两类扇形雾喷头雾化过程比较研究

为了探究标准扇形雾喷头(ST)与防飘喷头(IDK)的雾化特性,利用雾滴粒径分析仪(PDIA)对以上2种类型喷头的雾化过程进行了试验研究与可视化图形分析。结果表明:ST喷头具有面积较大的液膜区,且具有波纹结构,破裂区内的破裂孔洞呈现不规则撕裂状;IDK喷头液膜区面积较ST喷头小,具有气泡状结构,但并未发现波纹区。随着ST与IDK喷头孔径的增大,液膜长度、破裂区长度分别由20mm增长至40mm、10mm增长至20mm。随着压力的增加,ST110-03型喷头的液膜长度由35mm降低至22mm,雾滴体积中径由128.2μm降低至92.4μm;IDK120-03型喷头的液膜-破裂区长度由40mm降低至30mm,雾滴体积中径由366.4μm降低至285.3μm。该研究可为进一步研究新型防飘喷头的雾化特性以及新型喷雾设备的生产提供参考。     

航空植保作业用喷头在风洞和飞行条件下的雾滴粒径分布

为了获得GP-81A系列航空喷头的雾滴粒径分布情况,该文针对GP-81A系列航空喷头进行了风洞条件和飞行条件下的雾滴粒径及分布测试,通过高速风洞测试系统模拟飞行时产生的高速气流开展了气流大小对雾滴粒径及分布的影响研究;基于农用航空常用的Y5B飞机开展了不同型号喷嘴航空喷雾时的雾滴粒径及分布研究;同时,比较了相近喷雾压力条件下,相同喷嘴在风洞条件和飞行条件下的雾滴粒径及分布差距。试验结果表明,风洞条件测试时,当风速小于33.8 m/s时,雾滴粒径随气流的增加而增大;而当风速大于33.8 m/s时,雾滴粒径随气流的增加而减小,足够大的气流可以使雾滴进一步雾化。当气流在33.8 m/s时,7#喷嘴雾滴粒径最大,为491.1μm;当气流在84.87 m/s时,2#喷嘴雾滴粒径最小,为202.1μm。该系列喷头的6种不同喷孔的喷头的雾滴粒径均大于150μm,说明该喷头航空喷雾时的飘移损失较小。在喷雾压力基本相同的条件下,风洞条件下的雾滴粒径测试结果略高于飞行试验结果,主要原因是距离喷头出口的测试位置不同。风洞条件和飞行条件下的雾滴谱相对宽度S值均较小,表明雾滴分布较均匀,而飞行条件下的雾滴分布更均匀些。该研究为进一步优化航空喷头的作业参数,开展减少雾滴飘移研究提供参考。     

喷雾助剂类型及浓度对喷头雾化效果影响

为达到农药减施增效的目的,助剂逐渐成为农药喷洒过程中必不可少的部分,其效果及浓度直接影响着施药过程中农药利用率。为探索不同助剂及浓度对喷头雾化效果的影响,该文利用激光粒度仪比较分析了IDK120-025型和LU120-015型喷头喷施不同浓度典型增效剂意欧、减量增产助剂激健、尿素时,其雾滴体积中径及雾滴分布相对跨度差异。两款喷头应用广泛,喷雾角度相同、喷腔雾化结构相异。结果表明：3种助剂溶液对IDK120-025型喷头的影响效果相比于LU120-015型喷头更为显著,但是LU120-015喷头喷雾雾滴均匀性较优于IDK120-025。激健溶液配比为1:3 000时,在0.4 MPa喷雾压力条件下,与水相比可将IDK喷头雾滴体积中径增加20.43%,粒径分布相对跨度减小1.74%;意欧溶液配比为1:2 000时,在0.4 MPa喷雾压力条件下,与水相比可将IDK喷头雾滴体积中径增加11.10%,粒径分布相对跨度减小8.86%;意欧溶液配比1:3 000时,在0.2 MPa喷雾压力条件下,与水相比可将LU喷头雾滴体积中径减小5.99%,粒径分布相对跨度增大1.56%;尿素溶液在配比1:2 000时,在0.4 MPa喷雾压力条件下,与水相比可将IDK喷头雾滴体积中径增加16.92%,粒径分布相对跨度减小6.92%。该试验可为田间农药施用中助剂及喷头的选择提供依据,为进一步研究喷头及助剂提供数据基础。     

