无人机静电喷雾系统设计及试验

为了实现无人机低空低量喷雾,提高无人机施药后的雾滴沉积效果,该文针对XY8D型无人机进行了静电喷雾系统整体设计,重点对无人机静电喷头结构和高压静电的供给进行了描述,并就静态条件下静电喷雾雾滴的雾化、荷电性能开展了试验研究,确定了0.4 L/min流量、0.3 MPa喷雾压力、8 k V充电电压作为该无人机的田间试验作业参数。在水稻田中分别采用水敏纸和聚酯卡收集方法开展了不同飞行高度、静电喷雾和非静电喷雾条件下雾滴沉积和飘移试验。试验结果表明,非静电喷雾时,飞行高度为2 m时,雾滴沉积效果较好,水敏纸上雾滴沉积个数达到56个/cm2;而静电喷雾使得雾滴沉积明显增加,在靶标冠层、中层和下层的雾滴覆盖率平均增加了35.4、26、9个/cm2。当航高分别为1、2、3 m时,雾滴飘移距离分别为12.1、15.8和18.6 m,飘移量分别为5.88、10.31和14.98μg/cm2;静电喷雾方式对抑制雾滴飘移的作用不大,但是聚酯卡上单位面积的雾滴沉积量分别增加了2.36、2.91、1.56μg/cm2。该研究为基于无人机开展静电喷雾研究提供参考。     

油动单旋翼植保无人机雾滴飘移分布特性

为了研究油动单旋翼植保无人机在精准作业参数(速度、高度)条件下的雾滴飘移分布特性,该文建立了雾滴飘移收集测试平台,分别用雾滴飘移测试框架、等动量雾滴收集装置和培养皿收集3WQF80-10型油动单旋翼植保无人机在作业时空中及地面飘移的雾滴。将测试结果分别与侧风风速、飞行高度、飞行速度进行相关分析和回归分析,结果表明:在平均温度31.5℃、平均相对湿度34.1%的条件下,侧风风速为雾滴飘移的主要影响因素;侧风风速与等动量雾滴收集器和培养皿测得的雾滴飘移率呈正相关(相关系数r分别为0.97、0.93);而与雾滴飘移测试框架测得的雾滴飘移率无相关性;侧风风速为0.76~5.5 m/s时,90%飘移雾滴沉降在喷雾区域下风向水平距离9.3~14.5 m的范围内,因此在作业时要预留至少15 m以上缓冲区(安全区)以避免药液飘移产生的危害。研究结果可为低空低量植保无人机施药技术研究和建立植保无人机低空低量施药田间雾滴沉积与飘移测试标准提供参考。     

考虑自然风的气辅式喷雾雾滴飘失特性建模与补偿

气流辅助喷雾在雾滴减飘方面确有效果,然而大田作业时,其减飘效果受到自然风、喷雾流量、风筒出口风速、喷雾角等多种工况的严重影响。该文采用多相流计算流体动力学软件,建立三维流场几何模型,依据不同工况参数对雾滴漂移特性的影响,利用均匀设计安排试验方案,研究雾滴在自然风、辅助气流综合作用下在连续相和雾滴粒子离散相的耦合规律,通过流体动力学仿真完成训练样本采集,采用多元相关向量机回归方法建立不同自然风速下减飘模型,并通过模糊决策支持系统对作物茂密程度和喷嘴与冠层间垂直距离进行控制参数修正。试验结果表明：多元相关向量机回归模型预测飘失率的平均绝对百分比误差为2.56%,自然风扰动中实测和预测飘失率平均误差为8.92%,其飘失规律与所建飘失模型基本吻合。研究结果可为面向雾滴沉积效果的喷雾主动控制系统设计提供参考。     

农药静电喷雾技术研究进展及应用现状分析

农药静电喷雾技术可以提高农药在叶背面的沉积效率,减少农药飘移对环境的污染,已经成为国内外学者研究的热点课题。为明确农药静电喷雾技术研究进展及产业现状和存在的瓶颈问题,该文从农药静电喷雾技术基础理论、机理研究分析、室内/室外静电喷雾效果评价和静电喷雾装备产业现状进行系统分析。重点概述了雾滴荷电、荷电雾滴动力学、荷质比及其持留时间,总结荷电雾滴的主要受力、感应式充电的最佳荷电参数及荷质比的合理比较方法。介绍了静电喷雾中荷质比、电位、雾滴粒径、雾滴速度等测试方法,并提出加强(phase doppler particle analyzer,PDPA)测试技术和CFD仿真在静电喷雾技术研究中的应用建议。从荷电参数、环境参数、工作参数和靶标参数4个方面综述了荷电雾滴沉积的影响机理,认为静电喷雾沉积效率受荷电参数、环境参数、靶标参数和工作参数的影响,但其之间的影响机理仍不明晰,仍需进一步关注。大量静电喷雾室内/室外效果评价试验表明了荷电雾滴在静电力、气流曳力、重力的驱动下,有助于雾滴在叶片的沉积,但静电喷雾对雾滴飘移、穿透性能的影响还规律需进一步研究,而且静电喷雾装备的产业化水平还有待加强。最后从荷电效果、机理研究、作业规范3方面提出了研究建议,以期为农药静电喷雾技术及装备研究提供参考。     

