遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)氣流場(chǎng)分布及噴霧特性試驗(yàn)

陳建澤，宋淑然，孫道宗，洪添勝,3,4,5，張 龍

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遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)氣流場(chǎng)分布及噴霧特性試驗(yàn)

陳建澤1，宋淑然2,3,4,5※，孫道宗2,3,4,5，洪添勝1,3,4,5，張 龍2

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院，廣州 510642； 3. 國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室，廣州 510642；4. 廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510642； 5. 廣東省山地果園機(jī)械創(chuàng)新工程技術(shù)研究中心，廣州 510642）

由于遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的空間風(fēng)場(chǎng)及噴霧特性尚未明確，該文利用風(fēng)速測(cè)量定位網(wǎng)架，進(jìn)行了遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)空間風(fēng)場(chǎng)特性試驗(yàn)和噴幅試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)軸心上的縱向時(shí)均風(fēng)速隨采樣點(diǎn)距噴嘴距離的增加而衰減，兩者呈負(fù)對(duì)數(shù)關(guān)系，這一特征符合淹沒(méi)射流的流速變化規(guī)律；遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)軸心方向同一采樣點(diǎn)上的風(fēng)速與風(fēng)機(jī)供電頻率之間呈線性正相關(guān)，決定系數(shù)最低為0.609 1；遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的水平噴幅關(guān)于噴筒軸心方向左右對(duì)稱；而垂直噴幅在噴筒軸心方向的上下方呈現(xiàn)為不對(duì)稱；遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的送風(fēng)量及出風(fēng)口氣流的時(shí)均風(fēng)速均與風(fēng)機(jī)供電電源的頻率成正比；采用紙卡法測(cè)量了噴霧機(jī)的水平作業(yè)幅寬，該試驗(yàn)樣機(jī)的水平作業(yè)幅寬為22 m。卷吸引起的伯努利效應(yīng)和附壁效應(yīng)是形成垂直噴幅不對(duì)稱的重要原因，采用噴筒仰角噴霧可消除此效應(yīng)。研究結(jié)果為遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的生產(chǎn)和使用提供理論基礎(chǔ)與參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；噴霧；風(fēng)速；遠(yuǎn)射程；風(fēng)送；空間風(fēng)場(chǎng)；噴幅；附壁效應(yīng)

0 引 言

遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)噴霧作業(yè)時(shí)，從風(fēng)機(jī)吹出的高速氣流將霧滴送向遠(yuǎn)處靶標(biāo)，同時(shí)，空間風(fēng)場(chǎng)中的氣流吹動(dòng)靶標(biāo)，靶標(biāo)枝葉發(fā)生搖動(dòng)，使霧滴附著在靶標(biāo)作物的葉背與葉面[1]、果樹(shù)樹(shù)冠的外層和內(nèi)膛[2]，所以，風(fēng)送式噴霧技術(shù)可減少霧滴的飄移，降低農(nóng)藥對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，被國(guó)際公認(rèn)為是一種僅次于航空噴霧的高效地面施藥技術(shù)，同時(shí)又是一種自動(dòng)化程度高，防治效果好，環(huán)境污染少的先進(jìn)施藥技術(shù)[3]。

通過(guò)對(duì)風(fēng)送式噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，可以改善噴霧機(jī)的噴霧性能[4-6]，近年來(lái)，自由湍流射流理論、相似理論與FLUENT軟件等被用于噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)及研究中，縮短了研究周期[7-12]。研究發(fā)現(xiàn)，霧滴在果樹(shù)上的沉積分布主要受風(fēng)機(jī)風(fēng)量的影響，而風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量主要由風(fēng)速來(lái)決定[13]。因此，風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)場(chǎng)的特性及風(fēng)速的變化會(huì)直接影響果園中病蟲(chóng)害的防治效果。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)果園風(fēng)助式噴霧機(jī)的研究較多[14-22]，這種風(fēng)助式噴霧機(jī)的射程較短，適用于平原地區(qū)果園的植保作業(yè)；在對(duì)遠(yuǎn)射程風(fēng)送式（也稱炮塔式）噴霧機(jī)的研究中，則以穿透性[2,23]、霧滴沉積分布[24-27]、優(yōu)化設(shè)計(jì)[28-29]和霧滴粒徑變化規(guī)律的研究[30]較多。

