農(nóng)用噴頭霧滴粒徑對液體黏度的響應

張 龍，宋淑然,2,3,4，孫道宗,3,4，薛秀云,2,4，代秋芳,2,4，李 震,2,3,4

(1華南農(nóng)業(yè)大學電子工程學院/人工智能學院，廣東廣州510642；2國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機械化研究室，廣東廣州510642；3廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510642；4廣東省山地果園機械創(chuàng)新工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510642)

近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，對農(nóng)業(yè)機械化的需求大幅增加，推進農(nóng)機裝備技術(shù)改進，研發(fā)適合國情、農(nóng)民需要、先進適用的各類智能農(nóng)機裝備迫在眉睫。在農(nóng)機裝備智能領(lǐng)域，高效噴霧施藥技術(shù)的一個主要標準是農(nóng)藥在靶標上的沉積率遠高于其在非目標物或區(qū)域中的沉積率。這也是最大程度地提高農(nóng)藥有效利用率，同時消除農(nóng)藥對操作人員的危害以及降低環(huán)境污染的一個重要途徑[1-3]。然而，我國在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對農(nóng)藥的有效利用率只有30%左右，流失量較高[4-5]。

農(nóng)藥霧化是農(nóng)藥以霧滴的形式分散到大氣中，形成霧狀分散體系的過程，其實質(zhì)是噴霧液滴在外力的作用下實現(xiàn)比表面積的大幅度擴增[6-8]。將農(nóng)藥藥液霧化為霧滴的過程依靠噴頭來實現(xiàn)[9]。農(nóng)藥霧化程度直接影響農(nóng)藥漂移距離及沉積有效利用率。噴霧霧滴粒徑分布是農(nóng)藥霧化程度的主要檢測指標[10-11]。較大霧滴能夠在較長時間內(nèi)保持動量，到達靶標時間短，漂移較小，但霧滴過大又容易造成藥液覆蓋率降低、靶標附著性差和藥液流失[12-14]。較小的霧滴由于其質(zhì)量小，受到空氣阻力影響大，通常會由于動量不足而無法到達靶標[15]，但小霧滴有助于增大藥液覆蓋率、提升霧滴覆蓋的均勻性和增大藥液在作物冠層的穿透性[16]。

無論采用何種噴霧方式，植保機械的作業(yè)質(zhì)量與霧滴直徑大小都有直接關(guān)系[17]。如果選擇的霧滴大小合適，可以用最小的藥量，以最小的環(huán)境污染達到最大控制病蟲害的目的。如果實際的霧滴比需要的霧滴大，所浪費的農(nóng)藥就會以霧滴直徑三次方的速率增長[18]。張瑞瑞等[19]利用不同類型及濃度助劑分析比較空氣誘導噴頭IDK120-025和多量程平面噴頭LU120-015的霧滴體積中徑(Volume median diameter,VMD)及霧滴粒徑相對分布跨度，結(jié)果表明不同類型及濃度的助劑對不同噴頭效果不同，應根據(jù)所用噴頭選擇合適的助劑及配比濃度，降低農(nóng)藥霧滴漂移。王瀟楠等[20]利用不同濃度抗蒸發(fā)助劑Agrospred 730、防漂移助劑Break-thru Vibrant、Silwet DRS-60、Greenwet 360分析比較了不同噴頭霧滴漂移潛在指數(shù)，結(jié)果表明添加助劑濃度不同，霧滴體積中徑不同，噴頭潛在漂移指數(shù)不同。何玲等[21]利用不同表面張力的溶液分析了噴霧助劑對水稻冠層有效沉積率的影響。唐青等[22]利用不同氣流條件對比分析了標準扇形噴頭和空氣誘導噴頭的霧化特性。趙輝等[23]研究了不同噴霧液動態(tài)表面張力下，霧滴粒徑的變化，結(jié)果表明動態(tài)表面張力改變對霧滴粒徑的影響增大。

