孔口尺寸和噴霧壓力對典型扇形航空噴頭霧化特性的影響研究

姚偉祥，鄭登月，潘瑞龍，劉益含，曹英麗，許童羽

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院/遼寧省農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，沈陽 110161）

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，航空噴灑技術(shù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，與地面噴灑和有人駕駛飛機(jī)噴灑等方式相比，植保無人機(jī)噴灑具有垂直起降、作業(yè)高效、操作簡單等優(yōu)勢[1-2]。在理想的植保無人機(jī)噴灑作業(yè)過程中，所有農(nóng)藥都應(yīng)沉降在靶標(biāo)區(qū)域內(nèi)，但由于噴灑時(shí)受到無人機(jī)飛行速度、飛行高度以及旋翼下方湍流風(fēng)場的影響，不可避免地會發(fā)生霧滴飄移現(xiàn)象[3]。霧滴飄移是指飛行器在噴灑農(nóng)藥過程中，霧滴隨氣流運(yùn)動沉積于非靶標(biāo)區(qū)域的現(xiàn)象[4]。影響霧滴飄移的首要因素被認(rèn)為是霧滴粒徑尺寸，小霧滴更容易在作業(yè)過程中發(fā)生飄移現(xiàn)象[5]，因此準(zhǔn)確地測量霧滴粒徑尺寸便成為評估噴霧性能和作業(yè)效果的關(guān)鍵[6]。

目前，國外學(xué)者已針對航空噴頭霧化特性展開多項(xiàng)研究，其理論體系已經(jīng)相對成熟。TESKE等[7]建立了AGDISP(Agricultural Dispersion)和AGDRIFT(Agricultural Drift)預(yù)測模型，能夠便捷、直觀地預(yù)測不同粒徑大小霧滴的飄移程度。CZACZYK等[8]測量了MMAT公司不同孔徑和流道的扇形噴頭在不同壓力下的霧滴粒徑，發(fā)現(xiàn)該型號系列噴頭噴施的霧滴可滿足工作環(huán)境下的抗飄移需求。THOMSON等[9]通過對有人駕駛固定翼飛機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，研究了螺旋槳效應(yīng)對不同粒徑尺寸農(nóng)藥霧滴飄移的影響。KIRK[10]通過改變噴霧壓力、風(fēng)速和噴頭安裝角度等因素，對CP系列噴頭進(jìn)行了霧滴粒徑擬合，預(yù)測了不同參數(shù)下噴頭的霧滴粒徑尺寸。AHMAD等[11]研究了單旋翼植保無人機(jī)噴施作業(yè)時(shí)靶標(biāo)區(qū)域和非靶標(biāo)區(qū)域霧滴沉積的影響因素，發(fā)現(xiàn)霧滴粒徑尺寸和氣象條件均會影響噴霧覆蓋范圍和霧滴沉積效果。FELSOT等[12]經(jīng)過收集分析大量霧滴飄移試驗(yàn)數(shù)據(jù)后提出了噴霧粒徑尺寸選擇、緩沖區(qū)設(shè)置等多種抗飄移措施。

我國航空噴頭霧化性能研究起步較晚，但發(fā)展迅速，也已經(jīng)取得一些成果。曾愛軍等[13]通過對飄移潛在指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)影響霧滴飄移的主要因素是霧滴粒徑尺寸和風(fēng)速。翁海舟等[14]通過田口正交試驗(yàn)得出，噴霧高度對噴霧性能影響最為顯著，噴霧下壓風(fēng)場次之。張慧春等[15]分析了在不同壓力下四種扇形噴頭(AIXR11002、TT11002、XR11002和XR11001)的霧滴粒徑分布，發(fā)現(xiàn)相同壓力下AIXR11002氣吸型噴頭所產(chǎn)生的霧滴粒徑最大，霧滴譜寬度最窄。陳志剛等[16]通過試驗(yàn)得出，靜電電壓、噴霧壓力和環(huán)境風(fēng)速對霧滴沉積率的影響逐一降低。陸楓等[17]通過對三種類型航空噴頭霧化特性進(jìn)行比較并分析得出，在地面噴灑過程中，霧滴粒徑尺寸主要受到噴霧壓力和噴頭種類等因素的影響。唐青等[18]基于風(fēng)洞試驗(yàn)條件，研究發(fā)現(xiàn)在航空噴灑過程中，霧滴粒徑尺寸會受到飛行風(fēng)速風(fēng)向和噴頭安裝角度等條件的影響。