當(dāng)靶標(biāo)與噴霧機(jī)間的距離較遠(yuǎn)、或噴施對(duì)象外形較為高大時(shí)，需借助于遠(yuǎn)射程的風(fēng)送式噴霧機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)。例如，在種植高稈作物的坡地及山地，普通植保機(jī)具難以進(jìn)入，田間噴霧作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。利用遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)（噴程可達(dá)20～50 m）可以解決這個(gè)問(wèn)題，在坡頂，順坡面向下風(fēng)送噴藥；在坡底，順坡面向上風(fēng)送噴藥（2個(gè)方向上的噴程覆蓋坡頂與坡底間的距離）。遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的應(yīng)用，大大提高了坡地或山地作物的噴霧作業(yè)效率。

因此，研究和開(kāi)發(fā)高效的遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)具有良好的應(yīng)用前景。目前在中國(guó)，遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)不僅可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域，也應(yīng)用于凈化環(huán)境的除塵噴霧與抑塵噴霧中?；诖耍疚闹攸c(diǎn)研究遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的空間風(fēng)場(chǎng)及噴霧特性，為遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的生產(chǎn)和使用提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)，由河南萬(wàn)豐農(nóng)林設(shè)備有限公司生產(chǎn)，試驗(yàn)樣機(jī)中，10個(gè)空心錐噴嘴呈圓周狀均勻分布在噴筒的圓形出風(fēng)口邊沿，10個(gè)噴嘴兩兩成組、分5組均勻安裝在噴筒邊沿的不同高度下[30]。

風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)中使用的儀器設(shè)備有：AZ-8901風(fēng)速計(jì)，風(fēng)速測(cè)量范圍0.4～35 m/s，分辨率0.01 m/s，準(zhǔn)確度±2%；風(fēng)速測(cè)量定位網(wǎng)架（自制）高3 m、寬2 m，網(wǎng)格大小為11 cm×11 cm，網(wǎng)格上鐵絲半徑1.25 mm；數(shù)字顯微鏡supereyes放大倍率1～300。

1.2 遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)空間風(fēng)場(chǎng)特性試驗(yàn)

遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)空間風(fēng)場(chǎng)特性試驗(yàn)分為射程、風(fēng)速2個(gè)試驗(yàn)。利用風(fēng)速測(cè)量定位網(wǎng)架，進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)特性參數(shù)的測(cè)定。試驗(yàn)前先測(cè)定環(huán)境風(fēng)速，環(huán)境風(fēng)速小于0.5 m/s時(shí)方可進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

1.2.1 水平射程試驗(yàn)

風(fēng)送式噴霧機(jī)按實(shí)際使用高度放置，噴筒軸線為水平方向；啟動(dòng)噴霧機(jī)，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到平穩(wěn)時(shí)，用風(fēng)速儀測(cè)定噴筒軸線方向上空間氣流風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速降低為2 m/s時(shí)，記錄該點(diǎn)的空間位置，測(cè)量示意圖如圖2所示。其中在方向上，風(fēng)速為2 m/s的點(diǎn)的坐標(biāo)即為水平射程。在30~50 Hz范圍內(nèi)改變風(fēng)機(jī)供電電源的頻率，每間隔2 Hz重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程。

1,4. 垂直方向上2 m?s-1風(fēng)速邊界線 2,3. 水平方向上2 m?s-1風(fēng)速邊界線

1.2.2 軸心上的縱向時(shí)均風(fēng)速試驗(yàn)

在水平射程試驗(yàn)中，沿噴筒軸線（中線）方向上，從距噴嘴安裝處水平距離=1 m處開(kāi)始，每隔1 m進(jìn)行采樣，測(cè)量軸心上的縱向時(shí)均風(fēng)速；在30～50 Hz范圍內(nèi)改變風(fēng)機(jī)供電電源的頻率，每間隔2 Hz重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程。

1.3 噴幅試驗(yàn)

在與射程相垂直方向上的兩側(cè)測(cè)量風(fēng)速，風(fēng)速降低到2 m/s處的2點(diǎn)間的最大距離為噴幅，噴幅的大小體現(xiàn)了風(fēng)送式噴霧機(jī)固定噴霧時(shí)，對(duì)水平目標(biāo)的覆蓋范圍。試驗(yàn)前先測(cè)定環(huán)境風(fēng)速，環(huán)境風(fēng)速小于0.5 m/s時(shí)方可進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)量時(shí)，將風(fēng)速儀放在定位網(wǎng)架的某個(gè)定位點(diǎn)上，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)速儀測(cè)量面，觀察讀數(shù)，以讀數(shù)最大值的方向測(cè)量方向，風(fēng)速穩(wěn)定后讀數(shù)，每個(gè)定位點(diǎn)上采樣3次，以3次采樣值的平均值作為該定位點(diǎn)的風(fēng)速。

