脈沖式煙霧水霧機(jī)工作頻率影響因素研究

蔣雪松 周 杰 許林云 林 歡 周宏平 侯秀梅

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院， 南京 210037)

0 引言

脈沖式煙霧水霧多功能機(jī)是國內(nèi)近幾年在脈沖煙霧機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型病蟲害防治機(jī)具[1]。它既能對農(nóng)藥稀釋于溶劑油中形成的熱霧劑進(jìn)行熱力煙化，施放細(xì)小的油性農(nóng)藥霧滴[2]，也能對農(nóng)藥稀釋于水中形成的水霧劑進(jìn)行熱力霧化，施放細(xì)小的農(nóng)藥水霧滴。

脈沖式煙霧水霧機(jī)能否可靠地實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)燃燒工作，主要取決于脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室-噴管構(gòu)成的聲學(xué)結(jié)構(gòu)條件和燃油供給系統(tǒng)構(gòu)成的加熱條件的共同耦合作用[3-5]。藥液從噴管上的藥噴嘴進(jìn)入噴管內(nèi)，需吸收熱氣流熱能和動(dòng)能，將藥液進(jìn)行熱力煙化或霧化。藥液熱力煙化或霧化時(shí)不僅從脈動(dòng)燃燒振蕩氣流中吸收熱量，同時(shí)煙化或霧化后的霧滴加入到振蕩系統(tǒng)中，會(huì)反過來影響原有的脈動(dòng)燃燒振蕩系統(tǒng)。如果能產(chǎn)生新的耦合關(guān)系，則形成新的振蕩平衡系統(tǒng)。脈沖式煙霧水霧機(jī)的工作頻率就是脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)燃燒系統(tǒng)的振蕩頻率，它是確保脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)在聲學(xué)結(jié)構(gòu)、加熱條件、藥液熱力煙化或霧化吸熱共同耦合作用下整機(jī)可靠工作的關(guān)鍵參數(shù)。

國內(nèi)對脈沖式煙霧水霧機(jī)工作頻率的研究主要集中在脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)聲學(xué)結(jié)構(gòu)對工作頻率及動(dòng)力性能的影響[6-8]、工作頻率的計(jì)算方法[9-10]、聲學(xué)結(jié)構(gòu)特性及噪聲[11-12]、脈動(dòng)氣流霧化[13]、Rijke型脈動(dòng)燃燒機(jī)理[14]等相關(guān)方面。針對藥液的熱力煙化或霧化過程對脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率的反饋影響的研究尚處于空白。國內(nèi)外主要對涉及航空用脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)或熱水取暖用脈動(dòng)燃燒器進(jìn)行了相關(guān)研究，如熱釋放或熱交換的特性[15-17]、噴管內(nèi)的熱傳遞數(shù)值模型[18-19]、無閥式脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻工作特性[20]等。而針對應(yīng)用于脈沖煙霧機(jī)或脈沖式煙霧水霧機(jī)及其脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)研究則鮮有報(bào)道。

本文選用6HYW-60S型脈沖式煙霧水霧機(jī)，研究在不同的油門開度、不同的藥液類型(用0#柴油和清水代替熱霧劑農(nóng)藥和水霧劑農(nóng)藥)以及進(jìn)入噴管內(nèi)不同藥液流量等工作狀況下對工作頻率的影響。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 常規(guī)脈沖煙霧水霧機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of pulsed smoker/fogger1.打氣筒 2.三通閥 3.起動(dòng)單向閥 4.進(jìn)氣管 5.單向膜片 6.引壓管口 7.化油器 8.喉管 9.油針 10.火花塞 11.油箱 12、20.引壓管 13.藥箱 14.藥開關(guān) 15.藥噴嘴 16.噴管17.燃燒室 18.燃燒室前室 19.藥箱加壓單向閥

