霧化網(wǎng)格在果樹(shù)植保噴霧中的應(yīng)用與試驗(yàn)

薛秀云，楊振宇，梁馨琪，羅 欽，呂石磊,2,3，李 震

·專(zhuān)題：綠色植保與減量增效施藥技術(shù)·

霧化網(wǎng)格在果樹(shù)植保噴霧中的應(yīng)用與試驗(yàn)

薛秀云1,2,3,4，楊振宇1，梁馨琪1，羅 欽1，呂石磊1,2,3，李 震1,2,3,4※

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院，廣州 510642；2. 國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室，廣州 510642；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南熱帶智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；4. 梅州市華農(nóng)大振聲現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究院，梅州 514781）

針對(duì)目前一些植保機(jī)械在噴灑農(nóng)藥的過(guò)程中難以兼顧低飄移和高沉積的問(wèn)題，該研究將霧化網(wǎng)格應(yīng)用在果樹(shù)植保噴霧作業(yè)中，使噴頭噴出的大粒徑霧滴在接近靶標(biāo)處撞擊網(wǎng)格二次霧化為小霧滴。為了研究霧滴撞擊網(wǎng)格后的粒徑和速度分布以及沉積特性，以網(wǎng)格孔徑、噴頭與網(wǎng)格的距離為變量，以二次霧化后霧滴的速度和粒徑分布、噴霧角、霧滴覆蓋率、沉積量和飄移量為指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：放置孔徑為461、350和227m網(wǎng)格時(shí)測(cè)量點(diǎn)的霧滴平均速度比沒(méi)有網(wǎng)格時(shí)的2.35 m/s分別降低23.40%、13.90%、29.00%，最大平均粒徑比沒(méi)有網(wǎng)格情況下的192.5m分別降低19.5%、14%、10%；隨著網(wǎng)格孔徑的減小，二次霧化后霧滴的噴霧角有逐漸降低的趨勢(shì)；放置350和227m孔徑網(wǎng)格時(shí)果樹(shù)冠層各層內(nèi)沉積均勻性相近，沉積量變異系數(shù)最高分別為88.08%和74.22%，遠(yuǎn)低于461m 孔徑網(wǎng)格的162.98%；放置350m 孔徑網(wǎng)格時(shí)霧滴穿透性較好，各層之間沉積量變異系數(shù)最高為10.08%，低于461和227m 孔徑網(wǎng)格的44.09%和18.25%。在該研究試驗(yàn)條件下，350m 孔徑網(wǎng)格的沉積效果優(yōu)于461和227m 孔徑網(wǎng)格，噴頭與網(wǎng)格的距離對(duì)霧滴覆蓋率和沉積量沒(méi)有顯著影響，使用霧化網(wǎng)格的霧滴飄移較少，非靶標(biāo)區(qū)平均霧滴飄移量為靶標(biāo)區(qū)沉積量的7.58%。研究結(jié)果可為果園無(wú)人機(jī)噴霧作業(yè)優(yōu)化提供參考。

噴霧；UAV；霧滴破碎；金屬絲網(wǎng)；覆蓋率；沉積量

0 引 言

植保噴霧是當(dāng)前病蟲(chóng)害防治的主要方式，植保機(jī)械是植保噴霧中至關(guān)重要的因素[1-3]。目前國(guó)內(nèi)果園施藥仍以手動(dòng)噴霧器大容量淋雨式噴霧為主，并且用藥結(jié)構(gòu)單一，農(nóng)藥使用不規(guī)范，平均農(nóng)藥利用率僅為20%～30%[4-7]，大量藥液被浪費(fèi)，一部分原因是小粒徑藥液霧滴在從噴頭噴出到附著在靶標(biāo)上的過(guò)程中，容易受到環(huán)境風(fēng)的影響而發(fā)生飄移。改進(jìn)植保機(jī)械和施藥技術(shù)能夠減小飄移，有效提高農(nóng)藥利用率[8-10]。

霧滴大小顯著影響其在作物上的沉積以及在空氣中的飄移，霧滴越小越容易飄移，而小霧滴卻能較好地粘附在靶標(biāo)上，相同施藥量下，小霧滴越多，藥液在靶標(biāo)上的附著率越高[11]。

針對(duì)目前大多數(shù)噴霧器難以兼顧霧滴低飄移和高沉積的問(wèn)題，本文提出使用霧化網(wǎng)格的方法。使噴頭噴出的大粒徑液滴在接近靶標(biāo)處撞擊網(wǎng)格，二次霧化為小液滴。

