脈寬調(diào)制變量控制噴頭霧化性能及風(fēng)洞環(huán)境霧滴沉積特性

張瑞瑞，李龍龍，付 旺，陳立平※， 伊銅川，唐 青，Andrew J Hewitt

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脈寬調(diào)制變量控制噴頭霧化性能及風(fēng)洞環(huán)境霧滴沉積特性

張瑞瑞1,2,3，李龍龍1,2,3，付 旺2,3,4，陳立平1,2,3※， 伊銅川1,2,3，唐 青1,2,3，Andrew J Hewitt5

（1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2. 國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3. 國家農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，北京 100097；4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，楊凌 712100； 5. 昆士蘭大學(xué)施藥技術(shù)與安全研究中心，昆士蘭 4072）

脈寬調(diào)制（pulse width modulation, PWM）技術(shù)是實現(xiàn)變量噴霧的重要手段，其工作參數(shù)與環(huán)境條件決定著施藥的精準(zhǔn)性。為探究PWM變量噴頭霧化及風(fēng)洞環(huán)境沉積特性，該文研制了脈寬調(diào)制變量噴霧系統(tǒng)，以農(nóng)業(yè)施藥常用空心圓錐霧化噴頭噴霧的霧化、沉積特性為研究對象，在IEA-II型常規(guī)風(fēng)速風(fēng)洞內(nèi)，通過點陣式放置電容式霧滴沉積傳感器測定計算霧滴沉積與沉積評價指數(shù)(deposition evaluation index，DEIX)，并利用Spraytec霧滴粒徑儀測試其霧滴體積中徑（volume median diameter，VMD）和霧滴相對分布跨度（relative span，RS）。試驗結(jié)果表明：占空比在10%～40%間，隨占空比增大，霧滴體積中徑呈減小趨勢，與占空比10%時相比，占空比40%時的霧滴體積中徑下降了7.9%；PWM占空比60%時分布跨度最小，較占空比20%時霧滴分布跨度下降9.52%，霧滴譜最窄，獲得的霧滴粒徑分布最集中。霧滴沉積方面，風(fēng)速1 m/s條件下，霧滴主要沉積在距噴頭3.3 m內(nèi)，此范圍內(nèi)沉積量占總沉積量的95.7%，當(dāng)風(fēng)速超過3 m/s時，在氣流作用下，霧滴沉降距離增大，導(dǎo)致霧滴運(yùn)動偏離施藥靶標(biāo)區(qū)域。PWM占空比增加，霧滴沉積評價指數(shù)DEIX值降低，霧滴的飄移率增大；相同工況下，風(fēng)速及噴頭高度越大，DEIX越小，施藥霧滴越易飄移。該研究可為農(nóng)業(yè)田間實際生產(chǎn)中脈寬調(diào)制變量施藥技術(shù)應(yīng)用及其工況參數(shù)的選擇提供依據(jù)，為PWM變量調(diào)節(jié)裝置的進(jìn)一步優(yōu)化提供研究基礎(chǔ)。

脈寬調(diào)制；噴霧；試驗；體積中徑；霧滴沉積評價指數(shù)；風(fēng)洞

0 引 言

農(nóng)藥是重要的生產(chǎn)資料，在防病治蟲、促進(jìn)糧食和農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)至關(guān)重要，但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，農(nóng)藥施用量過大帶來農(nóng)藥有效利用率低、農(nóng)產(chǎn)品殘留超標(biāo)、環(huán)境污染等問題[1-4]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量施藥技術(shù)可有效解決上述問題。當(dāng)前變量施藥技術(shù)主要包括壓力調(diào)節(jié)技術(shù)、變量噴頭調(diào)節(jié)技術(shù)和脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）調(diào)節(jié)技術(shù)。其中，脈寬調(diào)制變量施藥技術(shù)具有響應(yīng)速度快、流量調(diào)節(jié)范圍大、噴桿壓力保持好等優(yōu)勢，業(yè)界對脈寬調(diào)制變量施藥技術(shù)的發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用前景有著廣泛共識[5-9]。