常規(guī)脈沖式煙霧水霧機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)和供藥系統(tǒng)兩大部分組成。脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)是燃燒室和噴管(簡稱燃燒室-噴管[2])，另外還包括點(diǎn)火、供油、起動(dòng)等裝置。供藥系統(tǒng)則由藥箱、藥開關(guān)、藥噴嘴、加壓單項(xiàng)閥等組成。脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理如下：起動(dòng)時(shí)利用打氣筒手動(dòng)打氣，分別給化油器供氣及對油箱加壓。由化油器形成的可燃混合氣通過位于燃燒室前室處的火花塞點(diǎn)火燃燒(火花塞只在起動(dòng)時(shí)發(fā)揮點(diǎn)火作用，正常工作后進(jìn)入燃燒室的可燃混合氣由上一循環(huán)的余火或高溫壁面點(diǎn)火燃燒而無須火花塞點(diǎn)火)。燃燒室壓力突增，關(guān)閉進(jìn)氣單向膜片，燃燒后的熱氣流經(jīng)過噴管從噴口排出。燃燒室內(nèi)壓力下降，單向膜片打開開始進(jìn)氣，隨燃燒室內(nèi)壓力進(jìn)一步下降，噴管內(nèi)氣流由向外排出轉(zhuǎn)向噴管內(nèi)進(jìn)氣，燃燒室內(nèi)剛進(jìn)入的可燃混合氣獲得進(jìn)一步壓縮，再次點(diǎn)燃，形成周期性進(jìn)氣-燃燒-排放的循環(huán)往復(fù)過程。發(fā)動(dòng)機(jī)的供油是由化油器進(jìn)氣時(shí)在喉管處形成的負(fù)壓完成吸油。脈沖式煙霧水霧機(jī)的工作則是依靠脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)自激自吸的脈動(dòng)燃燒振蕩。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)在噴管內(nèi)形成沿噴管軸向的周期往復(fù)的高溫紊流排放氣流，藥液(無論是熱霧劑還是水霧劑)由位于噴管上的藥噴嘴進(jìn)入噴管內(nèi)，利用噴管內(nèi)高溫脈動(dòng)熱氣流的熱能和紊流動(dòng)能將藥液破碎、裂化、蒸發(fā)，從噴管出口排出后冷凝，形成非常微小的煙霧或水霧霧滴。整機(jī)除化油器上進(jìn)氣單向膜片以及藥箱加壓單向閥產(chǎn)生小位移運(yùn)動(dòng)外，沒有其他任何運(yùn)動(dòng)部件。脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒階段產(chǎn)生的較高壓力通過位于化油器上的引壓管口及藥箱加壓單向閥引入至藥箱內(nèi)給藥液加壓，使藥液以一定流量在藥箱內(nèi)微壓作用下自動(dòng)流入噴管內(nèi)，形成藥液供給系統(tǒng)。整機(jī)無需供油泵、供氣泵及供藥泵等耗能裝置。

2 試驗(yàn)方法

2.1 測試系統(tǒng)

藥液流量由藥液增壓系統(tǒng)與噴嘴結(jié)構(gòu)決定，一般由生產(chǎn)廠家設(shè)定。為了研究藥液流量對脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作的反饋影響，將圖1中的藥液供給系統(tǒng)改為齒輪泵主動(dòng)供藥且流量可以調(diào)節(jié)，工作特性參數(shù)測試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 脈沖式煙霧水霧機(jī)工作特性參數(shù)測試系統(tǒng)Fig.2 Testing system of characteristic parameters for pulsed smoker/fogger1.藥噴嘴 2.藥開關(guān) 3.轉(zhuǎn)子流量計(jì) 4.齒輪泵 5.藥箱 6.傳聲器 7.A/D轉(zhuǎn)換器 8.前置放大器 9.計(jì)算機(jī) 10.二位三通閥 11.計(jì)量管 12.油箱

2.1.1頻率測試裝置

脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，可燃混合氣在燃燒室內(nèi)經(jīng)過“進(jìn)氣-燃燒-排氣-再進(jìn)氣”的循環(huán)往復(fù)式自激振蕩脈動(dòng)燃燒，燃燒室內(nèi)的氣體壓力基本符合正弦波的特征。燃燒室內(nèi)的壓力信號及脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲信號前期已進(jìn)行測量[4,11]，并分別進(jìn)行頻譜分析，兩種方法所測得的基頻完全一致。采用噪聲測量方法確定脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率。該測試裝置由傳聲器、A/D轉(zhuǎn)換器、前置放大器及計(jì)算機(jī)組成，見圖2。傳聲器距噴管出口中心300 mm，與噴管軸線呈45°夾角。應(yīng)用CRAS7.1隨機(jī)信號與振動(dòng)分析軟件對排氣口的噪聲進(jìn)行頻譜分析。

2.1.2溫度測試裝置

為測定脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)燃燒室的氣流溫度，本文采用1根鎢錸熱電偶從噴管口處插入，測量燃燒室內(nèi)溫度，由溫度顯示儀顯示并記錄。

2.1.3藥液流量調(diào)節(jié)裝置

藥液流量調(diào)節(jié)裝置由藥噴嘴、藥開關(guān)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、齒輪泵和藥箱組成(圖2)。