如圖2所示，選取沿水平射程方向?yàn)檩S正方向，、軸均處于水平面中，、、構(gòu)成笛卡爾坐標(biāo)系，在軸正方向的不同距離下，測(cè)量軸與軸的正負(fù)方向的氣流速度，重復(fù)測(cè)量3次取平均值，獲得4條由2 m/s風(fēng)速點(diǎn)構(gòu)成的邊界線。在30~50 Hz范圍內(nèi)改變風(fēng)機(jī)供電電源的頻率，每間隔2 Hz重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程。圖2中，邊界線2與3上坐標(biāo)相同的2個(gè)點(diǎn)之間的最大距離即為水平噴幅；邊界線1與4上坐標(biāo)相同的2個(gè)點(diǎn)之間的最大距離即為垂直噴幅。

1.4 送風(fēng)量試驗(yàn)

風(fēng)送式噴霧機(jī)出風(fēng)口的氣流均速與出風(fēng)口面積的乘積為送風(fēng)量。體現(xiàn)了風(fēng)送式噴霧機(jī)噴出的氣流對(duì)風(fēng)機(jī)前方所包容的空氣的置換能力，影響霧滴的穿透性和霧滴在靶標(biāo)上的有效附著。本文通過(guò)測(cè)量風(fēng)筒出風(fēng)口處的時(shí)均風(fēng)速，計(jì)算獲得送風(fēng)量。試驗(yàn)前先測(cè)定環(huán)境風(fēng)速，環(huán)境風(fēng)速小于0.5 m/s時(shí)方可進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4.1 出風(fēng)口風(fēng)速采樣點(diǎn)設(shè)置

在遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的出風(fēng)口處，取21個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)分布在3個(gè)區(qū)域，在風(fēng)筒出風(fēng)口的圓心處布置1個(gè)采樣點(diǎn)，在導(dǎo)流器的外邊緣圓周上以及導(dǎo)流器外邊緣與風(fēng)筒內(nèi)邊緣的中間圓周上各均勻布置10個(gè)采樣點(diǎn)，如圖3所示。在每個(gè)采樣點(diǎn)上，每間隔2 s測(cè)量風(fēng)速，共測(cè)量5次，保證在出風(fēng)口的面積上有100個(gè)以上的風(fēng)速采樣值，取這些采樣值的均值作為出風(fēng)口的時(shí)均氣流風(fēng)速。

1.風(fēng)筒出風(fēng)口內(nèi)邊緣 2.導(dǎo)流片 3.導(dǎo)流器外邊緣 4.采樣點(diǎn)

在22～50 Hz范圍內(nèi)改變風(fēng)機(jī)供電電源的頻率，每間隔4 Hz測(cè)量出風(fēng)口風(fēng)速，獲得不同電源頻率下風(fēng)送式噴霧機(jī)出風(fēng)口的時(shí)均氣流速度。

1.4.2 送風(fēng)量的計(jì)算

測(cè)量遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)出風(fēng)口的半徑，取3次測(cè)量的平均值為計(jì)算值，計(jì)算出風(fēng)口的面積(m2)。

設(shè)出風(fēng)口的時(shí)均風(fēng)速為(m/s)，出風(fēng)口的面積為(m2)，則噴霧機(jī)的送風(fēng)量(m3/s)可由式（1）得出。

=（1）

1.5 水平作業(yè)幅寬測(cè)定試驗(yàn)

水平作業(yè)幅寬是指自噴嘴噴出的藥液所能達(dá)到的有效距離，即在50 Hz的供電頻率下，射程方向上，從噴嘴處到霧滴沉積為25滴/cm2[29]的最遠(yuǎn)位置間的距離，是評(píng)價(jià)風(fēng)送式噴霧機(jī)作業(yè)效率的指標(biāo)之一。

采用紙卡法，對(duì)噴霧機(jī)的水平作業(yè)幅寬進(jìn)行測(cè)定，如圖4所示。

圖4 噴霧作業(yè)幅寬試驗(yàn)