為了解PWM變量施藥技術(shù)的噴霧特性，國內(nèi)外專家學(xué)者對該技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了諸多研究[10-19]，相關(guān)文獻(xiàn)表明，霧化沉積特性是考察研究的主要方向。蔣煥煜等[20]通過搭建的一套動態(tài)PWM變量噴霧實驗平臺，研究了PWM控制信號頻率、占空比和噴霧壓力對動態(tài)霧滴分布均勻性的影響，結(jié)果表明PWM控制信號頻率對動態(tài)噴霧霧滴分布均勻性有較大影響，指出PWM頻率的最小值應(yīng)至少保證噴霧的連續(xù)性。魏新華等[21]構(gòu)建了PWM間歇噴霧式變量噴霧系統(tǒng)，在不同噴霧壓力、PWM信號頻率和占空比下，使用矩陣式噴霧量收集裝置對PWM噴頭的靜態(tài)霧量分布規(guī)律進(jìn)行了研究，得出空心圓錐霧噴頭的靜態(tài)霧量分布模型呈中心對稱的圓環(huán)狀，隨噴霧壓力的增大，霧量分布圓環(huán)區(qū)域半徑增大。吳春篤等[22]使用噴霧沉積均勻性實驗臺對單噴頭進(jìn)行噴霧數(shù)據(jù)采集，利用脈寬調(diào)制型變量噴霧系統(tǒng)沉積分布模型，研究單個噴頭噴霧量沉積分布的規(guī)律。王大帥等[23]基于 ARM單片機(jī)開發(fā)出施藥控制系統(tǒng)，提出基于PWM的施藥流量控制方法，采用多傳感器融合技術(shù)實現(xiàn)施藥參數(shù)的實時動態(tài)監(jiān)測，并對動態(tài)變量施藥系統(tǒng)實際作業(yè)性能及施藥效果進(jìn)行了分析和測試。John[24]研究了在10 Hz 頻率下不同占空比的噴霧質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在較低占空比下霧滴中徑的變化最大，并且小于100m的可飄失霧滴百分比最大。隨著中國植保無人機(jī)的迅速普及推廣，也有學(xué)者將PWM流量調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用于植保無人機(jī)進(jìn)行變量施藥，并開展了田間試驗。Zhu等[25]，王玲等[26]均開發(fā)出植保無人機(jī)脈寬調(diào)制型變量噴藥系統(tǒng)，前者重點探究了系統(tǒng)的變量調(diào)節(jié)精度，后者選擇不同PWM占空比、噴孔直徑、電動離心噴頭轉(zhuǎn)速等變量對不同距離和風(fēng)速條件下無人機(jī)變量噴藥的霧滴沉積效果進(jìn)行了試驗研究。目前，國內(nèi)外主要研究PWM工作參數(shù)對藥液霧化、沉積的影響[27]，而對于不同環(huán)境風(fēng)速條件下的PWM變量噴霧沉積和飄移方面仍需進(jìn)一步探究。

本文設(shè)計脈寬調(diào)制變量噴霧系統(tǒng)，以農(nóng)業(yè)施藥常用空心圓錐霧化噴頭噴霧的噴霧、沉積特性為研究對象，在國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心的IEA-II型風(fēng)洞內(nèi)，采取點陣式放置電容式霧滴沉積傳感器的方式測量霧滴沉積量，以沉積評價指數(shù)DEIX（deposition evaluation index）作為主要評價指標(biāo)，探究脈寬調(diào)制變量施藥系統(tǒng)在可控風(fēng)洞環(huán)境條件下的噴霧沉積規(guī)律，利用Spraytec激光粒度分析儀測定藥液霧化之后霧滴體積中徑（volume median diameter，VMD）的變化，嘗試找出PWM工況參數(shù)與霧滴體積中徑、霧滴相對分布跨度（relative span，RS）之間的關(guān)系，以期為農(nóng)業(yè)田間實際生產(chǎn)中脈寬調(diào)制變量施藥技術(shù)應(yīng)用及其工況參數(shù)的選擇提供依據(jù)，以減少植保機(jī)械施藥作業(yè)中的農(nóng)藥浪費，提高農(nóng)藥有效利用率，為PWM變量調(diào)節(jié)裝置的進(jìn)一步優(yōu)化提供研究基礎(chǔ)。

1 研究理論基礎(chǔ)

1.1 脈寬調(diào)制對噴霧霧化特性影響分析

PWM變量噴霧通過控制電磁閥的開通、關(guān)斷時間比實現(xiàn)噴頭流量輸出調(diào)節(jié)，在此過程中電磁閥的快速啟閉使管道藥液流速發(fā)生突然變化，導(dǎo)致藥液壓強(qiáng)大幅波動，發(fā)生水錘現(xiàn)象[28]。

閥門開啟或關(guān)閉時間<（為作用時間，）時，管道內(nèi)發(fā)生直接水錘現(xiàn)象，藥液對管道壓力差可用茹科夫斯基公式描述：

式中Δ為管道藥液壓力差，MPa；為壓力水頭，m；0為初始壓力水頭，m；為管道中流速，m/s；0為初始速，m/s；a為水錘波傳播速度，m/s；為重力加速度，m/s2。

當(dāng)閥門開啟或關(guān)閉時間>時，由于膨脹波和壓縮波相互疊加，情況較為復(fù)雜，管道內(nèi)壓力變化如圖1所示。

注：圖中垂直于縱坐標(biāo)軸的虛線表示管道藥液初始壓力，MPa；tr為1個相長，發(fā)生水錘現(xiàn)象時，通常1個作用周期由多個相長組成。

根據(jù)當(dāng)前施藥常規(guī)作業(yè)參數(shù)，假設(shè)隔膜泵壓力水頭0=25 m，即此時管路藥液正常液壓為0.25 MPa，輸液管路長=1 m，軟管截面積1 cm2，噴灑流量1.5 L/min，水錘波速度a=300 m/s，閥門關(guān)閉時間為=10 ms，藥液流速0=0.25 m/s。

管道穩(wěn)定壓力為0.25 MPa，閥門以10 ms速度關(guān)閉會在管道中產(chǎn)生約0.035 MPa的壓力升高，并逐漸震蕩衰減。

以上理論分析表明，藥液在管路中輸運(yùn)過程中，由于閥門的瞬間關(guān)閉導(dǎo)致水錘現(xiàn)象，產(chǎn)生水錘波和反射波，在多種因素綜合作用下，液壓發(fā)生相應(yīng)變化。PWM變量噴霧技術(shù)通過控制電磁閥開通、關(guān)斷時間比，實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，在此過程中，電磁閥在PWM信號驅(qū)動下，按照一定頻率發(fā)生啟閉動作，根據(jù)水錘理論，PWM變量調(diào)節(jié)過程中，電磁閥關(guān)閉或開啟會使藥液壓力發(fā)生變化，會相應(yīng)地影響藥液霧滴粒徑及藥液沉積分布，該理論為本文試驗設(shè)計與實施提供指導(dǎo)。

