旋動射流混藥器擴(kuò)散角對脂溶性農(nóng)藥混合效果的影響

宋海潮，徐幼林，鄭加強(qiáng)，翁秀奇，陳顯冰，代 祥

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210023;2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇南京210037)

我國每年農(nóng)藥用量約337萬 t，農(nóng)藥使用面積達(dá)1.8億hm2。因此，農(nóng)藥的高效利用越來越受到人們的重視。溶液類農(nóng)藥是使用效力最高的劑型，因為其有效成分是以分子狀態(tài)溶解分散在溶劑中［1］，使用后有效成分的作用能夠得到快速、充分的發(fā)輝。

農(nóng)藥原液既有脂溶性又有水溶性的，目前絕大多數(shù)的農(nóng)藥屬于有機(jī)磷乳油，大多是脂溶性的［2－3］。由于脂溶性農(nóng)藥的滲透性大于水溶性農(nóng)藥，因此其防治效果優(yōu)于水溶性。但脂溶性農(nóng)藥與水混合成乳濁液分散體系時［4］，均須通過劇烈地機(jī)械攪拌，把油打散成極細(xì)的油珠，然而乳濁液的油珠分散度并不是很高，在存放期間很容易發(fā)生油珠聚集并使乳劑破裂的現(xiàn)象，而且很難恢復(fù)［5］。提高農(nóng)藥的有效利用率，把小劑量農(nóng)藥和小容量藥液均勻噴灑沉積分布在目標(biāo)作物上，盡可能減少農(nóng)藥的損失，是新施藥方法的特點(diǎn)［6］。農(nóng)藥在線混合以保護(hù)環(huán)境和操作者的安全為目的，通過在線控制農(nóng)藥的使用來減小農(nóng)藥對操作者的危害，降低農(nóng)藥對環(huán)境及非靶標(biāo)生物的污染［7］。在線混藥技術(shù)已用于植物保護(hù)機(jī)械，但目前在線混藥主要針對水溶性農(nóng)藥，而脂溶性農(nóng)藥由于和水互不相溶，在線混合的難度比較大，研究很少。

旋動射流混藥器采用螺旋彎曲收縮管、繼旋器以及在擴(kuò)散管中加入固定導(dǎo)葉等方式，增加工作液的卷吸能力與摻混作用，在沒有機(jī)械攪拌的情況下，可保證噴嘴出口位置處脂溶性農(nóng)藥與水的均勻混合［8－9］。參考文獻(xiàn)［8］中研究的混藥器擴(kuò)散角為9°，擴(kuò)散管長57.18 mm，繼旋器長 40.00 mm，混藥器有效長度為150.00 mm，仿真和試驗驗證可以實現(xiàn)脂溶性農(nóng)藥與水均勻混合。為了實現(xiàn)混藥器和噴嘴直接連接的最短結(jié)構(gòu)，須要探討混藥器的有效長度。因此，為優(yōu)化旋動射流混藥器的結(jié)構(gòu)，本研究旨在探討在沒有繼旋器的前提下，尋求擴(kuò)散管角度的最佳值，以期實現(xiàn)脂溶性農(nóng)藥與水均勻混合。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)包括進(jìn)水系統(tǒng)Ⅰ、進(jìn)藥系統(tǒng)Ⅱ、圖像采集系統(tǒng)Ⅲ和混藥器快換系統(tǒng)Ⅳ，如圖1－a所示。試驗用噴嘴為KC1/4CC6508PP扇形噴嘴(廣州奧王噴嘴制造有限公司);進(jìn)水系統(tǒng)和進(jìn)藥系統(tǒng)分別提供穩(wěn)定壓力、流量的水和藥;水泵采用PLD1206型隔膜泵，藥泵采用PLD－2203型隔膜泵，水泵和藥泵均是石家莊市普蘭迪機(jī)電設(shè)備有限公司產(chǎn)品。進(jìn)水端采用YN60耐振壓力表，量程為0.6 MPa，進(jìn)藥端與混藥器出口端均采用YN60耐振壓力表，量程為0.4 MPa，YN60耐振壓力表為上海晨儀儀表有限公司產(chǎn)品。

相機(jī)采用IO Industries高速相機(jī)，型號為4M180－CL，分辨率為2048×2048，幀頻為180 f/s，像元大小為5.5 μm，芯片尺寸1。視頻記錄采用IO Industries Streams 7軟件?；焖幤骰旌显囼炁_如圖1－b所示。