結(jié)合上述研究可知，選擇合適的噴頭型號和設(shè)定適當(dāng)?shù)膰婌F壓力能有效提高噴霧效果、擴(kuò)大覆蓋范圍和優(yōu)化飄移管理，選擇不當(dāng)，則可能降低噴霧性能，從而影響農(nóng)藥作用效果[19-20]。針對這一現(xiàn)狀，本研究通過設(shè)定不同噴霧壓力，采用DP-02激光粒度儀分別對具有多種孔口尺寸的航空噴頭進(jìn)行試驗(yàn)，測量霧滴粒徑變化情況并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，以此評估當(dāng)前植保無人機(jī)所適配的典型扇形航空噴頭的霧化特性，以期為優(yōu)化航空施藥方案及減少航空噴施霧滴飄移提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)使用的噴施裝置由藥箱、水泵、流量計(jì)、壓力表和噴頭共同組成（圖1），并通過電源適配器調(diào)節(jié)水泵工作電壓從而控制噴霧壓力。測量裝置是DP-02激光粒度儀（珠海OMEC儀器有限公司）。該儀器采用He-Ne氣體激光發(fā)射器，具有48個(gè)獨(dú)立的檢測單元，通過光線在行進(jìn)中遇到微小顆粒時(shí)，發(fā)生散射的現(xiàn)象進(jìn)行粒徑測定。利用顆粒越大，散射角將會越??；顆粒越小，則散射角越大的現(xiàn)象，測得散射光的分布情況，就可以推算出顆粒的大小。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of the experiment device

在測量裝置中，激光粒度儀發(fā)射器和接收器的間距為120cm，并將其水平放置在兩側(cè)工作平臺上。將噴頭置于激光正上方，使激光垂直穿過噴霧羽流，在噴頭和激光豎直方向40cm處進(jìn)行測量。

試驗(yàn)選取噴頭均為全新無磨損噴頭（圖2），包括意大利ARAG公司生產(chǎn)的延長范圍型噴頭（CFA11001、CFA110015、CFA11002、CFA11003和CFA11004，孔口尺寸依次增大）和標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭（SF11002），以及美國噴霧系統(tǒng)公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭（TeeJet11002）。

圖2 試驗(yàn)噴頭Figure 2 Experiment nozzle

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1，共28個(gè)試驗(yàn)處理，主要分為兩部分進(jìn)行：（1）將噴霧壓力設(shè)定為0.6MPa，對選定的所有類型噴頭依次進(jìn)行噴霧測定，每種型號噴頭選取3個(gè)作為重復(fù)；（2）設(shè)置7組噴霧壓力，分別為0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8MPa，依次對CFA11002、SF11002和TeeJet11002噴頭進(jìn)行噴霧測定，每種型號噴頭選取3個(gè)作為重復(fù)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design

試驗(yàn)過程中室內(nèi)溫度保持在23℃，空氣濕度保持在40%恒定，通過激光粒度儀對霧滴粒徑數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與記錄。噴霧試劑為水，每次單獨(dú)型號噴頭噴霧試驗(yàn)至少重復(fù)5次，單次采樣時(shí)間為30s，以確保同一組霧滴大小數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差不大于5%。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

考慮到激光粒度測量通常是高度可重復(fù)的，所有統(tǒng)計(jì)分析均使用SPSS v26.0軟件進(jìn)行處理。在檢驗(yàn)各組數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布后，通過方差分析（ANOVA）的事后檢驗(yàn)（p=0.05）對每個(gè)噴頭類型的霧滴粒徑尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并使用Origin軟件繪制統(tǒng)計(jì)圖進(jìn)行比較。