1.2 霧滴沉積評價

王瀟楠等[29]在風(fēng)洞試驗過程中測量下風(fēng)向2 m處的縱向霧滴飄移量來計算飄移潛在指數(shù)（drift potential index，DIX），用來評價航空施藥過程中霧滴的飄移潛力。飄移潛在指數(shù)DIX定義為

式中h、V為Hardi LD110-025參考噴頭在0.3 MPa條件下的特征高度和相對體積飄移量，g；、為回歸系數(shù)，無量綱；為相對體積飄移量，g；為飄移量分布的特征高度，m。

DIX主要用于評價垂直高度上霧滴飄移潛力，本文通過試驗測定風(fēng)洞條件下距噴頭不同距離的霧滴沉積量，在參考DIX計算方法的基礎(chǔ)上，對DIX定義參數(shù)進(jìn)行空間對稱變化，建立沉積評價指數(shù)（deposition evaluation index，DEIX），用于評價霧滴的地面沉積潛力，與飄移潛在指數(shù)DIX呈反比的關(guān)系。DEIX值越小，說明霧滴沉積的潛力越小，意味著飄移損失的可能性更大。沉積評價指數(shù)DEIX計算公式為

式中pp為所有沉積傳感器的沉積總量，g；N為10 s的時間內(nèi)噴頭的噴灑總量，g；為沉積量分布的特征距離，m。沉積量分布的特征距離定義為

式中0為沉積傳感器距離噴頭底部的垂直距離，m；(0)為在距離噴頭底部0距離的位置處該排傳感器的沉積總量，g；特征距離用于描述不同距離0與該處位置的沉積量的關(guān)系。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與裝置

為測定不同工況下PWM變量控制噴頭霧化及沉積特性，于2017年10月在小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地開展試驗。試驗裝置主要由脈寬調(diào)制變量噴霧系統(tǒng)、IEA- II型風(fēng)洞、Spraytec激光粒度分析儀（Malvern Panalytical Ltd，英國）和霧滴沉積量測量傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)iDAS等組成。

脈寬調(diào)制變量控制系統(tǒng)主要包括電動隔膜水泵、穩(wěn)壓罐、電磁閥（響應(yīng)時間22.5 ms）、PWM控制器、流量計、壓力表、計算機(jī)、接液槽和TR80-005C型空心圓錐霧噴頭（Lechler GmbH，德國）。系統(tǒng)工作時，PWM控制器實時輸出脈沖信號，通過控制電磁閥的啟閉時間控制噴頭流量，PWM脈沖指令由計算機(jī)通過串行數(shù)據(jù)通訊接口發(fā)送給控制器，操作人員可根據(jù)試驗需求輸入所需頻率和占空比，內(nèi)嵌軟件程序?qū)崿F(xiàn)噴霧系統(tǒng)每次的噴灑時間固定為10 s[29]，噴灑10 s后自動控制電磁閥關(guān)閉，噴頭停止噴霧。系統(tǒng)配備穩(wěn)壓罐保持噴霧系統(tǒng)維持穩(wěn)定的水壓，減小由于液壓變化導(dǎo)致的誤差。連接流量計和壓力表實時監(jiān)測噴霧系統(tǒng)的工作狀態(tài)。試驗液體為北京市市政自來水。脈寬調(diào)制變量噴霧系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 脈寬調(diào)制變量噴霧系統(tǒng)示意圖

PWM變量噴霧系統(tǒng)中，噴頭流量與PWM工況相關(guān)[16]，目前農(nóng)業(yè)上用脈寬調(diào)制變量噴霧所用頻率不一，史萬萍等[30]研究發(fā)現(xiàn)噴頭流量值與電磁閥頻率有關(guān)，電磁閥頻率為1 Hz時，噴頭流量值與理論值最為接近，隨著電磁閥頻率的增加，噴頭流量呈增加趨勢，噴頭的實際流量均大于理論流量，基于此結(jié)論，為提高流量準(zhǔn)確性，電磁閥頻率設(shè)為1 Hz。PWM占空比范圍設(shè)為10%～100%，通過稱重法測得TR80-005C型空心圓錐霧噴頭在0.4 MPa壓力下的流量如圖3所示。結(jié)果顯示占空比在10%～60%區(qū)間內(nèi)噴頭流量逐漸增大，超過60%時流量趨于一致，考慮PWM變量噴霧的實際應(yīng)用特性，本文中試驗所用PWM最大占空比均設(shè)置為60%。

圖3 不同占空比下TR80-005C型噴頭流量

試驗所用風(fēng)洞為北京市農(nóng)林科學(xué)院國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心自主設(shè)計建造的IEA-II型常規(guī)風(fēng)速風(fēng)洞[31]。該風(fēng)洞采用直流開口自吸式設(shè)計，飄移試驗段尺寸6 m×2 m×2 m，穩(wěn)定試驗風(fēng)速0.5～7 m/s。試驗段湍流度<0.3%，流場均勻度<0.5%[32]，能夠滿足風(fēng)洞內(nèi)噴霧測試要求。風(fēng)洞詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)如表1所示，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)見圖4a。

表1 IEA-II型風(fēng)洞技術(shù)指標(biāo)