2.1.4燃油實(shí)時(shí)計(jì)量裝置

燃油實(shí)時(shí)計(jì)量裝置主要由油耗計(jì)量管和二位三通閥組成(圖2)，用以測量進(jìn)入燃燒室燃燒的燃油消耗量，同時(shí)記錄對應(yīng)的時(shí)間，即計(jì)算可得脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率。試驗(yàn)中的油耗計(jì)量管采用50 mL滴定管，在脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段及進(jìn)入穩(wěn)態(tài)燃燒前的過渡階段均由油箱供油，只有進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段進(jìn)行測量時(shí)才將三通閥轉(zhuǎn)至計(jì)量管供油。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

2.2.1油門開度

6HYW-60S型脈沖式煙霧水霧機(jī)配備的化油器通過旋轉(zhuǎn)油針調(diào)節(jié)進(jìn)油量，油針可旋轉(zhuǎn)角為90°，試驗(yàn)過程中將油針旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行4等分，即油門開度分別為：0°、22.5°、45.0°、67.5°、90.0°，共5個(gè)位置。

2.2.2藥液類型及流量

林業(yè)上應(yīng)用脈沖煙霧機(jī)進(jìn)行病蟲害防治時(shí)所配的熱霧劑大多采用菊酯類農(nóng)藥，溶劑油為柴油。本文以0#柴油作為熱霧劑試驗(yàn)用液體，同時(shí)以清水代表水霧劑農(nóng)藥試驗(yàn)用液體。0#柴油和清水流量均設(shè)定為20、30、40、50、60、70、80 L/h。所有試驗(yàn)重復(fù)測量3次，每一次將所有參數(shù)測定完后，再進(jìn)行下一次重復(fù)測試，測試結(jié)果取算術(shù)平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不噴藥狀態(tài)

脈沖式煙霧水霧機(jī)在不噴煙霧或水霧條件下，無任何藥液從藥噴嘴(圖2)進(jìn)入噴管內(nèi)，對應(yīng)的燃油消耗率及工作頻率見表1。

表1 脈沖式煙霧水霧機(jī)不噴藥時(shí)各參數(shù)數(shù)值Tab.1 Parameter values of pulsed smoker/fogger without spraying

由表1可知，油門開度在0°～90°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，燃油消耗率變化范圍為1.46～1.65 kg/h。當(dāng)油門開度為0°時(shí)，此時(shí)油針并沒有完全堵住油嘴，仍保持一定的開度，一般為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)開度。油門開度90.0°時(shí)的燃油消耗率只比油門開度67.5°時(shí)高0.01 kg/h，兩者非常接近，說明油門開度在67.5°時(shí)已接近全開狀態(tài)。脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)能否正常脈動(dòng)燃燒工作，不僅與燃燒室-噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)所構(gòu)成的聲學(xué)條件有關(guān)，也與供給脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的可燃混合氣進(jìn)行燃燒所構(gòu)成的加熱條件有關(guān)，兩者只有形成耦合才能激發(fā)起自激自吸的脈動(dòng)燃燒。當(dāng)油門開度加大即供油量加大，燃燒室內(nèi)燃燒強(qiáng)度相應(yīng)增強(qiáng)，在燃燒室-噴管內(nèi)形成新的脈動(dòng)燃燒動(dòng)態(tài)平衡[21-22]。當(dāng)然，如果兩者不匹配即無法耦合作用則脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)，或起動(dòng)后工作不穩(wěn)定，容易熄火。

將試驗(yàn)測量的排氣噪聲聲壓信號應(yīng)用CRAS7.1隨機(jī)信號與振動(dòng)分析系統(tǒng)進(jìn)行頻譜分析，取第1階頻率作為脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作頻率，見表1。由表1可知，實(shí)際工作頻率隨油門開度加大(即供油量加大)呈緩慢增加趨勢。當(dāng)油門開度0°時(shí)，實(shí)際工作頻率為111.4 Hz，到最大開度90.0°時(shí)，頻率增加了9.7 Hz。

圖3為油門開度45.0°時(shí)的壓力信號頻譜圖，其基頻為117.2 Hz，圖中標(biāo)出了脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的第2、3、4階高次諧頻分別為238.3、359.4、470.7 Hz，基本為基頻的整數(shù)倍。

圖3 壓力信號功率頻譜圖(油門開度45°)Fig.3 Pressure signal spectrum of pressure signal under throttle opening of 45°