評價(jià)噴頭霧化性能的參數(shù)包括DV0.1、DV0.5、DV0.9、V<100（%volume）、V<150（%volume）、擴(kuò)散值（Spread value，SV）和相對跨度（Relative span，RS）。DVa表示霧滴粒徑由小到大累加到占全部霧滴體積的（a×100）%時(shí)對應(yīng)的霧滴粒徑值。其中，DV0.5又稱體積中值直徑（Volume median diameter，VMD），常用來表征霧滴粒徑大小。V<100（%volume）和V<150（%volume）分別表示霧滴粒徑小于100μm和150μm時(shí)所對應(yīng)的累積噴霧體積百分比。SV表示同組試驗(yàn)中重復(fù)測量結(jié)果差異，SV越小，表明同組試驗(yàn)重復(fù)測試結(jié)果差異越小，計(jì)算公式為：

式中：SV為擴(kuò)散值；Dmax為DVa的最大值；Dmin為DVa的最小值；Dmean為DVa的平均值。

RS用于表征噴頭噴施霧滴的均勻性，RS越小，則霧滴均勻性越好，計(jì)算公式為：

霧滴粒徑尺寸分級標(biāo)準(zhǔn)（Droplet size classification，DSC）是根據(jù)ASABE標(biāo)準(zhǔn)，將霧滴體積中值直徑小于136μm分級為非常細(xì)（Very fine，VF）、136~177μm分級為極細(xì)（Fine，F(xiàn)）、177~218μm分級為中等（Medium，M）、218~349μm分級為粗（Coarse，C）、349~428μm分級為非常粗（Very coarse，VC），以此表征噴頭霧化性能[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 孔口尺寸對噴頭噴霧性能的影響

2.1.1 CFA延長范圍型系列噴頭由圖3可知，當(dāng)噴霧壓力固定設(shè)定為0.6MPa時(shí)，隨著CFA延長范圍型系列噴頭孔口尺寸的不斷增大，DV0.1從94.4mm緩慢增至97.8mm并 于108mm趨 于 穩(wěn) 定。同 時(shí)，CFA11001和CFA110015噴頭與其他3種噴頭表現(xiàn)出一定顯著性差異（p<0.05），表明較大的孔口尺寸對細(xì)小霧滴影響不大，霧滴數(shù)量分布較為穩(wěn)定。DV0.5從202.2mm快速增至277.5mm，而后緩慢上升至284.5mm，除CFA11003和CFA11004噴頭變化不大外，每種噴頭都表現(xiàn)出顯著性差異（p<0.05）。DV0.9與DV0.5呈現(xiàn)出相似的變化趨勢，但與DV0.5相比，DV0.9變化幅度更大，極差高達(dá)141.9mm，這表明DV0.9受孔口尺寸影響更大，在孔口尺寸增大過程中，霧滴粒徑迅速增大。此外，橫向比較SV值發(fā)現(xiàn)，所有測定數(shù)值均小于10%。其中，CFA11001噴頭DV0.1的SV值最大，為8.5%，這也表明試驗(yàn)噴頭性能均較為穩(wěn)定。

圖3 CFA型噴頭DV0.1、DV0.5、DV0.9統(tǒng)計(jì)圖Figure 3 Statistical chart of DV0.1,DV0.5,DV0.9 of CFA type nozzles

對比CFA延長范圍型系列噴頭的粒度分布圖（圖4）可以發(fā)現(xiàn)，不同孔口尺寸噴頭霧滴粒徑分布大致呈負(fù)偏態(tài)分布，累積量均呈平滑曲線。隨著噴頭孔口尺寸不斷增大，微分峰值逐漸右移，表明噴頭孔口尺寸對100mm以下霧滴粒徑分布影響較小，對200mm以上霧滴粒徑分布影響較大。其中，CFA110015噴頭粒度分布無明顯峰值，這可能是受到電源適配器電壓波動或水泵低壓工作時(shí)水泵功率波動的影響，從而導(dǎo)致噴霧壓力變化，進(jìn)而影響到了試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 CFA延長范圍型系列噴頭的粒度分布圖Figure 4 Droplet size distribution diagram of CFA extended range series nozzles

分析CFA延長范圍型系列噴頭噴霧性能參數(shù)（表2）發(fā)現(xiàn)，隨著噴頭孔口尺寸增大，V<100（%volume）從11.7%緩慢減小至7.7%，并在8%附近逐漸保持穩(wěn)定，CFA11002、CFA11003和CFA11004噴頭與其余噴頭表現(xiàn)出顯著性差異（p<0.05）。V<150（%volume）數(shù)據(jù)變化幅度比V<100（%volume）更大，高達(dá)10%，其中CFA11001、CFA110015和CFA11002噴頭均表現(xiàn)出一定顯著性差異（p<0.05）。RS值均小于1.6，霧滴分布均勻。隨著噴頭孔口尺寸增大，CFA延長范圍型系列噴頭DSC等級由中等（M）提高至粗（C）。