霧滴粒徑分布測量裝置采用馬爾文實時噴霧激光粒度儀，該儀器利用激光衍射原理，通過檢測器上收集到的不同光纖衍射圖形的光強(qiáng)分布，統(tǒng)計計算得出霧滴的粒徑分布，根據(jù)不同鏡頭的選擇可覆蓋0.1～3 500m的粒徑尺寸范圍，可實現(xiàn)寬廣的噴霧羽流粒度測試。試驗所用霧滴粒徑測量裝置平臺如圖4b所示。

1. 計算機(jī) 2. 機(jī)械臂控制器 3. 直流電源 4. PWM控制板 5. 電磁閥 6. 激光粒度儀 7. 霧滴收集裝置 8. 壓力表 9. 噴頭 10.二維電控位移臺

采用國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心研發(fā)的霧滴沉積量測量傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)iDAS作為霧滴沉積測量裝置，該系統(tǒng)以電容器作為敏感器件，霧滴落上后，引起介電常數(shù)變化，將被測物理量變化轉(zhuǎn)換為電容量變化以實現(xiàn)物理量到電信號的轉(zhuǎn)換，繼而獲得霧滴沉積量。系統(tǒng)可同時連接多組霧滴沉積傳感器測量不同位置的霧滴沉積量，應(yīng)用測試表明，該系統(tǒng)與水敏紙圖像分析方法獲得的霧滴地面陳計量分布曲線擬合度可達(dá)0.963 4，單位面積沉積兩相對測量最小誤差小于10%[33]。風(fēng)洞條件下，霧滴在氣流脅迫作用下運(yùn)動，具有不同粒徑的霧滴沉降到傳感器的時間不一，且考慮試驗設(shè)置風(fēng)速不同，增加了霧滴在空中運(yùn)動時間的不確定性，為提高測量精度，本試驗中系統(tǒng)采樣頻率設(shè)為5 Hz，保證傳感器持續(xù)發(fā)送沉積數(shù)據(jù)，獲得霧滴完全沉降之后的沉積量。

2.2 試驗方法

2.2.1 霧滴粒徑

采用Spraytec霧滴粒徑分析儀定點測量霧化區(qū)的霧滴粒徑，將噴頭置于霧滴粒徑分析儀的正上方0.5m 處，試驗壓力定為0.4 MPa，PWM頻率設(shè)置為1 Hz[30]，占空比設(shè)為10%～60%，每隔10%做1個設(shè)置，每個處理重復(fù)5次，取平均值。

根據(jù)美國農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)會（American Society of Agricultural and Biological Engineers，ASABE）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（American National Standards Institute, ANSI）572.1標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)業(yè)噴霧選擇霧滴體積中徑VMD和霧滴相對分布跨度（relative span，RS）作為噴霧霧滴霧化指標(biāo)。其中，VMD表示累積體積占全部霧滴體積總和的50%處的霧滴直徑，RS表征霧滴粒徑分布的主要參數(shù)，反映噴頭霧化出霧滴的均一性，霧滴粒徑分布越集中越有利于施藥霧滴均勻沉積，其計算公式如下

式中RS為霧滴相對分布跨度；D10為累積體積占全部霧滴體積總和的10%處的霧滴直徑，m；D90為累積體積占全部霧滴體積總和的90%處的霧滴直徑，m。RS的值越小說明霧滴直徑分布越集中，越均勻。

2.2.2 風(fēng)洞內(nèi)霧滴沉積

風(fēng)洞內(nèi)的試驗裝置布置如圖5所示，根據(jù)風(fēng)洞試驗段尺寸布置試驗裝置，噴頭固定于風(fēng)洞頂部軸中心位置，相對霧滴沉積傳感器高度分別設(shè)置為1和1.5 m；霧滴沉積傳感器系統(tǒng)布置于風(fēng)洞底部，沿軸垂直風(fēng)向平行布置5列（每列3個，間距0.55 m），相鄰每列間隔1 m，自上風(fēng)向側(cè)底部開始編號，共計布置15個霧滴沉積傳感器。噴頭垂直下方（軸）與第1列沉積傳感器的水平距離為1.3 m。

注：1～15表示霧滴沉積傳感器布樣位置；X，Y，Z分別代表笛卡爾坐標(biāo)系中3個坐標(biāo)軸；h表示噴頭距離風(fēng)洞底部距離，m。

按照以上設(shè)計方案布置試驗裝置，控制風(fēng)洞條件，風(fēng)速分別設(shè)置1，2，3，4和5 m/s；PWM信號調(diào)制頻率設(shè)置為1 Hz，占空比為10%～60%，在離噴頭下風(fēng)向1.3～5.3 m處測試不同風(fēng)速及PWM工況下的霧滴沉積量。設(shè)定噴頭噴霧參數(shù)，噴霧時間為10 s[29]，噴霧壓力為0.4 MPa。測試開始后，霧滴沉積傳感器實時測量表面沉積量并傳送回計算機(jī)。單次測試結(jié)束后，擦拭傳感器表面的液滴，使其恢復(fù)初始值，繼續(xù)進(jìn)行下一組測試。每個處理重復(fù)3次。

2.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS V17.0數(shù)據(jù)處理軟件（IBM 公司，美國）進(jìn)行方差分析（Duncan法）。