當(dāng)燃燒室內(nèi)無燃燒發(fā)生時(shí)，脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)為燃燒室-噴管，類似于Helmholtz型聲學(xué)共振器，其理論工作頻率為[20]

(1)

cv——定容比熱容，J/(kg·K)

cp——定壓比熱容，J/(kg·K)

R——?dú)怏w常數(shù)，取287 J/(mol·K)

T——燃燒室溫度， K

S——噴管橫截面積，m2

V——燃燒室體積，m3

L——噴管長度，m

根據(jù)所測的燃燒室內(nèi)氣流溫度，利用式(1)可計(jì)算得到脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的理論工作頻率，如表1所示。采用式(1)計(jì)算的理論工作頻率比實(shí)際工作頻率平均高31.1 Hz。最大差值為32.8 Hz(油門開度22.5°)，最小差值時(shí)29.6 Hz(油門開度0°)，不同油門開度下的兩種頻率的變化均不顯著。

利用式(1)計(jì)算脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)理論工作頻率的前提條件是將脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室-噴管看作為Helmholtz聲學(xué)共振器。實(shí)際用作消聲的聲學(xué)共振器由具有較大的空腔與較短小的頸管構(gòu)成。本文脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)與一般聲學(xué)共振器相比，將燃燒室柱部和錐部合起來作為聲學(xué)空腔，將較長的噴管作為聲學(xué)頸管。雖然式(1)中已考慮到噴管長度L的影響，噴管越長，頻率越低，但整個(gè)質(zhì)量氣流在較長的噴管內(nèi)沿噴管軸向來回振蕩時(shí)，噴管也相當(dāng)于一個(gè)阻尼器，會(huì)進(jìn)一步降低其振蕩頻率。這正是實(shí)際工作頻率比式(1)計(jì)算的理論工作頻率小的原因之一。

當(dāng)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作(即燃燒室內(nèi)存在燃燒)時(shí)，聲學(xué)系統(tǒng)內(nèi)有熱量加入，調(diào)節(jié)油門開度即改變供油供氣量，則在燃燒室-噴管內(nèi)會(huì)形成新的燃燒振蕩耦合過程，引起實(shí)際工作頻率發(fā)生相應(yīng)變化。一旦兩者不匹配則無法耦合工作，導(dǎo)致脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)或可靠工作。脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)至今許多機(jī)理仍不夠清晰，導(dǎo)致一些以脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的新型脈動(dòng)燃燒器難以得到很好的開發(fā)應(yīng)用。

3.2 噴藥狀態(tài)

將圖2中的藥箱裝入0#柴油或清水，調(diào)節(jié)齒輪泵，由轉(zhuǎn)子流量計(jì)記錄藥液流量，則藥液由藥噴嘴以液流形式進(jìn)入噴管內(nèi)。噴管內(nèi)以紊流脈動(dòng)的熱氣流不斷流過藥噴嘴，利用高溫、高速及紊態(tài)流動(dòng)的熱氣流所具有的動(dòng)能及熱能，將進(jìn)入噴管內(nèi)的藥液(柴油或清水)進(jìn)行破碎、裂化、蒸發(fā)成細(xì)小霧滴，從噴管出口處噴出。藥液從藥噴嘴進(jìn)入原有自激自吸振蕩燃燒系統(tǒng)中，不僅吸收系統(tǒng)內(nèi)的熱量，同時(shí)將霧化后的細(xì)小霧滴加入到振蕩氣流中形成新的振蕩質(zhì)量流，這必將會(huì)影響脈動(dòng)燃燒系統(tǒng)原有的振蕩平衡，并形成新的振蕩平衡，即會(huì)改變脈動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率。在噴煙霧和噴水霧不同工況條件下，結(jié)合不同油門開度和噴液流量情況，測得脈沖式煙霧水霧機(jī)的實(shí)際工作頻率如表2所示。

以0#柴油作為熱霧劑藥液流入到噴管內(nèi)，經(jīng)過熱力煙化后形成直徑小于10 μm的微小油霧滴[23]，進(jìn)入空氣中冷凝成濃密的白色可見煙霧。無論在何種油門開度下，脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作頻率均隨著柴油流量的增加呈下降趨勢。當(dāng)油門開度處于最小值0°時(shí)，由不噴藥時(shí)的111.4 Hz，下降為噴藥流量為20 L/h時(shí)的109.4 Hz，下降了2.0 Hz，直至下降到噴藥流量80 L/h時(shí)的101.6 Hz，下降了9.8 Hz。脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作頻率與熱霧劑流量之間呈線性負(fù)相關(guān)，如圖4所示，圖中虛線為實(shí)測曲線，實(shí)線為擬合直線。無論在何種油門開度下，實(shí)際工作頻率與柴油流量不僅均呈線性關(guān)系下降，且下降趨勢關(guān)系比較一致，即可采用共同的線性比例系數(shù)，即為-0.135 7 Hz·h/L。

