管道中藥液的壓力[22]。因此壓力成為影響管道噴霧系統中噴頭霧滴參數的最重要的因素之一。除壓力外,在噴頭類型選定后,噴頭孔徑也是影響霧滴粒徑參數的重要因素。然而到目前為止,還未見有文獻對管道恒壓噴霧系統中應如何設置噴霧壓力及如何選擇噴頭的孔徑進行研究。

本文通過改變壓力和孔徑,利用激光粒度儀采集霧滴粒徑參數數據,研究壓力和孔徑對果園用空心圓錐霧噴頭霧滴大小的影響,掌握霧滴大小隨壓力和孔徑的變化規律,可以根據噴施對象的所需霧滴大小設置管道恒壓噴霧控制裝置的壓力,選擇合適的噴頭類型,從而提高噴霧效果。

1　描述霧滴粒徑的參數

(1)VMD:體積中值粒徑(volume median diameter,VMD)。指取樣霧滴的體積按霧滴大小順序進行累計,其累計值為取樣霧滴體積總和的50%所對應的霧滴直徑。根據霧滴群VMD的大小將霧滴分為4類:①粗霧:VMD≥400 μm;②細霧:100 μm≤VMD<400 μm;③彌霧:50 μm≤VMD<100 μm;④氣溶膠:VMD<50 μm。

(2)VAD:體積平均粒徑(volume average diameter,VAD)。指取樣霧滴平均體積所對應的直徑。

(3)S/V:體積比表面積。指單位體積霧滴的表面積。

(4)SMD:表面積平均粒徑(superficial area median diameter,SMD)。指粒徑對表面積的加權平均。

(5)NAD:數量平均粒徑(number average diameter,NAD)。指取樣霧滴群的直徑之和與霧滴群個數之和的比值。

(6)NMD:數量中值粒徑(number median diameter,NMD)。指取樣霧滴的個數按霧滴大小順序進行累計,其累計值為取樣霧滴個數總和的50%所對應的霧滴直徑。

(1)

(2)

(3)

其中:Ni、Di、Si和Vi分別為第i種粒徑霧滴的數目、直徑、面積和體積,霧滴按從小到大排列。

2　數據獲取

霧滴粒徑參數數據通過激光粒度儀獲取。激光粒度儀通過測量顆粒群的散射譜,散射譜的強度與被測顆粒群的大小有關,并經透鏡再次匯聚后,被位于透鏡后焦面上的光電陣列探測器所接收,轉換成電信號后經放大和A/D轉換經通訊口送入計算機,進行反演運算和數據處理后,即可給出被測顆粒群的霧滴粒徑參數。

2.1試驗設備

2.1.1噴霧性能綜合試驗平臺

噴霧性能綜合試驗平臺主要由機械結構、電氣控制和數據采集處理3部分組成?？商峁┍驹囼炛兴桁F滴并測量霧滴粒徑參數。

2.1.2激光粒度儀

Winner318B激光粒度儀可測定霧滴粒徑參數。該儀器采用信息光學原理,通過測量顆粒群的散射譜,來分析霧滴粒徑大小。其準確性誤差<3%;重復性誤差<3%;綠色激光器,波長532 nm,功率30 mW;量程為15～711 μm。

2.1.3拉絲?？讖綔y量儀

拉絲?？讖綔y量儀可測量噴頭孔徑。測量儀將光學與數碼、軟件相結合,在軟件中對孔徑進行測量,可得出圓孔的直徑。測量儀的分辨率為0.1 μm;重復精度為±0.5 μm;測量范圍為0.05～30 mm;變倍方式為連續變倍,最大倍率為800倍。

2.2試驗對象

對Lechler TR80系列3種型號TR80-01C、TR80-02C和TR80-03C噴頭的霧滴粒徑參數進行測量,噴頭內部結構圖如圖1所示。該系列噴頭壓力范圍為0.3～2.0 MPa,是一種帶陶瓷芯的空心圓錐霧噴頭,高耐磨,耐化學藥劑,有極細霧滴譜,適用于壓力要求較高的山地果園管道噴霧系統。