3 結(jié)果與分析

3.1 PWM占空比對霧滴粒徑影響

圖6為霧滴體積中徑和相對分布跨度隨占空比的變化關(guān)系，從圖中可知，藥液經(jīng)噴頭霧化后的霧滴粒徑變化與PWM占空比有關(guān)，占空比在10%～40%區(qū)間內(nèi)，隨著占空比的增大，霧滴體積中徑呈減小趨勢，占空比10%時霧滴體積中徑為130.8m，占空比40%時為120.5m，同比下降7.9%，占空比60%的霧滴體積中徑比40%增加1.8m，為122.3m，粒徑變化趨勢與Thomas等[34]研究結(jié)果相一致，造成霧滴粒徑變化的主要原因是PWM變量過程中，控制信號驅(qū)動電磁閥快速啟閉，管道內(nèi)藥液流速發(fā)生瞬間變化，導(dǎo)致壓強(qiáng)大幅度波動，產(chǎn)生水錘現(xiàn)象[28]；將試驗獲得的霧滴粒徑試驗數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，依據(jù)公式（6）求得不同占空比下的霧滴相對分布跨度，結(jié)果顯示，PWM占空比為20%時RS值最大為1.05，說明在此占空比下噴頭霧化后霧滴粒徑存在較大差異，霧滴粒徑分布不集中，占空比60%時分布跨度為0.95，較占空比20%時霧滴分布跨度下降9.52%，霧滴譜最窄，獲得的霧滴粒徑分布最集中。相關(guān)研究表明，相似大小的霧滴傾向于以類似的行為并遵循相似的軌跡運(yùn)動，如果霧滴粒徑存在大的差異，則可能使具有不同粒徑的霧滴脫離特定靶標(biāo)區(qū)域，導(dǎo)致霧滴沉積分布均勻性變差[35]。因此，霧滴粒徑分布對實際噴霧作業(yè)有指導(dǎo)性意義，采用PWM變量施藥技術(shù)時進(jìn)行噴霧時，根據(jù)作業(yè)需求，選取較高的PWM占空比可有效降低霧滴粒徑相對分布跨度，獲得相對均勻的霧滴粒徑，提高施藥質(zhì)量。

圖6 不同占空比對體積中徑與相對分布跨度影響

3.2 PWM占空比和風(fēng)速對霧滴沉積量的影響

PWM變量噴霧中，霧滴沉積量和飄移距離受諸多因素影響，本文在風(fēng)洞中探究了不同PWM工況和風(fēng)速條件下的霧滴沉積量，分析風(fēng)速和PWM占空比對霧滴沉積量的影響關(guān)系。表2為噴頭高度1 m時各工況下的霧滴沉積量，從表中可以看出，風(fēng)速會影響霧滴在下風(fēng)向的沉積距離，占空比一定時，在風(fēng)速1和2 m/s的風(fēng)洞環(huán)境中，隨著與噴頭間距的增大，霧滴沉積量呈逐漸減小的趨勢，下風(fēng)向距噴頭5.3 m處的沉積量最低，各占空比最大值分別為30.2和249.3g；1 m/s風(fēng)速條件下最大沉積量出現(xiàn)在下風(fēng)向距離噴頭1.3 m處，10%～60%的霧滴沉積量分別為1 758.7，1 758.7，1 875.9，2 169.0，2 139.7和2 138.8g，當(dāng)風(fēng)速提高到2 m/s時，下風(fēng)向距離噴頭2.3 m處的沉積量最高，各占空比條件下的霧滴沉積為1 700.1，1 846.6，1 905.2，1 582.9，1 890.6和1 744.0g；風(fēng)速超過3 m/s時，霧滴沉積量最小值出現(xiàn)在距離噴頭最近的1.3 m處，霧滴沉積最大值距噴頭位置不一，3 m/s時沉積最大值在距離噴頭5.3 m處，4和5 m/s風(fēng)速沉積最大值則在3.3 m處。考慮這種現(xiàn)象的主要原因是風(fēng)速較低時，風(fēng)量動能較小，只能裹挾一些細(xì)小霧滴向下風(fēng)處沉降，因此在1和2 m/s時霧滴沉積最小值在5.3 m處，當(dāng)風(fēng)速逐漸增大，氣流有足夠能量促使霧滴向下風(fēng)向運(yùn)動，導(dǎo)致1.3 m處霧滴沉積最小。由于風(fēng)場及霧滴粒徑的影響，相同噴頭距離下，PWM占空比對霧滴沉積量影響并不顯著，除風(fēng)速2 m/s外，其他4個風(fēng)速條件下各個距離上的霧滴沉積總量最大值均為占空比60%，該結(jié)果與噴頭流量測試結(jié)果（圖3）一致，風(fēng)速1 m/s條件下，占空比60%時的霧滴沉積總量比占空比10%時增加52.93%，考慮原因是由于占空比增大，噴頭流量相應(yīng)增大，使得沉積量增多；風(fēng)速達(dá)到5 m/s時，PWM占空比10%至60%的5個測量位置的霧滴沉積總量依次為3 063.7，3 239.6，3 006.1，2 902.6，3 135.7和3 210.0g，60%占空比的霧滴沉積總量比占空比10%的沉積總量增加4.7%，相對增長率有所下降，主要原因是風(fēng)速過大，大量的霧滴飄移脫離靶標(biāo)區(qū)域，由此說明風(fēng)速較大時，通過增大噴頭流量來提高霧滴沉積的方式是不可行的。綜合上述數(shù)據(jù)表明，在風(fēng)速一定的條件下，增大PWM占空比可以有效提高霧滴的沉積量，但當(dāng)風(fēng)速超過5 m/s時，飄移量增加，霧滴沉積量減小。