表2 噴霧狀態(tài)下實(shí)際工作頻率

Tab.2 Actual working frequency with sprayingHz

液體油門開度/(°)噴液流量/(L·h-1)203040506070800109.4109.4107.4105.5105.5103.5101.622.5111.4111.4109.4109.4107.4105.5103.5柴油45.0115.2115.2111.4111.4109.4109.4107.267.5117.2117.2111.4111.4111.4109.4109.490.0117.2117.2115.2111.4111.4111.4109.40101.6101.699.699.697.797.795.722.5105.5102.5101.6101.699.699.697.7水 45.0107.4105.5103.5101.6101.699.699.667.5107.4107.4105.5103.5101.6101.6101.690.0109.4107.5105.5105.5103.5103.5101.6

圖4 噴煙霧工況下工作頻率與熱霧劑流量的線性關(guān)系Fig.4 Linear relationship curves between working frequency and flow rate of hot spray under smoke injection conditions

另外，實(shí)際工作頻率隨著油門開度的增大即供油量的增加呈上升趨勢。當(dāng)柴油流量為20 L/h時(shí)，工作頻率從油門開度0°時(shí)的109.4 Hz，增大到油門開度67.5°或90.0°時(shí)的117.2 Hz，增加了7.8 Hz。對應(yīng)柴油其他各流量下，其工作頻率的增加趨勢大體一致。

脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率與耗油率之間，無論在何種噴藥流量工況下，均存在共同的線性比例系數(shù)，即為38.58 Hz·h/L。以工作頻率與熱霧劑流量及脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率的組合函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行平面擬合，如圖5所示。圖中圓球點(diǎn)為實(shí)測值對應(yīng)的點(diǎn)。

圖5 工作頻率與流量及耗油率的平面線性關(guān)系Fig.5 Planar linear relationship between working frequency and spray flow rate and fuel consumption rate

當(dāng)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于熱力霧化水霧劑藥液(即清水)時(shí)，油門開度處于最小開度0°，水流量20 L/h時(shí)實(shí)際工作頻率由不噴藥時(shí)111.4 Hz降至101.6 Hz，下降了9.8 Hz，其下降幅度遠(yuǎn)大于噴煙霧時(shí)的2.0 Hz。這是因?yàn)樗谋葻崛轂?2 000 J/(kg·K)，約為柴油的2倍。噴煙霧時(shí)藥噴嘴處的溫度由噴藥前900℃，降至噴藥后700℃左右，而噴水霧時(shí)則驟降至80℃左右，即溫度急驟下降是使原有脈動(dòng)燃燒系統(tǒng)吸收消耗相當(dāng)大熱量，從而較大改變了原有振蕩系統(tǒng)并達(dá)到新的振蕩平衡，且噴管內(nèi)熱力霧化的水霧滴平均粒徑50 μm也遠(yuǎn)高于煙霧滴最大直徑10 μm[23]，因此水霧慣性質(zhì)量流比煙霧大。根據(jù)瑞利準(zhǔn)則[24]，雖然文中的熱量沒有從系統(tǒng)取走，但從噴藥嘴附近至噴管出口段(稱為熱力煙化段或熱力霧化段)熱氣流的介質(zhì)、質(zhì)量、狀態(tài)均發(fā)生了較大的改變，致使頻率產(chǎn)生較大下降[25]。隨著水流量由20 L/h增至80 L/h，實(shí)際工作頻率不斷下降，一直降到95.7 Hz，流量增加了3倍，頻率只下降了5.9 Hz，說明水霧劑藥液加入空載時(shí)的脈動(dòng)振蕩氣流中對脈動(dòng)振蕩系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)高于加入后流量的變化量對其產(chǎn)生的影響。對應(yīng)其余油門開度22.5°、45.0°、67.5°、90.0°，水霧劑流量由20 L/h增加至80 L/h，實(shí)際工作頻率分別下降了7.8、7.8、5.8、7.8 Hz。

