不同侧风和风幕风速对风幕式喷杆喷雾飘移的影响

贾卫东，申 彬，周慧涛，欧鸣雄，龚 辰，陈志刚

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)

0 引言

农业施药过程中，部分农药雾滴群受到气流卷挟运动到喷施作物区域以外，导致农药雾滴的飘移，雾滴飘移是造成环境污染、农药浪费及农药使用率低的主要因素之一[1-3]。随着生态环境和食品安全等问题日益突出，减少雾滴飘移成为了目前农业施药领域的重要研究方向[4-5]。侧风是影响雾滴飘移的重要原因，侧风风速越大，农药的飘移率越大[6]。

飘移受到多种因素影响，包括喷头类型和雾滴粒径[8-10]、作业的风速和风向[11-13]、雾滴速度和运动轨迹[14]等。 王潇楠等[15]在室内无风条件下对不同喷头的飘移潜力进行试验，表明雾滴大小和工作压力均为影响飘移的重要因素。刘雪美等[6]采用三维流场的多相流计算流体力学模型，研究自然风等多种因素在连续相和雾滴粒子群离散相耦合的交互作用，表明辅助气流速度对雾滴飘移影响显著。

风幕式喷杆喷雾技术即在喷杆上方通过强制送风形成风幕，风幕气流强迫雾滴向靶标运动，对侧风具有抵抗作用，减少了雾滴的飘移，同时风幕气流吹动作物，对作物叶片和冠层具有翻滚作用，改善了雾滴的沉积和穿透效果[7]。燕明德等[16]运用PDPA对不同条件下的风幕式喷杆喷雾两相流流场进行测试，表明风幕气流可以改善雾滴的粒径和速度分布，减小飘移。杨洲等[17]进行了喷杆式静电喷雾机的雾滴飘移试验，表明侧风风速和静电电压对静电喷雾雾滴飘移具有显著的交互作用。目前，对于风幕式喷杆喷雾雾滴飘移的研究主要集中在无侧风状态下的喷头类型、喷雾压力及辅助气流速度等多种因素对于飘移影响的显著性分析，针对不同侧风和风幕风速对雾滴飘移交互作用的研究较少，个别相关研究集中在流场仿真与数值分析，而侧风作用是实际喷雾作业时不可避免的问题。

本文通过室内试验风场产生不同速度的侧风，利用风幕式喷杆喷雾喷雾性能测试系统对不同侧风和不同风幕气流下的雾滴飘移情况进行试验研究，探究不同侧风和风幕气流对风幕式喷杆喷雾雾滴飘移的影响规律，以期为风幕式喷杆喷雾机防飘技术研究和作业参数优化提供参考。

1 雾滴飘移评价指标

1.1 质量中心距

质量中心距D是衡量喷雾飘移潜力的指标。质量中心距越大，表明沉降的雾滴与喷头喷雾正下方的距离越远，喷雾在喷头下方靶标区的沉降量越少，即飘移越严重[18]。质量中心距D的计算公式为

式中D—飘移质量中心距(%)；

i—V 型槽编号(1～50)；

z—V 型槽总个数；

mi—第i个V型槽内的雾滴质量(kg)；

di—第i个V型槽中心到喷头的水平距离(mm)。

1.2 飘移率

飘移率β是雾滴飘失程度的最直观衡量指标。飘移率β越小，沉降在靶标区域的有效雾滴越多，表明雾流抗飘失能力越强。飘移率β的计算公式[11]为

式中β—飘移率(%)；

k—不同采样范围内V型槽的数量；

M—试验用喷头的实际喷雾总量(g)。

2 试验方法与设计

2.1 试验装置

本试验安排在江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室进行，采用了自制的风幕式喷杆喷雾喷雾性能测试系统(见图1)进行雾滴飘移试验。