基于空间质量平衡法的植保无人机施药雾滴沉积分布特性测试

为了探究飞行方式、飞行参数及侧风等因素对无人机喷雾雾滴空间质量平衡分布和旋翼下旋气流场分布的影响,该文基于无人机施药雾滴空间质量平衡测试方法,测定了3WQF80-10型单旋翼油动植保无人机在不同飞行方式(前进、倒退)、飞行高度和侧风速条件下的喷雾雾滴空间不同部位的沉积率和下旋气流风速。结果表明:对于该型无人机,在飞行高度(3.0±0.1)m、速度(5.0±0.2)m/s、1.2 m/s侧风速条件下,机头朝前与机尾朝前2种飞行方式对雾滴分布有显著影响,机尾朝前的飞行方式底部沉积比例可达60%,作业效果更佳;在2.0~3.5 m高度、(5.0±0.3)m/s速度和0.8 m/s侧风速条件下,空间质量平衡收集装置底部雾滴沉积率变异系数与高度呈现线性负相关,线性回归方程决定系数为0.9178,即高度越高雾滴分布均匀性越好;在(3.0±0.1)m高度和(5.0±0.3)m/s速度条件下,空间质量平衡收集装置底部雾滴加权平均沉积率与侧风风速呈线性正相关,线性回归方程决定系数为0.9684,即侧风速越大雾滴越集中分布在下风向处;飞行方式、高度和侧风3种因素对单旋翼无人机喷雾雾滴产生的影响都是通过改变其旋翼下旋气流场在垂直于地面向下方向的强度,减弱气流对雾滴的下压作用来实现的。研究结果可以为植保无人机设计定型、田间喷雾作业参数确定和作业条件的选择提供理论参考。     

静电喷雾的多喷头雾化特性及田间试验

针对传统喷杆喷雾机作业时需水量大、叶片背面雾滴沉积量不足和雾滴分布不均匀等问题,该研究提出一种静电喷雾与喷杆喷雾相结合的施药技术。为探究静电喷杆喷雾机的最佳工作参数,明确不同参数对雾滴雾化效果的影响,利用Fluent软件建立了流场、离散雾场和空间电场耦合仿真模型。仿真试验结果表明,多喷头的空间电场分布均匀性优于单喷头,静电喷雾的雾滴体积中径比非静电喷雾减小12.7%。搭建静电喷雾试验平台,以喷雾水压、充电电压和喷头间距为试验因素,以雾滴的荷质比、粒径、分布均匀性和沉积量为试验指标进行雾滴的荷电特性和沉积特性试验。试验结果表明,多喷头喷雾的雾滴荷质比最大值为0.26 mC/kg,比单喷头喷雾提高52.9%,雾滴均匀性变异系数比非静电喷雾减小32.1%,体积中径减小14.8%,上、中、下层叶片正面的雾滴附着率分别提高27.1%、37.3%和45.2%;静电喷雾的最佳作业参数组合为充电电压6 kV、喷雾水压0.4 MPa和喷头间距250 mm。田间试验表明,静电喷头与常规喷头喷雾施药的病虫害防治效果基本一致,静电喷头的施药用水量减少了60%。在满足防控效果的前提下,静电喷雾能增加雾滴在植株下层和叶片背面的沉积量,有效减少田间作业的需水量,研究结果可为静电喷雾技术在大型喷杆喷雾机上的应用提供参考。     