該系統在果園埋下塑料管網,管網進液端配有藥池、恒壓噴藥控制系統,埋設的管道每隔一段距離就安裝上升至地面的立式管,每個立管在打藥時再與軟管、噴槍相連接,使用電動機帶動藥泵加壓,把藥液輸送到果樹旁,人工逐株打藥,適合多人同時打藥,如圖2所示。恒壓噴藥控制系統由變頻器、變頻電動機、藥泵、壓力變送器、恒壓控制箱組成,可使出水口壓力保持恒定,出水口壓力可根據本文研究成果進行合理設定。

2.3試驗方法

試驗用水為清水;用噴霧性能綜合試驗平臺調節壓力在0.70～1.40 MPa間變化,每次步進0.10 MPa;用拉絲?？讖綔y量儀對噴頭孔徑進行測量,測得TR80-01C的噴嘴孔徑為1.0 mm,TR80-02C為1.4 mm,TR80-03C為1.8 mm;用激光粒度儀對噴頭中軸線上距噴嘴15 cm處的霧滴顆粒群的散射譜進行測量,得到霧滴能譜數據,再將能譜數據轉換為霧滴粒徑參數數據。

圖1　噴頭內部結構圖Fig.1　Internal structure of nozzles

試驗前用標準物質(直徑為25 μm)對激光粒度儀進行標定。每次測量前先進行背景測試,背景測試累計10次后再進行樣品測試以去除背景光的影響。每條樣品測試數據為某個時刻樣品的霧滴參數。本試驗在每種工況下對樣品連續測量100次得到100條測試數據,100條測試數據取平均值后作為每種工況下樣品的測試數據。

圖2　管道恒壓噴霧設施示意圖Fig.2　Sketch map of pipeline constant pressure spray facilities

3　數據處理與分析

首先將試驗獲得的能譜數據轉換為霧滴粒徑數據,然后分析各粒徑級霧滴的分布情況,分析霧滴粒徑大小,給出霧滴參數隨壓力和孔徑的變化趨勢,并對霧滴參數進行多元線性回歸,最后建立基于壓力的霧滴參數模型。

能譜數據向霧滴粒徑數據轉換時產生的計算誤差稱擬合誤差。本試驗擬合誤差均小于0.012,符合試驗要求。

本試驗利用Origin 9.0進行繪圖及曲線擬合,利用SPSS 16.0對試驗數據進行多元線性回歸分析,利用Excel 2007進行數據處理。

3.1各粒徑級霧滴的分布情況

根據3種噴頭8種壓力下霧滴的粒徑分布數據,繪制各粒徑級霧滴百分比的分布如圖3所示。由于粒徑D≥100 μm的霧滴很少,均少于0.3%,可忽略不計,所以僅繪制0～100 μm范圍內霧滴的分布情況?？梢钥闯?

(1) 霧滴均較細小。粒徑為0～20 μm的霧滴比例均少于0.5%,可以忽略不計;主要是粒徑為20～40 μm的霧滴,其比例均多于79.5%;粒徑為40～60 μm的霧滴較少,其比例均少于10.6%;粒徑為60～80 μm的霧滴較少,其比例均少于7.4%;粒徑為80～100 μm的霧滴較少,其比例均少于2.1%。

(2) 按霧滴所占百分比從大到小排列為20～40 μm> 40～60 μm>60～80 μm>80～100 μm。

(3) 壓力越大,孔徑越小,霧滴粒徑分布越集中,霧滴越細小。

圖3　各粒徑級霧滴所占百分比Fig.3　Droplet percentages for different droplet diameter classes

3.2霧滴粒徑參數隨壓力和孔徑的變化

為詳細了解霧滴粒徑參數的變化趨勢,分別繪制出6種霧滴粒徑參數VMD、VAD、S/V、SMD、NAD和NMD隨壓力和孔徑變化的曲線,如圖4所示。

從圖4可以看出:

(1) 壓力在0.70～1.40 MPa變化時,TR80-01C、TR80-02C和TR80-03C的VMD變化范圍分別為30.6～31.9 μm、30.9～32.0 μm和31.0～32.317 μm。說明在試驗壓力范圍內,霧滴均較細小且全部為氣溶膠。

(2) 孔徑不變、壓力越大,VMD、VAD、SMD、NAD和NMD越小,S/V越大。說明壓力越大,霧滴的粒徑越小。原因是壓力越大,液體流出噴孔的初速度就越大,噴孔中液體擾動程度及噴出噴孔后所受到的空氣介質阻尼也越大,霧滴更易破碎。

(3) 壓力不變,孔徑越小,VMD、VAD、SMD、NAD和NMD越小,S/V越大,即霧滴的粒徑越小;原因是噴孔直徑越小,液體噴出噴孔時會受到更大的節流,噴孔內擾動增加,霧滴更易破碎。

(4)VMD和VAD隨壓力和孔徑的變化趨勢較NAD和NMD更明顯。說明:側重反映體積的粒徑參數比側重反映數量的粒徑參數隨壓力和孔徑的變化趨勢更明顯。

圖4　壓力和孔徑對噴頭霧滴粒徑參數的影響Fig.4　Effects of pressure and pore diameter on droplet diameter parameters of nozzles

3.3基于壓力和孔徑的多元回歸統計模型

霧滴的粒徑大小與壓力和孔徑密切相關。從圖4可以看出，6種霧滴粒徑參數的變化趨勢與壓力和孔徑的變化趨勢基本一致,具有很強的相關性。其中,壓力取值范圍為0.80～1.40 MPa,步進0.10 MPa;孔徑取值范圍為1.0～1.8 mm,步進0.4 mm。分析結果如表1～3所示,可以看出:

(2) 由F檢驗可知,所有霧滴參數均有顯著值P=0.000<0.01,表明VMD、VAD、S/V、SMD、NAD及NMD與孔徑和壓力之間均存在極顯著的線性回歸關系(見表2)。

(3) 由t檢驗可知,VMD、VAD、S/V、SMD及NAD的回歸系數b0、b1和b2均有顯著值P=0.000<0.01,表明方程的回歸系數b0項(常數項)、b1項(孔徑系數)和b2項(壓力系數)影響均極顯著;NMD的回歸系數b0、b2均有顯著值P=0.000<0.01,b1有顯著值P=0.032<0.05,表明方程的回歸系數b0項和b2項影響均極顯著,回歸系數b1項影響顯著(見表3)。

綜上,回歸通過了F檢驗和t檢驗,且擬合優度較高,說明本文建立的霧滴粒徑參數與壓力和孔徑的多元回歸模型是準確的。

3.4霧滴粒徑參數與壓力的關系

經曲線回歸依次分析VMD、VAD、S/V、SMD、NAD及NMD隨壓力的變化規律。在進行多項式回歸時,同時利用線性函數、指數函數、對數函數和冪函數進行了回歸分析,這些函數的相關系數均比多項式回歸的相關系數要小,故采用多項式表示各霧滴參數隨壓力的變化規律(見表4)。以噴霧壓力(單位MPa)為橫坐標,霧滴參數為縱坐標,得3種型號噴頭的6種霧滴參數與噴霧壓力(0.80～1.40 MPa)的擬合曲線如圖5所示。從表4和圖5可以看出,霧滴參數隨壓力的變化規律均能用二次多項式表示,且回歸均具有較高的決定系數,R2均達到了0.894以上。