1.隔膜泵 2.药箱 3.轴流风机 4.变频器 5.风幕气囊 6.风速仪 7.喷杆 8.扇形喷头 9.压力表 10.智能流量计 11.开关阀

该测试系统由风幕控制部分、喷雾调节部分及喷杆运动控制部分3部分组成。风幕控制部分包括轴流风机、变频器和风幕气囊，通过变频器控制轴流风机转速，利用KA31型热线风速仪对风幕出风口风速进行标定，轴流风机与风幕气囊均固定于机架上且两者密封联接。喷雾调节部分包括隔膜泵、药箱、开关阀、压力表、智能流量计、喷杆和喷头。喷杆运动控制部分由滚珠丝杠、喷杆及U型卡环组成，喷杆的前后和上下运动是通过滚阻丝杠的传动实现，通过调节U型卡环可以改变喷杆绕自身轴线的旋转角度。该系统主要的技术参数如表1所示。

表1 风幕式喷杆喷雾测试系统的主要技术参

2.2 试验设计

为研究不同侧风和风幕风速对风幕式喷杆喷雾雾滴飘移的影响规律，首先进行风幕气流不同作用方式下的防飘移对比试验，确定最佳风幕气流作用位置，然后进行飘移测量试验。设计5个风幕风速水平和4种侧风风速，如表2所示。

本文所述风幕风速和侧风风速均为该类风稳定作用时喷头中心位置处的平均风速，风向与该类风相同，1～5变化非恒速风用来模拟变化自然风，采用混沌方程向变频器输入数据[19]来生成，即

xn+1=a·[xn+0.8-2sin(2π·xn)]

其中，xn+1为第n+1 时刻的风速(m/s)；xn为第n时刻的风速(m/s)；a为风的强度系数[19]，取值 1.067。方程提供的模拟自然风的平均风速为 2.4 m/s，风速范围为 1～5 m/s。

2.2.1 测量坐标系的设置

选取喷头喷雾中心点为坐标原点，选取竖直向下为y轴正方向，侧风气流方向为x轴正方向，与yox平面垂直向外为z轴正方向，喷头中心点与风幕出风口中心的水平距离为Dx(mm)，风幕气流形成的风场在x轴方向具有一定厚度，但本文定义风幕气流在竖直方向垂直于x轴且过风幕出风口中心点的截面到喷头中心的距离亦为Dx，即认为喷头中心点到风幕的距离就是到风幕中心截面的距离，喷头中心点与出风口中心的垂直距离为Dy(mm)。图2为试验测试坐标系。

图2 测试坐标系图

2.2.2 风幕气流不同作用方式下的防飘对比试验

以喷杆所在位置为基准，定义侧风上风向为前方，根据喷头中心与风幕出风口中心的水平距离，将风幕气流作用方式分为喷杆前方、喷杆上方、喷杆后方，喷雾压力取0.5MPa，侧风风速为5m/s，风幕风速15m/s，喷头中心与风幕出风口中心的垂直距离Dy为最小距离10mm，调节水平距离Dx为-120、-60、0、60、120mm；喷雾持续1min后关闭开关，等待30s后对烧杯内收集的雾滴进行称重；每组试验重复3次，测定风幕气流不同作用方式下的雾滴飘移数据。试验时无自然风，环境温度为(25±1)℃，相对湿度为64%。

2.2.3 雾滴漂移试验

1)试验系统。雾滴飘移试验系统由风幕式喷杆喷雾测试系统与雾型收集装置搭建组成，该雾型收集装置在水平方向上布置有50个用以接收沉积雾滴的V形槽，V形槽平面倾斜角度为5°，试验布置如图3(a)所示。喷杆上对称布置4个Lechler ST110-01标准扇形喷头，喷头间距30cm，集雾采样面为6m×2.5m矩形平面，每个V型槽出口端下方放置一个烧杯(容量200mL)，并将烧杯从左至右依次编号1～50。喷头所在yoz平面与集雾采样面交线为基准线，左侧为正，右侧为负。侧风风场为1.5m×1.5m的平面无边界风[19]，侧风风机与喷头所在yoz平面距离为2m。