表2 CFA延長范圍型系列噴頭噴霧性能參數(shù)Table 2 Spray performance parameters of CFA extended range type nozzles

2.1.2 相同孔口尺寸的不同類型噴頭進(jìn)一步對具有相同孔口尺寸的3種不同類型噴頭（CFA11002、Tee?Jet11002和SF11002）進(jìn)行分析（圖5）。當(dāng)噴霧壓力固定設(shè)定為0.6MPa時(shí)，可以看出CFA11002噴頭的DV0.1遠(yuǎn)大于其余兩種標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭，且TeeJet11002和SF11002噴頭之間無顯著差異（p>0.05）。同時(shí)，3種類型噴頭的DV0.5與DV0.1的變化趨勢相似，但相比于DV0.1，DV0.5的變化差異更顯著。深入比較發(fā)現(xiàn)，3種類型噴頭的DV0.9均具有顯著差異（p<0.05），其中，CFA11002噴頭的DV0.9最大，高達(dá)489.9mm，這表明CFA延長范圍型噴頭的霧滴粒徑遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭。

圖5 CFA11002、TeeJet11002、SF11002噴頭DV0.1、DV0.5、DV0.9統(tǒng)計(jì)圖Figure 5 Statistical chart of DV0.1,DV0.5,DV0.9 of CFA11002,TeeJet11002,SF11002 nozzles

由CFA11002、TeeJet11002和SF11002噴頭的粒度分布圖可以發(fā)現(xiàn)（圖6），CFA11002噴頭霧滴粒徑分布大致呈負(fù)偏態(tài)分布，TeeJet11002和SF11002噴頭霧滴粒徑分布大致呈正態(tài)分布，累積量均呈平滑曲線。通過對比分析得出，CFA11002噴頭霧滴粒徑峰值和粒徑分布范圍最大，峰值大致出現(xiàn)在370mm，霧滴粒徑最大超過800mm，TeeJet11002與SF11002噴頭霧滴粒徑分布大致相同。其中，TeeJet11002噴頭粒度分布圖中出現(xiàn)明顯的圖像分塊，可能是由于霧滴噴施過程中壓力過大或遇到工作臺后發(fā)生二次破裂現(xiàn)象[22]，同時(shí)在此過程中存在霧滴分散和聚集效應(yīng)，這些霧滴間的互相作用會使霧滴粒徑發(fā)生一系列不可控變化[23]。

圖6 CFA11002、TeeJet11002、SF11002噴頭粒度分布圖Figure 6 Droplet size distribution of CFA11002,TeeJet11002,SF11002 nozzles

對比相同孔口尺寸的3種不同類型噴頭的噴霧性能參數(shù)可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)（表3），試驗(yàn)選用的3種11002噴頭的SV值均小于8.0%，其中，TeeJet11002噴頭的SV值更是小于2.2%，這表明各類型試驗(yàn)噴頭性能穩(wěn)定且Tee?Jet11002噴頭穩(wěn)定性最高。此外，在相同孔口尺寸下，CFA11002噴頭的DSC等級為粗（C），TeeJet11002和SF11002噴頭的DSC等級均為非常細(xì)（VF）。

表3 相同孔口尺寸不同類型噴頭噴霧性能參數(shù)Table 3 Spray performance parameters of different types of nozzles with the same orifice size

