植保靜電噴霧系統(tǒng)參數(shù)性能研究

林 甄，梁盛開，謝金冶，潘嘉震，陳國良

（1.三亞學(xué)院理工學(xué)院，海南 三亞 572022；2.三亞學(xué)院陳國良院士工作站，海南 三亞 572022）

傳統(tǒng)粗放式藥液噴灑植保噴霧作業(yè)方式存在飄灑嚴(yán)重、農(nóng)藥利用率差、工作效率低、操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)植株作用效果不佳等問題。靜電噴霧技術(shù)采用靜電噴霧方式對(duì)植株施藥，提高藥液使用效率，降低成本，減少環(huán)境污染，應(yīng)用范圍廣泛，適合生長(zhǎng)形態(tài)不規(guī)則植株。Carlton 等研究靜電噴霧霧滴抗漂移性能，為靜電噴霧后續(xù)研究提供實(shí)踐依據(jù)與理論基礎(chǔ)[1]。袁會(huì)珠等比較不同噴霧沉積率，驗(yàn)證不同噴頭效率差異[2]。張東彥、劉武蘭、陳成功等論證荷質(zhì)比為檢測(cè)靜電噴霧性能重要指標(biāo)[3-5]。Delete等利用CFD模擬普通風(fēng)送噴霧霧滴沉積特性[6]。Lastow 等探討水在直流電場(chǎng)霧化穩(wěn)定性，研究霧化后霧滴粒徑與分布規(guī)律[7]。陳志剛等利用荷電技術(shù)使霧滴帶上電荷，研究非荷電噴霧，試驗(yàn)表明霧化性與沉積率存在關(guān)聯(lián)[8]。陸軍驗(yàn)證靜電噴霧下，霧滴的靶標(biāo)潤(rùn)濕和沉積性能[9]。韓樹明、張麗麗、Maski等研究靜電噴霧技術(shù)在植保領(lǐng)域理論分析與應(yīng)用研究，驗(yàn)證靜電噴霧可行性，并依據(jù)靜電噴霧理論提出相應(yīng)過程數(shù)學(xué)模型[10-12]，為文章提供參考。周宏平、袁晴春等設(shè)計(jì)高壓水靜電噴霧裝置并作可靠性試驗(yàn)研究，開展靜電噴霧裝置改進(jìn)及效果試驗(yàn)[13-14]。Duga等采用CFD軟件模擬并研究靜電噴霧霧滴漂移特性[15]。

目前學(xué)界側(cè)重于探討靜電噴霧可靠性，但對(duì)靜電噴霧參數(shù)影響作業(yè)指標(biāo)缺少系統(tǒng)研究。因此，本文創(chuàng)新性設(shè)計(jì)靜電噴霧試驗(yàn)平臺(tái)，分析測(cè)試不同參數(shù)下靜電噴霧沉積率和吸附率，獲得最優(yōu)參數(shù)組合，提升靜電噴霧性能，結(jié)合CFD 方法對(duì)靜電噴霧過程作仿真模擬，驗(yàn)證結(jié)果有效性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本文試驗(yàn)系統(tǒng)由4 個(gè)模塊組成，如圖1 所示，分別為動(dòng)力模塊、供電模塊、高壓模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)靜電噴霧參數(shù)，歸納與總結(jié)數(shù)據(jù)，提升當(dāng)前靜電噴霧效率，進(jìn)一步論證靜電噴霧可靠性。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

本系統(tǒng)四大模塊功能如下：

①供電模塊：提供穩(wěn)定12 V輸出，電池采用三串聯(lián)二并聯(lián)方式保證輸出穩(wěn)定性，且可持續(xù)電流為6A。

②動(dòng)力模塊：采用充電式DP-1036 型號(hào)雙隔膜泵，工作電壓為12 V，為高壓噴霧持續(xù)提供動(dòng)力，保證其穩(wěn)定性。

③高壓模塊：可調(diào)節(jié)式大功率高壓靜電發(fā)生器，可調(diào)節(jié)0～80 kV，輸入電壓為12 V，有供電模塊提供電源，額定功率1.2 W，產(chǎn)生高壓供靜電供感應(yīng)式靜電噴頭使用。