在噴霧機(jī)風(fēng)筒軸線方向的區(qū)域內(nèi)，距噴嘴不同距離布置三腳采樣架，在采樣架上夾放采樣卡用于霧滴附著，采樣卡對(duì)地高度與噴筒軸心距離地面的高度相同（本試驗(yàn)中，采樣卡的夾放高度為1.53 m，與噴霧機(jī)風(fēng)筒的軸線在同一水平面），每個(gè)采樣卡上畫(huà)有邊長(zhǎng)1 cm的正方形小格子。試驗(yàn)前先測(cè)定環(huán)境風(fēng)速，環(huán)境風(fēng)速小于0.5 m/s時(shí)方可進(jìn)行噴霧試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)送式噴霧機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度為4 m/s，采用質(zhì)量濃度為1%的羅丹明示蹤劑進(jìn)行噴霧，噴霧機(jī)通過(guò)霧滴采樣區(qū)后，收集采樣卡，用數(shù)字顯微鏡觀察并讀取采樣卡上10個(gè)小格子內(nèi)的霧滴個(gè)數(shù)（每平方厘米的霧滴個(gè)數(shù)），重復(fù)上述試驗(yàn)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 射程和軸心上的縱向時(shí)均風(fēng)速

以送風(fēng)距離為橫坐標(biāo)，軸心上的縱向時(shí)均風(fēng)速為縱坐標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出不同供電頻率下風(fēng)速隨采樣點(diǎn)距噴嘴距離的變化曲線，如圖5所示。采用Excel軟件，同時(shí)利用對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)對(duì)曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)擬合方程的決定系數(shù)均比用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合的決定系數(shù)小，故采用對(duì)數(shù)函數(shù)表示風(fēng)速與距離間的關(guān)系。

以頻率為50 Hz為例，擬合的對(duì)數(shù)函數(shù)為50=?8.13 ln+ 23.87，決定系數(shù)2=0.989。其中，50為風(fēng)機(jī)供電頻率50 Hz時(shí)風(fēng)筒軸線方向上采樣點(diǎn)的風(fēng)速（m/s）；為采樣點(diǎn)距出風(fēng)口的距離（m）。

從圖5可以看出，在風(fēng)機(jī)供電頻率為46～50 Hz時(shí)，噴霧機(jī)的射程為13 m，隨著頻率的降低，射程也在減小。

圖5 不同供電頻率下風(fēng)速隨采樣點(diǎn)距噴嘴距離的變化

遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)軸心上的縱向時(shí)均風(fēng)速隨采樣點(diǎn)距噴嘴距離的增加而衰減，兩者呈負(fù)對(duì)數(shù)關(guān)系。這一特征符合淹沒(méi)射流的流速變化規(guī)律。風(fēng)機(jī)吹出的氣流，流入了相同的空氣介質(zhì)中，該空氣射流與周圍靜止空氣發(fā)生動(dòng)量和質(zhì)量的交換，卷吸附近的空氣一同流動(dòng)，使得風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)場(chǎng)中空氣的流量不斷增加，流速不斷減小。

因此，遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的風(fēng)場(chǎng)可分為2個(gè)部分：一是保持空氣射流出口流速0不變的部分，即風(fēng)場(chǎng)的射流核心區(qū)；其次是因卷吸與摻混作用，空氣流速小于0的部分，即風(fēng)場(chǎng)的射流核心與靜止空氣之間的部分。

在∈（1～3 m）區(qū)間內(nèi)，風(fēng)速下降的梯度較大。根據(jù)圖5的試驗(yàn)結(jié)果，植保作業(yè)時(shí)，可以根據(jù)靶標(biāo)的不同（靶標(biāo)葉片受風(fēng)搖擺應(yīng)力不同）、或同一靶標(biāo)不同生長(zhǎng)期時(shí)（開(kāi)花期與掛果期等）對(duì)風(fēng)速的要求，選取合適的風(fēng)機(jī)供電頻率進(jìn)行風(fēng)送式噴霧作業(yè)，既保證噴霧的有效性與農(nóng)藥的利用率，又可避免風(fēng)速不當(dāng)引起的作物減產(chǎn)。

圖6所示為在同一采樣點(diǎn)上，風(fēng)機(jī)的風(fēng)速與供電頻率之間帶數(shù)據(jù)標(biāo)記的折線圖。

圖6 采樣點(diǎn)處風(fēng)速隨風(fēng)機(jī)供電頻率的變化

以采樣點(diǎn)距噴嘴距離為1 m處為例，擬合的線性函數(shù)為1=?0.930+23.64，決定系數(shù)2=0.98，1為采樣點(diǎn)距噴嘴距離為1 m處的風(fēng)速（m/s），為供電頻率（Hz）。結(jié)果表明，遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)同一采樣點(diǎn)上的風(fēng)速與供電頻率之間呈線性相關(guān)，且具有較高的決定系數(shù)，最低為0.6091。這一特性使得噴霧作業(yè)更為靈活，即當(dāng)出風(fēng)口與靶標(biāo)之間的距離受場(chǎng)地制約時(shí)（丘陵山地或不規(guī)整地塊），可以采用調(diào)整風(fēng)機(jī)的頻率的方法，獲得在靶標(biāo)處滿意的風(fēng)速。