2.2 噴霧壓力對噴頭噴霧性能參數(shù)的影響

2.2.1 CFA11002噴頭由圖7可知，當(dāng)噴霧壓力從0.2MPa增至0.8MPa時(shí)，DV0.1從144mm緩慢下降至97mm，隨著壓力增大呈現(xiàn)下降趨勢，標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定在2.0mm以內(nèi)，表明穩(wěn)定性較好。DV0.5和DV0.9分別從381mm和681mm降至233mm（DV0.5）和463mm（DV0.9），隨著壓力增大均呈現(xiàn)出先迅速下降后緩慢下降的趨勢，標(biāo)準(zhǔn)差隨之逐步變小，穩(wěn)定性逐步增強(qiáng)。具體在于，當(dāng)壓力大于0.5MPa時(shí)，噴霧壓力對DV0.1、DV0.5和DV0.9的影響顯著減弱，這表明該型噴頭的適宜噴灑壓力在0.5MPa以上。橫向比較SV值發(fā)現(xiàn)，所有數(shù)值均小于15%，這同樣表明該型噴頭在不同壓力下均表現(xiàn)穩(wěn)定。

圖7 CFA11002噴頭DV0.1、DV0.5、DV0.9隨壓力變化趨勢圖Figure 7 Trend diagram of DV0.1,DV0.5,DV0.9 of CFA11002 nozzle with pressure

表4為CFA11002噴頭在不同壓力下的噴霧性能參數(shù)，由表4可知，噴霧壓力對V<100（%volume）和V<150（%volume）存在顯著影響（p<0.05），當(dāng)壓力由0.2MPa逐漸增加至0.8MPa時(shí)，小于100mm霧滴所占比例由3.26%增至10.99%，小于150mm霧滴所占比例由11.13%增至26.72%，增長趨勢較為穩(wěn)定。噴霧壓力對分布跨度RS無顯著影響，并呈現(xiàn)出非規(guī)律性變化。當(dāng)噴霧壓力大于0.3MPa時(shí)，噴頭的DSC等級從非常粗（VC）變成粗（C）。

表4 CFA11002噴頭不同壓力噴霧性能參數(shù)Table 4 Spray performance parameters of CFA11002 nozzle with different pressure

對比CFA11002噴頭的粒度分布圖（圖8）發(fā)現(xiàn)，圖像大致呈負(fù)偏態(tài)分布，累積量呈平滑曲線，且隨著壓力增大，霧滴粒徑微分分布峰值由551.1mm降至302.5mm，表明霧滴粒徑整體逐漸減小。同時(shí)，對霧滴體積中值直徑變化進(jìn)行線性擬合（圖9），線性回歸方程為y=339.983-237.424x，擬合參數(shù)R2=0.865。由此可以看出，CFA11002噴頭霧滴粒徑整體偏大，并呈現(xiàn)出隨著壓力增大而下降的趨勢。其變化規(guī)律基本呈線性變化，但該型噴頭的體積中值直徑的函數(shù)擬合優(yōu)度較差，當(dāng)壓力大于0.7MPa時(shí)，壓力對霧滴粒徑大小無顯著影響（p>0.05）。2.2.2 SF11002噴頭由圖10可知，當(dāng)噴霧壓力從0.2MPa增至0.8MPa時(shí)，DV0.1和DV0.5分別從75mm和151mm下降至49mm（DV0.1）和121mm（DV0.5），隨著壓力增大呈現(xiàn)下降趨勢，標(biāo)準(zhǔn)差較小且相對穩(wěn)定。DV0.9由297mm降低至242mm，變化趨勢與DV0.5相似，但數(shù)據(jù)差異性較大，在0.3，0.4，0.7MPa壓力下，極差分別達(dá)到38，38，61mm。由此可以發(fā)現(xiàn)，細(xì)小霧滴變化均勻，誤差較小，大霧滴變化趨勢穩(wěn)定，但誤差較大。橫向比較SV值發(fā)現(xiàn)，只有在0.7MPa壓力下DV0.9的SV值達(dá)到21.44%，其余SV值均小于15%，表明該組重復(fù)試驗(yàn)噴頭穩(wěn)定性較好，異常值的出現(xiàn)可能是由于試驗(yàn)過程中測量儀器存在誤差。

圖8 CFA11002噴頭不同壓力粒度分布圖Figure 8 Droplet size distribution of CFA11002 nozzles with different pressure

圖9 CFA11002噴頭霧滴體積中值直徑變化趨勢圖Figure 9 Trend diagram of droplet volume median diameter of CFA11002 nozzle

圖10 SF11002噴頭DV0.1、DV0.5、DV0.9隨壓力變化趨勢圖Figure 10 Trend diagram of DV0.1,DV0.5,DV0.9 of SF11002 nozzle with pressure