根據(jù)現(xiàn)有的理論，液滴與金屬網(wǎng)格的相互作用是復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，包括碰撞、滲透和破碎，網(wǎng)格參數(shù)和液滴屬性都會(huì)影響撞擊的過(guò)程。Brunet等在液滴撞擊疏水性網(wǎng)格的試驗(yàn)中首次捕捉到了二次液滴的生成，并研究了網(wǎng)格形狀對(duì)撞擊的影響[12]。Ryu等指出，與疏水網(wǎng)格相比，超疏水網(wǎng)格增強(qiáng)了液滴通過(guò)網(wǎng)格的滲透性[13]。Xu等認(rèn)為，液滴碰撞過(guò)程是由慣性壓力和水錘壓力之間的競(jìng)爭(zhēng)決定的[14]。Kumar等對(duì)水滴撞擊超疏水紡織品進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了液滴碰撞速度對(duì)液滴最大擴(kuò)展直徑、接觸時(shí)間和滲透質(zhì)量的影響[15-16]。Soto等的研究中提出了一個(gè)預(yù)測(cè)水滴滲透質(zhì)量和液滴撞擊網(wǎng)格后最大擴(kuò)散直徑的模型[17-18]。Moitra等針對(duì)液體射流撞擊超疏水金屬網(wǎng)格，研究了液體性質(zhì)（密度、表面張力和黏度）和網(wǎng)格屬質(zhì)（孔徑、絲徑）對(duì)液體的穿透前水躍、穿透速度和穿透后空間分布的影響[19]。

在已有理論研究基礎(chǔ)上，本文擬對(duì)噴頭與網(wǎng)格的距離、網(wǎng)格孔徑對(duì)霧滴通過(guò)網(wǎng)格后的粒徑和速度分布、噴霧角、霧滴覆蓋率和沉積量以及霧滴飄移量的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為后續(xù)植保無(wú)人機(jī)噴霧與霧化網(wǎng)格結(jié)合的噴霧技術(shù)研究提供參考，解決果樹(shù)網(wǎng)格大棚模式下無(wú)人機(jī)植保作業(yè)的困境。

1 材料與方法

1.1 霧化網(wǎng)格的應(yīng)用原理

霧化網(wǎng)格的應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。首先噴頭噴出大粒徑霧滴，不易受環(huán)境風(fēng)影響而產(chǎn)生飄移，隨后大粒徑霧滴在接近靶標(biāo)處撞擊金屬網(wǎng)格，二次霧化成粒徑更小的霧滴，霧滴與靶標(biāo)的距離足夠近，不易產(chǎn)生飄移，同時(shí)由于霧滴粒徑減小，霧滴在靶標(biāo)葉片上發(fā)生反彈和破碎的可能性減小，有利于霧滴附著在靶標(biāo)上，提高霧滴覆蓋率和沉積量。

1.噴頭 2.大粒徑霧滴 3.不銹鋼網(wǎng)格 4.小粒徑霧滴 5.靶標(biāo)樹(shù)

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所使用的金屬網(wǎng)格為不銹鋼網(wǎng)格，包括461、350和227m共3種孔徑規(guī)格，試驗(yàn)噴頭為304不銹鋼實(shí)心錐形噴頭（2.4 mm孔徑）。根據(jù)GB/T 20084—2006，這3種孔徑與植保噴霧中細(xì)霧和粗霧相對(duì)應(yīng)[20]，根據(jù)Zhang等的研究，噴霧撞擊網(wǎng)格破碎形成的霧滴粒徑由網(wǎng)格孔徑?jīng)Q定[21]。因此經(jīng)過(guò)這3種孔徑霧化網(wǎng)格后的霧滴粒徑分別為461、350和227m左右，與常規(guī)噴頭霧滴粒徑相近[22]，因此選用這3種孔徑規(guī)格。后續(xù)可用其他無(wú)人機(jī)噴頭進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

為了研究噴霧撞擊網(wǎng)格后的粒徑和速度分布、霧滴沉積和飄移特性，試驗(yàn)分為3部分：第1部分利用相位多普勒測(cè)試儀（Phase Doppler Anemometry，PDA，丹麥Dantec Dynamics A/S）研究噴霧撞擊并穿過(guò)網(wǎng)格后霧滴在空間的粒徑和速度分布[23-24]，第2部分利用高速相機(jī)（德國(guó)PCO公司，型號(hào)pco.dimax cs1）研究噴霧撞擊網(wǎng)格后噴霧角的變化情況[12,17,25]。第3部分利用水敏紙、濾紙和尼龍繩等測(cè)量和分析噴霧撞擊網(wǎng)格后的霧滴在靶標(biāo)上的覆蓋率、沉積量和下風(fēng)向霧滴的飄移量。

1.3.1 霧滴粒徑和速度分布試驗(yàn)

本文定義撞擊網(wǎng)格前的單個(gè)液滴為母液滴，母液滴撞擊網(wǎng)格后破碎產(chǎn)生的液滴為子液滴，由多個(gè)母液滴或子液滴組成的液滴群為霧滴。霧滴粒徑和速度分布試驗(yàn)如圖2所示。

1.計(jì)算機(jī) 2.噴頭 3.激光發(fā)射器 4.不銹鋼網(wǎng)格 5.激光產(chǎn)生器 6.多普勒信號(hào)分析儀 7.信號(hào)接收器

