風(fēng)送式變量噴霧機(jī)氣液兩相流及霧化的試驗(yàn)研究.pdf

1、傳統(tǒng)的風(fēng)送式噴霧機(jī)被普遍運(yùn)用于果園病蟲害防治作業(yè)中，噴霧機(jī)借助輔助氣流的作用增加葉片間的擾動(dòng)，提高霧滴的穿透能力，使得霧滴均勻粘附到葉片的表面，增大葉片表面覆蓋率，確保高品質(zhì)果品的產(chǎn)量，提高人們的生活水平。然而，傳統(tǒng)的風(fēng)送式噴霧機(jī)械不能根據(jù)樹冠的大小和密度實(shí)時(shí)調(diào)整噴施量，進(jìn)行針對(duì)性的精確噴霧，因此一旦噴霧機(jī)開始工作，就會(huì)按照設(shè)定的噴霧參數(shù)進(jìn)行定量噴施，導(dǎo)致對(duì)靶標(biāo)過量噴霧或者噴施量不足，以及對(duì)非靶標(biāo)的誤噴，從而產(chǎn)生對(duì)周圍環(huán)境的污染。

2、>　　 風(fēng)送式變量噴霧機(jī)能夠在一定程度上解決傳統(tǒng)的風(fēng)送式噴霧機(jī)所存在的問題，能夠根據(jù)靶標(biāo)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整藥液的噴施量，變量噴施農(nóng)藥，從而實(shí)現(xiàn)有的放矢。未來變量噴霧機(jī)械的發(fā)展方向應(yīng)是根據(jù)靶標(biāo)的實(shí)際情況對(duì)輔助風(fēng)速和藥液噴施量同時(shí)實(shí)施變量控制。
　　 本研究基于USDA-ARS-ATRU（美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）自主研發(fā)的新型五指風(fēng)送式變量噴霧機(jī)。該噴霧機(jī)采用的五指風(fēng)送式噴頭將傳統(tǒng)大的氣流出口變成若干個(gè)小的圓柱形氣流

3、出口，可以提高霧滴的穿透性，改善氣流在樹葉密度較大的果樹冠層內(nèi)部的分布情況。該噴霧機(jī)對(duì)每個(gè)噴頭藥液輸送端都采用PWM控制電磁閥的通斷時(shí)間，單獨(dú)控制每個(gè)噴頭的藥液流量。由于果樹冠層各截面具體的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)顯著不同，該噴霧機(jī)噴頭的特殊結(jié)構(gòu)對(duì)于果樹每個(gè)區(qū)域的精密噴霧具有潛在的優(yōu)勢(shì)。目前該噴霧機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)靶標(biāo)的有無(wú)、密度和大小變量噴施藥液，然而，根據(jù)靶標(biāo)的具體情況進(jìn)行風(fēng)速變量控制尚未實(shí)現(xiàn)。本研究采用調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)進(jìn)口內(nèi)徑以改變噴頭出口風(fēng)速的方法，探

4、索根據(jù)靶標(biāo)具體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)速變量控制的可行性，為風(fēng)送式變量噴霧機(jī)實(shí)施變量風(fēng)速控制提供依據(jù)。
　　 利用PWM控制電磁閥通斷時(shí)間從而控制各個(gè)噴頭藥液流量的五指風(fēng)送式噴頭能夠在變量工作條件下確保一致的霧滴粒徑分布，這是實(shí)現(xiàn)根據(jù)靶標(biāo)具體參數(shù)進(jìn)行變量噴霧的前提條件。影響霧滴粒徑大小的可控參數(shù)主要有電磁閥占空比、噴霧壓力、噴頭出口風(fēng)速和噴霧藥液物理特性。因此需首先研究該五指風(fēng)送式噴頭在這些相關(guān)變量參數(shù)影響下霧滴粒徑的分布情況。霧滴粒

5、徑隨著噴頭出口氣流速度、噴霧壓力、噴霧藥液特性的變化而變化。試驗(yàn)結(jié)果表明:在這四個(gè)變量中，噴霧壓力對(duì)霧滴粒徑大小的影響最大，其次是噴霧藥液的物理特性，最后是噴頭出口風(fēng)速。對(duì)于給定的工作條件，當(dāng)占空比為20％～100％時(shí)，霧滴粒徑分布無(wú)顯著變化，占空比為10％時(shí)，霧滴粒徑分布波動(dòng)較大，電磁閥占空比的切換頻率是10 Hz。為減少霧滴粒徑在變量工作條件下有較大的波動(dòng)，因此該噴霧機(jī)選擇的工作條件是:保持噴霧壓力恒定，占空比的工作范圍為20％～1

6、00％。雖然風(fēng)速對(duì)霧滴粒徑的變化會(huì)有一定影響，但霧滴粒徑在風(fēng)速作用下的波動(dòng)范圍滿足噴霧機(jī)變量作業(yè)要求。
　　 為了檢測(cè)該風(fēng)送式變量噴霧機(jī)噴頭出口氣流的分布情況，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)進(jìn)口內(nèi)徑(0.13 m，0.15m，0.18m，0.34 m)以改變噴頭出口風(fēng)速，并在不同行駛速度（0 km/s，3.2 km/h，4.8km/h，6.4 km/h，8.0krn/h）時(shí)，采用CTA風(fēng)速測(cè)量?jī)x檢驗(yàn)該噴霧機(jī)在距離噴頭出口不同遠(yuǎn)處（0.025 m～