④數(shù)據(jù)采集模塊：采用高精度萬能表，測(cè)定靜電發(fā)生器靜電，電壓各項(xiàng)數(shù)值，使用壓力表監(jiān)控隔膜泵，獲取壓力數(shù)據(jù)。利用生物染色劑，提高霧滴可見度，同時(shí)使用數(shù)據(jù)處理軟件MATLAB采集數(shù)據(jù)，提高識(shí)別準(zhǔn)確率和效率。

各器件主要參數(shù)如表1所示。

表1 各器件主要參數(shù)Table 1 Main parameters of each device

2 試驗(yàn)過程

分析噴霧參數(shù)對(duì)霧滴沉積效果影響，噴霧參數(shù)為噴霧壓力、荷電電壓；霧滴沉積效果指標(biāo)主要包括霧滴吸附率、荷質(zhì)比、霧滴粒徑等。參考李芳麗、茹煜、王軍鋒等研究，針對(duì)不同噴霧參數(shù)即噴霧壓力以及不同荷電電壓作測(cè)試，求得最優(yōu)噴霧參數(shù)[16-18]。通過論證分析噴霧參數(shù)對(duì)噴霧指標(biāo)影響，驗(yàn)證靜電噴霧作業(yè)效果。

2.1 不同噴霧水壓力下沉積率數(shù)值測(cè)定

對(duì)隔膜泵監(jiān)控流量，在不同水壓力下，篩選適合試驗(yàn)的4 個(gè)不同水壓力數(shù)據(jù)，分別為0.20、0.30、0.40 和0.50 MPa。在關(guān)閉高壓靜電發(fā)生器情況下，分別對(duì)不同噴霧水壓作A、B、C、D 4組試驗(yàn)，求得不加高壓靜電情況下最優(yōu)沉積效果。每組試驗(yàn)選取同一片植株葉子，每次試驗(yàn)均持續(xù)1 min，對(duì)最終效果拍照并分析圖像。

沉積率即為噴霧靶標(biāo)覆蓋率，根據(jù)靶標(biāo)單位面積上霧滴數(shù)計(jì)算得出，根據(jù)下列公式，對(duì)沉積率作測(cè)定檢驗(yàn)。

式中，pt-霧滴粒徑（μm）；Nt-水電阻（r·cm-2）；St-霧滴對(duì)地電容（μF·cm-1）。

2.2 不同靜電電流下沉積率數(shù)值測(cè)定

根據(jù)以上試驗(yàn)，得出0.50 MPa 水壓下效果最優(yōu)，則本次試驗(yàn)均采用0.50 MPa水壓。表2選取不同靜電電壓，得出4組靜電電流，分別為15、20、30 和40 μA。為求得不同靜電電流下最優(yōu)沉積效果，在關(guān)閉高壓靜電發(fā)生器情況下，分別對(duì)不同噴霧水壓作E、F、G、H 4組試驗(yàn)。每組試驗(yàn)選取同一片植株葉子，每次試驗(yàn)均持續(xù)1 min，對(duì)最終效果拍照并分析圖像。

不同高壓靜電電壓下，測(cè)量靜電電流，結(jié)果如表2所示。

表2 高壓靜電發(fā)生器數(shù)值Table 2 High voltage electrostatic generator numerical

本試驗(yàn)采用感應(yīng)式荷電法，根據(jù)公式（2）和（3），對(duì)噴霧霧滴荷質(zhì)比作測(cè)定檢驗(yàn)。

式中，A-噴霧霧滴荷質(zhì)比（mC·kg-1）；η-電荷吸附效率（%）；εw-霧滴介電常數(shù)（F·cm-1）。

3 結(jié)果與討論

3.1 水壓力對(duì)霧滴沉積率影響

不同水壓力參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同水壓下試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results under different water pressure

關(guān)閉高壓靜電發(fā)生器，在不同壓力值試驗(yàn)后分別拍照，得到靶標(biāo)霧滴沉積圖像，分析圖像，記錄靶標(biāo)粒徑分布，并計(jì)算霧滴沉積率。

圖2～5為不同水壓下，4組試驗(yàn)霧滴半徑與霧滴數(shù)量霧滴粒徑分布圖，在不同水壓下存在效果差異，可判斷不同水壓對(duì)應(yīng)霧滴沉積效果也存在差異，且不同壓力下噴出霧滴霧化效果不同，霧滴粒徑存在差異。

當(dāng)噴霧水壓為0.20 MPa 時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間1 min，霧滴對(duì)靶標(biāo)沉積效果和霧滴粒徑如圖2所示。

