農(nóng)用噴頭霧化后的空間粒徑分布與速度演化特征研究

薛士東，奚 溪，史浩楠，馬學(xué)虎

(大連理工大學(xué) 化工學(xué)院化學(xué)工程系，遼寧省化工資源清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024)

1 前 言

化學(xué)農(nóng)藥在防治病蟲(chóng)草害和保證國(guó)家糧食安全方面發(fā)揮著不可替代的作用，合理使用農(nóng)藥有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和農(nóng)作物質(zhì)量[1,2]。農(nóng)藥的施用效率是藥液霧化、空間運(yùn)行、界面沉積和傳導(dǎo)吸收等綜合作用的結(jié)果[3-8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的農(nóng)藥利用率僅為30%～35%，較發(fā)達(dá)國(guó)家低15%～25%，而空間運(yùn)行過(guò)程中僅有 20%～35%的農(nóng)藥?kù)F滴能夠沉積于靶標(biāo)界面，導(dǎo)致空間飄移成為農(nóng)藥劑量損失嚴(yán)重的主要原因之一[9-12]。因此，研究霧滴的空間運(yùn)行特征對(duì)明晰霧滴飄移損失的機(jī)制和提出霧滴空間減飄的策略均有著重要的意義。

關(guān)于霧滴空間粒徑分布的研究，聞志勇[13]通過(guò)激光粒度分析儀測(cè)量了風(fēng)幕式噴桿噴霧中噴霧壓力、噴霧高度以及出口氣流對(duì)霧滴粒徑的影響，結(jié)果表明提高噴霧壓力和風(fēng)速均會(huì)使霧滴粒徑變小，而霧滴粒徑隨著噴霧高度的增加而逐漸變大。呂曉蘭等人[14]測(cè)量了不同高度處噴霧扇面橫截面的霧滴體積中徑分布，結(jié)果表明噴頭下方10 cm處噴霧扇面橫截面中邊緣位置的霧滴粒徑均小于中間位置，而在 20～50 cm 范圍中霧滴粒徑均呈現(xiàn)邊緣高中間洼的凹面形狀。然而，近噴頭處?kù)F滴粒徑的分布特征卻缺乏研究，它不僅可作為初始霧化的反饋指標(biāo)，同時(shí)也決定著后續(xù)的空間飄移沉積過(guò)程。

關(guān)于霧滴空間速度的研究，學(xué)者們大多將焦點(diǎn)集中在近噴頭處的初始霧化過(guò)程。Wang等人[15]分別測(cè)試了氣吸式噴頭IDK、標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭ST以及空心圓錐噴頭 TR的霧化性能，結(jié)果表明相比于 ST和TR噴頭而言，IDK噴頭在液膜中心發(fā)生破碎，產(chǎn)生的霧滴粒徑較大，而速度大小及波動(dòng)程度較小。聞志勇等人[13]通過(guò)粒子圖像技術(shù)(Particle Image Velocimetry，PIV)測(cè)試了風(fēng)幕式噴桿噴霧中出風(fēng)口氣流速度為10.3 m/s時(shí)，噴霧壓力對(duì)霧滴運(yùn)動(dòng)速度和渦量分布的影響，結(jié)果表明提高噴霧壓力，能夠提高霧滴的初始速度，逐漸耗散大尺度渦旋，噴霧效果較好。然而，霧滴空間運(yùn)行過(guò)程中的速度演化特征卻鮮有研究，因此有必要補(bǔ)充對(duì)霧滴空間速度的研究，以此進(jìn)一步明晰霧滴空間飄失的潛在原因。

基于此，本文以體積分?jǐn)?shù)為0.2%的邁道助劑水溶液和空心圓錐噴頭TR80 005為例，首先通過(guò)激光粒度分析儀測(cè)量了不同高度和水平位置處的霧滴粒徑，以此獲得噴霧場(chǎng)全局范圍內(nèi)的粒徑分布特征；其次通過(guò)PIV試驗(yàn)分析獲得了霧滴運(yùn)行過(guò)程中的速度演化趨勢(shì)，以完善對(duì)霧滴空間運(yùn)行特征的認(rèn)識(shí)和理解。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 霧滴空間粒徑測(cè)試平臺(tái)

圖1所示為自主搭建的霧滴粒徑三維測(cè)試平臺(tái)，主要由噴霧系統(tǒng)、噴頭自動(dòng)移動(dòng)系統(tǒng)和霧滴實(shí)時(shí)檢測(cè)與粒徑分析系統(tǒng)組成。

圖1 霧滴空間粒徑測(cè)試平臺(tái)示意圖

采用激光粒度分析儀分別對(duì)距噴頭不同徑向水平位置(距離軸線中心5 cm、10 cm和15 cm)和不同軸向高度區(qū)域(距離噴頭5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm和50 cm)處的霧滴粒徑進(jìn)行測(cè)量，空間粒徑測(cè)量點(diǎn)如圖2所示。試驗(yàn)過(guò)程中，先開(kāi)啟激光粒度分析儀進(jìn)行預(yù)熱，再接通隔膜泵待噴霧穩(wěn)定后，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)測(cè)試時(shí)間為10 s，重復(fù)3次，測(cè)量結(jié)果擬合方式為RR分布。在試驗(yàn)過(guò)程中保證無(wú)自然風(fēng)，環(huán)境溫度為(23±3) ℃，相對(duì)濕度為(40±10)%。