表1　霧滴粒徑參數回歸方程擬合

表2　霧滴粒徑參數回歸方程方差分析及F檢驗

表3　霧滴粒徑參數擬合的回歸系數及t檢驗

表4　霧滴粒徑參數的曲線擬合

圖5　噴頭霧滴粒徑參數隨壓力的變化規律Fig.5　Variation of droplet diameter parameters of nozzles with different pressures

4　結論

Lechler TR80-01C、TR80-02C和TR80-03C型噴頭在0.70～1.40 MPa壓力下,粒徑D≥100 μm的霧滴均少于0.3%,粒徑為0～20 μm的霧滴均少于0.5%,可忽略不計,按霧滴所占百分比從大到小排列20～40 μm>40～60 μm>60～80 μm>80～100 μm;主要是粒徑為20～40 μm的霧滴(79.5%～92.8%);VMD為30.6～32.3 μm,VAD為31.3～36.9 μm,霧滴均較細小,全部為氣溶膠;壓力越大、孔徑越小,霧滴粒徑越小。

VMD、VAD、S/V、SMD、NAD及NMD與孔徑和壓力均有較好的二元線性關系,建立了這6個霧滴參數的二元線性模型,模型決定系數R2分別為0.928、0.956、0.949、0.949、0.889和0.815。

VMD、VAD、S/V、SMD、NAD及NMD均隨壓力呈二次多項式變化規律,建立了這6個霧滴參數的二次多項式模型,決定系數R2均達到了0.894以上。

不同測試點霧滴粒徑參數的變化規律有待進一步研究;其他因素對霧滴粒徑的影響有待進一步研究。

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(責任編輯：田喆)

Influences of spray pressure and pore diameter on droplet diameter of pipeline constant pressure spray in mountains

Dai Qiufang1,3,Hong Tiansheng1,2,Song Shuran1,3,Xue Xiuyun3,Zheng Junbin3

(1. Key Laboratory of Key Technology for South Agricultural Machinery and Equipment,Ministry of Education, Guangzhou510642, China; 2. College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou510642, China; 3. College of Electronic Engineering,South China Agricultural University, Guangzhou510642, China)

In order to increase the pesticide usage efficiency and study the influences of spray pressure and nozzle pore diameter on droplet diameter parameters of pipeline constant pressure spray in mountainous orchards, five important aspects were researched with laser particle analyzer through measuring six types of droplet diameter parameters for three types of pore diameters under eight types of pressures. The droplet distribution of different droplet diameter classes was analyzed; the variation tendencies of droplets with different pressures and nozzle pore diameters were measured; multiple linear regression of droplet diameter parameters was conducted, and droplet diameter parameter models were built based on pressure. The results showed that droplets with diameters more than 100 μm (<0.3%) and 0-20 μm (<0.5%) could be neglected, and the main droplet diameters were 20-40 μm (79.5%-92.8%). Droplets were all tiny, and the major type was aerosol. The smaller the pore diameter of the nozzle, the higher the pressure, and the tinier the droplets. Six types of droplet diameter parameters influenced by pressure and pore diameter could all meet the binary linear equations (R2was 0.928, 0.956, 0.949, 0.949, 0.889 and 0.815); meanwhile, the relationships between six types of droplet diameter parameters and pressure could all be described by quadratic polynomial equations (R2were all more than 0.894). The results provide valuable references for selecting nozzle, adjusting spray pressure and optimizing spray effect of pipeline constant pressure spray in mountainous orchards.

mountainous orchard;pipeline constant pressure spray;droplet diameter parameter;spray pressure;pore diameter

2015-12-11

2016-01-14

廣東省自然科學基金(2015A030310398)；現代農業產業技術體系建設專項資金(CARS-27)；公益性行業(農業)科研專項(201203016)；廣東省“揚帆計劃”引進創新創業團隊專項(201312G06)；廣東省科技計劃項目(2015B090901031)

E-mail: tshong@scau.edu.cn

S 491

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2016.04.008