风送荷电喷雾特性试验

王贞涛，张永辉，董庆铭，王晓英，闻建龙

(江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212013)

在农作物病虫害防治过程中，液体化学药剂的喷洒是提高防治效果的有效手段之一.荷电喷雾技术能够显著改善液体药剂的雾化效果，而且雾滴的带电特性可以促进药剂雾滴在植株叶片表面沉积，尤其是在植株叶片背部［1-4］.近几十年来，很多研究者采用试验手段或者数值方法详细研究了荷电喷雾及其在农作物病虫害防治中的应用、装置与机具开发等，主要内容涉及雾滴的荷电特性、雾滴粒径分布与沉积、荷电多相流动理论等方面［5-8］.

J.R.Lake等［1］在风洞内模拟研究了静电喷雾产生的雾滴在大麦田的沉积量试验，探讨了喷嘴尺寸、安装高度、荷电量和风速对荷电液滴沉积量的影响，并且建立了相应的数学模型.S.E.Law［2］总结回顾了20世纪静电喷雾在农业上的应用研究状况，并展望了未来的研究与应用的发展趋势.G.N.Laryea等［3］设计了一种压力旋流雾化喷嘴，详细研究了该喷嘴采用静电喷雾时的喷雾特性，研究表明该雾化喷嘴形成的雾滴荷电，具有减少杀虫剂的使用量、增加果树叶片的沉积量和降低漂移损失等优点.L.F.Gaunt等［9］证明了荷电喷雾能够显著提高杀虫剂雾滴在昆虫上的沉积量，灭虫的时间明显缩短.Zhao S.等［10］采用数值计算方法研究了不同荷质比下荷电颗粒向球形靶的运动轨迹，研究表明通过确定颗粒的运动轨迹及在球形目标物上沉积的颗粒数量，可得出获得最佳沉降量所要满足的条件.D.Maski等［11］研究了电极电压、液体流量以及液体物性对静电喷雾中液滴荷电能力的影响，结果表明流量增加，荷电能力下降.V.R.Mamidi等［12］设计了一种由感应荷电的压力旋流雾化喷嘴组成的手压背负式喷雾器，并对电极位置、施加压力、液体导电性以及电压等参数进行了优化以增加系统的效率和有效性.

为了提高静电喷雾的射程和喷幅，增加生产效率，在实际生产中常采用轴流式风机以增大荷电雾滴输运的距离［13-16］.轴流式风机适合在低压下输送出较大的气体流量，气体流速较低，风筒出口直径较大，风速衰减缓慢，气相流场较为均匀.康灿、王晓英等［13-14］采用荷电喷雾进行了灭蝗试验研究，探讨了雾滴的粒径与沉积量的分布，并对比了荷电与非荷电、不同种类和喷量下药液的灭蝗效果.王贞涛、闻建龙等［15-16］采用高压静电喷雾进行了室内灭菌的试验研究，分析了荷电喷雾与非荷电喷雾对灭菌效果的影响.

虽然国内外学者对荷电喷雾特性及其应用领域的研究已取得了很多重要的结论与成果，但是风送荷电喷雾形成的大量细小荷电雾滴在到达目标物的输运过程中，受到静电场与流场的综合作用，其输运过程中存在较多的不确定性因素，因此荷电雾滴在气相流场作用下的空间粒径分布与沉积特性仍然是当前研究的热点内容之一，也是更好控制雾滴输运距离与沉积量的重要基础.特别是对于荷电雾滴的远距离输运与沉积、及其空间分布等仍需要进一步研究，获得更加精确的数据以指导工程应用.

文中将轴流风机风送技术与静电喷雾技术结合设计风送荷电喷雾试验装置，选择压力旋流雾化喷嘴，以纯水作为雾化介质，主要对荷电与非荷电情况下的雾滴粒径与沉积质量沿喷嘴轴线的分布进行试验，并对某一轴线位置沿水平径向方向上的雾滴沉积质量和沿垂直径向方向上的雾滴粒径的特性进行研究，为风送荷电喷雾特性的研究提供一定的参考.

