旋动射流混药器扩散角对脂溶性农药混合效果的影响

宋海潮，徐幼林，郑加强，翁秀奇，陈显冰，代 祥

(1.南京工业职业技术学院机械工程学院，江苏南京210023;2.南京林业大学机械电子工程学院，江苏南京210037)

我国每年农药用量约337万 t，农药使用面积达1.8亿hm2。因此，农药的高效利用越来越受到人们的重视。溶液类农药是使用效力最高的剂型，因为其有效成分是以分子状态溶解分散在溶剂中［1］，使用后有效成分的作用能够得到快速、充分的发辉。

农药原液既有脂溶性又有水溶性的，目前绝大多数的农药属于有机磷乳油，大多是脂溶性的［2－3］。由于脂溶性农药的渗透性大于水溶性农药，因此其防治效果优于水溶性。但脂溶性农药与水混合成乳浊液分散体系时［4］，均须通过剧烈地机械搅拌，把油打散成极细的油珠，然而乳浊液的油珠分散度并不是很高，在存放期间很容易发生油珠聚集并使乳剂破裂的现象，而且很难恢复［5］。提高农药的有效利用率，把小剂量农药和小容量药液均匀喷洒沉积分布在目标作物上，尽可能减少农药的损失，是新施药方法的特点［6］。农药在线混合以保护环境和操作者的安全为目的，通过在线控制农药的使用来减小农药对操作者的危害，降低农药对环境及非靶标生物的污染［7］。在线混药技术已用于植物保护机械，但目前在线混药主要针对水溶性农药，而脂溶性农药由于和水互不相溶，在线混合的难度比较大，研究很少。

旋动射流混药器采用螺旋弯曲收缩管、继旋器以及在扩散管中加入固定导叶等方式，增加工作液的卷吸能力与掺混作用，在没有机械搅拌的情况下，可保证喷嘴出口位置处脂溶性农药与水的均匀混合［8－9］。参考文献［8］中研究的混药器扩散角为9°，扩散管长57.18 mm，继旋器长 40.00 mm，混药器有效长度为150.00 mm，仿真和试验验证可以实现脂溶性农药与水均匀混合。为了实现混药器和喷嘴直接连接的最短结构，须要探讨混药器的有效长度。因此，为优化旋动射流混药器的结构，本研究旨在探讨在没有继旋器的前提下，寻求扩散管角度的最佳值，以期实现脂溶性农药与水均匀混合。

1 试验装置与试验方法

1.1 试验系统

试验系统包括进水系统Ⅰ、进药系统Ⅱ、图像采集系统Ⅲ和混药器快换系统Ⅳ，如图1－a所示。试验用喷嘴为KC1/4CC6508PP扇形喷嘴(广州奥王喷嘴制造有限公司);进水系统和进药系统分别提供稳定压力、流量的水和药;水泵采用PLD1206型隔膜泵，药泵采用PLD－2203型隔膜泵，水泵和药泵均是石家庄市普兰迪机电设备有限公司产品。进水端采用YN60耐振压力表，量程为0.6 MPa，进药端与混药器出口端均采用YN60耐振压力表，量程为0.4 MPa，YN60耐振压力表为上海晨仪仪表有限公司产品。

相机采用IO Industries高速相机，型号为4M180－CL，分辨率为2048×2048，帧频为180 f/s，像元大小为5.5 μm，芯片尺寸1。视频记录采用IO Industries Streams 7软件。混药器混合试验台如图1－b所示。

1.2 旋动射流混药器装置

1.2.1 旋动射流混药器结构 旋动射流混药器结构如图2所示，主要由收缩管、分流器、扩散管等组成。收缩管入口直径为13 mm，出口直径为4 mm，收缩管长度为27 mm，螺距为81 mm，收缩角为19°;喉管长度为20 mm，直径为4 mm;分流器内直径为4 mm，外直径为8 mm;扩散管入口直径为4 mm，出口直径为13 mm，扩散管长度为57 mm，扩散管内导叶高度最大值为6.5 mm，导叶包角为15°，导叶个数为3个。水管接头、药管接头和喷嘴都是标准件。在本研究中，用于试验的3个混药器除了扩散管内扩散角不同，其他结构参数都相同。