當(dāng)噴霧水壓為0.30 MPa 時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間1 min，霧滴對(duì)靶標(biāo)沉積效果和霧滴粒徑如圖3所示。

當(dāng)噴霧水壓為0.40 MPa時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間為1 min，霧滴對(duì)靶標(biāo)沉積效果和霧滴粒徑如圖4所示。

當(dāng)噴霧水壓為0.50 MPa 時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間1 min，霧滴對(duì)靶標(biāo)沉積效果和霧滴粒徑如圖5所示。

圖2 試驗(yàn)A沉積效果與粒徑分布Fig.2 Experiment A deposition effect and particle size distribution

圖3 試驗(yàn)B沉積效果與粒徑分布Fig.3 Experiment B deposition effect and particle size distribution

圖4 試驗(yàn)C沉積效果與粒徑分布Fig.4 Experiment C deposition effect and particle size distribution

圖5 試驗(yàn)D沉積效果與粒徑分布Fig.5 Experiment D deposition effect and particle size distribution

通過試驗(yàn)可知普通噴霧與靜電噴霧的噴霧效果差距。具體水壓力沉積率參數(shù)如表4所示。

由表4 可知，0.20 MPa 水壓下，沉積率為3.15%，與其他壓力相比較其穩(wěn)定性與沉積率均相差較遠(yuǎn)。當(dāng)水壓升高到0.30 MPa 時(shí)，沉積率上升為4.49%，增加1.34%，增加顯著。噴霧水壓力提升到0.40 MPa，沉積率達(dá)到5.65%，增加1.16%，較試驗(yàn)B 有所放緩。在0.50 MPa 噴霧水壓下時(shí)，沉積率達(dá)到6.64%頂峰值，增加0.99%，較試驗(yàn)C放緩，可看出沉積率隨壓力增加而增加，但達(dá)到一定值后，增長(zhǎng)放緩，且0.50 MPa 噴霧水壓情況下（試驗(yàn)D）沉積率高出平均值1.6575%，與其他水壓力相比，效果最佳。

霧滴通過液壓法產(chǎn)生，增加壓力，使液滴瞬間霧化，同時(shí)給予水不同壓力，液滴霧化程度也不同，液滴霧化后粒徑與水壓呈正相關(guān)。壓力過小，則導(dǎo)致霧滴粒徑較大，自身質(zhì)量大，難以落在靶標(biāo)上實(shí)現(xiàn)沉積；壓力過大，則霧滴隨風(fēng)飄散，霧滴分布不均勻，同樣難以沉積。本研究使用噴頭，在0.20 MPa 壓力下，粒徑分布混亂沉積效果不理想，原因?yàn)樗畨禾?，霧滴難以分布均勻且沉積。收集并對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)0.5 MPa水壓下各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均優(yōu)于0.30、0.40 MPa水壓，霧滴自然降落，沉積明顯。

3.2 不同靜電電流對(duì)霧滴沉積率影響

不同靜電電流參數(shù)試驗(yàn)方案和結(jié)果見表5。

表4 水壓力沉積率參數(shù)Table 4 Water pressure deposition rate parameter

表5 不同靜電電流下試驗(yàn)方案和結(jié)果Table 5 Experimental schemes and results of different electrostatic currents

經(jīng)先前試驗(yàn)得出最優(yōu)噴霧壓力，本次試驗(yàn)水壓全部采用0.50 MPa，打開高壓靜電發(fā)生器并僅改變靜電電流參數(shù)。靜電噴霧試驗(yàn)完成后，分別對(duì)沉積效果拍照，與先前試驗(yàn)方法相同，采用圖像分析方式。

由圖6～9可知，本次試驗(yàn)整體沉積效果均比關(guān)閉高壓靜電發(fā)生器情況下較好，霧滴粒徑分布與之相比也更均勻。與此同時(shí)，可見靜電噴霧在靜電電流改變同時(shí)，沉積效果與霧化效果也隨之改變。