1 试验装置与设计

1.1 试验系统

试验装置如图1所示，由3个功能系统组成，一是初次雾化系统，主要包含空气压缩机、储液箱、阀门、流量计、过滤器和喷嘴;二是静电雾化系统，包含高压静电发生器、静电电压表以及充电电极;三是雾滴远距离输运系统，即水平放置的轴流风机.喷嘴位于轴流风机风筒中，其轴心与风机轴心处于同一直线上，从而保证形成的气相流场均匀对称.

图1 风送荷电喷雾试验装置

在试验过程中液体雾化包含2个过程:一是液体经过压力旋流雾化喷嘴，实现初次雾化过程;二是在轴流风机形成的气相流场和喷嘴与充电电极之间形成的静电场的综合作用下，初次雾化形成的雾滴实现远距离输运过程以及二次雾化过程.

1.2 试验参数的选取

风机选用低噪声轴流风机，型号为CDZ2.8，叶轮直径为280 mm，风量为2 745 m3·h-1，全压为 242 Pa，转速为 2 900 r·min-1，功率为 0.25 kW，噪声为71 dB.喷嘴选用农业喷雾中常用的低压旋流雾化喷嘴，其结构如图2所示.液体进入喷嘴后，通过2个液体出口孔沿斜向切槽进入旋流室，液体在雾化片通道内高速旋转后经喷孔喷出而雾化.喷孔的直径为1.8 mm.在试验过程中液体所需的雾化压力由空气压缩机提供，设定压力值为0.20 MPa，喷嘴的流量为1.2 L·min-1.雾滴的荷电方式为感应荷电，即由负高压静电发生器为环形电极充电，喷嘴与组合电极之间形成静电场，经喷嘴初次雾化的雾滴由于静电感应而带电.负高压静电发生器的功率为200 W，最大输出负电压值为100 kV.电极材料为黄铜，直径为2.0 mm.电极环所在平面与喷嘴出口平面的距离设定为20.0 mm.

图2 低压旋流雾化压力喷嘴示意图

1.3 试验方法

文中试验内容包括轴流风机气流速度测量、雾滴荷质比与电流测量、雾滴粒径与沉积质量测量3个部分.为避免雾滴运动受到外界自然风场的影响，试验在密闭室内进行.在进行雾滴粒径与沉积质量测量试验中，首先研究在喷嘴轴线上，不同荷电电压以及非荷电情况下，雾滴粒径以及沉积质量与测量点位置的关系.然后考察在某一确定轴线位置，沿水平径向方向上的沉积质量以及沿垂直径向方向上的雾滴粒径与测量点位置的关系.测量点的具体布置如图3所示.

图3 雾滴粒径与沉积量的测量点布置

以喷嘴出口中心为坐标原点，以喷嘴轴线为x轴，水平径向为y轴，垂直径向z轴建立三维直角坐标系.在x轴上每隔0.5 m设置一个测量点，共设置16个，记录其坐标.然后在x轴上2.0 m和3.0 m处沿y轴和z轴正负方向上每隔10 cm设置一个测量点，共设置4个，记录其坐标.

2 试验结果与讨论

2.1 轴流风机气流速度

轴流风机产生的风力作用使得空气的流动为一种轴对称的旋转射流，其速度矢量可分解为轴向速度、径向速度和切向速度.为消除径向速度和切向速度的影响，对轴流风机进行改造［16］，在风机出口处增加收缩段和导流板，以提高空气流速的均匀程度.图4为轴流风机轴心速度衰减曲线.