脉宽调制变量控制喷头雾化性能及风洞环境雾滴沉积特性

脉宽调制(pulse width modulation, PWM)技术是实现变量喷雾的重要手段,其工作参数与环境条件决定着施药的精准性。为探究PWM变量喷头雾化及风洞环境沉积特性,该文研制了脉宽调制变量喷雾系统,以农业施药常用空心圆锥雾化喷头喷雾的雾化、沉积特性为研究对象,在IEA-II型常规风速风洞内,通过点阵式放置电容式雾滴沉积传感器测定计算雾滴沉积与沉积评价指数(deposition evaluation index,DEIX),并利用Spraytec雾滴粒径仪测试其雾滴体积中径(volume median diameter,VMD)和雾滴相对分布跨度(relative span,RS)。试验结果表明:占空比在10%～40%间,随占空比增大,雾滴体积中径呈减小趋势,与占空比10%时相比,占空比40%时的雾滴体积中径下降了7.9%;PWM占空比60%时分布跨度最小,较占空比20%时雾滴分布跨度下降9.52%,雾滴谱最窄,获得的雾滴粒径分布最集中。雾滴沉积方面,风速1 m/s条件下,雾滴主要沉积在距喷头3.3 m内,此范围内沉积量占总沉积量的95.7%,当风速超过3 m/s时,在气流作用下,雾滴沉降距离增大,导致雾滴运动偏离施药靶标区域。PWM占空比增加,雾滴沉积评价指数DEIX值降低,雾滴的飘移率增大;相同工况下,风速及喷头高度越大,DEIX越小,施药雾滴越易飘移。该研究可为农业田间实际生产中脉宽调制变量施药技术应用及其工况参数的选择提供依据,为PWM变量调节装置的进一步优化提供研究基础。     

助剂类型及浓度对不同喷头雾滴飘移的影响

为探究助剂类型及浓度对不同喷头飘移的影响,该研究利用风速、温度、湿度可调风洞及荧光分析仪spectrofluorophotometor RF-1501比较分析了不同浓度抗蒸发助剂Agrospred 730(又名AS-2)、防飘移助剂Break—thru Vibrant、Silwet DRS-60、Greenwet 360对离心喷头、平面扇形雾喷头Lechler ST 110-015、空心圆锥雾喷头TR 80-015以及德国联邦农作物研究中心施药技术研究所(Julius-Kühn-Institut,JKI)规范中的对比参考喷头Lumark F110-03的飘移潜在指数(drift potential index,DIX)的影响,并利用spraytec雾滴粒径仪测试其雾滴体积中径(volume median diameter,VMD)。结果表明:AS-2的体积分数为0.05%时,与水相比可将离心喷头DIX增加81.8%,VMD增加16.7%;Silwet DRS-60、Break—thru Vibrant、Greenwet 360体积分数分别为0.8%、0.4%、0.3%时防飘效果最好,对TR80-015防飘效果最为显著,可将其DIX(相比于水)依次减小98.7%、58.2%和80.1%,3种助剂分别在上述体积分数下对3种液力式喷头的防飘效果均依次为TR80-015ST110-015Lumark F110-03;对于助剂Silwet DRS-60和Greenwet 360,VMD75μm的雾滴所占体积百分比越大,喷头DIX越大,二者之间呈现正相关性(相关系数R0.5);VMD越大,喷头DIX越小,即VMD变化与DIX变化呈现负相关性,VMD及VMD75μm的雾滴所占体积百分比均为影响喷头DIX的重要因素。该研究可为田间实际生产中助剂的添加与选择提供依据,为进一步研究新型农药助剂、新型喷头及喷雾设备的生产提供理论基础。     