侧风影响下喷头倾斜角度对雾滴飘移补偿

为研究植保喷雾作业中在不同风速和喷头倾斜角度下对水平喷雾的雾滴飘移的影响,设置3个风速水平（1、2、3 m/s）与4个喷头倾斜角度水平（0°、15°、30°、45°）进行喷雾试验,测定了不同水平的雾滴分布,以风速为0、喷头倾斜角度为0°的常规作业水平作为对照组,对垂直和水平两个方向的雾滴质量分布中心与变异系数进行分析。结果表明,垂直方向上,侧风风速与喷头倾斜角度对垂直雾滴质量分布中心的影响在±3 cm范围内整体影响较小,而侧风风速与喷头倾斜角度的增大都会使垂直方向变异系数减小,在1～3 m/s的风速下垂直方向变异系数减小的最大值分别为12.3、6.0、16.0个百分点,提高了雾滴在垂直方向上的均匀性。水平方向上,不同风速和喷头倾斜角度都会对雾滴飘移产生影响,随着喷头倾斜角度的增大,雾滴受风速的影响程度会减小,当喷头倾斜角的补偿量超过了当前风速下对雾滴的飘移量,会使雾滴飘移产生过补偿,在高风速时喷头倾斜角度的改变会带来更大的雾滴飘移改变。侧风风速与喷头倾斜角度对水平方向上变异系数会产生较大影响：随着喷头倾斜角度的增大,水平变异系数也随之增大,而风速的变化使水平变异系数呈现先增大后减小的趋势。拟合了喷头倾斜角度与风速对雾滴飘移的影响模型,并计算出在1、2、3 m/s风速条件下,最佳补偿的喷头倾斜角度分别为3°、7°、11°。该研究为植保作业中雾滴飘移改善技术提供参考。     

基于CFD离散相模型雾滴沉积特性的模拟分析

为分析三维空间中气流对雾滴飘移的影响,该文基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)离散相模型的粒子跟踪技术,研究了不同喷雾条件下的雾滴特性。该文在条件为3m×2m×2m的长方体计算区域,喷嘴置于长方体顶端(上表面的几何中心),在合适的边界条件参数下,对喷雾高度为0.25～2m,风速为0～3m/s变化范围内的雾滴沉积特性进行了分析。结果显示,雾滴的分布趋势(偏移量)随风速和喷雾高度大小而变化:雾滴的沉积量随喷雾高度和风速的增加逐渐减小,其最大值为100%(喷雾高度为0.25m,风速为0),最小值为7.2%(喷雾高度为2m,风速为3m/s),其沉积率最大值和最小值分别为79.07%和3.98%,并基于该方法建立了雾滴沉积量和沉积率的预测模型。该研究为精量施药提供参考。     

风幕式静电喷杆喷雾喷头雾化与雾滴沉积性能试验

为了解决传统施药方式药液在植株中下冠层沉积量不足、雾滴粒径分布不均匀等问题,对常规喷杆喷雾扇形喷头设计了一种双平板感应式荷电装置,试验测量了该扇形静电喷头产生的雾滴荷质比、空间上的横向和纵向粒径分布并验证了在风幕和静电作用下雾滴的沉积性能。试验结果表明:荷质比随着静电电压的增大先增大后趋于稳定,随喷雾压力的增大而减小;静电作用能够减小雾滴粒径,并且使雾滴粒径横向分布更加均匀;随着喷头远离测量装置,纵向雾滴粒径逐渐增大;风幕作用能够改善雾滴在冠层中的沉积性能,相同条件下,有风幕时雾滴沉积分布的变异系数为0.645,与无风幕时的0.871降低了25.95%;静电作用能够改善雾滴在冠层中的沉积性能,在静电电压0和6 kV作用下,雾滴沉积分布的变异系数减小了50.2%;荷电条件下,随着喷雾压力的增大,雾滴的沉积分布均匀性反而会减小。该研究可为进一步研究新型喷头荷电装置及风幕式喷杆喷雾机的研发提供参考。     

3WQ-400型双气流辅助静电果园喷雾机设计与试验

为解决农药雾滴难以沉积到果树叶片背面,克服荷电雾滴荷电量在环境空间中快速衰退的难题。该文提出双气流辅助系统与静电喷雾系统相结合的方法,以拖拉机动力输出轴为液压传动系统动力源,研制了牵引式双气流辅助静电果园喷雾机。试验结果表明,19 kW 的拖拉机动力配置可以满足系统动力要求,轴流风机和离心风机的转速分别为1400、1800 r/min 可以满足所选试验对象对气流速度的要求;单个喷头喷出的雾滴在0.2 m 处的荷质比为1.0 mC/kg,且在喷雾距离为1.8 m 处依然带电;风送喷雾系统的垂直雾量分布规律、气流速度分布规律与纺锤型果树生物量分布规律相一致,其最大雾量与气流速度均出现在0.5～1.5 m 范围内;在施药量为3.5 L/min,作业速度为0.84 m/s 条件下,单侧喷雾时果树叶片正反面雾滴覆盖密度分别为115和47个/cm2,可以满足防治害虫的要求;冠层前部静电喷雾雾滴覆盖密度比非静电喷雾提高了20%,而冠层后部雾滴覆盖密度仅提高了7.2%。该研究为风送静电喷雾机设计与使用提供了参考。     