2.2 遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的噴幅

遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的風(fēng)筒具有軸對(duì)稱性，當(dāng)噴筒在水平方向工作且無(wú)外在因素影響時(shí)，氣流的流場(chǎng)為淹沒(méi)射流，流場(chǎng)的分布也應(yīng)具有軸對(duì)稱性。表1所示為風(fēng)機(jī)供電電源頻率為50 Hz時(shí)，在噴筒軸線的左右（軸，即水平噴幅）及上下方向（軸，即垂直噴幅）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 風(fēng)機(jī)供電電源頻率為50 Hz時(shí)噴幅分布測(cè)定數(shù)據(jù)

由表1可以看出，在=10 m處，值最大，即水平噴幅為1.08?(?1.21)=2.29 m；同理，在=10 m處，值最大，即垂直噴幅為1.31?(?1.21)=2.52 m。

試驗(yàn)中通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的頻率，獲得了不同頻率下的噴幅試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出如圖7所示的2 m/s風(fēng)速點(diǎn)構(gòu)成的邊界線。其中圖7a為水平噴幅，關(guān)于噴筒軸心的左右方向?qū)ΨQ，呈無(wú)固壁約束的自由湍流特性；圖7b為垂直噴幅，關(guān)于噴筒軸心的上下方向出現(xiàn)了不對(duì)稱。

噴霧機(jī)送風(fēng)時(shí)，風(fēng)機(jī)由外面吸入空氣，空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)、噴筒和導(dǎo)流器加速及導(dǎo)向后由出風(fēng)口吹出，流入空氣中，形成空氣淹沒(méi)射流。隨著該空氣淹沒(méi)射流與周圍靜止的空氣發(fā)生動(dòng)量和質(zhì)量的交換，附近的靜止空氣不斷被卷吸進(jìn)入空氣射流，隨噴霧機(jī)噴出的氣流一同流動(dòng)。這一過(guò)程中，空氣射流流量不斷增加，流速不斷減小和均化，空氣射流的橫斷面不斷擴(kuò)大，使得噴霧機(jī)的噴幅呈現(xiàn)逐漸變寬的規(guī)律；隨著送風(fēng)距離的不斷變大，氣流速度變小，氣流中2 m/s的風(fēng)速點(diǎn)位置越來(lái)越靠近軸心，噴幅又呈現(xiàn)變窄的規(guī)律，如圖7a所示。

在圖7b中，采樣點(diǎn)距離噴筒出風(fēng)口8 m的區(qū)域內(nèi)，各個(gè)風(fēng)機(jī)供電頻率下的垂直噴幅關(guān)于噴筒軸心仍然對(duì)稱，這是由于在此區(qū)域內(nèi)，氣流的下方與地面的距離較大，氣流與地面間的空間足以提供無(wú)固壁約束自由湍流卷吸所需的空氣量，因此在這一區(qū)域內(nèi)，氣流的上下方速度變慢的規(guī)律一致，垂直噴幅上下對(duì)稱。

采樣點(diǎn)距離噴筒出風(fēng)口8 m處，垂直噴幅出現(xiàn)了上下不對(duì)稱，采樣點(diǎn)距離噴筒出風(fēng)口相同的處，噴筒軸線下方的風(fēng)速大于上方的風(fēng)速。

圖7 不同供電頻率下噴幅

當(dāng)8 m時(shí)，隨著空氣射流橫斷面的增大，氣流中的下方越來(lái)越接近地面。氣流與地面的空間變小，氣流下方被卷吸進(jìn)入空氣射流的空氣量也隨之減少，使空氣射流的上下2個(gè)方向上在同一時(shí)間內(nèi)因卷吸作用進(jìn)入射流的空氣質(zhì)量不等，下方卷吸進(jìn)去的空氣質(zhì)量少于上方卷吸進(jìn)去的空氣質(zhì)量。所以下方氣流速度不會(huì)以與上方氣流速度變慢相同的規(guī)律而變慢；即在相同的處，當(dāng)上方氣流速度降低到2 m/s時(shí)，下方的氣流速度仍大于2 m/s，故而在圖7b中，采樣點(diǎn)距離噴筒出風(fēng)口8 m后，遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的垂直噴幅出現(xiàn)了上下不對(duì)稱。根據(jù)噴幅的定義及測(cè)量方法[29]，可知伯努利效應(yīng)和附壁效應(yīng)是形成噴幅在軸方向上不對(duì)稱的重要原因。