基于高频电磁阀的脉宽调制变量喷头喷雾特性

为探究基于高频电磁阀的变量喷雾特性,该研究采用高频、对信号快速响应的电磁阀设计了高于20 Hz的脉宽调制(pulse width moderation,PWM)变量喷雾系统;针对农业施药作业上常用ST标准扇形和IDK防飘喷头,测试了不同频率和占空比对流量、雾滴粒径、雾化过程、纵向沉积分布均匀性的影响。结果表明,在高频下,流量与占空比呈线性关系,随着频率的增大,流量线性区间减小,增大压力和频率,可以有效增大流量调节倍数,30 Hz时最大可达10倍;PWM喷雾时,瞬间雾滴粒径发生周期性变化,增大频率,雾滴体积中值中径(volume medium diameter,VMD)平均值受占空比的影响变小,占空比增大,VMD有减小的趋势,对于ST110-02号喷头各频率下VMD从占空比20%~100%下降了100μm;沉积试验中,频率和占空比都会影响沉积均匀性,对于IDK120-04号喷头,占空比为40%时,30 Hz下的C.V(coefficient of variation)值较15Hz减小了6.07%;15 Hz时,IDK120-02和04号喷头在占空比40%到100%变异系数分别下降了11.75%和18.31%;30 Hz时,两喷头在占空比40%到100%变异系数分别下降8.72%和12.24%,并且,ST喷头沉积均匀性优于IDK喷头。该研究为高频电磁阀在PWM变量施药系统中的应用及参数选择提供理论基础。     

航空施药旋转液力雾化喷头性能试验

无人机航空喷雾将会在未来几年的植物病虫害防治作业中发挥重要作用。为实现无人机低空、低量、高功效的喷洒需求,该文针对兼备液力雾化和离心雾化优点的旋转液力雾化喷头进行了性能试验研究,利用喷头雾化性能测试系统对喷孔直径、喷雾压力、电机转速因素对喷头雾滴粒径、沉积分布、喷幅和功率消耗的影响进行了试验研究。结果显示,喷头旋转电机电压相比喷孔直径、喷雾压力参数对雾滴粒径影响更显著,随着电机电压增加,雾滴粒径变小,雾化效果好;电机电压对幅宽也有明显影响,随着电极电压增加,喷雾角度变大,幅宽明显增加,雾滴沉积量在喷幅范围内呈现正态分布。通过试验结果优选出适合无人机的旋转液力雾化喷头的最佳工作参数:电机电压为10 V,喷雾压力为0.35 MPa,喷嘴孔径是0.7 mm,该工作参数下,液泵功率消耗率最低,雾滴平均粒径为112.35μm,喷幅为3.88 m,电机功率消耗为8.6 W。该文的研究结果为开发适用于无人机的新型喷洒雾化装置,提高无人机作业质量和喷洒功效提供理论依据和技术支持。     

扇形喷头结构和压力对微生物农药雾滴分布及活性的影响

扇形喷头是各种喷杆式喷雾机最常用的喷头类型。从减少微生物机体损伤、提高活性的角度,为筛选出扇形喷头中适合喷施微生物农药的喷头型号、喷施压力,该文以常用的延长范围扇形喷头XR11002、广角扇形喷头TT11002、气吸扇形喷头AI11003开展了生物农药活性损伤对比试验。利用喷头雾化测试系统测试不同喷雾样本的雾滴分布,以细菌芽孢萌发率及小菜蛾死亡率量化分析喷头结构、压力对细菌、病毒类生物农药活性损伤影响。研究结果表明：喷头型号、压力及喷雾介质对生物农药雾滴粒径分布的影响程度为喷头型号>压力>介质,其中介质对雾滴粒径分布无显著性影响;压力对细菌与病毒类生物农药活性损伤的影响区别明显,压力对细菌类活性损伤的影响呈显著负相关,对病毒类活性损伤无显著影响,主要跟细菌、病毒不同机体结构相关;喷头型号对细菌与病毒类生物农药活性损伤无显著影响,其中流向单一的XR系列扇形喷头对生物活性损伤影响要小于流向多重突变的TT系列和同时受外界气流混入干扰的AI系列扇形喷头。综合各因素,在利用扇形喷头喷施微生物农药时,从雾滴分布及活性角度,优先选用XR系列扇形喷头中的XR11001,喷施压力为0.15 MPa。在喷施病毒类农药时,可忽略喷头型号、压力对病毒活性损伤的影响。     