噴霧水壓為0.50 MPa，靜電電流為15 μA，試驗(yàn)時(shí)間1 min，霧滴對(duì)靶標(biāo)沉積效果和霧滴粒徑如圖6所示。噴霧水壓為0.50 MPa，靜電電流為20 μA，試驗(yàn)時(shí)間1 min，霧滴對(duì)靶標(biāo)沉積效果和霧滴粒徑如圖7 所示。噴霧水壓為0.50 MPa，靜電電流為30 μA，試驗(yàn)時(shí)間1 min，霧滴對(duì)靶標(biāo)沉積效果和霧滴粒徑如圖8 所示。 噴霧水壓為0.50 MPa，靜電電流為40 μA，試驗(yàn)時(shí)間1 min，霧滴對(duì)靶標(biāo)沉積效果和霧滴粒徑如圖9所示。雖然靜電噴霧整體噴霧效果均比普通噴霧沉積率高且效果佳[19-21]，但靜電噴霧在不同靜電電流下存在噴霧效果差距。

由試驗(yàn)計(jì)算得出，靜電電流為15 μA時(shí)沉積率最佳，為10.13%，且荷質(zhì)比為0.409 mC·kg-1，荷質(zhì)比最小，當(dāng)靜電電流升至20 μA 時(shí)，沉積率降為7.18%，荷質(zhì)比升高為0.545 mC·kg-1，沉積效果變差，可見靜電對(duì)沉積率影響較顯著，當(dāng)靜電電流升高為30 μA時(shí)，沉積率再度下降為5.16%，荷質(zhì)比升高為0.818 mC·kg-1，沉積效果最差，當(dāng)靜電電流40 μA時(shí)，沉積率雖有所回升，為6.58%，但荷質(zhì)比已升高為1.090 mC·kg-1，功耗太大且不穩(wěn)定。

圖6 試驗(yàn)E沉積效果與粒徑分布Fig.6 Experiment E deposition effect and particle size distribution

圖7 試驗(yàn)F沉積效果與粒徑分布Fig.7 Experiment F deposition effect and particle size distribution

圖8 試驗(yàn)G沉積效果與粒徑分布Fig.8 Experiment G deposition effect and particle size distribution

圖9 試驗(yàn)H沉積效果與粒徑分布Fig.9 Experiment H deposition effect and particle size distribution

圖10 沉積率柱狀圖Fig.10 Histogram of deposition rate

對(duì)比不同水壓和靜電電流下沉積率可知，在不開啟靜電發(fā)生器情況下，沉積效果明顯比打開靜電發(fā)生器效果差，原因?yàn)樵趪婌F過程中打開靜電發(fā)生器后，超高靜電電壓瞬間電離噴頭附近空氣，當(dāng)霧滴噴出時(shí)附帶電荷，且在噴頭附近形成靜電電場(chǎng)，作用于霧滴，使霧滴向極性相反靶標(biāo)漂移從而實(shí)現(xiàn)沉積。

施加高壓靜電的噴霧試驗(yàn)參數(shù)如表6所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證證明其靜電電流為15 μA 情況下（試驗(yàn)E）靜電噴霧性能最佳。

表6 試驗(yàn)參數(shù)Table 6 Experimental parameters

3.3 不同靜電電流對(duì)霧滴沉積率影響

為驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)有效性與穩(wěn)定性，優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，即水壓為0.50 MPa，靜電電流為15 μA仿真霧化過程。靜電噴霧霧化過程仿真模擬過程，因靜電噴霧有靜電勢(shì)場(chǎng)出現(xiàn)，需對(duì)靜電噴霧環(huán)境建模，利用ANSYS Fluent 軟件中UDF 模塊對(duì)環(huán)境變量設(shè)置靜電場(chǎng)，然后選擇湍流k-e 模型，離散相模型，入口int 為速度入口，出口out 為壓力出口，壓力為0.50 MPa；電極面靜電電流設(shè)為15、40 μA，其他面均為壁面。在Gambit 軟件里建立幾何體模型，在ICEM CFD 軟件里劃分模型邊界，如圖11所示。水壓為0.50 MPa 時(shí)，不施加高壓靜電，仿真模擬噴霧過程，模擬效果如圖12 所示。水壓力為0.50 MPa 時(shí)，開啟靜電發(fā)生器，設(shè)置靜電電流為15、40 μA 分別仿真模擬噴霧霧化過程，效果如圖13所示。