為探究下風(fēng)向距噴頭不同距離處霧滴沉積分布規(guī)律特點，將試驗所得數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，取5個占空比處理下霧滴沉積量作和，可得不同風(fēng)速條件下各距離位置上的沉積總量，圖7為計算結(jié)果，從圖7中可以看出，下風(fēng)向距噴頭1.3和2.3 m時，隨風(fēng)速增大，霧滴沉積量逐漸降低，風(fēng)速1 m/s時的沉積量分別為11 841.2和11 696.6g，風(fēng)速5 m/s條件下為908.7和1 423.81g，分別下降了92.3%和87.8%；隨著距離的增大，1 m/s和2 m/s速度工況下3.3、4.3和5.3 m處的沉積量迅速下降，距離5.3m處的沉積量分別為89.3和836.8g；當(dāng)風(fēng)速為3 m/s時，霧滴在各處沉積相對均勻，風(fēng)速達(dá)到風(fēng)速4和5 m/s時，由于環(huán)境氣流作用，大量霧滴沉積到距離噴頭3.3 m之外，分別占沉積總量的85.8%和87.4%，增加了霧滴飄移潛力。由此看出，環(huán)境風(fēng)速是影響PWM變量噴霧沉積飄移的重要因素，隨著風(fēng)速的增加，霧滴飄移量增大。

表2 噴頭高度1 m時不同工況霧滴沉積量

注：表中1.3，2.3，3.3，4.3，5.3分別表示下風(fēng)向沉積傳感器距離噴頭的距離，m。沉積總量表示相同風(fēng)速和占空比條件下距噴頭不同距離的沉積總和。
Note: 1.3, 2.3, 3.3, 4.3, and 5.3 in the table indicate the distance from the nozzle to deposition sensor in downwind direction, m. Total deposition indicates the sum of deposition at different distances from nozzle under the same wind speed and duty cycle.

注：噴頭高度為1.0 m。沉積總量表示相同風(fēng)速條件下，在距噴頭一定距離時各占空比工況霧滴沉積之和。不同字母表示相同距離不同風(fēng)速處理間差異顯著（P<0.05）。下同。

表3為噴頭高度1.5 m時各工況霧滴沉積量，結(jié)果顯示，由于噴頭高度的增大，風(fēng)速1 m/s時，各占空比霧滴沉積最大值在距噴頭2.3 m處，分別為1 817.3、2 169.0、2 257.0、2 432.5、2 403.5和2 506.1g；隨著風(fēng)速增大，在氣流作用下，霧滴向下風(fēng)處運(yùn)動，最大沉積量所處位置距噴頭的距離逐漸增大，4和5 m/s風(fēng)速時最大沉積量位置距噴頭5.3 m，與噴頭高度為1 m時的結(jié)果相比，最大沉積量所在位置于噴頭間距增大，說明噴頭高度的提高，相應(yīng)增加了霧滴飄移距離；5個風(fēng)速條件下，僅風(fēng)速為2 m/s時，占空比60%時各距離處沉積量均最大，分別為234.7、894.1、1 143.2、1 084.6和908.8g，與噴頭高度1 m時結(jié)果有所差異，主要原因是噴頭距靶標(biāo)地面高度增大，相應(yīng)增加了霧滴運(yùn)動距離，尤其是小霧滴，在環(huán)境側(cè)風(fēng)影響下，更易發(fā)生飄移，沉降到距離噴頭更遠(yuǎn)的下風(fēng)處；風(fēng)速一定，占空比對固定位置的霧滴沉積影響不一，但隨著風(fēng)速的增大，同一占空比時，霧滴沉積量呈逐漸降低的趨勢。同時，噴頭高度1.5 m時，當(dāng)風(fēng)速超過3 m/s，各占空比工況下霧滴沉積均低于噴頭高度1 m時結(jié)果，對于噴頭距離作物相對較高的植保無人機(jī)，采用PWM變量噴霧技術(shù)時應(yīng)盡量降低作業(yè)高度，減少霧滴飄移。圖8為不同風(fēng)速條件下各測試位置上的沉積總量，結(jié)果表明，與噴頭高度1 m時結(jié)果相一致，隨著風(fēng)速增大，下風(fēng)向距噴頭1.3～3.3 m時的霧滴沉積量逐漸降低；風(fēng)速1 m/s時，霧滴主要沉積在距離噴頭3.3 m內(nèi)，占各處總沉積量的95.7%，3～5 m/s風(fēng)速條件下，霧滴在氣流作用下飄移量增多，致使霧滴主要沉積在下風(fēng)處距離噴頭3.3 m以外，沉積量分別占各處總沉積量的85.1%，90.0%和80.7%，說明風(fēng)速增大，增加了霧滴向下風(fēng)向的運(yùn)動能力，相應(yīng)增加了霧滴飄移量。綜合不同噴頭高度下的霧滴沉積數(shù)據(jù)，采用PWM變量技術(shù)施藥時，建議在風(fēng)速3 m/s以下的環(huán)境條件下進(jìn)行。

