風送式變量噴霧機氣液兩相流及霧化的試驗研究.pdf

1、傳統(tǒng)的風送式噴霧機被普遍運用于果園病蟲害防治作業(yè)中，噴霧機借助輔助氣流的作用增加葉片間的擾動，提高霧滴的穿透能力，使得霧滴均勻粘附到葉片的表面，增大葉片表面覆蓋率，確保高品質果品的產量，提高人們的生活水平。然而，傳統(tǒng)的風送式噴霧機械不能根據(jù)樹冠的大小和密度實時調整噴施量，進行針對性的精確噴霧，因此一旦噴霧機開始工作，就會按照設定的噴霧參數(shù)進行定量噴施，導致對靶標過量噴霧或者噴施量不足，以及對非靶標的誤噴，從而產生對周圍環(huán)境的污染。

2、>　　 風送式變量噴霧機能夠在一定程度上解決傳統(tǒng)的風送式噴霧機所存在的問題，能夠根據(jù)靶標的具體結構參數(shù)調整藥液的噴施量，變量噴施農藥，從而實現(xiàn)有的放矢。未來變量噴霧機械的發(fā)展方向應是根據(jù)靶標的實際情況對輔助風速和藥液噴施量同時實施變量控制。
　　 本研究基于USDA-ARS-ATRU（美國農業(yè)部農業(yè)工程應用技術國家實驗室）自主研發(fā)的新型五指風送式變量噴霧機。該噴霧機采用的五指風送式噴頭將傳統(tǒng)大的氣流出口變成若干個小的圓柱形氣流

3、出口，可以提高霧滴的穿透性，改善氣流在樹葉密度較大的果樹冠層內部的分布情況。該噴霧機對每個噴頭藥液輸送端都采用PWM控制電磁閥的通斷時間，單獨控制每個噴頭的藥液流量。由于果樹冠層各截面具體的結構特征參數(shù)顯著不同，該噴霧機噴頭的特殊結構對于果樹每個區(qū)域的精密噴霧具有潛在的優(yōu)勢。目前該噴霧機已經(jīng)實現(xiàn)了對靶標的有無、密度和大小變量噴施藥液，然而，根據(jù)靶標的具體情況進行風速變量控制尚未實現(xiàn)。本研究采用調節(jié)風機進口內徑以改變噴頭出口風速的方法，探

4、索根據(jù)靶標具體結構特征參數(shù)實現(xiàn)風速變量控制的可行性，為風送式變量噴霧機實施變量風速控制提供依據(jù)。
　　 利用PWM控制電磁閥通斷時間從而控制各個噴頭藥液流量的五指風送式噴頭能夠在變量工作條件下確保一致的霧滴粒徑分布，這是實現(xiàn)根據(jù)靶標具體參數(shù)進行變量噴霧的前提條件。影響霧滴粒徑大小的可控參數(shù)主要有電磁閥占空比、噴霧壓力、噴頭出口風速和噴霧藥液物理特性。因此需首先研究該五指風送式噴頭在這些相關變量參數(shù)影響下霧滴粒徑的分布情況。霧滴粒

5、徑隨著噴頭出口氣流速度、噴霧壓力、噴霧藥液特性的變化而變化。試驗結果表明:在這四個變量中，噴霧壓力對霧滴粒徑大小的影響最大，其次是噴霧藥液的物理特性，最后是噴頭出口風速。對于給定的工作條件，當占空比為20％～100％時，霧滴粒徑分布無顯著變化，占空比為10％時，霧滴粒徑分布波動較大，電磁閥占空比的切換頻率是10 Hz。為減少霧滴粒徑在變量工作條件下有較大的波動，因此該噴霧機選擇的工作條件是:保持噴霧壓力恒定，占空比的工作范圍為20％～1

6、00％。雖然風速對霧滴粒徑的變化會有一定影響，但霧滴粒徑在風速作用下的波動范圍滿足噴霧機變量作業(yè)要求。
　　 為了檢測該風送式變量噴霧機噴頭出口氣流的分布情況，通過調節(jié)風機進口內徑(0.13 m，0.15m，0.18m，0.34 m)以改變噴頭出口風速，并在不同行駛速度（0 km/s，3.2 km/h，4.8km/h，6.4 km/h，8.0krn/h）時，采用CTA風速測量儀檢驗該噴霧機在距離噴頭出口不同遠處（0.025 m～