圖11 靜電場(chǎng)下噴霧模型Fig.11 Spray model under electrostatic field

圖12 普通噴霧仿真模擬Fig.12 General spray simulation

圖13 靜電噴霧仿真模擬Fig.13 Static spray simulation

由圖12、13 可知，普通霧滴霧化情況效果不佳，空間范圍內(nèi)霧滴粒子群整體分布不均勻且覆蓋范圍較小，對(duì)施加高壓靜電噴霧而言，同樣為0.50 MPa 水壓，施加高壓靜電噴霧在空間范圍內(nèi)霧滴粒子群整體分布均勻，呈不斷擴(kuò)散趨勢(shì)，對(duì)于靶標(biāo)而言，施加靜電噴霧分布更均勻且作用面積更廣，與普通噴霧相比，可增強(qiáng)對(duì)靶標(biāo)沉積效果。

結(jié)合圖13 兩組模擬結(jié)果可知，靜電噴霧間存在較大差異，在靜電噴霧中靜電電流分別為15、40 μA，更新時(shí)間間隔均為0.001 s，持續(xù)時(shí)間100 s時(shí)，二者噴霧霧滴均呈擴(kuò)張覆蓋趨勢(shì)，隨靜電電流減小，霧滴粒子群擴(kuò)散效果越明顯，靜電電流15 μA均勻性優(yōu)于靜電電流40 μA。為更直觀體現(xiàn)參數(shù)靜電效果，設(shè)置一組小噴射口觀察水顆粒走向如圖14 所示，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)期理論吻合，試驗(yàn)仿真驗(yàn)證本文靜電噴霧參數(shù)具有一定準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

圖14 水顆粒走向Fig.14 Water particle trend

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果以及仿真效果，為驗(yàn)證試驗(yàn)有效性，通過噴霧水壓，靜電電流以及試驗(yàn)時(shí)間對(duì)霧滴沉積效果作分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)噴霧結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化，得到更準(zhǔn)確試驗(yàn)參數(shù)結(jié)果。

則建立以下公式：

式中，Pni-霧滴沉積期望值；τni-單位時(shí)間內(nèi)霧滴沉積平均像素（dpi·s-1）；Tk-試驗(yàn)時(shí)間（s）；ηni-霧滴沉積率（%）。

針對(duì)噴霧水壓和靜電電流對(duì)霧滴沉積率影響。設(shè)Pni為試驗(yàn)霧滴沉積期望值，試驗(yàn)時(shí)間Tk取1 min，Pni在不同噴霧水壓n下，和不同靜電電流i下，公中τni與ηni，也對(duì)應(yīng)有不同值，導(dǎo)致Pni值出現(xiàn)變化，Pni數(shù)值越大，即噴霧沉積率越高，噴霧效率越高。

由表7～8 可知，不同水壓下沉積期望與試驗(yàn)結(jié)果預(yù)期相符合，僅改變噴霧壓力參數(shù)時(shí)，噴霧吸附效率存在遞增關(guān)系，且0.5 MPA處為最優(yōu)。添加靜電電流情況下，計(jì)算結(jié)果也與預(yù)期相符合，在15 μA情況下，P值明顯最高為5.39253。結(jié)合噴霧數(shù)據(jù)仿真模擬與計(jì)算，驗(yàn)證其參數(shù)穩(wěn)定性與可靠性，對(duì)實(shí)際運(yùn)用優(yōu)化改進(jìn)有重要意義。

表7 不同壓力下對(duì)期望值計(jì)算結(jié)果Table 7 Calculation results of expected values under different pressures

表8 不同靜電電流，0.5 MPa下對(duì)期望值計(jì)算結(jié)果Table 8 Calculation results of expected value under different electrostatic current and 0.5 MPa pressure

4 結(jié) 論

本文將不同水壓下沉積率和不同靜電電流下沉積率作試驗(yàn)分析。試驗(yàn)表明，靜電噴霧效果比普通噴霧效果更佳，在0.50 MPa 水壓下，沉積率為6.64%，相較于0.20、0.30 和0.40 MPa 水壓沉積率更佳。靜電電流為15 μA 時(shí)，荷質(zhì)比達(dá)到0.409 mC·kg-1，沉積率為10.13%，較于噴頭噴霧，靜電噴霧性能大幅提升，此時(shí)噴霧效果優(yōu)于15、20、30和40 μA靜電電流，因此靜電電流15 μA靜電噴霧性能最佳。實(shí)際工作情況時(shí)影響霧滴沉積效果因素較多，如噴霧參數(shù)、植株靶標(biāo)特性、噴施藥液物理特性、外界環(huán)境因素等，后續(xù)針對(duì)不同噴霧參數(shù)沉積效果開展分析，深入研究靜電噴霧技術(shù)可有效提高作業(yè)效率和施藥效果。