由圖7a以及圖7b的上半部分的噴幅邊界線可以看出，隨著供電頻率的降低（出風(fēng)口速度降低），噴幅在變窄，同時(shí)，出現(xiàn)最大噴幅的采樣點(diǎn)距噴嘴安裝處的距離也在變小。使用風(fēng)送式噴霧機(jī)噴霧時(shí)，可利用這一特性，用調(diào)整風(fēng)機(jī)供電電源頻率的方法，獲得噴幅的變化，以適應(yīng)靶標(biāo)對(duì)噴霧覆蓋區(qū)域的不同要求。

2.3 遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的送風(fēng)量

不同頻率下的送風(fēng)量測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可以回歸出噴霧機(jī)送風(fēng)量隨風(fēng)機(jī)電源頻率變化的關(guān)系為

=0.046 538（3）

=0.504 6?0.264 8 （4）

式（3）的決定系數(shù)2=0.999 98，為送風(fēng)量（m3/s），為風(fēng)機(jī)供電電源頻率（Hz）；式（4）的決定系數(shù)2=0.999 80，為出風(fēng)口氣流的時(shí)均速度（m/s）。

表2 不同供電頻率下的氣流均速及送風(fēng)量

式（3）、式（4）表明，風(fēng)送式噴霧機(jī)的送風(fēng)量及出風(fēng)口氣流的時(shí)均速度與風(fēng)機(jī)供電電源的頻率均成正比，調(diào)節(jié)供電電源的頻率，可以調(diào)節(jié)風(fēng)送式噴霧機(jī)的送風(fēng)量及出風(fēng)口氣流的時(shí)均速度。

在實(shí)際噴霧作業(yè)時(shí)，不同大小和不同枝葉密度的靶標(biāo)樹(shù)冠需要不同的送風(fēng)量，送風(fēng)量的大小以噴霧機(jī)出風(fēng)口吹出的帶有霧滴的氣流，能驅(qū)除并完全置換風(fēng)機(jī)前方直至果樹(shù)樹(shù)冠空間所包容的全部空氣為宜，過(guò)小的送風(fēng)量會(huì)影響霧滴的穿透和在靶標(biāo)上的附著，使得靶標(biāo)中部分區(qū)域沒(méi)有農(nóng)藥的附著而影響對(duì)病蟲(chóng)害的防治；同樣，過(guò)大的送風(fēng)量盡管有利于霧滴在靶標(biāo)中的穿透和附著，但會(huì)造成一部分帶有霧滴的風(fēng)穿過(guò)靶標(biāo)而漂移到?jīng)]有靶標(biāo)的區(qū)域，從而造成農(nóng)藥的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。

2.4 遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的水平作業(yè)幅寬

利用本文1.5節(jié)中的試驗(yàn)步驟，噴霧試驗(yàn)后獲得采樣紙卡上1～10號(hào)小格子（邊長(zhǎng)為1 cm的正方形）中霧滴個(gè)數(shù)。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，先目測(cè)紙卡上小格子中的霧滴數(shù)，若小格子中霧滴數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于25滴，對(duì)應(yīng)單元格上用“/”表示；若紙卡上全部小格子中霧滴數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于25滴；說(shuō)明該處不在水平作業(yè)幅寬內(nèi)。經(jīng)整理后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 采樣紙卡的霧滴個(gè)數(shù)

注：1#、2#、3#分別表示第1次、第2次、第3次采樣；“/”表示格子中霧滴數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于25滴。

Note:1#, 2# and 3# were the first, second and third test, respectively. “/” indicates that the number of droplets in the grid is far greater than 25 drops.

由表3可看出，遠(yuǎn)射程噴霧機(jī)的作業(yè)幅寬在22 m左右。說(shuō)明了在無(wú)外界阻擋物時(shí)，風(fēng)送式噴霧機(jī)的霧滴可以到達(dá)的對(duì)水平靶標(biāo)的有效覆蓋范圍為22 m。

3 討 論

3.1 環(huán)境風(fēng)速與定位網(wǎng)架對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

試驗(yàn)環(huán)境風(fēng)速對(duì)遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)空間風(fēng)場(chǎng)特性及噴霧特性的試驗(yàn)及測(cè)量具有較大的影響，為此，本文在每次試驗(yàn)前，均多次測(cè)量環(huán)境風(fēng)速，保證試驗(yàn)結(jié)果可信。