液體黏度影響噴頭霧化性能[24]，本文配制不同黏度的噴霧液，研究噴霧液黏度對農(nóng)用噴頭的噴霧霧滴粒徑的影響，以期為農(nóng)藥噴施技術(shù)及機械性能的提高提供理論支撐與試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本文選擇乳油、可濕性粉劑、懸浮劑和水分散粒劑4種常見劑型的農(nóng)藥作為研究對象，具體為：體積分數(shù)為15%的噠螨靈乳油、質(zhì)量分數(shù)為10%的吡蟲啉可濕性粉劑、質(zhì)量濃度為240 g/L 的螺螨酯懸浮劑和質(zhì)量分數(shù)為70%的啶蟲脒水分散粒劑。按照農(nóng)藥劑型的使用說明把4種農(nóng)藥分別配制成溶液，利用黏度計測試4種藥液的黏度，獲得不同劑型農(nóng)藥在使用配比下藥液的黏度范圍。據(jù)此，用水與甘油配制噴霧液代替農(nóng)藥進行大量的噴霧試驗研究，避免用農(nóng)藥進行試驗造成環(huán)境污染。同時利用甘油與水配制出不同黏度的噴霧液進行對比試驗。

試驗噴頭為東莞市沙鷗噴霧系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的實心錐噴頭，噴嘴直徑為0.8 mm。

1.2 試驗儀器

試驗所用的主要儀器有：丹麥DANTEC公司生產(chǎn)的多普勒動態(tài)粒子分析儀(Phase Doppler anemometry，簡稱PDA)，粒子測量范圍為1～10 000 μm，測量誤差為1%；上海方瑞儀器有限公司生產(chǎn)的NDJ-8T 數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計，測量范圍為1～2 000 cp，測量誤差為±1%，重復誤差為±0.5%，儀器均滿足相關(guān)參數(shù)測量要求。

試驗環(huán)境溫度對液體黏度的測試有一定程度的影響，在液體黏度測試過程中，環(huán)境溫度是動態(tài)變化的。為此，本文在每次試驗前，均多次測量環(huán)境溫度，并使用NDJ-8T 型數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計多次對同一個樣品進行黏度測試，保證測量結(jié)果的穩(wěn)定性和可信性。

1.3 霧滴參數(shù)定義

本文主要對霧滴的3個指標參數(shù)進行了測量和分析，它們分別是：

算術(shù)平均直徑(Arithmetic mean diameter，D10)：指取樣霧滴群的直徑之和與霧滴群個數(shù)之和的比值，

體積平均直徑(Volume mean diameter，D30)：指取樣霧滴群平均體積所對應的直徑，

索爾特平均直徑(Sauter mean diameter，D32)：表明霧滴粒徑對表面積的加權(quán)平均，

在上述霧滴參數(shù)描述中，Di是指霧滴尺寸等級i的直徑，Ni是指選擇的霧滴尺寸等級i的個數(shù)，ni是指每個尺寸等級中的霧滴數(shù)，N是霧滴總數(shù)。

1.4 試驗設計

液體的黏度和溫度有極密切的關(guān)系，通常溫度升高，黏度降低。本文測試液體黏度是在環(huán)境溫度為(25±0.5)℃的前提下進行的。

1.4.1 4 種常用于防治木虱的農(nóng)藥黏度范圍測試 為了揭示農(nóng)藥黏度對噴頭霧滴參數(shù)的影響，根據(jù)農(nóng)藥使用說明的配比要求，配制了4種柑橘病蟲害防治中常用的農(nóng)藥溶液，利用黏度計分別測量其黏度值，每隔2 min 讀取1次黏度值，共讀取3次，取平均值作為最終黏度值，結(jié)果如表1所示。4種農(nóng)藥溶液黏度的平均最小值為1.25 cp，平均最大值為

1.80 cp。

表1 4種常見農(nóng)藥的黏度Table1 Viscositiesof four common pesticides

1.4.2替代試劑不同黏度甘油的配置 由于甘油與水能夠以任意比例互溶，且純甘油黏度較大，本文采用純甘油與水以一定的比例混合，配制4種不同質(zhì)量分數(shù)的甘油溶液，結(jié)果如表2所示。隨著甘油質(zhì)量分數(shù)的增大，溶液的黏度也逐漸變大，黏度范圍能夠涵蓋常用的農(nóng)藥溶液黏度。