2)试验过程。喷雾压力取0.5MPa，喷头与风幕出风口垂直距离Dy取最小距离10mm，水平距离Dx为0，喷头距离集雾采样面600mm。依据表2安排试验，每次喷雾时间为1min，用BS210S电子天平依次称取每个烧杯内水的质量，并记录，每组试验重复3次；试验时无自然风，环境温度为(26±1)℃，相对湿度为66%。图3(b)为雾滴飘移试验现场图。

试验开始前收集4个喷头在0.5MPa压力下喷雾1min时间的总喷雾量，并用电子天平称重记录；每组试验喷雾结束后，等待30s后待集雾槽内水流干后再对烧杯依序号称量。

1.V形槽 2.雾滴群边缘 3.扇形喷头 4.喷杆 5.侧风 6.侧风风机

(b) 雾滴飘移试验现场图

3 结果与分析

3.1 防飘对比试验结果与分析

图4为风幕气流不同作用方式下雾滴飘移率变化情况。由图4可知：风幕气流与喷杆水平距离越小，飘移率越低；相等水平距离下，风幕气流位于喷杆前方时的飘移率高；风幕气流位于喷杆正上方时雾滴飘移率最小(21%)，略小于位于喷杆后方时，考虑到风幕气流对靶标叶片具有翻滚作用并可增大雾滴动能，加快雾滴到达靶标。因此，在防飘效果无显著差异的情况下，风幕式喷杆喷雾作业时选择风幕气流作用于喷杆正上方的方式。

图4 风幕气流不同作用方式对雾滴飘移率的影响

3.2 无风幕作用时侧风对对雾滴飘移的影响

关闭风幕风机，风幕风速为0，喷雾压力0.5MPa，设定侧风风速分别为0、1、3、5、7m/s，进行喷雾飘移试验，图5为无风幕作用时的飘移质量中心距。

图5 无风幕作用时的雾滴飘移质量中心距

由图5可知：雾滴的飘移质量中心距随侧风风速的增大而逐渐增大，侧风对雾滴飘移有显著影响；对上述数据进行线性回归分析，得到0.5MPa压力无风幕作用下不同侧风风速时的雾滴飘移质量中心距变化规律，即

y= 272.14x+ 225,R= 0.99

飘移质量中心距与侧风风速拟合方程的相关系数R接近于1，说明线性回归方程的拟合度较好。

通过线性回归方程可知：雾滴飘移质量中心距随侧风风速的增大变化明显，因为雾滴在侧风作用下沿着下风向的动能很大，雾滴受到侧风作用，雾滴会向距离喷头更远的地方飘移。从图5中曲线与y轴交点可知：当侧风风速为0(无侧风)时，飘移质量中心距为168mm，即雾滴依然产生了飘移。这是液滴雾化过程中相互碰撞并在空气阻力作用下水平运动的结果，说明侧风并不是决定飘移的唯一因素，雾滴雾化后的扩散作用即可产生飘移，但飘移潜力相对较小；当侧风风速上升为1m/s，即刚开始侧风作用时，雾滴飘移质量中心距(623mm)较无侧风时增加了近3倍，说明较小侧风即可对飘移质量中心距产生很大影响。

3.3 不同侧风和风幕风速对雾滴飘移的影响规律

侧风和风幕气流共同作用时，可得到雾滴飘移率和雾滴飘移质量中心距的变化规律。

3.3.1 不同侧风和风幕风速对雾滴飘移率的影响

由图6可知：同一侧风风速时，雾滴飘移率随风幕风速的增大基本呈先减小后略有回升的趋势。风幕出口风速5m/s增加至10m/s时，雾滴飘移率下降最快，侧风风速5m/s时，风幕出口风速由5m/s增加至10m/s，雾滴飘移率下降达23%。这是由于在6m×2.5m的采样范围内，5m/s的气流形成的辅助流场的边界不能对侧风流场形成完全隔挡，而出口风速增加至10m/s时，辅助气流流场在此采样范围内可对侧风流场形成完全的阻碍作用，因此飘移率下降最为明显。