7、3 m）以及距離地面不同高度（0.2 m～2 m）處氣流速度和動(dòng)態(tài)氣流壓力的分布。噴頭噴出氣流在距離噴頭出口0.027 m處以50°的擴(kuò)張角噴射到空氣中，距離噴頭出口0.08 m處單個(gè)五指風(fēng)送式噴頭相鄰兩噴口噴出氣流開始混合。當(dāng)噴霧機(jī)行駛速度為0 km/h時(shí)，噴頭出口氣流速度隨著風(fēng)機(jī)進(jìn)口內(nèi)徑的增大而增大，隨著噴頭出口距離的增大而按照雙曲線函數(shù)關(guān)系遞減。當(dāng)噴霧機(jī)的行駛速度為3.2 km/h～8.0 km/h時(shí)，氣流速度隨著噴頭出口距離的增

8、大而減小，而動(dòng)態(tài)氣流壓力在距離噴頭出口（0～3m）范圍內(nèi)隨著噴頭出口距離的增大而緩慢增加。氣流速度和動(dòng)態(tài)氣流壓力隨著風(fēng)機(jī)進(jìn)口內(nèi)徑的增大而增大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得知，通過改變風(fēng)機(jī)的進(jìn)口內(nèi)徑能夠有效的改變噴頭出口氣流分布，并能夠?qū)崿F(xiàn)在給定的風(fēng)機(jī)進(jìn)口內(nèi)徑、給定的噴頭出口距離所在的高度方向上氣流分布均勻，表明了該噴霧機(jī)通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)進(jìn)口內(nèi)徑實(shí)現(xiàn)變量風(fēng)速控制的可行性。當(dāng)噴霧機(jī)行駛速度為3.2～8.0km/h，噴霧機(jī)行駛速度的變化對(duì)噴頭出口氣流速度和動(dòng)態(tài)

9、氣流壓力的分布無(wú)顯著的影響。
　　 在此基礎(chǔ)上研究了該噴霧機(jī)在不同風(fēng)機(jī)進(jìn)口內(nèi)徑條件下，以一定的行駛速度經(jīng)過果樹時(shí)，噴頭不同出口氣流在果樹樹冠不同位置的分布情況。采用CTA風(fēng)速測(cè)量?jī)x，將傳感器放置在冠層內(nèi)部不同位置處，當(dāng)噴霧機(jī)通過果樹時(shí)，放置在冠層內(nèi)部檢測(cè)氣流流速的傳感器探測(cè)到氣流分布呈脈沖形狀。氣流速度和動(dòng)態(tài)氣流壓力隨著冠層深度的增加而減少，且動(dòng)態(tài)氣流壓力減少的幅度不如氣流速度減少的幅度大。沿著高度方向（高、中、低）和噴霧機(jī)行駛

10、方向（前、中、后）測(cè)量點(diǎn)的平均氣流速度和平均動(dòng)態(tài)氣流壓力分布基本保持一致。由此可以得知:該噴霧機(jī)沿著高度方向和噴霧機(jī)行駛方向在不同風(fēng)機(jī)進(jìn)口內(nèi)徑條件下，距離噴頭出口相同遠(yuǎn)處冠層各區(qū)域內(nèi)的氣流分布一致。根據(jù)葉面積指數(shù)、樹冠冠幅尺寸以及樹冠內(nèi)靶標(biāo)的具體位置這三個(gè)參數(shù)組成的無(wú)量綱參數(shù)，建立了氣流流速、動(dòng)態(tài)氣流壓力與無(wú)量綱參數(shù)之間的指數(shù)關(guān)系。
　　 實(shí)現(xiàn)變量噴霧的目的在于改善噴霧效果、提高噴霧效率、減少藥液流失。為此研究了該噴霧機(jī)在不同占

11、空比（20％～100％）、噴霧機(jī)行駛速度(3.2 km/h，4.8 km/h，6.4 km/h)和風(fēng)機(jī)進(jìn)口內(nèi)徑(0.13 m，0.18m，0.34 m)等變量參數(shù)共同作用下，其在果樹冠層內(nèi)噴霧藥液覆蓋率以及沉降量的分布情況。對(duì)于給定的工作條件，冠層內(nèi)噴霧覆蓋率和藥液沉積量隨著風(fēng)機(jī)進(jìn)口內(nèi)徑和占空比的增大而增大，但是樹葉密度和樹冠外形尺寸也是影響噴霧覆蓋率和藥液沉積量的重要因素。隨著噴霧機(jī)行駛速度的增大，噴霧藥液覆蓋率減少。對(duì)于給定的工作條

12、件，區(qū)域內(nèi)采樣點(diǎn)的噴霧覆蓋率均值沿高度方向和噴霧機(jī)行駛方向有微小的變化，但噴霧結(jié)果滿足噴霧要求。同時(shí)，分別建立了噴頭出口氣流速度和噴霧覆蓋率以及動(dòng)態(tài)氣流壓力和噴霧覆蓋率之間的關(guān)系曲線，噴霧覆蓋率隨著氣流速度和動(dòng)態(tài)氣流壓力的增大按照對(duì)數(shù)關(guān)系式增大。
　　 根據(jù)噴頭出口氣流速度、動(dòng)態(tài)氣流壓力與無(wú)量綱參數(shù)（由葉面積指數(shù)、葉面積指數(shù)、樹冠冠幅尺寸以及樹冠內(nèi)靶標(biāo)的具體位置組成）的指數(shù)關(guān)系，以及噴頭出口氣流速度、動(dòng)態(tài)氣流壓力與噴霧覆蓋率之間