1.4.3霧滴參數(shù)的采樣點設定 噴霧液黏度對噴頭霧化性能的影響試驗包括：不同噴霧液黏度下對噴頭軸心線方向上霧滴參數(shù)的測定，以及不同噴霧液黏度下對噴頭徑向(軸心方向高度一定時)霧滴參數(shù)的測定。噴霧試驗時，噴頭軸心方向垂直地面，噴霧壓力為0.9 MPa。

表2 不同質(zhì)量分數(shù)甘油溶液的黏度Table 2 Viscositiesof different massfractionsof glycerin solution

前期試驗中，為了能夠設置合適的噴頭噴霧區(qū)域采樣點，在噴霧壓力為1.0 MPa 條件下，測量了噴頭的霧錐角，結(jié)果為44.14°，由此，利用預試驗測得的霧錐角正切值的結(jié)果，可以確定噴霧區(qū)域的邊界位置，從而確定霧滴采樣點的范圍。

軸心方向上霧滴采樣點設定：為研究不同黏度對噴頭軸心方向上霧滴粒徑的影響，建立以噴頭處為原點、水平向左方向為x、垂直向里方向為y、垂直向下方向為z的笛卡爾坐標系，在噴頭霧化區(qū)域軸心方向上，從噴頭z=0 cm 處開始，每隔2 cm利用PDA 分別測量軸心方向上霧滴參數(shù)。

徑向霧滴采樣點設定：為研究黏度對噴頭徑向霧滴粒徑的影響，在軸心方向上分別選取z=30 cm，z=40 cm 處的水平面，測量所對應徑向上的霧滴粒徑；在z=30 cm 處x選取?8～8 cm 之間；在z=40 cm處，x選取?10～10 cm 之間，其中徑向(x方向)采樣點間隔均為1 cm，利用PDA 分別測量每個采樣點上的霧滴參數(shù)。

1.4.4數(shù)據(jù)處理 運用統(tǒng)計分析軟件SPSS16.0對軸心距離、液體黏度以及霧滴粒徑的相關(guān)性進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 軸心方向上霧滴粒徑分布特性

從噴頭開始，每隔2 cm，測量噴頭軸心方向上的霧滴參數(shù)，結(jié)果如表3所示。

從表3 可以看出，在軸心方向上距離噴頭1～6 cm的區(qū)間內(nèi)，霧滴粒徑變小趨勢明顯，分析原因可能是：在一定的壓力下，射流以連續(xù)液體的形式從噴頭高速流出，受到外界氣體的擾動作用，液體表面會產(chǎn)生不穩(wěn)定的波動，當液體流速較大時，液體表面的波幅將快速變大，最終波峰被撕裂下來，形成較大霧滴。隨著射出距離變大，這種表面波的波幅將逐漸擴大，使液體分裂成大顆粒液滴，液滴直徑超過了一定的閾值，在周圍空氣切應力的作用下，它們將進一步碎裂成更細小的液滴，故在距離噴頭1～6 cm 的區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)出變小的趨勢。

Rayleigh 理論導出了形成黏性射流最大不穩(wěn)定性的比值，即有一個最小的擾動波長 和最有可能導致射流破裂成為液滴的擾動波長 ，噴頭出口附近的初始擾動波長小于 時，受表面張力作用，射流的擾動漸緩；當初始擾動波長大于 時，擾動波振幅增大，并最終導致射流破裂，對于非黏性流體[25]

對于黏性流體

式中：為液體的黏度，為液體的密度， 為液體的表面張力，為射流直徑。由此可見，黏性流體的與非黏性流體相同，但其 卻比非黏性流體大得多。

試驗表明，在相同的噴霧條件下，對于不同黏度的噴霧液，液體密度 、液體表面張力 、射流直徑 變化不大，影響擾動波長 變化的主要因素在于噴霧液的黏度，即噴霧液黏度越大，越有可能導致射流破裂成為液滴的擾動波長 也越大，亦需要更多的能量才能完成從射流破碎成霧滴的過程。由表3可以發(fā)現(xiàn)，噴霧液黏度越大，相同位置處霧滴粒徑隨著噴霧液黏度的增加而變大，其原因可能是：噴霧液黏度越大，噴霧液越難以發(fā)生霧化，相同噴射壓力下，霧化黏度大的噴霧液需要更多的能量，因此導致黏度較大的噴霧液，霧滴碎裂不夠細小，最終形成顆粒較大的液滴。

