農用噴頭霧化后的空間粒徑分布與速度演化特征研究

薛士東，奚 溪，史浩楠，馬學虎

(大連理工大學 化工學院化學工程系，遼寧省化工資源清潔利用重點實驗室，遼寧大連 116024)

1 前 言

化學農藥在防治病蟲草害和保證國家糧食安全方面發揮著不可替代的作用，合理使用農藥有助于提高農業生產力和農作物質量[1,2]。農藥的施用效率是藥液霧化、空間運行、界面沉積和傳導吸收等綜合作用的結果[3-8]。據統計，我國的農藥利用率僅為30%～35%，較發達國家低15%～25%，而空間運行過程中僅有 20%～35%的農藥霧滴能夠沉積于靶標界面，導致空間飄移成為農藥劑量損失嚴重的主要原因之一[9-12]。因此，研究霧滴的空間運行特征對明晰霧滴飄移損失的機制和提出霧滴空間減飄的策略均有著重要的意義。

關于霧滴空間粒徑分布的研究，聞志勇[13]通過激光粒度分析儀測量了風幕式噴桿噴霧中噴霧壓力、噴霧高度以及出口氣流對霧滴粒徑的影響，結果表明提高噴霧壓力和風速均會使霧滴粒徑變小，而霧滴粒徑隨著噴霧高度的增加而逐漸變大。呂曉蘭等人[14]測量了不同高度處噴霧扇面橫截面的霧滴體積中徑分布，結果表明噴頭下方10 cm處噴霧扇面橫截面中邊緣位置的霧滴粒徑均小于中間位置，而在 20～50 cm 范圍中霧滴粒徑均呈現邊緣高中間洼的凹面形狀。然而，近噴頭處霧滴粒徑的分布特征卻缺乏研究，它不僅可作為初始霧化的反饋指標，同時也決定著后續的空間飄移沉積過程。

關于霧滴空間速度的研究，學者們大多將焦點集中在近噴頭處的初始霧化過程。Wang等人[15]分別測試了氣吸式噴頭IDK、標準扇形噴頭ST以及空心圓錐噴頭 TR的霧化性能，結果表明相比于 ST和TR噴頭而言，IDK噴頭在液膜中心發生破碎，產生的霧滴粒徑較大，而速度大小及波動程度較小。聞志勇等人[13]通過粒子圖像技術(Particle Image Velocimetry，PIV)測試了風幕式噴桿噴霧中出風口氣流速度為10.3 m/s時，噴霧壓力對霧滴運動速度和渦量分布的影響，結果表明提高噴霧壓力，能夠提高霧滴的初始速度，逐漸耗散大尺度渦旋，噴霧效果較好。然而，霧滴空間運行過程中的速度演化特征卻鮮有研究，因此有必要補充對霧滴空間速度的研究，以此進一步明晰霧滴空間飄失的潛在原因。

基于此，本文以體積分數為0.2%的邁道助劑水溶液和空心圓錐噴頭TR80 005為例，首先通過激光粒度分析儀測量了不同高度和水平位置處的霧滴粒徑，以此獲得噴霧場全局范圍內的粒徑分布特征；其次通過PIV試驗分析獲得了霧滴運行過程中的速度演化趨勢，以完善對霧滴空間運行特征的認識和理解。

2 試驗裝置與方法

2.1 霧滴空間粒徑測試平臺

圖1所示為自主搭建的霧滴粒徑三維測試平臺，主要由噴霧系統、噴頭自動移動系統和霧滴實時檢測與粒徑分析系統組成。

圖1 霧滴空間粒徑測試平臺示意圖

采用激光粒度分析儀分別對距噴頭不同徑向水平位置(距離軸線中心5 cm、10 cm和15 cm)和不同軸向高度區域(距離噴頭5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm和50 cm)處的霧滴粒徑進行測量，空間粒徑測量點如圖2所示。試驗過程中，先開啟激光粒度分析儀進行預熱，再接通隔膜泵待噴霧穩定后，開始采集數據，每組試驗測試時間為10 s，重復3次，測量結果擬合方式為RR分布。在試驗過程中保證無自然風，環境溫度為(23±3) ℃，相對濕度為(40±10)%。