3.3 PWM占空比對霧滴沉積潛力的影響

根據(jù)公式（4）～（5），分別計算噴頭高度1和1.5 m條件下的沉積評價指數(shù)DEIX，結(jié)果見圖9。

圖9a為噴頭安裝高度1 m時各工況下的沉積評價指數(shù)，從圖中可看出，占空比在10%～40%范圍內(nèi)，DEIX隨占空比增大呈減小的趨勢，1～5 m/s風(fēng)速條件下，占空比10%時DEIX分別為2.49，2.27，1.50，1.27和1.06，占空比40%時的DEIX較占空比10%時分別下降了50.5%，52.7%，49.0%，47.9%和58.7%，分別為1.23，1.07，0.76，0.66和0.44，說明增大占空比增加了霧滴飄移的潛在可能性，該結(jié)果與各占空比工況下的霧滴粒徑變化（圖6）趨勢相一致，考慮原因為在此占空比范圍內(nèi)，占空比增大，電磁閥脈寬調(diào)制過程中產(chǎn)生細(xì)小霧滴，霧滴粒徑偏小，在風(fēng)場作用下，偏離運(yùn)動軌跡，飄移到非靶標(biāo)區(qū)域，造成霧滴飄移量增大；PWM占空比一定時，DEIX與風(fēng)速負(fù)相關(guān)，風(fēng)速增大，霧滴飄移量增加，該結(jié)論與文獻(xiàn)[36]中所述常規(guī)噴霧方式試驗結(jié)果一致，但占空比50%和60%時，由于霧滴粒徑增大，導(dǎo)致風(fēng)速3和4 m/s條件下DEIX變化有所差異。噴頭高度為1.5 m時（圖9b），與噴頭高度1 m時結(jié)果類似，隨著占空比的增大，沉積評價指數(shù)DEIX呈減小的趨勢，占空比一定時，風(fēng)速越大，DEIX越小，占空比10%時，風(fēng)速1 m/s下DEIX為1.15，風(fēng)速5 m/s時下降為0.07；當(dāng)風(fēng)速超過4 m/s時，不同占空比下的沉積指數(shù)幾乎呈一條直線，說明在此噴霧高度下，由于風(fēng)速過大，導(dǎo)致霧滴飄移距離增大，大量霧滴沉降到風(fēng)洞布樣區(qū)域外。此外，相同試驗工況下，噴頭高度1.5 m時的DEIX明顯低于噴頭高度1m時的結(jié)果，因此在進(jìn)行施藥作業(yè)時，應(yīng)合理配置噴頭高度，選擇合適環(huán)境條件進(jìn)行施藥，避免藥液大量飄移，造成農(nóng)藥浪費和環(huán)境污染。

表3 噴頭高度1.5 m時各工況下霧滴沉積量

注：噴頭高度為1.5 m。

圖9 不同噴頭高度下占空比對沉積評價指數(shù)影響

4 結(jié) 論

本文基于IEA-II型風(fēng)洞搭建了PWM變量噴霧系統(tǒng)，分別用霧滴粒徑分析儀和霧滴沉積測量系統(tǒng)，研究PWM占空比及環(huán)境風(fēng)速對噴頭霧化和沉積飄移的影響，得出以下結(jié)論：

1）施藥噴灑過程中，PWM占空比對霧滴體積中徑和霧滴相對分布跨度RS有明顯的影響。試驗表明，占空比在10%～40%間，隨占空比增大，霧滴體積中徑呈減小趨勢，占空比10%時霧滴體積中徑為130.8m，占空比40%時為120.5m，同比下降7.9%，占空比60%的霧滴體積中徑比40%增加1.8m，為122.3m；PWM占空比為20%時RS值最大為1.05，占空比60%時分布跨度最小，為0.95，較占空比20%時霧滴分布跨度下降9.52%，占空比60%時獲得的霧滴粒徑分布最集中。

2）采取點陣式放置霧滴沉積傳感器的方式測定下風(fēng)向噴頭不同距離處的霧滴沉積量，結(jié)果表明，下風(fēng)向噴頭不同距離霧滴沉積與風(fēng)速、噴頭高度有關(guān)，噴頭高度為1和1.5 m，風(fēng)速1 m/s條件下，霧滴主要沉積在距噴頭3.3 m內(nèi)，此范圍內(nèi)沉積量占總沉積量的95.7%，當(dāng)風(fēng)速超過3 m/s時，在氣流作用下，霧滴沉降距離增大，潛在地增大霧滴飄移可能性。噴頭高度1.5 m時，當(dāng)風(fēng)速超過3 m/s，霧滴飄移量增大，各占空比工況下霧滴沉積均低于噴頭高度1 m時的霧滴沉積結(jié)果。

3）噴頭高度1 m時，占空比在10～40%范圍內(nèi)，DEIX隨占空比增大呈現(xiàn)減小的趨勢，1～5 m/s風(fēng)速條件下，占空比40%時的DEIX較占空比10%時分別下降50.5%、52.7%、49.0%、47.9%和58.7%；噴頭高度為1.5 m時，風(fēng)速越大，DEIX越小，占空比10%時，風(fēng)速1 m/s下DEIX為1.15，風(fēng)速5 m/s時下降為0.07，不利于霧滴形成有效沉積。DEIX與噴頭高度有關(guān)，相同工況下，噴頭越高，DEIX越小，施藥霧滴越易飄移。

綜上所述，對于PWM變量噴霧方式，霧滴沉積飄移受噴頭距靶標(biāo)高度和環(huán)境風(fēng)速影響，與地面噴霧機(jī)具相比，植保無人機(jī)施藥高度相對較高，在采用PWM變量技術(shù)進(jìn)行噴霧時，應(yīng)在保證安全的前提下，盡可能降低飛行高度，選擇環(huán)境風(fēng)速相對較小的環(huán)境條件下作業(yè)，綜合試驗數(shù)據(jù)，推薦環(huán)境風(fēng)速為3 m/s以下，以降低霧滴飄移，提高農(nóng)藥有效利用率。

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Spraying atomization performance by pulse width modulated variable and droplet deposition characteristics in wind tunnel