在軸心方向上距離噴頭8～40 cm 的區(qū)間內(nèi)，不同軸心距離下的霧滴粒徑呈現(xiàn)出從近噴頭處到遠噴頭處逐漸變大的規(guī)律，其原因可能是：在噴頭的軸心方向上，作用于霧滴的力主要是重力和空氣阻力，當霧滴受到重力影響時，會加速下降，霧滴發(fā)生聚合碰撞，使霧滴粒徑逐漸變大，形成了大霧滴。

表3 不同黏度下軸心方向上霧滴參數(shù)1)Table 3 Droplet parametersin the axisdirection under different viscositiesμm

2.2 軸心霧滴粒徑的統(tǒng)計分析

為了明確軸心距離、液體黏度與霧滴粒徑之間的內(nèi)在聯(lián)系，更好地揭示影響霧滴粒徑分布規(guī)律的主要原因，本文運用統(tǒng)計分析軟件SPSS對軸心距離、液體黏度以及霧滴粒徑進行相關(guān)性統(tǒng)計分析。

通過判斷2個數(shù)據(jù)集是否在一條直線上來推斷2個數(shù)據(jù)集的線性相關(guān)性，其計算公式為：

式中，N為2個數(shù)據(jù)集樣本個數(shù)，xi表示x數(shù)據(jù)集中某一樣本(i)的樣本值，yi表示y數(shù)據(jù)集中樣本i的樣本值，r值反映了2個變量線性相關(guān)性的強弱程度，r值越大說明兩者相關(guān)性越強，據(jù)此，利用軟件做出了液體黏度、軸心距離與霧滴粒徑三者之間的Pearson 相關(guān)系數(shù)(表4)。

從表4可以看出，當軸心距離為4～40 cm 時，也就是采用樣本為4～40 cm 區(qū)間內(nèi)霧滴粒徑數(shù)據(jù)，其軸心距離、液體黏度與霧滴粒徑的Pearson 相關(guān)系數(shù)(r)分別為0.531、0.795，可見液體黏度與霧滴粒徑之間的相關(guān)性更強，接近于極強相關(guān)，顯著性值較高(當顯著性值小于0.05時認為顯著)，據(jù)此可得出，在距離噴嘴4～40 cm 區(qū)間內(nèi)，霧滴粒徑的大小受到液體黏度的影響較大，同時軸心距離也是影響霧滴粒徑變化的主要因素；當軸心距離為0～40 cm時，其軸心距離、液體黏度與霧滴粒徑的Pearson 相關(guān)系數(shù)分別為0.287、0.586，可見當計算范圍包含0～4 cm 區(qū)間時，液體黏度與霧滴粒徑大小的相關(guān)性為中等程度相關(guān)，而軸心距離與霧滴粒徑大小的相關(guān)性為弱相關(guān)，這說明霧滴粒徑在區(qū)間0～4 cm 與區(qū)間4～40 cm 內(nèi)變化趨勢不統(tǒng)一，故而三者之間的相關(guān)性有所降低，結(jié)合表3不難發(fā)現(xiàn)，在霧滴粒徑為0～4 cm 區(qū)間內(nèi)，噴霧液由噴嘴噴出后，在切應力的作用下撕裂成液膜，大霧滴變?yōu)樾§F滴，這剛好與霧滴在4～40 cm 區(qū)間內(nèi)的變化相反，因此相關(guān)性有所降低。

綜合考慮可以發(fā)現(xiàn)，霧滴從噴嘴噴出后液體黏度對霧滴粒徑的影響大于軸心距離對霧滴粒徑的影響。

表4 軸心霧滴粒徑的Pearson相關(guān)分析Table 4 Pearson correlation analysis of axial droplet size

2.3 徑向霧滴粒徑分布

為了了解不同噴霧液黏度對噴頭徑向霧滴參數(shù)的影響(為便于分析，取z=30 cm 處分析)，繪制出如圖1所示的霧滴體積平均直徑D30隨徑向距離變化三維圖。

由圖1可以看出，在相同噴霧液黏度下，霧滴粒徑隨著徑向距離增大而增大，軸心位置始終保持著最小的霧滴粒徑，徑向左右兩邊霧滴粒徑近似于對稱分布；不同噴霧液黏度下，液體黏度越大，相同位置霧滴體積平均直徑越大。