將噴頭固定，并使噴頭垂直向下噴霧，噴霧壓力為0.5 MPa，使用清水進(jìn)行試驗(yàn)。將長(zhǎng)×寬×高為2.5 m×0.7 m×1.3 m的鋁型材架子放置在噴頭下方，將0.7 m×0.7 m的金屬網(wǎng)格固定在架子上并處于噴頭正下方，調(diào)整噴頭與網(wǎng)格的距離為30 cm，此距離的霧滴經(jīng)過(guò)了噴霧過(guò)程的液膜及韌帶區(qū)域的第1次和第2次破碎，霧滴整體成型，霧滴形態(tài)不會(huì)發(fā)生較大變化[26]。 PDA系統(tǒng)為單點(diǎn)測(cè)量，設(shè)置測(cè)量點(diǎn)時(shí)選擇噴霧中軸線方向距離噴頭35～55 cm處，即網(wǎng)格下方5～25 cm處，間隔5 cm。對(duì)于每個(gè)高度，以噴霧中軸線為起點(diǎn)，測(cè)量至噴霧邊緣，間隔5 cm。PDA系統(tǒng)的發(fā)射激光為波長(zhǎng)514.5 nm綠光及488 nm藍(lán)光，發(fā)射探頭和接收探頭焦距為800 mm，散射角度為67°。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量2 000個(gè)霧滴數(shù)據(jù)或60 s，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)量達(dá)到2 000而測(cè)量時(shí)間未達(dá)到60 s，或者測(cè)量時(shí)間達(dá)到60 s而數(shù)據(jù)量未達(dá)到2 000，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)移動(dòng)到下個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)束后將網(wǎng)格撤出，對(duì)相同的測(cè)量點(diǎn)測(cè)量無(wú)網(wǎng)格情況下霧滴的粒徑和速度分布，并與放置網(wǎng)格的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析網(wǎng)格對(duì)霧滴速度和粒徑的影響。

根據(jù)Su等的研究[27]，單液滴撞擊網(wǎng)格后子液滴的平均粒徑與網(wǎng)格孔徑的關(guān)系為

當(dāng)母液滴的大小和撞擊速度固定時(shí)，式（1）右側(cè)為固定值，子液滴的粒徑與孔徑成正比。當(dāng)噴霧撞擊網(wǎng)格時(shí)，子液滴形成更為密集，互相之間更易融合成大液滴，子液滴的粒徑與網(wǎng)格孔徑的關(guān)系將更為復(fù)雜。

1.3.2 噴霧角試驗(yàn)

噴霧角對(duì)噴霧的作用面積有較大影響，單個(gè)液滴撞擊網(wǎng)格破碎后的子液滴會(huì)向周?chē)鷶U(kuò)散，形成噴霧角。為了確切獲得噴霧撞擊網(wǎng)格后噴霧角的變化情況，使用配備N(xiāo)ikon AF-S 24-85 mm/2.8-4D IF鏡頭的高速相機(jī)對(duì)噴霧撞擊網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行拍攝，拍攝頻率為3 086幀/s，曝光時(shí)間為27 ms，光圈大小為F5.6，鏡頭焦距為85 mm，在拍攝過(guò)程中，拍攝條件保持不變，以確保數(shù)據(jù)處理中的比例尺保持一致。噴霧角試驗(yàn)如圖3所示。

1.計(jì)算機(jī) 2.噴頭 3.光源 4.不銹鋼網(wǎng)格 5.高速相機(jī)

將光源、噴頭和高速相機(jī)依次固定好，網(wǎng)格和鋁型材架固定在噴頭正下方，光源、高速相機(jī)和網(wǎng)格處于同一水平面上。改變噴頭的位置以調(diào)節(jié)噴頭與網(wǎng)格的距離，在噴頭與網(wǎng)格垂直距離為10、30、50 cm處進(jìn)行測(cè)試，獲取噴霧撞擊網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)過(guò)程，然后通過(guò)ImageJ軟件測(cè)量噴霧在撞擊網(wǎng)格前后的噴霧角變化。

1.3.3 霧滴覆蓋率、沉積量及飄移量試驗(yàn)

當(dāng)霧滴覆蓋率較高（>17%）時(shí)，霧滴之間的疊加會(huì)導(dǎo)致沉積量出現(xiàn)較大的偏差[29]，而化學(xué)分析采樣器可獲得精確沉積量數(shù)據(jù)。因此本研究使用水敏紙和濾紙2種采樣器進(jìn)行試驗(yàn)，水敏紙測(cè)量霧滴覆蓋率，濾紙測(cè)量霧滴沉積量，如圖4、圖5所示。以柑橘樹(shù)為靶標(biāo)，根據(jù)JB/T 9782—2014[30]，將柑橘樹(shù)分為上、中、下3個(gè)平面，間隔為0.5 m，將每個(gè)平面以前、中、后3條線進(jìn)行劃分，間距25 cm，再將平面以左、中、右3條線進(jìn)行劃分，于線的交點(diǎn)位置布置采樣點(diǎn)，一共27個(gè)采樣點(diǎn)，根據(jù)采樣點(diǎn)的布置，上、中、下3層分別標(biāo)記為A、B、C，A層的前、中、后3個(gè)位置分別記為A1、A2、A3，左、中、右3個(gè)點(diǎn)分別記為A1-1、A1-2、A1-3、A2-1、A2-2、A2-3、A3-1、A3-2、A3-3。每個(gè)采樣點(diǎn)按編號(hào)放置一張水敏紙（重慶六六山下植保科技有限公司）和一張濾紙（上海半島實(shí)業(yè)有限公司，孔徑0.22m），水敏紙形狀為邊長(zhǎng)為76 mm×26 mm的矩形，濾紙形狀為直徑50 mm的圓形。使用長(zhǎng)、寬、高分別為2.5 m×0.7 m×2 m的鋁型材架子放置在果樹(shù)上方，將0.7 m×0.7 m的金屬網(wǎng)格固定在架子上，網(wǎng)格與果樹(shù)間距約為25 cm，噴頭從網(wǎng)格上方10、30、50 cm處垂直向下噴霧，每次噴霧1 s。試驗(yàn)使用甲基橙染色劑濃度為0.5 g/L的蒸餾水溶液作為噴霧液。