本文利用定位網(wǎng)架進(jìn)行空間氣流速度采樣點(diǎn)的定位，定位網(wǎng)架的鐵絲可以視為流場(chǎng)中的圓柱體，半徑為1.25 mm，測(cè)量時(shí)，風(fēng)速計(jì)在來(lái)流方向上距離定位網(wǎng)架20 mm。根據(jù)文獻(xiàn)[31]，距流場(chǎng)中圓柱體（圓柱體半徑0）距離處，圓柱體對(duì)流場(chǎng)流速的影響系數(shù)為(0/)2，由此計(jì)算出本文試驗(yàn)中定位網(wǎng)架鐵絲對(duì)風(fēng)速的影響系數(shù)為：(1.25/20)2=3.9×10-3，故定位網(wǎng)架對(duì)流場(chǎng)的干擾可以忽略。

3.2 研究?jī)?nèi)容與實(shí)際作業(yè)之間的關(guān)系

本文的試驗(yàn)是對(duì)遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的空間風(fēng)場(chǎng)和噴霧性能的相關(guān)特性試驗(yàn)研究，其試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[29]中的“4.1.1水平射程、噴幅、垂直射程的測(cè)定”進(jìn)行。

遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)在實(shí)際作業(yè)時(shí)，若作業(yè)區(qū)域?yàn)槠降?，噴筒軸線一般為水平；若作業(yè)區(qū)域?yàn)槠碌?，噴筒軸線一般與坡地保持平行，即噴霧機(jī)在坡底作業(yè)時(shí)，則噴筒軸線應(yīng)為仰角；在坡頂作業(yè)時(shí)，噴筒軸線則為俯角。

無(wú)論水平作業(yè)還是坡地作業(yè)，噴筒的軸線均與作業(yè)面為平行，故本文的試驗(yàn)對(duì)研究遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)沿坡面作業(yè)時(shí)的空間風(fēng)場(chǎng)及噴霧特性有一定的參考意義。

受重力場(chǎng)的影響，坡地作業(yè)中霧滴的沉降和沉積規(guī)律與水平作業(yè)時(shí)可能有所不同，因此，遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)噴筒在不同俯仰角下的霧滴沉積規(guī)律及噴霧效果還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

本文以遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，分別研究了其風(fēng)場(chǎng)的空間特性和噴霧特性，并得到以下結(jié)論：

1）遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)軸心上的縱向時(shí)均風(fēng)速隨采樣點(diǎn)距噴嘴距離的增加而衰減，兩者呈負(fù)對(duì)數(shù)關(guān)系，這一特征符合淹沒(méi)射流的流速變化規(guī)律；

2）遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)軸心方向同一采樣點(diǎn)上的風(fēng)速與風(fēng)機(jī)供電頻率之間呈線性正相關(guān)，決定系數(shù)最低為0.609 1；

3）遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的水平噴幅關(guān)于噴筒軸心方向左右對(duì)稱，呈無(wú)固壁約束的自由湍流特性，水平噴幅最大值為2.29 m，出現(xiàn)在=10 m處，而垂直噴幅關(guān)于噴筒軸心上下方向出現(xiàn)了不對(duì)稱；

4）遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的送風(fēng)量與風(fēng)機(jī)供電電源的頻率成正比，出風(fēng)口氣流的時(shí)均風(fēng)速與風(fēng)機(jī)供電電源的頻率也成線性關(guān)系。

遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)在水平噴霧時(shí)，噴筒軸線與地面平行，氣流在空間的伯努利效應(yīng)和附壁效應(yīng)較為明顯，采用噴筒仰角噴霧可削弱此效應(yīng)的影響。本文的研究結(jié)果，可為遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)的生產(chǎn)和使用提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)指導(dǎo)。

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Test on airflow field and spray characteristics for long-range air-blast sprayer

Chen Jianze1, Song Shuran2,3,4,5※, Sun Daozong2,3,4,5, Hong Tiansheng1,3,4,5, Zhang Long2

(1.510642,; 2.510642,; 3.510642,; 4.510642,; 5.510642,)