7、3 m）以及距離地面不同高度（0.2 m～2 m）處氣流速度和動態(tài)氣流壓力的分布。噴頭噴出氣流在距離噴頭出口0.027 m處以50°的擴張角噴射到空氣中，距離噴頭出口0.08 m處單個五指風送式噴頭相鄰兩噴口噴出氣流開始混合。當噴霧機行駛速度為0 km/h時，噴頭出口氣流速度隨著風機進口內徑的增大而增大，隨著噴頭出口距離的增大而按照雙曲線函數(shù)關系遞減。當噴霧機的行駛速度為3.2 km/h～8.0 km/h時，氣流速度隨著噴頭出口距離的增

8、大而減小，而動態(tài)氣流壓力在距離噴頭出口（0～3m）范圍內隨著噴頭出口距離的增大而緩慢增加。氣流速度和動態(tài)氣流壓力隨著風機進口內徑的增大而增大。根據(jù)試驗結果得知，通過改變風機的進口內徑能夠有效的改變噴頭出口氣流分布，并能夠實現(xiàn)在給定的風機進口內徑、給定的噴頭出口距離所在的高度方向上氣流分布均勻，表明了該噴霧機通過調節(jié)風機進口內徑實現(xiàn)變量風速控制的可行性。當噴霧機行駛速度為3.2～8.0km/h，噴霧機行駛速度的變化對噴頭出口氣流速度和動態(tài)

9、氣流壓力的分布無顯著的影響。
　　 在此基礎上研究了該噴霧機在不同風機進口內徑條件下，以一定的行駛速度經(jīng)過果樹時，噴頭不同出口氣流在果樹樹冠不同位置的分布情況。采用CTA風速測量儀，將傳感器放置在冠層內部不同位置處，當噴霧機通過果樹時，放置在冠層內部檢測氣流流速的傳感器探測到氣流分布呈脈沖形狀。氣流速度和動態(tài)氣流壓力隨著冠層深度的增加而減少，且動態(tài)氣流壓力減少的幅度不如氣流速度減少的幅度大。沿著高度方向（高、中、低）和噴霧機行駛

10、方向（前、中、后）測量點的平均氣流速度和平均動態(tài)氣流壓力分布基本保持一致。由此可以得知:該噴霧機沿著高度方向和噴霧機行駛方向在不同風機進口內徑條件下，距離噴頭出口相同遠處冠層各區(qū)域內的氣流分布一致。根據(jù)葉面積指數(shù)、樹冠冠幅尺寸以及樹冠內靶標的具體位置這三個參數(shù)組成的無量綱參數(shù)，建立了氣流流速、動態(tài)氣流壓力與無量綱參數(shù)之間的指數(shù)關系。
　　 實現(xiàn)變量噴霧的目的在于改善噴霧效果、提高噴霧效率、減少藥液流失。為此研究了該噴霧機在不同占

11、空比（20％～100％）、噴霧機行駛速度(3.2 km/h，4.8 km/h，6.4 km/h)和風機進口內徑(0.13 m，0.18m，0.34 m)等變量參數(shù)共同作用下，其在果樹冠層內噴霧藥液覆蓋率以及沉降量的分布情況。對于給定的工作條件，冠層內噴霧覆蓋率和藥液沉積量隨著風機進口內徑和占空比的增大而增大，但是樹葉密度和樹冠外形尺寸也是影響噴霧覆蓋率和藥液沉積量的重要因素。隨著噴霧機行駛速度的增大，噴霧藥液覆蓋率減少。對于給定的工作條

12、件，區(qū)域內采樣點的噴霧覆蓋率均值沿高度方向和噴霧機行駛方向有微小的變化，但噴霧結果滿足噴霧要求。同時，分別建立了噴頭出口氣流速度和噴霧覆蓋率以及動態(tài)氣流壓力和噴霧覆蓋率之間的關系曲線，噴霧覆蓋率隨著氣流速度和動態(tài)氣流壓力的增大按照對數(shù)關系式增大。
　　 根據(jù)噴頭出口氣流速度、動態(tài)氣流壓力與無量綱參數(shù)（由葉面積指數(shù)、葉面積指數(shù)、樹冠冠幅尺寸以及樹冠內靶標的具體位置組成）的指數(shù)關系，以及噴頭出口氣流速度、動態(tài)氣流壓力與噴霧覆蓋率之間