圖2 霧滴空間粒徑測試點

2.2 霧滴空間速度測試平臺

圖3所示為霧滴空間速度測試平臺，主要由噴霧系統和粒子圖像測速系統兩部分構成，噴霧系統與空間粒徑測試中一致；粒子圖像測速系統由激光器及片光源調節裝置、CCD高速攝像機和數據處理分析軟件MircroVec V3以及Tecplot 10組成。

采用固態連續激光照亮噴霧區域，用霧滴本身作為示蹤粒子，配合高速攝像捕捉相鄰時間間隔內霧滴的運動過程，通過圖像處理技術獲得霧滴的實時速度分布，空間速度測試區如圖4所示。試驗過程中，首先調節高速攝像機光圈及焦距大小，使相機焦平面與激光照射截面重合，并拍攝標尺，經換算后實際拍攝區域尺寸為120 mm×50 mm。隨后開啟激光發生器，調節片光源厚度至大約1 mm。最后開啟噴霧開關，待其穩定后，開始采集霧滴圖像數據，拍攝頻率為10 000 fps。試驗結束后，將圖像導入數據處理系統中進行速度分析。

3 結果與討論

3.1 霧滴空間粒徑分布結果

3.1.1 不同軸向高度處霧滴的空間粒徑分布結果

本文分別測量了水和 0.2%邁道水溶液在噴霧壓力0.2～0.5 MPa，噴頭下方5～50 cm范圍內的霧滴體積中徑，結果如圖5所示。從圖5可以看出，無論是水還是助劑溶液，霧化后的體積中徑均呈現先降低后升高的趨勢，主要是因為近噴頭軸向位置屬于二次霧化區域，該區域霧滴較為集中，并未完全分散成單個霧滴，當液體經過該區域后，液膜逐漸被拉成液絲，液絲波動再破碎成小霧滴，分散成霧滴群，因此體積中徑先呈現出下降的趨勢。隨后在繼續下降過程中，霧滴的體積中徑均會逐漸增加，這是由于霧滴與周圍氣流之間的速度差導致橫向氣流的卷吸作用，使得小霧滴被卷入中心區域，隨著霧滴下落過程速度衰減很快，卷吸作用逐漸減弱，小霧滴被卷入的量減少，因此會出現霧滴體積中徑增加的趨勢。添加邁道助劑后不僅會延長霧化區域從10 cm左右延長至20 cm左右，同時也可以增加霧滴的體積中徑。

圖3 噴霧速度場測量裝置示意圖

圖4 霧滴空間速度測試區

此外提高噴霧壓力可降低霧滴的體積中徑。一方面，壓力增大，霧滴與周圍流場的速度差增加，氣流剪切作用強化了二次霧化作用效果，導致霧化后的粒徑變??；另一方面，提高壓力導致霧滴初始動能的增大，即壓力的提高，使噴頭處液體的能量隨之增大，可以減弱其表面張力和黏滯阻力，有利于促進液體霧化成更加細小的霧滴。

圖5 水和0.2%邁道水溶液在軸向高度方向的粒徑分布

3.1.2 不同徑向水平位置處霧滴的空間粒徑分布結果

當噴霧壓力為0.2 MPa時，水和0.2%邁道水溶液霧化后在不同徑向水平位置處的霧滴粒徑分布，如圖6所示。從圖6可以看出，隨著軸向距離的增加，霧滴的體積中徑均逐漸增大，即呈現中心小邊緣大的趨勢。筆者認為出現此趨勢有兩種原因，一方面液體完成初始霧化后，大霧滴的初始動能較大，往徑向周圍擴散運動的能力增強，能量損失較小，其速度方向相比于小霧滴的速度方向更難被改變，進而導致周圍邊緣霧滴大，而小霧滴被包裹在軸線中心區域；另一方面，如小節3.1.1中所述，霧滴與周圍氣流的速度差造成壓力分布不均勻，邊緣壓力大，軸線處壓力小，進而導致小霧滴群向中心聚集收縮，引起中心區域霧滴的體積中徑減小。