試驗(yàn)結(jié)束后，分析不同孔徑網(wǎng)格對(duì)霧滴沉積特性的影響，分析結(jié)果表明，與另外兩種孔徑網(wǎng)格相比，放置350m 孔徑網(wǎng)格的沉積量、覆蓋率、霧滴均勻性和穿透性均較優(yōu)，因此選用其進(jìn)行霧滴飄移量檢測(cè)。增加噴頭與網(wǎng)格的相對(duì)高度至1、2和3 m。設(shè)計(jì)并制作4組收集裝置，測(cè)量霧滴在下風(fēng)向3、5、7和9 m處同一豎直平面不同高度的霧滴分布。收集裝置高×寬為2 m×1 m，由直徑為2 cm的硬聚氯乙烯管材搭建而成。收集裝置從0.3 m起至1.8 m為止，每隔0.3 m布置一根長(zhǎng)1 m、直徑2 mm的尼龍繩（祥宇繩網(wǎng)）作為霧滴收集器，使用鳳尾夾將其固定在收集裝置上，每個(gè)收集裝置上布置6根，單次試驗(yàn)共計(jì)24根。金屬網(wǎng)格和樹(shù)上霧滴收集裝置的布置方法相同。試驗(yàn)時(shí)使用風(fēng)速儀（標(biāo)智儀表，GM8902）對(duì)環(huán)境風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，環(huán)境風(fēng)速在2.1～4.3 m/s。

1.噴頭 2.不銹鋼網(wǎng)格 3.靶標(biāo)樹(shù) 4.飄移霧滴收集裝置

圖5 霧滴沉積試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和采樣器

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.4.1 霧滴粒徑和速度

霧滴在空間中的速度大小和方向由PDA（Phase Doppler Anemometry）測(cè)量獲得，PDA 探頭將采集到的霧滴信息傳輸?shù)絇DA 配套軟件BSAFlow Software 處理，獲得霧滴在空間中的速度。每個(gè)采樣點(diǎn)選擇沿豎直向下與水平方向的速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后計(jì)算合速度，之后使用Origin 2018軟件進(jìn)行處理，得到霧滴的粒徑和速度分布圖。

1.4.2 噴霧角

使用高速相機(jī)拍攝獲取噴霧撞擊網(wǎng)格時(shí)噴霧角的變化情況，如圖6所示，圖中網(wǎng)格孔徑為461m，噴頭距離網(wǎng)格10 cm，其中和的大小由ImageJ軟件獲得，噴頭噴霧角和二次霧化霧滴的噴霧角分別表示為2和2。

注：λ為噴頭噴霧角的1/2，（°）；θ為噴霧在穿過(guò)網(wǎng)格后霧滴邊緣與鉛垂線的夾角，（°）。

1.4.3 霧滴覆蓋率、沉積量及飄移量

每次試驗(yàn)完成后，待采樣點(diǎn)水敏紙和濾紙完全干燥，立即將所有樣品（水敏紙、濾紙、尼龍繩）避光保存，將水敏紙、濾紙以及尼龍繩收集保存在規(guī)格為22 cm×15 cm塑料自封袋中，避免樣品之間交叉污染，全天試驗(yàn)結(jié)束后將當(dāng)天獲取的樣品運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室避光、陰涼處儲(chǔ)存，隨后對(duì)樣品進(jìn)行處理和測(cè)定。處理樣品時(shí)，對(duì)水敏紙使用掃描儀（HP LaserJet Pro M126nw MFP）在600 dpi分辨率灰度下進(jìn)行掃描，并使用ImageJ軟件分析霧滴覆蓋率，根據(jù)GB/T 20084—2006，霧滴覆蓋率為目標(biāo)物上霧滴所覆蓋的表面積與目標(biāo)物總表面積的比值[20]，由式（6）計(jì)算得到：

1.4.4 霧滴沉積的均勻性和穿透性

為表征各采集點(diǎn)之間的霧滴沉積均勻性和沉積穿透性，本研究以果樹(shù)上每層不同采集點(diǎn)之間霧滴沉積量的變異系數(shù)（Coefficient of Variation，CV）來(lái)衡量霧滴的沉積均勻性，以A、B、C三層之間霧滴沉積量的CV來(lái)衡量霧滴沉積穿透性；其中，變異系數(shù)值越小表示霧滴沉積越均勻，穿透性越好。依據(jù)ISO24253-1，噴霧沉積量的算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)計(jì)算公式為[33]