When the long-range air-blast sprayer is carrying out spraying, droplets are sent to the distant targets by the high speed air flow from fan. At the same time, the air flow in spatial wind field will blow the targets and shake the target branches, which allows droplets attachment to the back and surface of leaves of target crops as well as the surface and inner of the fruit tree canopy. It has been reported that the deposition and distribution of droplets on the fruit trees are mainly affected by blowing volume of air-blast sprayer fan, which is determined by the wind speed of the fan. Therefore, the characteristics of wind field with air-blast sprayer and the variations of wind speed will directly affect the control effects on pests and diseases in orchards. Scholars from China and other countries have done much research on the air-assisted sprayer in orchards. The range of the sprayer is relatively short, which can be applied to the orchard plant protection in plain areas. In addition, in the research on the long-range air-blast sprayer (also called cannon sprayer), most of them focus on the penetrativity, deposition and distribution of droplets, optimal designs of sprayer and variations of droplet diameter. Based on above, the study in this paper focused on spatial wind field and spray characteristics for long-range air-blast sprayer. As the prototype for testing, the long-range air-blast sprayer is equipped with 10 hollow-cone type nozzles distributed circumferentially, which are evenly distributed on the round outlet edge of spray-duct. The followings are the instruments and equipments used in the test: AZ-8901 anemometer with wind speed measurement range of 0.4-35 m/s, resolution of 0.01 m/s, and accuracy of ±2%; wind speed measurement positioning frame (homemade) which is 3 m high and 2 m wide and its grid size is 11 cm × 11 cm with a wire radius of 1.25 mm; a digital microscope with a magnification from 1 to 300. With the wind speed measurement positioning frame, the tests on the characteristics of spatial wind field for long-range air-blast sprayer and on the spraying width were carried out. The wire of sampling frame can be regarded as the cylinder in the flow field. When measuring, the anemometer was 20 mm away from the sampling frame in the direction of incoming flow. Thus, the influence coefficient of wire on wind speed was calculated, which was 3.9×10-3. Therefore, the interference to the flow field caused by sampling frame can be neglected. At the same time, the wind speed in testing environment had a great influence on the test and the measurement of spatial wind field and spray characteristics for long-range air-blast sprayer. Therefore, in order to ensure the reliability of the test results, repeated measurements of ambient wind speed have been carried out before each test. The test results showed that the vertical average wind speed on the axis of long-range air-blast sprayer decreased with the increase of distance between sampling point and nozzle and there was a negative logarithm relationship between them. This characteristic is in accord with the flow variations of submerged jet. The wind speed at the same sampling point in the axis direction of long-range air-blast sprayer was linearly and positively correlated to the power frequency of the fan with a high correlation coefficient. The horizontal spraying width of long-range air-blast sprayer was bilaterally symmetrical in the axial direction of spray-dust; in contrast, the vertical counterpart in the upper and lower axial direction of spray-dust was asymmetric. Bernoulli effect and Coanda effect resulted from entrainment are the important reasons for the formation of asymmetric vertical spraying width. However, the effects can be eliminated by spraying with an angle of elevation. By measuring the average wind speed at the outlet of air duct, the blowing volume was calculated. The result showed that the blowing volume of long-range air-blast sprayer and the average speed of flow at the outlet were proportional to the frequency of the fan. The sampling card method was adopted to measure the horizontal operation width of the sprayer and the width of the experimental prototype was 22 m. The long-range air-blast sprayer can be applied not only to agricultural plant protection but also to dedusting spray and dust suppressing spray for environmental purification. The findings in the study provide theoretical basis and technical guidance for the production and application of the long-range air-blast sprayer.

agricultural machinery; spraying; wind speed; long-range; air-blast; spatial wind field; spray width; Coanda effect

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.010

S224.3

A

1002-6819(2017)-24-0072-08

2017-08-03

2017-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31671591）；廣東省農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究項(xiàng)目粵質(zhì)監(jiān)標(biāo)函｛2016｝【369】號(hào)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201607010362，201605030013）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015B090901031）；“揚(yáng)帆計(jì)劃”引進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)專項(xiàng)（201312G06）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金（CARS-27）

陳建澤，男，廣東珠海人，博士生，主要從事精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的測(cè)試與控制技術(shù)研究，Email：jianzechen@qq.com

宋淑然，女，河北安國(guó)人，教授，博士，主要從事噴霧技術(shù)及測(cè)控技術(shù)研究。Email：songshuran@scau.edu.cn

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：宋淑然（E041200222S）

陳建澤，宋淑然，孫道宗，洪添勝，張 龍. 遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)氣流場(chǎng)分布及噴霧特性試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(24)：72－79. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.010 http://www.tcsae.org

Chen Jianze, Song Shuran, Sun Daozong, Hong Tiansheng, Zhang Long. Test on airflow field and spray characteristics for long-range air-blast sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 72－79. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.010 http://www.tcsae.org