施药喷嘴分级可行性及方法研究

周晴晴，薛新宇，周良富，孙 涛，田志伟

（农业农村部南京农业机械化研究所，南京 210014）

0 引 言

喷嘴是植保机械中最重要的雾化零件，雾滴大小直接影响农药雾滴的附着、滑落或飘移[1-4]。然而，目前中国农用喷嘴应用技术相对落后，对喷嘴分级及应用意识薄弱，农民使用自制非标准喷嘴和同一喷嘴喷施不同药剂用于不同作物的现象普遍存在[5-6]。导致雾滴飘移和流失严重，农药有效利用率低等问题[7-8]，其部分原因是国产农用喷嘴缺乏详细的分级方法及应用数据。受喷嘴生产工艺影响，国内外相同型号喷嘴的雾化特性也不尽相同，不能直接采用国外喷嘴的分级结果来划分国产喷嘴，因此开展适合于国产喷嘴的分级方法研究具有现实意义。依据ASAE S572.1标准，建立国内风洞条件下参考喷嘴的分级方法是喷嘴分级的前提条件[9]，同时也为国产喷嘴的分级测试提供技术与设备支撑。

雾滴粒径测量结果受喷雾液体属性、流量、喷雾压力、喷孔形状及截面积、采样距离、采集区域和气流速度等因素的影响[10-13]，更有文献[14]显示相同型号的喷嘴在同样的测试压力下，不同测试系统和测试地点获得的雾滴粒径结果差异也很大。如Fritz等[15]在风洞试验室内采用激光衍射系统，研究了喷嘴在0.7、3.1和6.7 m/s风速下的雾滴粒径，结果表明雾滴粒径随着气流速度的增加而增大，建议在较高的气流速度下，不同尺寸液滴之间的速度差减小[16]，可避免高估小雾滴的数量。但风速不应过高，因为过高的风速，如大于 305 km/h，将会引起二次雾化[17]。谢晨等[18-19]采用雾滴粒径图像分析仪（PDIA）研究喷嘴的破裂区长度，结果表明液膜长度随着压力、喷头孔径的改变而变化，认为破裂区长度在60 mm以内。而ASAE S572.1标准[20]要求采样距离在200～500 mm之间，目的就是避免测量非完全雾化区。宋坚利等[21-22]采用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）分析了扇形喷头在喷雾扇面中的雾滴粒径，结果表明雾滴粒径分布为中间低、边缘高的凹面形态，因此测试过程中采用激光扫描整个喷射雾流区[20]，更能准确地估计真实的液滴尺寸。

综上所述，不同条件下的喷嘴雾滴粒径的测试结果，没有对比和直接利用意义。而基于雾滴谱的喷嘴分级能够忽略试验室的数据差异，获得同个喷嘴相同或相近的分级结果[14]。喷嘴分级应严格遵照ASAE S572.1标准[20]要求，测量参考喷嘴和待分类喷嘴的雾滴谱时应使用相同的仪器、测量方法、取样技术、扫描技术、操作员和相似的环境条件。国外关于喷嘴分级的研究已注重分级精确性及试验室之间的一致性，如Womac[23]研究了参考喷嘴流量的一致性对对喷嘴雾滴粒径的影响，为参考喷嘴的选择提供依据。Fritz等[24]在美国农业部农业研究局（简称USDA）航空应用技术中心、林肯大学、澳大利亚昆士兰大学 3个风洞试验室内，建立了参考喷嘴的分级参考图。结果表明在相同的测试条件下，不同试验室雾滴粒径差异在5%以内。国内关于喷嘴飘移性能及分级的研究较多[25-28]，而关于喷嘴雾滴粒径分级研究较少，如张惠春等[29]在澳大利亚昆士兰大学的风洞试验室内测量了参考喷嘴的雾滴粒径参数，但是却在不同的风速和采样距离下测试并分级待分类喷嘴，分级结果有偏差。