2 結(jié)果與分析

2.1 霧滴粒徑和速度分布特性

圖7為噴霧壓力0.5 MPa時(shí)不同噴霧條件下霧滴的粒徑和速度分布圖。總體上看，距離噴頭較近的區(qū)域霧滴的速度較大，距離噴頭350 mm處?kù)F滴平均速度為1.59～3.07 m/s，距離噴頭550 mm處?kù)F滴平均速度為0.8～2.97 m/s。從圖7中還可看出，錐形噴霧邊緣區(qū)域霧滴速度較小，邊緣區(qū)域霧滴速度最大為1.86 m/s，低于錐形噴霧中心的3.08 m/s。與沒(méi)有放置網(wǎng)格的情況相比，噴頭下方放置網(wǎng)格時(shí)，噴霧撞擊并穿透網(wǎng)格后的速度明顯下降，沒(méi)有放置網(wǎng)格時(shí)，測(cè)量點(diǎn)的平均速度為2.35 m/s，放置461、350和227m 孔徑網(wǎng)格時(shí)測(cè)量點(diǎn)的平均速度分別為1.80、2.02、1.67 m/s，比沒(méi)有放置網(wǎng)格分別減少了23.40%、13.90%、29.00%，這說(shuō)明網(wǎng)格能有效降低噴霧的運(yùn)動(dòng)速度。霧滴速度較大時(shí)，撞擊靶標(biāo)后更易發(fā)生破碎、飛濺，或者反彈，導(dǎo)致霧滴脫離靶標(biāo)[34]，因此，霧化網(wǎng)格有利于提高霧滴在植被上的沉積效果，從而減少農(nóng)藥流失和浪費(fèi)。

從圖7中還可以看出，在距離噴頭較近的區(qū)域霧滴粒徑較小，遠(yuǎn)離噴頭的區(qū)域霧滴粒徑較大，霧滴粒徑沿軸向和徑向有增加的趨勢(shì)，錐形噴霧邊緣的霧滴粒徑范圍為90.8～192.5m，噴霧中心的霧滴粒徑范圍為58.4～108.9m。這主要是由于霧滴在空氣中流動(dòng)時(shí)，霧滴與霧滴之間發(fā)生相互碰撞，并融合成粒徑更大的霧滴。與沒(méi)有放置網(wǎng)格的情況相比，噴頭下方放置網(wǎng)格的情況下，霧滴的最大平均粒徑有所減小。沒(méi)有網(wǎng)格時(shí)，測(cè)量點(diǎn)最大的平均粒徑為192.5m，放置461、350和227m孔徑網(wǎng)格時(shí)，測(cè)量點(diǎn)最大的平均粒徑分別為155.0、165.6和173.3m，分別比沒(méi)有網(wǎng)格情況下降了19.5%、14%、10%，說(shuō)明霧化網(wǎng)格在一定程度上能夠降低噴霧的粒徑，而小粒徑的霧滴能夠增加霧滴的密度和覆蓋率[35]，提高施藥效果。從圖7中還可以看出，孔徑更小的網(wǎng)格霧滴的粒徑反而更大，這是由于孔徑較小的網(wǎng)孔之間的距離小，霧滴穿過(guò)網(wǎng)格后霧滴之間的距離更小，霧滴之間反而更容易融合成大霧滴。

圖8為軸向不同距離處的平面測(cè)量點(diǎn)霧滴粒徑CV值，表示不同平面內(nèi)霧滴粒徑的分散程度，CV值越小，表明霧滴粒徑分布越均勻。從圖中可以看出，隨著與噴頭距離的增加，CV值有上升趨勢(shì)，當(dāng)網(wǎng)格孔徑為461和227m 時(shí)，CV值均小于沒(méi)有網(wǎng)格的情況。而當(dāng)網(wǎng)格孔徑為350m時(shí)，與噴頭距離為350和450 mm時(shí)，CV值小于沒(méi)有網(wǎng)格的情況，其他距離的CV值與沒(méi)有網(wǎng)格情況相當(dāng)?？傮w上，放置網(wǎng)格后霧滴的CV值低于沒(méi)有放置網(wǎng)格的情況，這表明霧化網(wǎng)格能在一定程度上優(yōu)化霧滴的粒徑分布。放置網(wǎng)格的霧滴平均CV值為21.5%，比NY/T 650—2017[36]中對(duì)常規(guī)量機(jī)動(dòng)噴霧分布均勻性要求的50%低28.5個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明霧化網(wǎng)格的噴霧均勻性較優(yōu)。

2.2 噴霧穿過(guò)網(wǎng)格后噴霧角的變化

3種網(wǎng)格孔徑以及噴頭與網(wǎng)格3種距離條件下，噴霧角的變化如表1所示。從表1中可以看出：噴頭與網(wǎng)格距離為10 cm時(shí)二次霧化的噴霧角最大，為84.179°，比無(wú)網(wǎng)格情況下的63.813°大20.366°。這是由于當(dāng)噴頭與網(wǎng)格距離最小時(shí)，霧滴撞擊網(wǎng)格的速度最大，導(dǎo)致霧滴穿過(guò)網(wǎng)格后向四周擴(kuò)散，使得噴霧角更大。在461m孔徑網(wǎng)格、噴頭與網(wǎng)格距離為10和30 cm以及350m孔徑網(wǎng)格、噴頭與網(wǎng)格距離為10 cm的條件下，二次霧化霧滴的噴霧角大于沒(méi)有放置網(wǎng)格的情況，這使得噴霧范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。從表1中還可以看出，隨著網(wǎng)格孔徑的減小，二次霧化后霧滴的噴霧角逐漸降低，這是由于當(dāng)網(wǎng)格孔徑減小時(shí)，霧滴難以穿過(guò)網(wǎng)格，導(dǎo)致霧滴穿過(guò)網(wǎng)格的速度減小，霧滴向外擴(kuò)散的幅度變小，從而使二次霧化霧滴的噴霧角減小。