表5為SF11002噴頭在不同壓力下的噴霧性能參數(shù)，從表5可以看出，當(dāng)壓力增加至0.8MPa時(shí)，小于100mm霧滴所占比例為37.26%，小于150mm霧滴所占比例為66.10%，且變化較為穩(wěn)定。噴霧壓力對分布跨度RS無顯著影響，并呈現(xiàn)出非規(guī)律性變化。當(dāng)噴霧壓力大于0.5MPa時(shí)，噴頭的DSC等級從細(xì)（F）變成極細(xì)（VF）。

表5 SF11002噴頭不同壓力噴霧性能參數(shù)Table 5 Spray performance parameters of SF11002 nozzle with different pressure

對比SF11002噴頭的粒度分布圖（圖11）發(fā)現(xiàn)，圖像大致均呈正態(tài)分布，累積量呈平滑曲線，且隨著壓力增大，霧滴粒徑微分分布峰值由202.7mm降至135.9mm，這表明霧滴粒徑整體逐漸減小。當(dāng)壓力大于0.3MPa時(shí)，粒度分布圖右側(cè)出現(xiàn)明顯的圖像分塊，可能是霧滴

圖11 SF11002噴頭不同壓力粒度分布圖Figure 11 Droplet size distribution of SF11002 nozzles with different pressure

受到環(huán)境影響出現(xiàn)合并聚集效應(yīng)所致[23]。同時(shí)，對霧滴體積中值直徑變化進(jìn)行線性擬合（圖12），線性回歸方程為y=165.032-57.8382x，擬合參數(shù)R2=0.952。由此可以看出，SF11002噴頭的霧滴粒徑隨著壓力增大呈減小趨勢，其變化規(guī)律基本呈線性變化，體積中值直徑擬合優(yōu)度較高。當(dāng)壓力大于0.7MPa時(shí)，壓力對霧滴粒徑尺寸無顯著影響（p>0.05）。

圖12 SF11002噴頭霧滴體積中值直徑變化趨勢圖Figure 12 Trend diagram of droplet volume median diameter of SF11002 nozzle

2.2.3 TeeJet11002噴頭由圖13可知，當(dāng)噴霧壓力從0.2MPa增至0.8MPa時(shí)，DV0.1和DV0.5分別從76mm和161mm下降至41mm（DV0.1）和97mm（DV0.5），隨著壓力增大呈現(xiàn)下降趨勢，標(biāo)準(zhǔn)差較小且相對穩(wěn)定。DV0.9的變化趨勢與DV0.5相似，但數(shù)據(jù)差異性較大，明顯看出DV0.9在0.8MPa時(shí)急劇下降，極差高達(dá)32mm。橫向比較SV值發(fā)現(xiàn)，只有在0.8MPa壓力下，DV0.9的SV值為18.51%，其余SV值均小于10%，這表明該組試驗(yàn)噴頭整體穩(wěn)定性較好，但隨著壓力增大，試驗(yàn)誤差逐漸增大，即較大霧滴在高壓下表現(xiàn)不穩(wěn)定。

圖13 TeeJet11002噴頭DV0.1、DV0.5、DV0.9隨壓力變化趨勢圖Figure 13 Trend diagram of DV0.1,DV0.5,DV0.9 of TeeJet11002 nozzle with pressure

表6為Teejet11002噴頭在不同壓力下的噴霧性能參數(shù)，從表6可以看出，當(dāng)壓力增加至0.8MPa時(shí)，小于100mm霧滴所占比例為52.67%，小于150mm霧滴所占比例為82.85%，且變化較為穩(wěn)定。噴霧壓力對分布跨度RS無顯著影響，并呈現(xiàn)出非規(guī)律性變化。當(dāng)噴霧壓力大于0.3MPa時(shí)，噴頭的DSC等級從細(xì)（F）變成極細(xì)（VF）。