果园在线混药型静电喷雾机的设计与试验

为提高果园轻型机动喷雾机的作业性能,设计了一种果园在线混药型静电喷雾机,进行了混药均匀性与稳定性试验和静电喷雾沉积试验。试验测得混药均匀性和混药稳定性的最大变异系数分别为4.46%和3.51%。采用风辅静电喷雾方式的无冠层采样架上采样点正面的雾滴附着率相对于无风辅无静电喷雾方式分别提高了9.3%、46.3%和53.2%,采样点反面的雾滴附着率分别提高了82.9%、164.3%和184.2%。风辅静电喷雾下在仿真柑橘树冠层内部叶片正面的雾滴附着率为48个/cm2左右,叶片反面为37个/cm2,相对于无风辅无静电方式分别提高了166.7%和428.6%。试验结果表明：所设计的在线混药系统具有良好的混药性能,风辅静电式喷雾系统可提高雾滴吸附能力和穿透能力,能够满足25个/cm2的病虫害防治附着率要求。该研究为果园喷雾机的机构设计和性能优化提供参考。     

AS350B3e直升机航空喷施雾滴飘移分布特性

为了探究安装有AG-NAV Guía系统的AS350B3e直升机进行喷施作业时的雾滴飘移规律,以轻型机载北斗RTK差分系统获取的精准作业参数(时间、速度、高度、轨迹)为参考,进行了不同作业参数喷施试验。研究了该直升机以4种不同飞行速度范围进行单向式喷施作业时,对应的有效喷幅区域范围及雾滴飘移分布规律,对比了添加航空助剂对雾滴飘移距离及飘移量的影响。结果表明:有效喷幅区域的位置受自然风速和风向变化的影响,会向直升机航线下风向区域有不同程度的偏移;当直升机分别以70、90、100、120 km/h 4种速度参数进行喷施作业时,随着飞行速度的增大,有效喷幅宽度呈现先缓慢增大后急剧减小的趋势,100 km/h的飞行速度为有效喷幅宽度变化的峰值拐点;当侧风风速为1.1~2.3 m/s时,目标喷雾区的最小宽度在喷雾区域下风向水平距离27.61~48.94 m的范围内,且下风向受飘移影响距离均接近或小于下风向有效喷幅宽度,同时研究还发现雾滴粒径在200μm以下的雾滴更容易发生飘移,因此在作业时要预留至少50 m以上缓冲区(安全区)并合理选择航空喷头以避免药液飘移产生的危害;航空助剂的使用对于雾滴飘移量减轻效果显著,在同等作业条件下,添加航空助剂能够使雾滴飘移量减少33.94%。该研究结果可为直升机的喷施系统性能改进提供参考,对合理喷施农药、减少飘移、提高农药利用率具有重要意义。     

农用荷电喷雾雾滴粒径与速度分布的试验研究

为研究荷电喷雾场的空间运动结构及其对植株界面的影响,该文运用PDPA测试系统对不同条件下的农用静电喷雾场进行了测试,结合荷质比、喷雾宽度测量结果,对雾滴的粒径分布、主流平均速度分布及平均速度与粒径的关系进行了分析和讨论.结果表明:在机械力和电场力的前后作用下,喷嘴压力愈大,荷电雾滴的粒径愈小且分布愈均匀;雾滴的粒径值随充电电压的增加而下降且粒径均匀分散;在较高的充电电压下,单个雾滴动能损耗的降低和雾滴粒径分布的均匀性又促使其主流平均速度分布趋于均匀.在较大粒径时,随着平均速度的增加,非荷电雾滴不易粘附于植株标靶界面;与非荷电相比,小粒径荷电雾滴群又因具有较大动能而提高了抗漂移能力.     

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。     

美国航空静电喷雾系统的发展历史与中国应用现状

航空静电喷雾系统是传统静电喷雾技术在空中操作平台上的专门应用,是航空植保技术的重要内容。美国在上个世纪60年代开始开展航空静电喷雾的技术研究,本文着重介绍了美国航空静电喷雾系统近50a的发展历史和相关的测试工作,包括航空静电喷雾系统的早期研究和持续改进,以及最终的系统模型确定。航空静电喷雾系统可有效减少施药液量和提高药液沉积量,但是仍然存在如何提高病虫害防治效果和减少下风处的喷雾飘移等方面的问题,航空静电喷雾系统针对不同作物和病虫害的适用范围和最佳作业条件还需要进一步的研究和探索。然而,航空静电喷雾系统的巨大优势已经奠定了其在现代农业航空发展中的地位,随着不断的试验研究和评估,现代航空静电喷雾技术必将继续支持农业航空产业的发展。