喷杆式喷雾机雾滴飘移测试系统研制及性能试验

为了测试并分析雾滴的实时飘移情况及飘移分布规律,该文研发了一套雾滴飘移测试系统,用于研究不同喷雾设备喷雾时产生的雾滴飘移特性并评价其飘移潜力。依照国际飘移分级标准ISO 22369-2-2010,在室内环境条件下对喷杆式喷雾机上6种扇形雾喷头的雾化性能参数进行了测试,对其飘移特性进行了对比试验并评价其飘移潜力dPV。结果表明:喷头与工作压力对飘移潜力影响显著(P0.05)。喷雾压力为0.3 MPa时,常规喷头XR110-04的飘移潜力最高,为33%。ID、IDK等气吸式喷头飘移潜力明显小于常规喷头(P0.05)。Lechler ID120-025喷头的飘移潜力最小,仅为6%。提高喷雾压力会使飘移潜力变大。研究结果可为减少雾滴飘移的施药技术研究与飘移分级的制定提供参考。     

微型指数振子低频超声雾化喷头的研制及喷雾试验

针对现有低频超声雾化喷头存在驱动电压高、工作效率低、电路和喷头发热严重以及体积较大等缺点,该文研制了一种工作频率为60kHz的微型指数振子超声雾化喷头及喷头的驱动电路。根据频率方程确定了喷头的基本尺寸,建立了喷头的有限单元模型,根据该模型进行了喷头的模态分析和谐响应分析,该喷头的谐振频率计算值为61550Hz,驱动电压为36V时雾化面振幅计算值为8μm;应用阻抗分析仪Pvc70A和激光微位移传感器CD5-L25对该喷头样机的谐振频率和雾化面的振幅进行了测试,喷头谐振频率的测试值为59699 Hz,与设计频率的相差0.5%,与有限元模态计算的频率相差3.0%,驱动电压为36V时振幅的测试值为8.63μm,与有限元谐响应分析结果相差7.8%;应用Winner318B工业喷雾激光粒度分析仪对驱动电压分别为36和30 V喷头所产生的雾滴尺寸进行了测量,测量结果表明,电压对雾滴粒径分布没有显著影响,但是对最大雾化量影响较大;与28 kHz的超声雾化喷头相比,喷头的最大雾化量基本一致,体积和质量分别仅为28kHz超声雾化锥状喷头的5.54%和9.81%,并且其产生的雾滴更细。     

电动背负式风送喷雾器设计与作业性能试验

针对作物冠层高大、枝叶茂密的情况,现有的施药机具存在雾滴穿透性能差、药液沉积不均匀、不适合作业条件等问题研制了电动背负式风送喷雾器。利用水敏纸、激光粒径分析仪、高速摄影仪测试了其射程、雾滴粒径、液膜雾化形态。利用液质联用仪测试了使用该喷雾器时农药在作物上的沉积分布,并测试了生物防治效果。结果表明:该喷雾器在有风送的条件下雾滴粒径变大、喷雾角减小、液膜变短,在最大风速下射程提高2倍以上。该喷雾器可以改善农药在作物叶片正背两面分布均匀性,使用TR80-01和TR80-02号喷头时农药利用率较手动喷雾器分别提高了1.38倍和1.14倍,在分别使用TR80-01和TR80-02喷头时用药量比手动喷雾器减少1/2和1/3的情况下药效没有明显的差异且增加了农药的持效期。该喷雾器可以提高农药的沉积分布均匀性和利用率,实现减量施药。     