1.2.2 试验用3D打印混药器 旋动射流混药器采用螺旋弯曲收缩管和在扩散管内增加导叶的结构，单件生产成本高，同时为了便于试验观察，试验样件采用3D打印成型，用透明的有机玻璃材料。混药器各组成件螺纹连接后，影响相机观察内部流动，因此混药器打印成整体结构。试验时混药器高度在同一水平面上。图3－a是扩散角分别为10°、14°、18°的3D打印混药器结构设计图，图中序号所代表的部件名称与图2 一致，图3 －b为扩散角分别为10°、14°、18°的3D 打印混药器实物图。

1.2.3 混药器快换系统 试验中，为了研究相同条件下混药器的混合效果，须要对3种混药器进行快速替换。混药器快换系统如图4所示，快换接头分公头(如图4中41、61、71)和母头(如图4中42、62、72)，公头和混药器连接，母头分别与进水管、进药管、出口等连接。图中序号所代表的部件名称与图2一致。

1.3 扩散管参数设计

扩散管的作用是把喉管出口处的动能变为压能［10］。当扩散管的扩散度(断面面积比)给定后，扩散角超过某一定值继续增大时，阻力系数将急剧增加，甚至比相同长度直管大出许多倍［11］。这主要是由于流动发生剧烈的紊流混合，边界层自扩散管管壁分离由此产生强烈的涡流区［12］，同时扩散角扩大时流速降低，沿扩散管长度方向产生压力的正梯度，在其作用下边界层从管壁分离［12］。直壁扩散管(图5)的主要几何特性是扩散角 α、扩散度 n1、长度 L，它们之间的相互关系［10］为

式中:F1为扩散管出口面积;F0为扩散管入口面积;D0为扩散管入口直径。

旋动射流混药器的扩散管入口直径D0=4 mm，出口直径D1=13 mm。因此，根据公式(1)，得到其扩散度n1=10.562 5固定不变，将n1值代入公式(2)后，得到扩散管的扩散角和扩散管有效长度的关系为

扩散管的扩散损失与扩散管入口流速分布、扩散角、扩散断面直径比等有关［13－14］，本研究中，扩散管入口流速和扩散管断面直径比不变，改变的只有扩散角。普通射流混药器一般采用均匀扩散角 α 为 5°～9°，直径比 D1/D0为 2 ～4［11］。当扩散角α=9°时(见图2的扩散管结构图)，扩散管有效长度实际长57 mm，混药器总长104 mm，经过试验验证，此时扩散管出口处脂溶性农药混合均匀［8－9］。公式(3)指出，扩散角和扩散管的长度成反比，因此为了减小混药器长度，可通过增大扩散角实现。

为了深入分析扩散角的增加对扩散管长度和混药器总长的影响，根据公式(3)可得出其关系如表1所示，根据扩散角按照1°递增值的变化看混合管长度的变化规律。当扩散角从9°逐渐增大至12°时，扩散管长度递减值幅度在3～6 mm之间;扩散角从12°逐渐增大15°时，扩散管长度递减值幅度在2～4 mm之间，扩散角从15°逐渐增大18°时，扩散管长度递减值幅度在1～3 mm之间。因此，随着扩散角的增大，混合管长度递减的幅度减小。而扩散角为9°时，在有继旋器的混药器中，试验验证脂溶性农药能够均匀混合［8］。由于继旋器的有效长度为40 mm，因此通过放弃继旋器，同时增大扩散角来减小混药器的长度，研究其对脂溶性农药的混合效果。根据表1，为了减小混药器的长度，根据扩散角递增幅度，选择扩散角为10°、14°、18°来试验验证其对脂溶性农药的混合效果，此时混药器的总长分别为98、84、75 mm。

表1 扩散角变化和扩散管长度

1.4 试验用农药替代物配制

脂溶性农药替代物为菜籽油，菜籽油表面张力为29.8 mN/m，运动黏度为 43 mm2/s，密度为 0.9 g/cm3。为了便于图像采集与分析，菜籽油中加入了美国路阳LUYOR－6100油性荧光剂，密度为0.91 g/cm3，可完全溶于石油制品，最适宜波长为365 nm，闪点(ASTM D－3278)大于85℃(185°F)。图6为菜籽油、荧光剂6100、水的混合效果图，将3瓶试样摇晃均匀后，立即在紫光灯下观察发现，没有添加荧光剂6100的菜籽油在紫光灯下是灰色的，没有清晰的亮度(图6－a);而加了荧光剂的另外2瓶试样观察很清晰;荧光剂6100在菜籽油中能够完全溶解(图6－b);加了荧光剂6100和水的菜籽油摇晃均匀后又会很快分离(图6－c)。