圖6 水和0.2%邁道水溶液在徑向水平位置處的粒徑分布

3.2 霧滴空間速度分布結果

3.2.1 不同軸向高度區間中心位置霧滴的空間速度分布結果

本部分測量了空心圓錐 TR80 005在噴霧壓力為0.2 MPa時，體積分數為0.2%的邁道水溶液霧化后在噴頭下方不同軸向高度區間中心位置的速度分布，結果如圖7所示?？梢钥闯?，在軸向距離噴頭5 cm位置處，霧滴的最大速度達到了8 m/s左右，霧滴向徑向方向擴散的趨勢比較明顯，基本上呈對稱分布；當霧滴下降到10 cm位置，最大速度衰減到4 m/s左右，衰減程度較大，同時霧滴向軸向擴散的趨勢不明顯，基本呈現豎直下落分布；當霧滴繼續下降到20 cm和30 cm位置時，霧滴速度衰減程度減弱，不如近距離噴嘴位置衰減程度明顯。田間施藥時，霧滴在向靶標運動過程中，由于空氣的阻礙作用導致霧滴維持自身初始動能的能力逐漸減弱，速度也會逐漸衰減，若在完全衰減之前依然沒有沉降在靶標表面，便會隨風飄移流失到非靶標區域。

3.2.2 不同軸向高度區間邊緣位置霧滴的空間粒徑分布結果

本部分測量了噴霧壓力為0.2 MPa時，體積分數為 0.2%的邁道水溶液霧化后在噴頭下方不同軸向高度區間邊緣位置的速度分布，結果如圖8所示?？梢园l現，邊緣霧滴的速度明顯小于中心霧滴的速度，而且隨著軸向距離的增加，邊緣霧滴的速度依然呈降低的趨勢，衰減的程度同中心霧滴的衰減程度相當。此外，隨著軸向距離增加，邊緣霧滴也逐漸呈現豎直下落的趨勢，說明霧滴速度逐漸趨近于沉降速度，隨后基本勻速下落。

通過PIV試驗可知，無論是中心霧滴還是邊緣霧滴在下落過程中均存在著快速衰減的規律，究其原因在于農藥霧滴的尺寸均分布在微米范圍內，自身重力相比于風的阻礙作用而言較為微弱，在風的攜帶作用下很容易飄離靶標區域。因此，在設計減飄調控策略時應增加霧滴向靶標運動的動力，如風幕、電場等輔助方式，與自身重力協同抵抗自然風的裹挾作用。

4 結 論

本文搭建了霧滴空間粒徑與速度分布測試平臺，以空心圓錐噴嘴TR80 005為例，借助激光粒度分析儀測試了體積分數為 0.2%的邁道助劑水溶液霧化后在不同軸向高度和徑向水平位置的粒徑分布，通過PIV試驗獲得了上述溶液霧化后在不同軸向高度中心位置和邊緣位置的速度演化趨勢，結論如下：⑴ 在軸向高度5～50 cm區間內，霧滴的體積中徑隨著距噴頭距離的增加呈現出先降低后升高的趨勢，同時提高壓力可降低霧滴的體積中經；在徑向水平方位上，霧滴的體積中徑呈現出中心小邊緣大的趨勢；⑵ 添加邁道助劑后，可延長霧化區域，同時能夠提高霧滴的體積中徑；⑶ 在軸向高度中心位置處，霧滴速度在近噴嘴附近內衰減較快，向徑向擴散的趨勢逐漸減弱，最終呈現出豎直下落的趨勢；相比之下，邊緣霧滴分布較為分散，其速度明顯小于中心霧滴的速度。