2.3 霧滴覆蓋率

不同試驗(yàn)條件下霧滴覆蓋率如圖9所示。在所有試驗(yàn)條件下，A、B、C層的霧滴覆蓋率逐漸降低，覆蓋率隨著與噴頭距離的增大而逐漸減小，在接近地面處?kù)F滴覆蓋率最小。而噴頭與網(wǎng)格的距離對(duì)覆蓋率沒(méi)有明顯的影響。

注：圖中箭頭代表測(cè)量點(diǎn)霧滴速度的方向和大小，實(shí)心圓代表霧滴粒徑。

圖8 與噴頭不同距離處平面內(nèi)粒徑的霧滴變異系數(shù)CV

圖10為3種網(wǎng)格孔徑下噴頭與網(wǎng)格不同距離時(shí)的霧滴平均覆蓋率。從圖10中可以看出，網(wǎng)格孔徑為461和350m 時(shí)，霧滴覆蓋率的變化規(guī)律接近，噴頭與網(wǎng)格的距離對(duì)霧滴覆蓋率影響不大。但網(wǎng)格孔徑為227m，噴頭與網(wǎng)格距離為10 cm時(shí)，霧滴覆蓋率明顯小于噴頭與網(wǎng)格距離為30和50 cm的情況，這是由于噴頭與網(wǎng)格的距離較近時(shí)，噴霧與網(wǎng)格接觸的面積較小，并且由于227m孔徑較小，霧滴難以穿透網(wǎng)格，有一部分液體留在網(wǎng)格上方，導(dǎo)致穿透網(wǎng)格的霧滴較少，進(jìn)而覆蓋率較小。有網(wǎng)格情況下，平均霧滴覆蓋率為41.94%，比NY/T 650—2017[36]中對(duì)常規(guī)噴霧藥液覆蓋率要求的33%高8.94個(gè)百分點(diǎn)。

表1 有無(wú)霧化網(wǎng)格的霧滴噴霧角對(duì)比

圖9 各測(cè)試條件下的霧滴覆蓋率

圖10 噴頭與網(wǎng)格不同距離時(shí)的平均霧滴覆蓋率

2.4 霧滴沉積量

霧滴沉積量試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，無(wú)網(wǎng)格時(shí)，噴頭位置與有網(wǎng)格時(shí)相同。從表2中可以看出，噴頭與網(wǎng)格距離的增大對(duì)霧滴沉積量影響不大，霧滴的沉積量隨網(wǎng)格孔徑的減小而減小，網(wǎng)格孔徑為461m時(shí)霧滴平均沉積量最大，為0.727L/cm2，網(wǎng)格孔徑為227m時(shí)霧滴沉積量最小，為0.586L/cm2，網(wǎng)格孔徑為350和227m情況下，霧滴沉積量分別比461m孔徑網(wǎng)格情況減少6.7%和19.3%。這是由于當(dāng)網(wǎng)格孔徑減小時(shí)，霧滴難以穿過(guò)網(wǎng)格，穿過(guò)網(wǎng)格的霧滴量減少，從而霧滴沉積量減小。

2.5 霧滴沉積均勻性和穿透性

從表2中可以看出，當(dāng)網(wǎng)格孔徑為461m時(shí)，果樹(shù)上單層采樣點(diǎn)之間的CV值和各層之間的CV值較大，單層最大CV值達(dá)到162.92%，各層之間最大CV值達(dá)到44.09%，表明霧滴沉積均勻性-較差，并且霧滴穿透性能相對(duì)另兩個(gè)網(wǎng)格較差。對(duì)于孔徑為350和227m的網(wǎng)格，試驗(yàn)結(jié)果表明霧滴在單層各采樣點(diǎn)之間最大的CV值不超過(guò)90%，各層之間最大CV值不超過(guò)20%，這表明在使用350和227m孔徑網(wǎng)格時(shí)霧滴的均勻性和穿透性能較好。

表2 霧滴沉積量試驗(yàn)結(jié)果

2.6 霧滴飄移量

將噴頭與網(wǎng)格的距離調(diào)高后進(jìn)行的霧滴飄移量試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，霧滴飄移量隨著噴頭與網(wǎng)格之間距離的增加而增加，隨著下風(fēng)向距離的增加而減少。在所有試驗(yàn)中，下風(fēng)向距離9 m的位置都沒(méi)有檢測(cè)到霧滴飄移量，表明該試驗(yàn)條件下霧滴的最大飄移距離不超過(guò)9 m，較大霧滴的抗飄移能力較高。