图4 轴线风速衰减曲线

u0为喷口截面上的平均速度，uθmax，urmax，uxmax分别为各截面处最大切向、径向和轴向速度.由图4可看出，未加装导流板时，各分速度随x/D的增大而迅速衰减，特别是urmax和uθmax，当x/D＞4.0，二者几乎可忽略不计.加装导流板后，uθmax，urmax2个分速度随x/D的增大而迅速衰减到非常小的值，与轴向最大速度uxmax相比可忽略不计.然而轴向速度却显著增加，约为未加装导流板时的2倍，这时轴流风机形成的空气流动射流可认为是不旋转的轴对称圆柱射流，因此在风机出口处安装导流板可提高气流轴向速度，增加喷雾射程.

2.2 雾滴荷质比与电流

雾滴荷电量是影响雾滴的粒径分布、运动轨迹以及沉积量分布等喷雾特性的重要技术参数.通常以荷质比作为雾滴荷电量多少的评定参数.文中的试验采用法拉第筒法对雾滴的荷质比进行测量.荷质比的计算公式为

式中:β为单个雾滴的荷质比;q为雾滴群荷电量;I为电流强度;t为测量时间;m为雾滴群质量.

荷质比与电流的测量结果如图5所示，荷质比与电流均随着电压的升高而逐渐增大.荷电电压在0～15 kV范围内，雾滴荷电效果最为明显，而且荷电电压最稳定.当荷电电压大于15 kV时，电极会发出“嗞嗞”声;当荷电电压达到20 kV时，电极产生放电现象，荷电电压出现不稳定状态，继续增大荷电电压，电压发生击穿现象，从而失去荷电能力.因此，试验过程中荷电电压选择小于20 kV，在对比荷电与非荷电喷雾的沉积分布与雾滴粒径分布时，荷电电压设置为13 kV.

图5 雾滴荷质比与电流

2.3 雾滴粒径与沉积质量

采用微纳激光粒度分析仪(Winner 318型)测量待测点的雾滴粒径.首先将荷电电压依次设置为0，5，8，13，19 kV，记录每一点的测量数据，试验重复进行10次，将所得结果取平均值作为试验结果，如图6所示.

图6 不同荷电电压下的雾滴粒径沿轴向分布

从图6可看出，无论荷电与否，雾滴粒径基本呈现单峰分布，在x=1.0 m处的雾滴粒径最大且在100 μm以上，随着测量点与喷嘴出口距离的增大，雾滴粒径先增大后减小.在同一测量点处，随着荷电电压的升高，雾滴粒径逐渐减小，在0～13 kV最为明显.结果表明:对雾滴荷电不改变雾的滴粒径分布与轴向距离的关系，即荷电喷雾与非荷电喷雾，随着轴向距离的增大，雾滴粒径均是先增大后减小;雾滴荷电后，不同粒径的雾滴荷电能力不同，当其荷电量超过瑞利极限后，雾滴在静电力、表面张力、惯性力以及黏性阻力的共同作用下破碎成小雾滴.相同试验条件下，荷电雾滴的平均粒径可达到非荷电雾滴的60%，可见荷电对雾滴破碎有着重要的影响.

同样地测量x=2.0 m以及x=3.0 m处沿垂直径向(z方向)上的测量点的雾滴粒径，试验结果如图7所示.

图7 非荷电喷雾与荷电喷雾沿z方向的粒径分布情况

从图7中可以看出，非荷电喷雾时，雾滴粒径沿垂直径向(z方向)基本呈现对称分布，即喷嘴轴线上的雾滴粒径最小，随着径向距离的增大，雾滴粒径逐渐增大.荷电喷雾时，雾滴粒径沿着z轴正方向呈现出递减趋势，即粒径较大的雾滴分布在喷嘴下方区域，而粒径较小的雾滴分布在喷嘴上方区域，关于x轴呈现出不对称分布.这是由于雾滴荷电后，不同间距的雾滴之间存在大小不等以及方向不同的库伦斥力作用.相比于非荷电喷雾，雾滴所受的来自其他雾滴的库伦斥力的合力作用突出，加之气流和重力等共同作用，使得粒径较小的雾滴上扬，粒径较大的雾滴下沉，大雾滴与小雾滴分离.结果表明，荷电喷雾有助于实现大小雾滴的分离，这对于不同空间位置对雾滴粒径做要求的工程应用具有重要意义.