1.5 试验计算方法

由于荧光剂6100可完全溶解于菜籽油中，因此只要分析荧光剂6100在混药器中与水的混合比就可以确定菜籽油在水中的混合比，为了分析荧光剂在指定区域内(混药器出口处)混合的均匀程度，可以在混药器出口处选定一定大小的方框，采用均方根误差(root－mean－square error，简称RMSE)来分析该方框内样本的离散程度，RMSE对测量数据中的最大和最小误差反映非常敏感，能够很好地反映出测量的精密度:

式中:Ti是像素测量值数组;Ai是像素平均值;n是数据点总个数。

2 结果与分析

2.1 混药器混合图像提取

对图3中的3种混药器利用图1中的混合试验台分别进行试验，并用IO Industries Streams7软件采集原始图像如图7所示。其中，A、B、C 分别为混药器的扩散角为 18°、14°、10°时对脂溶性农药替代物菜籽油进行在线混合的原始图像。

2.2 混药器在线混合图像均方根误差

图7分别为3种混药器扩散角α的混合效果图，选择图7各图中混药器出口处的红色矩形区域(方框内)的图像，采用Matlab软件进行图像处理，计算混药器出口处红色矩形区域内的RMSE。

扩散角α=10°的均方根误差测量结果如图8所示，其中图8－a为药水混合区域的均方根误差分析图，图8－b为药水混合相同区域对纯水通过时测量的标定均方根误差，将图8所得的各测量值，列入表2。

同理，用相同的方法对图7中另外2种混药器的在线混合图像进行数据处理，将所得到的数据汇总(表2)。

通过对表 2 的对比分析可知，扩散角为18°、14°、10°的药水混合 RMSE 测量值分别为 7.239 8、6.726 1、5.658 6。经过对相同区域进行水标定后，得到3种不同扩散角混药器的RMSE 测量值与标定值的差，分别为 1.833 1、1.595 1、1.106 3。扩散角α=10°的混药器出口红色区域药水混合RMSE测量值最小，RMSE测量值与标定值的差比扩散角α=14°时小0.488 8，比扩散角 α =18°时小0.726 8，药水混合均匀性比较好;扩散角α=14°的RMSE测量值与标定值的差比扩散角 α=18°时小0.238 0。因此，随着扩散角的减小，RMSE降低，药水混合均匀性提高。

2.3 混药器在线混合图像灰度值分布图

为了更直观地分析各混药器的混合效果，选取图7中3种混药器扩散管出扣红色标记区域的混合图像，利用Matlab软件进行图像处理，得到灰度值分布图，如图9所示，图7中红色区域坐标点和坐标轴与图9相对应。

图9－a为α=10°时混药器的灰度值分布图。X坐标值的变化从90到40时，灰度值变化逐渐均匀，如四边形X1内;X坐标值从30到0时灰度值已经均匀;Y坐标值的变化，如图中方形Y1内，灰度值分布没有明显的突变。由于其RMSE仅为1.106 3，因此根据RMSE值和灰度值分布图，可知对理化性能和菜籽油相似的脂溶性农药，采用本研究无继旋器而扩散角设定参数α=10°的混药器能够实现药水均匀混合。

表2 混药器均方根误差

图9－b为α=14°时混药器的灰度值分布图。当X坐标值从90变化到0时，图中方形区域X2内的灰度值在坐标Y值为60时，总是处于最高值，没有减小的趋势。由于其RMSE为1.595 1，因此α=14°时混药器对理化性能和菜籽油相似的脂溶性农药不能实现均匀混合。

图9－c为α=18°时混药器的灰度值分布图，从方形区域X3和X4可以看出，整幅图的灰度值变化都不均匀，而且其RMSE最大，为1.833 1，因此 α=18°时混药器混合均匀性最差。

3 结论与讨论

研究旋动射流混药器在没有继旋器的前提下，扩散管角度分别为18°、14°、10°时，对脂溶性农药混合效果的影响。通过RMSE和灰度值分布图对试验提取图像进行数据处理，分析发现，采用均方根误差和灰度值分布图，可以对脂溶性农药和水的混合均匀性进行有效分析。扩散角α=10°、扩散管长51.44 mm、有效长度为98 mm的混药器可以实现脂溶性农药和水的均匀混合，与扩散角 α=9°、有继旋器的混药器相比，扩散角增大1°，扩散管长度减小了5.74 mm，混药器有效长度减小了52 mm，进一步优化了混药器结构。扩散角为14°、18°时，混药器有效长度分别为84、75 mm的混药器不能实现脂溶性农药和水的均匀混合。