1.2 旋動射流混藥器裝置

1.2.1 旋動射流混藥器結(jié)構(gòu) 旋動射流混藥器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由收縮管、分流器、擴(kuò)散管等組成。收縮管入口直徑為13 mm，出口直徑為4 mm，收縮管長度為27 mm，螺距為81 mm，收縮角為19°;喉管長度為20 mm，直徑為4 mm;分流器內(nèi)直徑為4 mm，外直徑為8 mm;擴(kuò)散管入口直徑為4 mm，出口直徑為13 mm，擴(kuò)散管長度為57 mm，擴(kuò)散管內(nèi)導(dǎo)葉高度最大值為6.5 mm，導(dǎo)葉包角為15°，導(dǎo)葉個數(shù)為3個。水管接頭、藥管接頭和噴嘴都是標(biāo)準(zhǔn)件。在本研究中，用于試驗的3個混藥器除了擴(kuò)散管內(nèi)擴(kuò)散角不同，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)都相同。

1.2.2 試驗用3D打印混藥器 旋動射流混藥器采用螺旋彎曲收縮管和在擴(kuò)散管內(nèi)增加導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)，單件生產(chǎn)成本高，同時為了便于試驗觀察，試驗樣件采用3D打印成型，用透明的有機(jī)玻璃材料?；焖幤鞲鹘M成件螺紋連接后，影響相機(jī)觀察內(nèi)部流動，因此混藥器打印成整體結(jié)構(gòu)。試驗時混藥器高度在同一水平面上。圖3－a是擴(kuò)散角分別為10°、14°、18°的3D打印混藥器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，圖中序號所代表的部件名稱與圖2 一致，圖3 －b為擴(kuò)散角分別為10°、14°、18°的3D 打印混藥器實物圖。

1.2.3 混藥器快換系統(tǒng) 試驗中，為了研究相同條件下混藥器的混合效果，須要對3種混藥器進(jìn)行快速替換?；焖幤骺鞊Q系統(tǒng)如圖4所示，快換接頭分公頭(如圖4中41、61、71)和母頭(如圖4中42、62、72)，公頭和混藥器連接，母頭分別與進(jìn)水管、進(jìn)藥管、出口等連接。圖中序號所代表的部件名稱與圖2一致。

1.3 擴(kuò)散管參數(shù)設(shè)計

擴(kuò)散管的作用是把喉管出口處的動能變?yōu)閴耗埽?0］。當(dāng)擴(kuò)散管的擴(kuò)散度(斷面面積比)給定后，擴(kuò)散角超過某一定值繼續(xù)增大時，阻力系數(shù)將急劇增加，甚至比相同長度直管大出許多倍［11］。這主要是由于流動發(fā)生劇烈的紊流混合，邊界層自擴(kuò)散管管壁分離由此產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流區(qū)［12］，同時擴(kuò)散角擴(kuò)大時流速降低，沿擴(kuò)散管長度方向產(chǎn)生壓力的正梯度，在其作用下邊界層從管壁分離［12］。直壁擴(kuò)散管(圖5)的主要幾何特性是擴(kuò)散角 α、擴(kuò)散度 n1、長度 L，它們之間的相互關(guān)系［10］為

式中:F1為擴(kuò)散管出口面積;F0為擴(kuò)散管入口面積;D0為擴(kuò)散管入口直徑。

旋動射流混藥器的擴(kuò)散管入口直徑D0=4 mm，出口直徑D1=13 mm。因此，根據(jù)公式(1)，得到其擴(kuò)散度n1=10.562 5固定不變，將n1值代入公式(2)后，得到擴(kuò)散管的擴(kuò)散角和擴(kuò)散管有效長度的關(guān)系為

擴(kuò)散管的擴(kuò)散損失與擴(kuò)散管入口流速分布、擴(kuò)散角、擴(kuò)散斷面直徑比等有關(guān)［13－14］，本研究中，擴(kuò)散管入口流速和擴(kuò)散管斷面直徑比不變，改變的只有擴(kuò)散角。普通射流混藥器一般采用均勻擴(kuò)散角 α 為 5°～9°，直徑比 D1/D0為 2 ～4［11］。當(dāng)擴(kuò)散角α=9°時(見圖2的擴(kuò)散管結(jié)構(gòu)圖)，擴(kuò)散管有效長度實際長57 mm，混藥器總長104 mm，經(jīng)過試驗驗證，此時擴(kuò)散管出口處脂溶性農(nóng)藥混合均勻［8－9］。公式(3)指出，擴(kuò)散角和擴(kuò)散管的長度成反比，因此為了減小混藥器長度，可通過增大擴(kuò)散角實現(xiàn)。