采用单位面积的雾滴沉积质量作为雾滴沉积特性的一个评定参数.测量点的布置如图3所示，在每个测量点上放置直径为89 mm的玻璃皿用来接收沉降的雾滴.在试验开始时，将玻璃皿口遮挡住，待轴流风机以及喷雾达到稳定状态后，开启玻璃皿的遮挡，开始秒表计时为300 s，然后迅速将玻璃皿封住，防止由于玻璃皿内的雾滴蒸发而造成测量误差.最后，关闭试验装置.称重时将玻璃皿外表擦干后，使用高精度(±0.01 g)的电子天平测出每个玻璃皿的质量，然后减去未接收雾滴时的玻璃皿质量，再根据玻璃皿的直径计算出单位面积的雾滴沉积质量，即可得相应测量点的雾滴沉积状况.

图8为荷电和非荷电喷雾时，喷嘴轴线上(x方向)的单位面积的雾滴沉积质量测量结果.

图8 雾滴沿轴向的沉积质量分布

由图8可知，随着轴向距离的增大，单位面积的雾滴沉积质量先增大后减小，呈现单峰分布;从喷嘴出口到x=3.0 m，非荷电喷雾时的单位面积的雾滴沉积质量比荷电喷雾时的效果好，这是由于非荷电喷雾时，雾滴粒径较大且大部分由于重力作用而沉降，而荷电喷雾时，雾滴粒径较小，而且雾滴之间存在库伦斥力作用，在风力作用下，小粒径雾滴沿轴线输运得更远而沉降，这也是在3.0～8.0 m，荷电喷雾的雾滴沉积量明显高于非荷电时的原因.在x=3.0 m处，荷电喷雾的雾滴沉积质量比非荷电喷雾的提高了18%，而且随x值的增大，提高幅度也逐渐增大，在x=8 m处，提高幅度达3.5倍，这说明风送荷电喷雾能够在较远的输运距离上获得较好的沉积效果.

荷电喷雾与非荷电喷雾沿水平径向的雾滴沉积质量测量的试验结果如图9所示.

图9 雾滴沿水平径向的沉积质量分布

由图9可知，荷电与非荷电2种情况下，雾滴的沉积质量均随着与轴线距离的增大而减小，即在轴线上取得最大值.如果规定单位面积的沉积质量在0.005 g·cm-2以上的区域为有效的沉积区域，那么，非荷电喷雾时，有效的沉积区域为-0.3～0.3 m，而荷电喷雾时，则为-0.4～0.4 m，说明荷电喷雾产生的沉积区域大于非荷电喷雾的.这是由于在荷电喷雾过程中，雾滴带有相同极性的电荷，雾滴之间产生了相互排斥的作用力，雾滴在输运过程中弥散程度加剧，因而沉积质量沿水平径向(y方向)分布更加宽阔.

3 结论

1)对轴流风机进行改造后，产生的气流有助于增加喷雾射程，以及对雾滴的荷质比与电压关系的研究，有助于确定雾滴粒径和沉积质量测量试验的荷电电压.

2)荷电喷雾与非荷电喷雾的雾滴粒径与沉积质量均随着轴向距离的增加先增大后减小，呈现出单峰分布，对雾滴荷电，使得雾滴粒径减小，轴向距离3.0～8.0 m时的雾滴沉积质量增加.

3)对比x=2.0和3.0 m处，荷电喷雾与非荷电喷雾的雾滴粒径沿垂直径向(z方向)以及雾滴沉积质量沿水平径向(y方向)的试验结果发现，荷电喷雾能够实现大小雾滴分离，即较小雾滴位于喷嘴轴线上方，较大雾滴位于喷嘴轴线下方，而且荷电喷雾使得雾滴的有效沉积区域由非荷电喷雾时的-0.3～0.3 m增加为-0.4～0.4 m.

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