對比TeeJet11002噴頭的粒度分布圖（圖14）發(fā)現(xiàn)，圖像大致均呈正態(tài)分布，累積量呈平滑曲線，且隨著壓力增大，霧滴粒徑微分分布峰值由201.6mm降至111.8mm，這表明霧滴粒徑整體逐漸減小。對霧滴體積中值直徑變化進(jìn)行線性擬合（圖15），線性回歸方程為y=171.436-89.8507x，擬合參數(shù)R2=0.914。由此可以看出，TeeJet11002噴頭霧滴粒徑隨著壓力增大呈減小趨勢，體積中值直徑隨壓力變化的規(guī)律基本呈線性變化，函數(shù)擬合優(yōu)度較高。在0.5~0.7MPa壓力范圍內(nèi)，壓力對體積中值直徑的影響較弱，其他壓力條件下均有顯著影響（p<0.05）。

圖14 TeeJet11002噴頭不同壓力粒度分布圖Figure 14 Droplet size distribution of TeeJet11002 nozzles with different pressure

圖15 TeeJet11002噴頭霧滴體積中值直徑變化趨勢圖Figure 15 Trend diagram of droplet volume median diameter of TeeJet11002 nozzle

3 討論與結(jié)論

本研究對CFA延長范圍型噴頭以及SF和TeeJet標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭進(jìn)行了霧滴粒徑尺寸測試的試驗(yàn)，并分析了孔口尺寸和噴霧壓力對各型號扇形航空噴頭霧化特性的影響。由于試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，與實(shí)際植保無人機(jī)噴灑條件不完全相同，試驗(yàn)結(jié)論會存在一定的局限性，但仍具有一定參考價(jià)值，未來還可以考慮在本試驗(yàn)基礎(chǔ)上增加風(fēng)洞試驗(yàn)。同時(shí)，此次研究忽略了植保無人機(jī)實(shí)際作業(yè)過程中噴頭磨損對噴霧性能造成的影響，未來可以將全新噴頭與非全新噴頭結(jié)合分析，為航空噴灑提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

本研究結(jié)果表明，（1）當(dāng)噴霧壓力固定設(shè)定為0.6MPa時(shí)，隨著CFA11001、CFA110015、CFA11002、CFA11003和CFA11004噴頭的孔口尺寸不斷增大，其霧滴粒徑尺寸和霧滴粒徑分布持續(xù)增大，其中DV0.1、DV0.5和DV0.9極差分別為14.3，82.3，141.9mm，最大霧滴粒徑于620mm增至970mm，霧滴粒徑范圍由581mm增至926mm。由此可見，孔口尺寸是影響CFA型噴頭的霧滴粒徑尺寸和霧滴粒徑分布的重要因素。（2）當(dāng)噴霧壓力固定設(shè)定為0.6MPa時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭相對延長范圍型噴頭表現(xiàn)出更高的噴霧穩(wěn)定性，TeeJet11002噴頭DV0.5為117.4mm，霧滴粒徑多分布于40~300mm之間，SF11002噴頭DV0.5為127.9mm，霧滴粒徑多分布于50~350mm之間。延長范圍型噴頭CFA11002的DV0.5最大，高達(dá)259.3mm，霧滴粒徑分布更廣，多分布于110~600mm之間。與標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭相比，延長范圍型噴頭更長，霧滴粒徑尺寸和霧滴粒徑分布都顯著提高，由此得到，噴頭類型是影響霧滴粒徑尺寸和霧滴粒徑分布的重要因素。（3）在0.2~0.8MPa壓力變化范圍內(nèi)，TeeJet11002、SF11002和CFA11002噴頭的霧滴粒徑呈現(xiàn)出隨著壓力增大而下降的趨勢。TeeJet11002噴頭在全壓力下表現(xiàn)穩(wěn)定，DV0.1、DV0.5和DV0.9的極差分別為3.5，8.4，32.1mm。SF11002噴頭次之，DV0.1、DV0.5和DV0.9的極差分別為7.1，7.7，60.7mm。CFA11002噴頭霧滴粒徑整體偏大，存在一定誤差，DV0.1、DV0.5和DV0.9的極差分別達(dá)到了4.8，24.8，84.4mm。其中，TeeJet11002（R2=0.914）和SF11002（R2=0.951）擬合優(yōu)度均較好，CFA11002（R2=0.865）擬合優(yōu)度較差，這表明與延長范圍型噴頭相比，噴霧壓力對標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭影響更顯著。由此得到，噴霧壓力是影響霧滴粒徑尺寸和霧滴粒徑分布的又一重要因素。