Zhang Ruirui1,2,3, Li Longlong1,2,3, Fu Wang2,3,4, Chen Liping1,2,3※, Yi Tongchuan1,2,3, Tang Qing1,2,3, Andrew J Hewitt5

(1100097,; 2100097,; 3.100097,; 4.712100,; 5.4072,)

Pulse width modulation (PWM) technology is an important means to achieve variable spray, and is attracting more and more researchers' attention due to its short reaction time, fast response, large flow adjustment range and good spray characteristics using conventional nozzles. But during the actual spraying process, its working parameters and environmental conditions could influence the spray accuracy seriously. In order to investigate the atomization and deposition characteristics of the PWM variable-rate nozzle, a pulse width modulation variable spraying system was designed to study the spraying atomization and deposition characteristics of TR80-005C hollow cone spray nozzle commonly used in agricultural application. In order to maintain a stable environmental condition to produce setting wind speed, the experiments were carried out in the type IEA-II wind tunnel designed by Agricultural Intelligent Equipment Technology Research Center. A dot matrix placement capacitive droplet deposition monitoring sensor was used to detect spray deposition in real time. To effectively evaluate the ground deposition properties of the wind tunnel environment, deposition evaluation index (DEIX) was deduced based on drift potional index (DIX). DEIX is inversely proportional to DIX, the smaller the DEIX value, the smaller the potential of droplet deposition, which means that the possibility of drift loss is greater. The Spraytec droplet size meter was sued to test the droplet volume median diameter (VMD) and the relative span of the droplets (RS) to determine the relationship between duty cycle and spraying atomization performance. The experiment was carried out at the Xiaotangshan National Precision Agriculture Research Station in Changping district of Beijing city. The test devices were mainly composed of PWM variable-rate spraying system, IEA-II conventional-speed wind tunnel, laser particle size analyzer and deposition measurement sensor network system. Before tests, all systems were powered on and warm up for 30 minutes. In the droplet size tests, the nozzle was placed 0.5 m directly above the droplet size analyzer, the test pressure was set to 0.4 MPa, the PWM frequency was set to 1 Hz, and the duty cycle was set to 10%-60% at the interval of 10%. Tap water was used as the spraying solution, and each setting repeated 5 times. For the droplet deposition characteristic tests, droplet deposition sensor was arranged at the bottom of the wind tunnel, the sensors were arranged in 5 rows (1 m spacing) and 3 columns (0.55 m spacing) on thevertical wind direction, and were numbered 1 to 15 starting from the upper side to the bottom of the upper side. The nozzle was fixed at the top of the wind tunnel, and the height of the relative deposition sensor was set to 1and 1.5 m respectively, and the horizontal distance between the nozzle and the first column deposition sensor was 1.3 m, the wind speed was set to 1-5 m/s, PWM frequency was set to 1 Hz and duty cycle was 10%-60%, spraying time was set as 10 s, the spraying pressure was set as 0.4 MPa. At the beginning of the test, the sensors saved datas in real time and transmitted it back to the computer. The test results showed that when the duty cycle was between 10%-40%, the VMD decreased with the increases of duty cycle, VMD was 122.3m at 60% duty cycle, which increased by 1.8m compared with that of at 40% duty cycle. When the PWM duty cycle was 60%, the RS was the smallest, compared with that of duty cycle at 20%, the RS decreased by 9.52%, that means that the droplet spectrum was the narrowest, and droplet size distribution was the most concentrated. In the deposition test, under the condition of wind speed at 1 m/s, droplets were mainly deposited within 3.3 m from the nozzle, which accounted for 95.7% of the total deposition.When the wind speed exceeded 3 m/s, the droplet settling distance increased under the action of the airflow, which may increase the possibility of spray drift.With increase of the duty cycle, DEIX value decreased and the drift rate of the droplets increased.Under the same working conditions, the larger the wind speed and the nozzle height, the smaller the DEIX and the easier spray drift. This study provides a basis for the practical application of pulse width modulation variable application techniques and PWM working condition parameters selection in agricultural field production, and provides a theoretical basis for further optimization of PWM variable adjustment devices.

pulse width modulation; spraying; experiments; volume median diameter, deposition evaluation index, wind tunnel

張瑞瑞，李龍龍，付 旺，陳立平，伊銅川，唐 青，Andrew J Hewitt. 脈寬調(diào)制變量控制噴頭霧化性能及風(fēng)洞環(huán)境霧滴沉積特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(3)：42－51. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.006 http://www.tcsae.org

Zhang Ruirui, Li Longlong, Fu Wang, Chen Liping, Yi Tongchuan, Tang Qing, Andrew J Hewitt. Spraying atomization performance by pulse width modulated variable and droplet deposition characteristics in windtunnel [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 42－51. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.006 http://www.tcsae.org

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.006

S233.2

A

1002-6819(2019)-03-0042-10

2018-08-10

2019-01-09

北京市科技新星計劃項目（Z181100006218029）；國家自然科學(xué)基金項目（31601228）；北京市農(nóng)林科學(xué)院2018創(chuàng)新能力建設(shè)專項（KJCX20180424）；國家重點研發(fā)計劃—地面與航空高工效施藥技術(shù)及智能化裝備（/2016YFD0200701-2）

張瑞瑞，博士，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)航空精準(zhǔn)施藥技術(shù)與裝備研究。Email：zhangrr@nercita.org.cn

陳立平，博士，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究。Email：chenlp@nercita.org.cn。

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員：陳立平（E040100186M）