本试验在南京农业机械化研究所（简称NJS）的低速风洞内，建立参考喷嘴分类的参考图。基于雾滴谱的喷嘴分类方法，测量并分级Teejet和Lurmark扇形雾系列喷嘴，验证分级方法的正确性。并将苏州蓝翱精密塑胶有限公司的扇形雾喷嘴 F110系列、实心圆锥雾喷嘴YZS80系列、空心圆锥雾喷嘴 YZK80系列喷嘴（简称Lanao F110、YZS80、YZK80）雾滴粒径分级，对完善国产喷嘴的技术参数、便于用户选择喷嘴型号及确定工作压力具有指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置主要包括 NJS-1型植保低速风洞（非标准设备，农业部南京农业机械化研究所研制，试验段尺寸为7.5 m×1.2 m×1.8 m，风速0.5～10 m/s，气流紊流度小于1%）、直线导轨（导轨行程100 cm，移动速度6 cm/s）、DP-02型激光粒度仪（珠海欧美克仪器有限公司，重复性误差＜3%，测试范围1～1 500 μm）、3WZ-25型三缸柱塞泵（物理农林机械科技有限公司，转速430～850 r/min，流量7.5～15.5 L/min）、压力表（上海自动化仪表有限公司，量程为0～1 MPa，精度0.4级），压力表的压力入口位于喷嘴出水口前端，压力表放置在与激光相同高度位置上、风速仪（日本Kanomax公司，量程0～50 m/s，精度±2%）以及流量测试所用的秒表、水桶、电子秤等。

试验装置具有3个特点，1）风洞的顶部安装直线导轨，在风洞顶部打孔，将直角折弯的铜制喷管的顶端穿过孔固定在导轨滑块上，喷管底端安装喷嘴。控制导轨电机正反转，使喷嘴能够上下滑动。2）在风洞的壁面两侧距喷嘴顺风方向30.5 cm且风洞高度的中点处打孔，激光的发射端和接收端分别放置在风洞壁面的两侧，激光经发射端穿过孔到达接收端。3）喷嘴的喷雾方向与风速方向相同，且扇形喷嘴的喷雾面与激光垂直。试验示意图如图1所示。

图1 喷嘴雾滴粒径测试示意图Fig.1 Sketch map of nozzle’s droplet size measurement

1.2 喷嘴选择

参考喷嘴有5个，分别是喷雾系统公司TeeJet 11001、11003、11006、8008和6510不锈钢芯扇形喷嘴。待分类喷嘴共24个，分别是美国喷雾系统公司Teejet F110不锈钢芯扇形喷嘴（01～08号）8种、英国剑桥 Lurmark F110塑料扇形喷嘴（015～05号）5种；国产Lanao F110塑料扇形喷嘴（015～05号）5种、YZS80塑料圆锥实心雾喷嘴（02～04号）3种、YZK80塑料圆锥空心雾喷嘴（02～04号）3种。

1.3 试验设计

在低速风洞内测试参考喷嘴和待分类喷嘴的流量和雾滴粒径，测试压力、风速、采样距离和采样区域的设置如下。参考喷嘴 TeeJet 11001、11003、11006、8008和 6510的参考压力分别为 0.45、0.3、0.2、0.25、0.2 MPa。待分类喷嘴的测试压力为0.2、0.3、0.4 MPa。为避免高估小雾滴的数量，同时为了与Fritz等[24]在USDA航空应用技术中心的数据对比，气流速度采用6.7 m/s。同理采样距离和采样区域与Bradley的试验参数相同，如图1所示，采样距离为30.5 cm，采样区域是此采样距离下激光扫描的整个喷雾截面。确定采样区域的具体操作方法是：启动丝杆，驱动喷嘴从上到下滑动。当喷雾区域到达激光且遮光比达0.5%时计时开始，当喷雾区间远离激光且遮光比减小到0.5%时计时结束。在粒径分析系统软件中设置激光粒度仪的采样时间，使激光检测时间与喷雾面行程时间相吻合。试验过程中所用的喷雾介质是清水。

1.4 试验方法及步骤

参考喷嘴和待分类喷嘴的流量和雾滴粒径测试步骤如下：1）按图1搭建好试验装置，确保系统运行良好。2）打开风洞风机，调整风机转速，用风速仪测量风洞的风速为（6.7±0.2）m/s。3）开启液泵，调节喷雾压力至测试压力。4）采用水桶和电子秤测试1 min内喷嘴喷洒水的质量测得流量。选择与参考流量相差±40 mL/min以内[20]的参考喷嘴用于建立雾滴谱，选择与生产厂家标定流量相差±5%以内[23]的待分类喷嘴用于进行喷嘴分类。5）启动丝杆，让喷嘴从上到下滑动。当喷雾区域到达激光且遮光比达0.5%时开始测试，测试结束后保存测量结果，记录测定的10%、50%和90%体积直径即DV10、DV50和 DV90以及直径小于 100 μm 的喷雾体积百分比即V＜100 μm（%vol）的值。6）每组试验至少重复测量3次，要求保存和记录的雾滴微分分布呈单峰分布，且 3次重复数据尤其是 DV50的偏差在±5%以内。7）当改变压力或更换喷嘴时，重复试验步骤3）～6）。