試驗(yàn)中將果樹(shù)上的采樣點(diǎn)定義為靶標(biāo)區(qū)，將霧滴飄移的收集裝置定義為非靶標(biāo)區(qū)，圖11為噴頭與網(wǎng)格不同距離情況下，放置350m 孔徑網(wǎng)格與無(wú)網(wǎng)格時(shí)，靶標(biāo)區(qū)和非靶標(biāo)區(qū)的平均霧滴沉積量，從圖11可以看出，使用網(wǎng)格法時(shí)，靶標(biāo)區(qū)的平均霧滴沉積量隨著噴頭與網(wǎng)格距離的增大而減小，而非靶標(biāo)區(qū)的平均霧滴沉積量隨著噴頭與網(wǎng)格距離的增大而增大。放置350m 孔徑網(wǎng)格條件下，靶標(biāo)區(qū)的平均霧滴沉積量為0.249L/cm2，非靶標(biāo)區(qū)的平均霧滴飄移量為0.019L/cm2，為靶標(biāo)區(qū)霧滴沉積量的7.58%。在噴頭與網(wǎng)格距離為3 m時(shí)，靶標(biāo)區(qū)和非靶標(biāo)區(qū)的平均霧滴沉積量差距最小，在這種條件下靶標(biāo)區(qū)的平均霧滴沉積量也遠(yuǎn)大于非靶標(biāo)區(qū)的平均霧滴沉積量，表明使用網(wǎng)格能有效抑制霧滴的飄移，并且靶標(biāo)區(qū)的霧滴沉積量較高。從圖11中還可以看出，放置網(wǎng)格時(shí)霧滴在靶標(biāo)區(qū)的沉積量低于無(wú)網(wǎng)格情況，這表明網(wǎng)格對(duì)霧滴有一定的阻礙作用，導(dǎo)致靶標(biāo)區(qū)的霧滴沉積量減少，而對(duì)非靶標(biāo)區(qū)則沒(méi)有影響，這也表明液滴的飄移主要發(fā)生在霧滴從噴頭噴出到撞擊網(wǎng)格的過(guò)程。

表3 霧滴飄移量試驗(yàn)結(jié)果

圖11 噴頭與網(wǎng)格不同距離時(shí)靶標(biāo)區(qū)與非靶標(biāo)區(qū)的平均霧滴沉積量

3 結(jié) 論

本研究提出一種霧化網(wǎng)格的方法，利用液滴穿過(guò)網(wǎng)格破碎的特性，在壓力旋流噴頭下方放置網(wǎng)格，使得噴霧在撞擊網(wǎng)格后再一次的霧化，利用PDA（Phase Doppler Anemonetry）研究了不同條件下二次霧化后粒徑和速度分布，并且通過(guò)水敏紙、濾紙和尼龍繩研究霧滴的沉積和飄移特性。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析后得到主要結(jié)論如下：

1）霧化網(wǎng)格法能夠有效的降低霧滴的速度和粒徑，461、350和227m孔徑網(wǎng)格下，霧滴的速度和粒徑分別比無(wú)網(wǎng)格情況下降低了23.40%、13.90%、29.00%和19.5%、14%、10%，在噴頭到網(wǎng)格的區(qū)間內(nèi)，大粒徑霧滴不易飄移，在霧滴撞擊網(wǎng)格后速度和粒徑減小，且由于網(wǎng)格距離果樹(shù)較近，霧滴可飄移空間較少，故可規(guī)避小粒徑霧滴易飄移的缺點(diǎn)，并保留小霧滴在靶標(biāo)上不易反彈、覆蓋率高的優(yōu)勢(shì)。噴頭與網(wǎng)格的距離對(duì)霧滴沉積量和覆蓋率沒(méi)有顯著的影響。

2）網(wǎng)格孔徑以及噴頭與網(wǎng)格的距離能影響霧滴噴霧角變化程度，在一定條件下二次霧化的霧滴噴霧角會(huì)變大，如在網(wǎng)格孔徑為461m、噴頭與網(wǎng)格距離為10 cm條件下，二次霧化霧滴的噴霧角比無(wú)網(wǎng)格時(shí)噴霧角大20.366°，能擴(kuò)大噴霧的范圍。隨著孔徑的減小，二次霧化霧滴的噴霧角有逐漸減小的趨勢(shì)。

3）網(wǎng)格的孔徑對(duì)霧滴沉積的均勻性和穿透性有較大影響，放置孔徑為461m網(wǎng)格時(shí)各層內(nèi)采樣點(diǎn)沉積量的CV最大為162.98%，沉積均勻性最差，孔徑為350和227m網(wǎng)格時(shí)沉積均勻性相近，采樣點(diǎn)沉積量的變異系數(shù)值在33.51%～88.08%之間。放置孔徑為350m網(wǎng)格時(shí)各層之間霧滴沉積量CV最小，CV在0.8%～10.08%之間，表明霧滴穿透能力更好，綜上在本試驗(yàn)條件下，放置孔徑為350m網(wǎng)格沉積效果要優(yōu)于孔徑為461和227m網(wǎng)格。

4）放置網(wǎng)格并噴灑大霧滴的條件下，具有較低的霧滴飄移量，且在靶標(biāo)區(qū)霧滴沉積量有較高水平，非靶標(biāo)區(qū)平均霧滴飄移量為靶標(biāo)區(qū)沉積量的7.58%。放置網(wǎng)格會(huì)對(duì)霧滴在靶標(biāo)上的沉積有一定阻礙作用，而對(duì)霧滴飄移沒(méi)有影響，說(shuō)明霧滴飄移主要發(fā)生在霧滴從噴頭噴出到撞擊網(wǎng)格的過(guò)程。