為了深入分析擴(kuò)散角的增加對擴(kuò)散管長度和混藥器總長的影響，根據(jù)公式(3)可得出其關(guān)系如表1所示，根據(jù)擴(kuò)散角按照1°遞增值的變化看混合管長度的變化規(guī)律。當(dāng)擴(kuò)散角從9°逐漸增大至12°時，擴(kuò)散管長度遞減值幅度在3～6 mm之間;擴(kuò)散角從12°逐漸增大15°時，擴(kuò)散管長度遞減值幅度在2～4 mm之間，擴(kuò)散角從15°逐漸增大18°時，擴(kuò)散管長度遞減值幅度在1～3 mm之間。因此，隨著擴(kuò)散角的增大，混合管長度遞減的幅度減小。而擴(kuò)散角為9°時，在有繼旋器的混藥器中，試驗驗證脂溶性農(nóng)藥能夠均勻混合［8］。由于繼旋器的有效長度為40 mm，因此通過放棄繼旋器，同時增大擴(kuò)散角來減小混藥器的長度，研究其對脂溶性農(nóng)藥的混合效果。根據(jù)表1，為了減小混藥器的長度，根據(jù)擴(kuò)散角遞增幅度，選擇擴(kuò)散角為10°、14°、18°來試驗驗證其對脂溶性農(nóng)藥的混合效果，此時混藥器的總長分別為98、84、75 mm。

表1 擴(kuò)散角變化和擴(kuò)散管長度

1.4 試驗用農(nóng)藥替代物配制

脂溶性農(nóng)藥替代物為菜籽油，菜籽油表面張力為29.8 mN/m，運(yùn)動黏度為 43 mm2/s，密度為 0.9 g/cm3。為了便于圖像采集與分析，菜籽油中加入了美國路陽LUYOR－6100油性熒光劑，密度為0.91 g/cm3，可完全溶于石油制品，最適宜波長為365 nm，閃點(diǎn)(ASTM D－3278)大于85℃(185°F)。圖6為菜籽油、熒光劑6100、水的混合效果圖，將3瓶試樣搖晃均勻后，立即在紫光燈下觀察發(fā)現(xiàn)，沒有添加熒光劑6100的菜籽油在紫光燈下是灰色的，沒有清晰的亮度(圖6－a);而加了熒光劑的另外2瓶試樣觀察很清晰;熒光劑6100在菜籽油中能夠完全溶解(圖6－b);加了熒光劑6100和水的菜籽油搖晃均勻后又會很快分離(圖6－c)。

1.5 試驗計算方法

由于熒光劑6100可完全溶解于菜籽油中，因此只要分析熒光劑6100在混藥器中與水的混合比就可以確定菜籽油在水中的混合比，為了分析熒光劑在指定區(qū)域內(nèi)(混藥器出口處)混合的均勻程度，可以在混藥器出口處選定一定大小的方框，采用均方根誤差(root－mean－square error，簡稱RMSE)來分析該方框內(nèi)樣本的離散程度，RMSE對測量數(shù)據(jù)中的最大和最小誤差反映非常敏感，能夠很好地反映出測量的精密度:

式中:Ti是像素測量值數(shù)組;Ai是像素平均值;n是數(shù)據(jù)點(diǎn)總個數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 混藥器混合圖像提取

對圖3中的3種混藥器利用圖1中的混合試驗臺分別進(jìn)行試驗，并用IO Industries Streams7軟件采集原始圖像如圖7所示。其中，A、B、C 分別為混藥器的擴(kuò)散角為 18°、14°、10°時對脂溶性農(nóng)藥替代物菜籽油進(jìn)行在線混合的原始圖像。

2.2 混藥器在線混合圖像均方根誤差

圖7分別為3種混藥器擴(kuò)散角α的混合效果圖，選擇圖7各圖中混藥器出口處的紅色矩形區(qū)域(方框內(nèi))的圖像，采用Matlab軟件進(jìn)行圖像處理，計算混藥器出口處紅色矩形區(qū)域內(nèi)的RMSE。