1.5 数据处理

应用SAS统计分析软件，采用最小显著差数（LSD）的多重比较方法，显著水平α为0.05，比较NJS和USDA参考喷嘴的测试数据显著差异性，分析不同试验设备对雾滴粒径测量结果的影响。

1.6 基于雾滴谱的分级方法

根据参考喷嘴 TeeJet 11001、11003、11006、8008和6510不锈钢芯扇形喷嘴的雾滴粒径与累积体积分数的关系，建立喷嘴分类的参考图。可以使用 DV10、DV50和DV90值的折线图来简化。折线图把雾滴粒径分为 6个区间，从小到大分别对应雾滴粒径的6个类别：很细（VF）、细（F）、中等（M）、粗（C）、很粗（VC）、极粗（XC）。在参考图上画待分类喷嘴的雾滴谱折线图。当待测喷嘴雾滴谱的折线图处于参考图单个分类类别中，而不打断参考曲线时，则按折线所在的区间将待测喷嘴分类。当待测喷嘴雾滴谱折线打断参考曲线，但不穿过2个区间时，则按大部分折线所在的区间将待测喷嘴分类。当待测喷嘴雾滴谱折线穿过2个及2个以上区间时，则忽略Dv90区域超大雾滴的影响，按DV10所在的区间将待测喷嘴分类，以指示液滴最小尺寸。在喷嘴分类中把参考喷嘴雾滴粒径的平均值+标准差作为喷嘴分类的实际上限[20]。

2 结果与分析

2.1 参考喷嘴雾滴粒径分析与分级

参考喷嘴TeeJet11001、11003、11006、8008和6510在参考压力下南京农业机械化研究所雾滴粒径平均值及标准差见表1。试验数据和USDA对比[24]，USDA的风洞试验段尺寸为 9.8 m×1.2 m×1.2 m，风速范围是 0～8 m/s，采用Sympatec HELOS Vario激光衍射仪测量雾滴粒径，动态粒径测量范围是0.5～3 500 μm。两个试验室数据的方差分析结果如表1所示，11003和11006号喷嘴无显著差异，11001、8008和6510号喷嘴雾滴粒径分布有显著差异，且 11001喷嘴 NJS雾滴的测量值大于USDA，8008和 6510号喷嘴 NJS雾滴的测量值小于USDA。这是由于Sympatec HELOS Vario激光衍射仪和DP-02激光粒度仪测量范围不同，2个仪器对细雾滴和粗雾滴的测量值存在偏差。且风洞系统、喷嘴运动系统不同，导致部分参考喷嘴雾滴粒径的测试结果存在显著差异。由于 2个试验室数值相差不大且总体趋势一致，因此测试数据可以用作本试验室的喷嘴雾滴粒径分级的参考临界值。

表1 2个试验室参考喷嘴的雾滴粒径分布与方差分析Table 1 Droplet size distribution and variance analysis of reference nozzle in two laboratories

根据参考喷嘴DV10、DV50和DV90的值，绘出NJS风洞试验室喷嘴分类的参考折线图。如图 2所示，TeeJet 11001、11003、11006、8008、6510喷嘴雾滴粒径折线分别表示：很细/细（VF/F）、细/中（F/M）、中/粗（M/C）、粗/很粗（C/VC）、很粗/极粗（VC/XC）的临界值。数值低于 11001型喷嘴的为很细，介于 11001型喷嘴与11003型喷嘴的为细，以此类推，把雾滴粒径分为很细、细、中等、粗、很粗、极粗 6个等级。另外，由于本文待分类喷嘴级别在很细（VF）到极粗（XC）之间，所以没有测量参考喷嘴 IP-16和 6515对应的极细/很细（XF/VF）和极粗/超级粗（XC/UC）的类别。

图2 NJS风洞试验室雾滴粒径分级参考图Fig.2 Reference map for droplet size classification in NJS wind tunnel laboratory