后續(xù)將結(jié)合植保無(wú)人機(jī)噴霧與霧化網(wǎng)格法，通過(guò)大量果園田間試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)來(lái)明確針對(duì)不同施藥參數(shù)、環(huán)境參數(shù)與飄移率之間的關(guān)系，探索建立植保無(wú)人機(jī)噴霧與霧化網(wǎng)格法結(jié)合的飄移模型，并評(píng)估網(wǎng)格對(duì)藥液造成的損失，為植保無(wú)人機(jī)噴霧與霧化網(wǎng)格法結(jié)合的作業(yè)參數(shù)及網(wǎng)格參數(shù)選擇提供參考。

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Application and experiments of the atomization mesh used on the plant protection spraying in orchards

Xue Xiuyun1,2,3,4, Yang Zhenyu1, Liang Xinqi1, Luo Qin1, Lyu Shilei1,2,3, Li Zhen1,2,3,4※

(1.,,510642, China; 2.,,510642,; 3.,,510642,; 4-,514781,)

Plant protection spraying has been the main way to prevent crops from pests and diseases at present. However, the average utilization rate of pesticides is only 20% to 30% in manual sprayers and large-capacity rain spraying, particularly with water consumption of 600-1 200 L/hm2. The current pesticide spraying cannot fully meet the requirement of intensive agriculture in recent years. Among them, a large number of droplets with small particle sizes are susceptible to drifting by ambient wind. In this study, the mesh atomization of droplets was applied to reduce the wind drift for the high utilization rate of pesticides in the process of plant protection spraying. A systematic optimization was also made to investigate the secondary atomization characteristics of the droplets and the deposition effect of the droplets after the spray hits the mesh. The experimental variables were set as the pore size and the distance between the nozzle and the mesh. Phase Doppler Anemometry (PDA) was used to measure the velocity and particle size distribution of droplets after secondary atomization. A high-speed camera was selected to capture the spray angle. A 0.5 g/L methyl orange aqueous solution was prepared as a spray solution. The water-sensitive and filter tests were carried out to determine the droplet coverage and deposition amount, in order to evaluate the droplet deposition characteristics of the mesh atomization. The test results showed that: 1) the mesh effectively reduced the speed of the droplets. The average velocities of the measurement points were 1.80, 2.02, and 1.67 m/s under the mesh with pore sizes of 461, 350, and 227m, respectively. There were 23.40%, 13.90%, and 29.00% lower than those without the mesh (2.35 m/s). 2) The mesh reduced the particle size of the droplets. The maximum average particle sizes of the measurement points were 155.0, 165.6, and 173.3m under the mesh with the pore size of 461, 350, and 227m, respectively, which were 19.5%, 14%, and 10% lower than those without the mesh (192.5m). 3) The spray angle of the droplet was varied in the pore size of the mesh and the distance between the nozzle and the mesh. Specifically, the maximum spray angle was 84.179° for the secondary atomized droplets at the pore size of 461m and the 10cm distance between the nozzle and the mesh, which was 20.366° larger than that without the mesh. 4) There was a great influence of pore size on the uniformity and penetration of the droplet deposition. The coefficient of variation of the deposition rate was between 33.51% and 88.08% at the sampling point of the mesh with the pore size of 350 and 227m, respectively, indicating similar deposition uniformity. By contrast, the maximum coefficient of variation of the deposition rate was 162.98% at the sampling points in each mesh layer with a pore size of 461m, indicating relatively less deposition uniformity. The better penetration of droplets was achieved in the mesh with the pore size of 350m, where the coefficient of variation of deposition between layers was between 0.8 % and 10.08 %. The better deposition was obtained in the mesh with the pore size of 461m in this case, compared with the pore size of 461 and 227m. There was no significant effect of the distance between the nozzle and the grid on the droplet coverage and deposition volume. In terms of the grids and large spraying droplets, the average droplet drift in the non-target area was 7.58 % of the deposition in the target area, indicating better performance after optimization. This finding can provide a strong reference to select the spraying and mesh parameters for the combination of plant protection UAV spray and mesh atomization.

spray; UAV; droplet breaking; wire mesh; spray coverage; deposit rate

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.001

S491

A

1002-6819(2022)-18-0001-10

薛秀云，楊振宇，梁馨琪，等. 霧化網(wǎng)格在果樹(shù)植保噴霧中的應(yīng)用與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(18)：1-10.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.001 http://www.tcsae.org

Xue Xiuyun, Yang Zhenyu, Liang Xinqi, et al. Application and experiments of the atomization mesh used on the plant protection spraying in orchards[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 1-10. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.001 http://www.tcsae.org

2022-04-24

2022-08-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31971797，32271997）；財(cái)政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部：國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助項(xiàng)目；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFD1000107）；廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金（2022KJ108）

薛秀云，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橹脖C(jī)械與施藥技術(shù)。Email：xuexiuyun@scau.edu.cn

李震，博士，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用。Email：lizhen@scau.edu.cn