施药喷嘴分级可行性及方法研究

针对国产农用喷嘴的雾滴粒径分级数据及方法缺失的问题,该文依据ASAE S572.1标准,以NJS-01植保低速风洞为平台建立了雾滴粒径标准测试方法。在规范的测试条件和测量程序下,以Teejet 11001、11003、11006、8008和6510不锈钢芯扇形喷嘴为参考喷嘴,测试了Teejet F110、Lurmark F110、国产Lanao F110、YZS80、YZK80等24种待分类喷嘴在0.2、0.3、0.4 MPa下的雾滴粒径。在此基础上建立了参考喷嘴的雾滴粒径分级参考图,提出了基于该参考图的喷嘴分级方法。同时用Teejet、Lurmark标准扇形雾喷嘴的测试数据和厂家提供的分级结果,验证了喷嘴分级方法的正确性和适用性。该文运用该分级方法对国产Lanao F110、YZS80、YZK80系列喷嘴在不同压力下的雾滴粒径进行分级,可为该类型国产喷嘴的选型和应用提供参考。     

远射程风送式喷雾机风场中雾滴粒径变化规律

对风送式喷雾机的研究集中在喷雾机结构的优化、雾滴沉积、雾滴飘移及回收方面,但远射程风送式喷雾机雾滴在空间风场中的变化规律尚未明确。该文以远射程风送式喷雾机为试验平台,研究雾滴由喷嘴喷出后在风力的裹挟运动过程中雾滴参数(主要指粒径或直径)在喷幅内和射程内的变化规律。结果表明,远射程喷雾机喷出的雾滴粒径均大于50μm,雾滴中粒径大于400μm的粗雾滴体积累计所占的百分比在0.4%以下;在远射程风送式喷雾机方向水平喷出的雾滴柱中,距离喷嘴7、8、9 m处的7个高度上,雾滴体积中值直径呈现出从上到下逐渐变大的规律;雾滴在风场中向前运动的过程中,雾滴体积中值直径的变化分为3个阶段:近出风口处高速气流对雾滴的破碎使得雾滴体积中值直径变小;在中速气流作用下,雾滴之间发生碰撞与聚合,雾滴体积中值直径变大;低速气流使雾滴发生扩散弥漫、浓度变低,雾滴体积中值直径在空气的蒸发作用下变小;风场中的雾滴谱分布中出现了2个谱峰。研究可为远射程风送式喷雾机的喷雾技术参数的优化提供参考。     

农用无人机超低容量旋流喷嘴的雾化特性分析与试验

针对农用植保无人机超低容量喷施作业时,使用液力喷嘴产生的雾滴粒径较大,离心喷嘴结构复杂、价格较高等不足,基于旋流雾化的原理并采用模块化方法,提出了一种超低容量旋流喷嘴结构。通过对旋流喷嘴内流场的流体动力学行为和雾化特性进行数值分析与试验,明确了流体的物理特性和旋流喷嘴的结构参数等对雾化性能的影响规律。研究结果表明,液膜表面的正弦波失稳是导致锥形液膜碎化为雾滴的主要原因,在旋流喷嘴的结构参数中,喷嘴出口直径是喷嘴雾化性能的主要影响因素。当喷嘴出口直径从1增大至1.5 mm,喷雾流量平均增大了46.23%,喷雾角平均增大了29.77%,产生雾滴的索特平均直径平均增大了15%。此外,喷雾流量还与旋流槽数量成比例,旋流槽的螺旋角主要影响喷雾角。喷嘴入口处的流体相对压强则对喷雾角及雾滴粒径有较大的影响,其中喷雾角随着相对压强的增大而增大,而雾滴的索特平均直径随压强的增大呈非线性递减,当流体的相对压强从70增大至160 k Pa时,系列化旋流喷嘴的索特平均直径降低了约25%~35%。此外对于旋流喷嘴而言,流体黏度的增大会导致喷雾角的减小,但适当增加流体的黏度(不超过纯水黏度的200%)可显著降低雾滴的平均粒径,提高喷嘴的雾化质量。该研究可为农用无人机超低容量变量喷洒系统的研发提供参考。     