擴(kuò)散角α=10°的均方根誤差測量結(jié)果如圖8所示，其中圖8－a為藥水混合區(qū)域的均方根誤差分析圖，圖8－b為藥水混合相同區(qū)域?qū)兯ㄟ^時測量的標(biāo)定均方根誤差，將圖8所得的各測量值，列入表2。

同理，用相同的方法對圖7中另外2種混藥器的在線混合圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將所得到的數(shù)據(jù)匯總(表2)。

通過對表 2 的對比分析可知，擴(kuò)散角為18°、14°、10°的藥水混合 RMSE 測量值分別為 7.239 8、6.726 1、5.658 6。經(jīng)過對相同區(qū)域進(jìn)行水標(biāo)定后，得到3種不同擴(kuò)散角混藥器的RMSE 測量值與標(biāo)定值的差，分別為 1.833 1、1.595 1、1.106 3。擴(kuò)散角α=10°的混藥器出口紅色區(qū)域藥水混合RMSE測量值最小，RMSE測量值與標(biāo)定值的差比擴(kuò)散角α=14°時小0.488 8，比擴(kuò)散角 α =18°時小0.726 8，藥水混合均勻性比較好;擴(kuò)散角α=14°的RMSE測量值與標(biāo)定值的差比擴(kuò)散角 α=18°時小0.238 0。因此，隨著擴(kuò)散角的減小，RMSE降低，藥水混合均勻性提高。

2.3 混藥器在線混合圖像灰度值分布圖

為了更直觀地分析各混藥器的混合效果，選取圖7中3種混藥器擴(kuò)散管出扣紅色標(biāo)記區(qū)域的混合圖像，利用Matlab軟件進(jìn)行圖像處理，得到灰度值分布圖，如圖9所示，圖7中紅色區(qū)域坐標(biāo)點(diǎn)和坐標(biāo)軸與圖9相對應(yīng)。

圖9－a為α=10°時混藥器的灰度值分布圖。X坐標(biāo)值的變化從90到40時，灰度值變化逐漸均勻，如四邊形X1內(nèi);X坐標(biāo)值從30到0時灰度值已經(jīng)均勻;Y坐標(biāo)值的變化，如圖中方形Y1內(nèi)，灰度值分布沒有明顯的突變。由于其RMSE僅為1.106 3，因此根據(jù)RMSE值和灰度值分布圖，可知對理化性能和菜籽油相似的脂溶性農(nóng)藥，采用本研究無繼旋器而擴(kuò)散角設(shè)定參數(shù)α=10°的混藥器能夠?qū)崿F(xiàn)藥水均勻混合。

表2 混藥器均方根誤差

圖9－b為α=14°時混藥器的灰度值分布圖。當(dāng)X坐標(biāo)值從90變化到0時，圖中方形區(qū)域X2內(nèi)的灰度值在坐標(biāo)Y值為60時，總是處于最高值，沒有減小的趨勢。由于其RMSE為1.595 1，因此α=14°時混藥器對理化性能和菜籽油相似的脂溶性農(nóng)藥不能實現(xiàn)均勻混合。

圖9－c為α=18°時混藥器的灰度值分布圖，從方形區(qū)域X3和X4可以看出，整幅圖的灰度值變化都不均勻，而且其RMSE最大，為1.833 1，因此 α=18°時混藥器混合均勻性最差。

3 結(jié)論與討論

研究旋動射流混藥器在沒有繼旋器的前提下，擴(kuò)散管角度分別為18°、14°、10°時，對脂溶性農(nóng)藥混合效果的影響。通過RMSE和灰度值分布圖對試驗提取圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析發(fā)現(xiàn)，采用均方根誤差和灰度值分布圖，可以對脂溶性農(nóng)藥和水的混合均勻性進(jìn)行有效分析。擴(kuò)散角α=10°、擴(kuò)散管長51.44 mm、有效長度為98 mm的混藥器可以實現(xiàn)脂溶性農(nóng)藥和水的均勻混合，與擴(kuò)散角 α=9°、有繼旋器的混藥器相比，擴(kuò)散角增大1°，擴(kuò)散管長度減小了5.74 mm，混藥器有效長度減小了52 mm，進(jìn)一步優(yōu)化了混藥器結(jié)構(gòu)。擴(kuò)散角為14°、18°時，混藥器有效長度分別為84、75 mm的混藥器不能實現(xiàn)脂溶性農(nóng)藥和水的均勻混合。