图6 不同侧风和风幕风速下的雾滴飘移率变化规律

风幕风速从5m/s增加至20m/s时，雾滴飘移率基本呈线性下降规律，当风幕出口风速为20m/s时飘移率最低，表明最佳的防飘风幕风速区间为5～20m/s，最佳的防飘风幕风速为20m/s。风幕出口风速超过20m/s后，飘移率出现小幅度提升。其中，当侧风风速5m/s时，风幕风速由20m/s增加至25m/s时，雾滴飘移率增加了6%，即风幕气流增强至一定程度时防飘效果反而会下降。这是因为风幕风速过大，辅助气流使雾滴破碎加快，雾滴粒径变小，质量变轻，雾滴自身飘移潜力增大，过大的风速还加剧了雾滴的蒸发，使雾滴总质量变小；同时，气流吹进集雾槽中会造成气流反弹，反弹回来的气流对细小雾滴的沉降具有阻碍作用，造成雾滴悬浮，悬浮的细小雾滴飘移潜力更大，造成了雾滴总体飘移率的回升。风幕风速不断增大，减少雾滴飘移的同时又具有增大飘移的作用，因此必须选择合适的风幕风速，才能达到较好的防飘效果。

3.3.2不同侧风和风幕风速对雾滴飘移质量中心距的影响

前文已得：侧风风速越大，雾滴飘移质量中心距也越大。从图7进一步可知：在同一侧风风速下，雾滴的飘移质量中心距与风幕风速呈负相关关系。这是因为雾滴飘移质量中心距反应飘移雾滴相对于喷头中心的分布情况，风幕辅助气流离开出口后向四周扩散，形成一个稳定的保护流场，对侧风气流具有抵消作用，风幕风速越大，抵消作用越明显，雾滴向侧风下风向的飘移动能越小，雾滴的飘移质量中心距也就越小。

图7 不同侧风和风幕风速下的雾滴飘移质量中心距变化规律

对比图6，以侧风风速5m/s时为例：无风幕作用时，雾滴飘移质量中心距为1 630mm；当有风幕作用、出口风速为5m/s时，质量中心距降至796mm，下降了51.1%；继续增大风幕风速，雾滴飘移质量中心距下降更为明显，说明风幕辅助气流有效减小飘移率的同时，对雾滴在喷头下方的分布也具有显著影响。

由图6和图7可知：相同风幕出口风速下，3m/s恒速风和1～5m/s变化的非恒速风(模拟田间作业时的不稳定自然风)之间的飘移率及飘移质量中心距无显著差异，说明侧风平均风速是影响雾滴飘移的主要因素，为以室内试验模拟田间作业情况进一步提供了依据。

4 结论

1)风幕气流对喷杆的作用方式不同，风幕的防飘移效果不同，风幕气流与喷杆的水平距离越小，雾滴的飘移率越低。综合考虑风幕气流对雾滴的加速作用，风幕气流作用于喷杆正上方为风幕式喷杆喷雾作业的最佳作用方式。

2)无风幕作用时，雾滴的飘移质量中心距随侧风风速的增加线性上升，侧风是雾滴飘移的主要影响因素。

3)同一侧风风速下，雾滴飘移率随着风幕风速的增大呈先快速再平稳减小后略有回升的趋势；风幕风速为5～20m/s时，飘移率呈线性下降规律，最佳的防飘风幕风速区间为5～20m/s；过大的风幕风速反而造成防飘效果下降，最佳防飘风幕风速为20m/s。在同一侧风风速下，雾滴的飘移质量中心距与风幕风速呈负相关关系，风幕辅助气流有效减小飘移率的同时，对雾滴在喷头下方的分布具有显著影响。

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