圖2 霧滴空間粒徑測(cè)試點(diǎn)

2.2 霧滴空間速度測(cè)試平臺(tái)

圖3所示為霧滴空間速度測(cè)試平臺(tái)，主要由噴霧系統(tǒng)和粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，噴霧系統(tǒng)與空間粒徑測(cè)試中一致；粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)由激光器及片光源調(diào)節(jié)裝置、CCD高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)處理分析軟件MircroVec V3以及Tecplot 10組成。

采用固態(tài)連續(xù)激光照亮噴霧區(qū)域，用霧滴本身作為示蹤粒子，配合高速攝像捕捉相鄰時(shí)間間隔內(nèi)霧滴的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)圖像處理技術(shù)獲得霧滴的實(shí)時(shí)速度分布，空間速度測(cè)試區(qū)如圖4所示。試驗(yàn)過(guò)程中，首先調(diào)節(jié)高速攝像機(jī)光圈及焦距大小，使相機(jī)焦平面與激光照射截面重合，并拍攝標(biāo)尺，經(jīng)換算后實(shí)際拍攝區(qū)域尺寸為120 mm×50 mm。隨后開(kāi)啟激光發(fā)生器，調(diào)節(jié)片光源厚度至大約1 mm。最后開(kāi)啟噴霧開(kāi)關(guān)，待其穩(wěn)定后，開(kāi)始采集霧滴圖像數(shù)據(jù)，拍攝頻率為10 000 fps。試驗(yàn)結(jié)束后，將圖像導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進(jìn)行速度分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 霧滴空間粒徑分布結(jié)果

3.1.1 不同軸向高度處?kù)F滴的空間粒徑分布結(jié)果

本文分別測(cè)量了水和 0.2%邁道水溶液在噴霧壓力0.2～0.5 MPa，噴頭下方5～50 cm范圍內(nèi)的霧滴體積中徑，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，無(wú)論是水還是助劑溶液，霧化后的體積中徑均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，主要是因?yàn)榻鼑婎^軸向位置屬于二次霧化區(qū)域，該區(qū)域霧滴較為集中，并未完全分散成單個(gè)霧滴，當(dāng)液體經(jīng)過(guò)該區(qū)域后，液膜逐漸被拉成液絲，液絲波動(dòng)再破碎成小霧滴，分散成霧滴群，因此體積中徑先呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。隨后在繼續(xù)下降過(guò)程中，霧滴的體積中徑均會(huì)逐漸增加，這是由于霧滴與周?chē)鷼饬髦g的速度差導(dǎo)致橫向氣流的卷吸作用，使得小霧滴被卷入中心區(qū)域，隨著霧滴下落過(guò)程速度衰減很快，卷吸作用逐漸減弱，小霧滴被卷入的量減少，因此會(huì)出現(xiàn)霧滴體積中徑增加的趨勢(shì)。添加邁道助劑后不僅會(huì)延長(zhǎng)霧化區(qū)域從10 cm左右延長(zhǎng)至20 cm左右，同時(shí)也可以增加霧滴的體積中徑。

圖3 噴霧速度場(chǎng)測(cè)量裝置示意圖

圖4 霧滴空間速度測(cè)試區(qū)

此外提高噴霧壓力可降低霧滴的體積中徑。一方面，壓力增大，霧滴與周?chē)鲌?chǎng)的速度差增加，氣流剪切作用強(qiáng)化了二次霧化作用效果，導(dǎo)致霧化后的粒徑變??；另一方面，提高壓力導(dǎo)致霧滴初始動(dòng)能的增大，即壓力的提高，使噴頭處液體的能量隨之增大，可以減弱其表面張力和黏滯阻力，有利于促進(jìn)液體霧化成更加細(xì)小的霧滴。

圖5 水和0.2%邁道水溶液在軸向高度方向的粒徑分布

3.1.2 不同徑向水平位置處?kù)F滴的空間粒徑分布結(jié)果

當(dāng)噴霧壓力為0.2 MPa時(shí)，水和0.2%邁道水溶液霧化后在不同徑向水平位置處的霧滴粒徑分布，如圖6所示。從圖6可以看出，隨著軸向距離的增加，霧滴的體積中徑均逐漸增大，即呈現(xiàn)中心小邊緣大的趨勢(shì)。筆者認(rèn)為出現(xiàn)此趨勢(shì)有兩種原因，一方面液體完成初始霧化后，大霧滴的初始動(dòng)能較大，往徑向周?chē)鷶U(kuò)散運(yùn)動(dòng)的能力增強(qiáng)，能量損失較小，其速度方向相比于小霧滴的速度方向更難被改變，進(jìn)而導(dǎo)致周?chē)吘夓F滴大，而小霧滴被包裹在軸線中心區(qū)域；另一方面，如小節(jié)3.1.1中所述，霧滴與周?chē)鷼饬鞯乃俣炔钤斐蓧毫Ψ植疾痪鶆?，邊緣壓力大，軸線處壓力小，進(jìn)而導(dǎo)致小霧滴群向中心聚集收縮，引起中心區(qū)域霧滴的體積中徑減小。