4 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)前述綜合分析脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作頻率與熱霧劑流量及脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率之間的關(guān)系，可得

f=-0.135 7Q1+38.58q+56.13
(R2=0.925)

(2)

式中Q1——熱霧劑流量， L/h

q——脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率， L/h

利用式(2)計(jì)算對應(yīng)耗油率及熱霧劑流量或噴藥量的工作頻率，計(jì)算結(jié)果見表3。計(jì)算值與實(shí)際工作頻率最大絕對誤差僅為2.5 Hz(對應(yīng)油門開度67.5°，噴藥量40 L/h)，相對誤差只有2.2%。應(yīng)用式(2)計(jì)算不噴藥時(shí)的工作頻率，其最大相對誤差只有1.2%。說明在噴煙霧工況下，噴藥量從0直至最大噴藥量80 L/h，均可應(yīng)用式(2)簡化計(jì)算脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率。

表3 利用頻率修正公式計(jì)算的工作頻率Tab.3 Working frequency calculated by frequency correction equation Hz

實(shí)際工作頻率與水霧劑流量及耗油率之間也存在著良好的線性關(guān)系，脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率與水霧劑農(nóng)藥流量及耗油率之間的關(guān)系為

f=-0.115 7Q2+30.73q+59.61 (R2=0.936)

(3)

式中Q2——水霧劑農(nóng)藥流量，L/h

因熱力霧化水霧劑時(shí)，水霧劑加入噴管內(nèi)對原有熱氣流產(chǎn)生大幅降溫，使實(shí)際工作頻率幅值產(chǎn)生較大下降，因此式(3)只適用于加入水霧劑農(nóng)藥后的實(shí)際工作頻率與水霧劑農(nóng)藥流量及耗油率之間的關(guān)系，而不適用于不加水霧劑農(nóng)藥即空載情況，空載時(shí)可用式(2)計(jì)算。

利用式 (3)計(jì)算對應(yīng)水霧劑農(nóng)藥流量和各油門開度下的工作頻率，見表3，計(jì)算值與實(shí)測值最大相對誤差僅為1.4%(對應(yīng)油門開度67.5°，流量60 L/h)?？梢?，針對6HYW-60S型脈沖式煙霧水霧機(jī)，噴煙霧時(shí)應(yīng)用式(2)、噴水霧時(shí)應(yīng)用式(3)計(jì)算其工作頻率可行。

脈沖式煙霧水霧機(jī)在一定的脈動(dòng)頻率下才能正常工作，其工作過程是一個(gè)反饋耦合系統(tǒng)[26]?？梢园咽欠駠娝幗瓶醋飨到y(tǒng)有無負(fù)載兩種狀態(tài)。水的比熱容大于柴油，相同流量下水霧的負(fù)載大于煙霧負(fù)載。

5 結(jié)論

(1)應(yīng)用聲學(xué)共振頻率計(jì)算公式計(jì)算脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)頻率時(shí)，雖然指無加熱條件，但又必須考慮加熱時(shí)的本地溫度對應(yīng)的聲速。計(jì)算值比實(shí)測值平均高31.1 Hz，平均相對誤差為26.6%。

(2)從藥噴嘴向噴管內(nèi)注入熱霧劑或水霧劑農(nóng)藥并且熱力煙化或霧化后，均會(huì)使原有工作頻率下降，水霧劑農(nóng)藥霧化后工作頻率的下降值大于熱霧劑煙化后的下降值，即水霧劑農(nóng)藥熱力霧化比熱霧劑熱力煙化對原有脈動(dòng)燃燒振蕩系統(tǒng)的擾動(dòng)大。

(3)建立的工作頻率計(jì)算式(2)適用于噴煙霧同時(shí)也適用不噴藥液狀態(tài)，式(3)只適用于噴水霧狀態(tài)。噴煙霧或噴水霧狀態(tài)下，實(shí)際工作頻率與藥液流量之間均呈負(fù)比例關(guān)系，其比例系數(shù)分別為-0.135 7、-0.115 7 Hz·h/L；工作頻率與燃油消耗率之間均呈正比例關(guān)系，對應(yīng)比例系數(shù)分別為38.58、30.73 Hz·h/L，說明噴煙霧時(shí)藥液流量與燃油消耗率對工作頻率的影響均比噴水霧時(shí)略大。式(2)、(3)所引起的最大平均相對誤差只有2.2%和1.4%，表明應(yīng)用這兩個(gè)模型在常規(guī)噴藥量范圍內(nèi)計(jì)算相應(yīng)的工作頻率可行。