圖1 z=30 cm 處徑向霧滴體積平均直徑(D30)變化Fig.1 Change of radial droplet D30 at

奧內(nèi)佐格的研究表明，射流破碎后的液滴尺寸主要取決于噴口直徑、液體的密度、黏性力和表面張力，并且整理出了無因次準數(shù)Z來進行描述，Z為射流破碎后的霧滴大小的無因次準數(shù)，它與液體的密度、黏性力和表面張力間存在一定的關(guān)系[25]，如下式所示：

式中：表示液體黏度，表示液體密度， 表示表面張力， 表示射流起始直徑。

在相同試驗條件下，對于不同黏度的噴霧液，其液體密度、表面張力、射流直徑變化不大，故液體的黏度是霧化過程中液體破碎的主要因素，黏性在射流表面擾動波增長的過程中起阻尼作用，黏性越小阻力越小，Z越小，故霧滴粒徑越小。

2.4 徑向霧滴粒徑的統(tǒng)計分析

為了更好地闡釋霧滴粒徑在徑向上的分布規(guī)律，明確霧滴粒徑在徑向上與徑向距離、液體黏度之間的內(nèi)在制約因素，對徑向距離、霧滴粒徑以及液體黏度之間進行了Pearson 相關(guān)分析，結(jié)果如表5所示。

表5 徑向霧滴粒徑的Pearson 相關(guān)分析1)Table5 Pearson correlation analysisof radial droplet size

由表5可以看出，在徑向上，霧滴粒徑與徑向距離的相關(guān)系數(shù)為0.932，具有極強相關(guān)性，且顯著性值為0.000，小于0.05，故認為霧滴粒徑與徑向距離之間顯著性高；霧滴粒徑與液體黏度的相關(guān)系數(shù)為0.328，表現(xiàn)為弱相關(guān)，且顯著性值為0.014，小于0.05，則認為霧滴粒徑與液體黏度之間聯(lián)系較徑向距離弱。

由表4和表5可以發(fā)現(xiàn)，在噴頭噴霧區(qū)域中，在軸心方向上霧滴粒徑分布受液體黏度影響較大，二者相關(guān)系數(shù)為0.795，同時，在軸心方向上，霧滴粒徑也會受到軸心距離的影響，相關(guān)系數(shù)為0.531，較液體黏度影響相對較弱；在噴頭徑向上，霧滴粒徑與徑向距離相關(guān)系數(shù)為0.932，表現(xiàn)出極強相關(guān)性，意味著徑向位置不同時，霧滴粒徑變化明顯，由圖1可以看出，當徑向位置變大時，霧滴粒徑增加明顯；在徑向上，霧滴粒徑與液體黏度相關(guān)系數(shù)為0.328，表現(xiàn)為弱相關(guān)性。

3 結(jié)論

本文研究了不同噴霧液黏度下，噴頭的噴霧區(qū)域中垂直(軸心)與水平(徑向)方向上噴霧霧滴粒徑變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1)噴霧液黏度越大，噴頭所噴出霧滴的粒徑也越大。隨著黏度的增大，軸心方向上的霧滴粒徑先變大后變小，噴霧液黏度越大，霧滴越難以霧化；在徑向上，噴霧區(qū)域的邊界處霧滴粒徑大于內(nèi)部霧滴粒徑；

2)根據(jù)Pearson 相關(guān)分析得出，軸心方向上，霧滴粒徑的大小分布受液體黏度影響較大，相關(guān)系數(shù)為0.795；而在徑向上，霧滴粒徑大小分布受到徑向距離影響較大，相關(guān)系數(shù)為0.932；

3)試驗分析得出添加不同濃度的甘油溶液均可對霧滴粒徑產(chǎn)生較大影響，因此應根據(jù)噴施的實際情況選擇合適的濃度配比，適當提高噴霧液黏度，有助于達到降低農(nóng)藥霧滴漂移、增加霧滴穿透性的目的。