2.2 基于雾滴谱的分级方法验证

根据喷嘴在0.2、0.3、0.4 MPa压力下雾滴谱折线所在的区间，把美国喷雾系统公司Teejet F110不锈钢芯扇形系列喷嘴、英国剑桥 Lurmark F110塑料扇形系列喷嘴分级。雾滴粒径平均值与喷嘴分级结果见表2。对比喷嘴分级结果与厂家标称的喷嘴级别[30]，发现Teejet F110-03喷嘴在0.2 MPa压力下测试级别比标称级别粗一个等级；Lurmark F110-04喷嘴在0.3 MPa压力下，测试级别比标称级别细一个等级，见表 2中加粗部分。原因一是由于上述喷嘴在上述压力下的雾滴粒径逼近喷嘴分级的临界线，且测量结果存在波动性，所以导致分级结果的误判；二是由于厂家测试条件和测试方法与本试验不同，导致分级结果存在个别不一致现象。由于绝大部分喷嘴及其压力下的测试级别与厂家标称的喷嘴级别相符，表明NJS风洞试验室建立的雾滴粒径分级参考图以及基于雾滴谱的喷嘴分级方法适用于喷嘴的分级。

2.3 国产系列喷嘴粒径分级

根据Lanao F110、YZS80、YZK80系列喷嘴在0.2、0.3、0.4 MPa压力下雾滴谱所在的区间，把喷嘴分级。雾滴谱及喷嘴分级结果见表3、表4和表5。

表2 Teejet F110不锈钢芯扇形系列喷嘴与Lurmark F110塑料扇形系列喷嘴雾滴粒径与分级Table 2 Droplet size and classification of Teejet F110 stainless steel fan series nozzles and Lurmark F110 fan series nozzles

表3 Lanao F110系列喷嘴的雾滴粒径及分级Table 3 Droplet size and classification of Lanao F110 series nozzles

表4 Lanao YZS80系列喷嘴的雾滴粒径及分级Table 4 Droplet size and classification of Lanao YZS80 series nozzles

表5 Lanao YZK80系列喷嘴的雾滴粒径及分级Table 5 Droplet size and classification of Lanao YZK80 series nozzles

由表3、表4和表5可知，针对同一型号的喷嘴，随着喷雾压力的增加，雾滴粒径减小，分级级别变化趋势是由粗变细。针对不同型号的喷嘴，在喷嘴序号和喷雾压力相同的情况下，雾滴粒径由大到小的顺序是：YZS80＞F110＞YZK80。

3 结论与讨论

本文根据ASAE S572.1标准，规范测试方法和程序，在NJS-1型风洞试验室对参考喷嘴、Teejet、Lurmark和Lanao喷嘴进行雾滴谱测试，得到了如下结论：

1）农业农村部南京农业机械化研究所（NJS）和美国农业部农业研究局（USDA）2个实验室的参考喷嘴测试结果数值相差不大且总体趋势一致，表明 NJS-1型风洞参考喷嘴测试数据可以用作本试验室的喷嘴雾滴粒径分级的参考临界值。在此基础上建立了NJS试验室雾滴粒径分级的参考图，总结了基于雾滴谱的分级方法，把雾滴粒径分为很细、细、中等、粗、很粗、极粗 6个等级。

2）Teejet、Lurmark扇形雾系列喷嘴除了 Teejet F110-03喷嘴在0.2 MPa压力下测试级别比标称级别粗一个等级、Lurmark F110-04喷嘴在0.3 MPa压力下，测试级别比标称级别细一个等级之外，其余喷嘴的测试级别与厂家标称的喷嘴级别相符。表明 NJS-1型风洞试验室建立的雾滴粒径分级参考图以及基于雾滴谱的喷嘴分级方法适用于喷嘴分级。

3）将基于雾滴谱的喷嘴分级方法用于国产Lanao喷嘴的分级，得到了Lanao F110、YZS80、YZK80系列喷嘴在0.2、0.3、0.4 MPa压力下的雾滴谱及喷嘴级别。完善了国产喷嘴的雾化特性参数，便于用户选择喷嘴型号以及确定适当的作业参数。

本文只分析了风速为6.7 m/s条件下喷嘴雾滴粒径及分级结果。其他低风速条件同样可以采用本文描述的雾滴粒径测试方法以及基于雾滴谱的喷嘴分级方法进行测试和分级。如果没有风速，建议喷雾方向垂直向下。