圖6 水和0.2%邁道水溶液在徑向水平位置處的粒徑分布

3.2 霧滴空間速度分布結(jié)果

3.2.1 不同軸向高度區(qū)間中心位置霧滴的空間速度分布結(jié)果

本部分測(cè)量了空心圓錐 TR80 005在噴霧壓力為0.2 MPa時(shí)，體積分?jǐn)?shù)為0.2%的邁道水溶液霧化后在噴頭下方不同軸向高度區(qū)間中心位置的速度分布，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，在軸向距離噴頭5 cm位置處，霧滴的最大速度達(dá)到了8 m/s左右，霧滴向徑向方向擴(kuò)散的趨勢(shì)比較明顯，基本上呈對(duì)稱(chēng)分布；當(dāng)霧滴下降到10 cm位置，最大速度衰減到4 m/s左右，衰減程度較大，同時(shí)霧滴向軸向擴(kuò)散的趨勢(shì)不明顯，基本呈現(xiàn)豎直下落分布；當(dāng)霧滴繼續(xù)下降到20 cm和30 cm位置時(shí)，霧滴速度衰減程度減弱，不如近距離噴嘴位置衰減程度明顯。田間施藥時(shí)，霧滴在向靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于空氣的阻礙作用導(dǎo)致霧滴維持自身初始動(dòng)能的能力逐漸減弱，速度也會(huì)逐漸衰減，若在完全衰減之前依然沒(méi)有沉降在靶標(biāo)表面，便會(huì)隨風(fēng)飄移流失到非靶標(biāo)區(qū)域。

3.2.2 不同軸向高度區(qū)間邊緣位置霧滴的空間粒徑分布結(jié)果

本部分測(cè)量了噴霧壓力為0.2 MPa時(shí)，體積分?jǐn)?shù)為 0.2%的邁道水溶液霧化后在噴頭下方不同軸向高度區(qū)間邊緣位置的速度分布，結(jié)果如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn)，邊緣霧滴的速度明顯小于中心霧滴的速度，而且隨著軸向距離的增加，邊緣霧滴的速度依然呈降低的趨勢(shì)，衰減的程度同中心霧滴的衰減程度相當(dāng)。此外，隨著軸向距離增加，邊緣霧滴也逐漸呈現(xiàn)豎直下落的趨勢(shì)，說(shuō)明霧滴速度逐漸趨近于沉降速度，隨后基本勻速下落。

通過(guò)PIV試驗(yàn)可知，無(wú)論是中心霧滴還是邊緣霧滴在下落過(guò)程中均存在著快速衰減的規(guī)律，究其原因在于農(nóng)藥?kù)F滴的尺寸均分布在微米范圍內(nèi)，自身重力相比于風(fēng)的阻礙作用而言較為微弱，在風(fēng)的攜帶作用下很容易飄離靶標(biāo)區(qū)域。因此，在設(shè)計(jì)減飄調(diào)控策略時(shí)應(yīng)增加霧滴向靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，如風(fēng)幕、電場(chǎng)等輔助方式，與自身重力協(xié)同抵抗自然風(fēng)的裹挾作用。

4 結(jié) 論

本文搭建了霧滴空間粒徑與速度分布測(cè)試平臺(tái)，以空心圓錐噴嘴TR80 005為例，借助激光粒度分析儀測(cè)試了體積分?jǐn)?shù)為 0.2%的邁道助劑水溶液霧化后在不同軸向高度和徑向水平位置的粒徑分布，通過(guò)PIV試驗(yàn)獲得了上述溶液霧化后在不同軸向高度中心位置和邊緣位置的速度演化趨勢(shì)，結(jié)論如下：⑴ 在軸向高度5～50 cm區(qū)間內(nèi)，霧滴的體積中徑隨著距噴頭距離的增加呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，同時(shí)提高壓力可降低霧滴的體積中經(jīng)；在徑向水平方位上，霧滴的體積中徑呈現(xiàn)出中心小邊緣大的趨勢(shì)；⑵ 添加邁道助劑后，可延長(zhǎng)霧化區(qū)域，同時(shí)能夠提高霧滴的體積中徑；⑶ 在軸向高度中心位置處，霧滴速度在近噴嘴附近內(nèi)衰減較快，向徑向擴(kuò)散的趨勢(shì)逐漸減弱，最終呈現(xiàn)出豎直下落的趨勢(shì)；相比之下，邊緣霧滴分布較為分散，其速度明顯小于中心霧滴的速度。