植保无人机施药喷嘴的发展现状及其施药决策

农药的低利用率是影响农业生态环境和农产品品质安全的重要原因之一,优化农药喷施技术是提高农药利用率的有效手段。无人机植保喷施作业作为航空施药领域的重要组成部分,因其应对突发灾害能力强、不受作业地点限制等优势,具有巨大的发展潜力。喷嘴作为植保无人机喷施系统中的关键部件,主要分为液力雾化喷嘴和离心雾化喷嘴两大类,良好的喷嘴性能能够大大提升航空施药喷洒的均匀性,提高农药的利用效率。该文总结了各类植保无人机常用喷嘴的原理、特点以及应用场合,提出了喷嘴性能评价指标并总结了三大类常用的雾滴粒径、沉积量、分布、速度等指标的测量手段,包括雾滴收集方法,雾滴沉积量测试方法以及仪器测量法。最后,针对目前无人机施药缺乏专业的指导,农药喷施效果有待提升的现状,该文提出合理的施药决策是结合靶标作物、喷药需求以及喷施环境三方面因素共同作用的结果,并从喷嘴喷雾角、防堵塞性、喷嘴压力与流量以及最佳作业粒径4个方面分析了喷嘴选型的思路,从专业喷嘴选型决策系统的建立以及无人机植保专用喷嘴的研发两方面对今后的研究进行展望。     

喷管仰角和长度对负压反馈射流喷头水力性能的影响

负压反馈射流喷头(简称射流喷头)是中国自主研发的新型中程灌溉喷头。喷管是喷头的重要组成部分,对喷头水力性能影响重大。为针对性研究喷管参数(仰角、长度组合)对射流喷头水力性能的影响,寻找最优喷管参数,开展了不同喷管参数下射流喷头与PY_210摇臂式喷头水力性能对比试验。结果表明,在相同主喷嘴尺寸时,不同工作压力和不同喷管参数下,射流喷头均同比摇臂式喷头射程远1～2.5 m;射流喷头水量分布中近程呈现较好的"三角形"分布,远处出现水量"凸峰"。最后对试验数据采用综合评分法和熵权法进行分析,同时综合考虑实际喷头野外抗风性能和单一造价,确定最优综合评分下的主副喷管参数为:主副喷管长度组合4.2 cm×4.2 cm,工作压力为0.20～0.30 MPa时,主副喷管仰角40°×40°;工作压力为0.35 MPa时,主副喷管仰角30°×30°。     

助剂S240对水分散性粒剂及乳油药液雾化的影响

为探究药液性质对喷头雾化的影响,该文应用粒子图像分析系统、高速摄影仪及粒径分析仪对ST110-03喷头与IDK120-03喷头进行试验研究,分析了水分散性粒剂Don-q、乳油Score及2种药剂条件下助剂Breakthru S240浓度对雾化区及雾滴谱的影响。未添加助剂时,农药剂型不同,2类喷头的雾化区及雾滴体积中径(volume medium diameter,VMD)均发生显著变化,水分散性粒剂溶液与自来水的雾化区结构、液膜长度和VMD相差不大;乳油溶液可以使2类喷头的雾化区结构发生显著变化,液膜长度分别减小35.2%和40.5%,VMD分别增大13.5%和28.9%;不同剂型农药条件下,随助剂浓度增大,2类喷头液膜区及破碎区结构均发生不同程度的变化,液膜长度均先减小后增大,VMD先增加后减小,即液膜长度变化与VMD变化呈现负相关性。结合药液理化性质研究发现表面张力是影响雾化的重要因素之一。该研究可为田间助剂浓度的添加范围及喷头雾化特性的模拟与模型建立提供参考。