脉冲式烟雾水雾机工作频率影响因素研究

蒋雪松 周 杰 许林云 林 欢 周宏平 侯秀梅

(南京林业大学机械电子工程学院， 南京 210037)

0 引言

脉冲式烟雾水雾多功能机是国内近几年在脉冲烟雾机基础上发展起来的新型病虫害防治机具[1]。它既能对农药稀释于溶剂油中形成的热雾剂进行热力烟化，施放细小的油性农药雾滴[2]，也能对农药稀释于水中形成的水雾剂进行热力雾化，施放细小的农药水雾滴。

脉冲式烟雾水雾机能否可靠地实现脉动燃烧工作，主要取决于脉冲发动机的燃烧室-喷管构成的声学结构条件和燃油供给系统构成的加热条件的共同耦合作用[3-5]。药液从喷管上的药喷嘴进入喷管内，需吸收热气流热能和动能，将药液进行热力烟化或雾化。药液热力烟化或雾化时不仅从脉动燃烧振荡气流中吸收热量，同时烟化或雾化后的雾滴加入到振荡系统中，会反过来影响原有的脉动燃烧振荡系统。如果能产生新的耦合关系，则形成新的振荡平衡系统。脉冲式烟雾水雾机的工作频率就是脉冲发动机脉动燃烧系统的振荡频率，它是确保脉冲发动机在声学结构、加热条件、药液热力烟化或雾化吸热共同耦合作用下整机可靠工作的关键参数。

国内对脉冲式烟雾水雾机工作频率的研究主要集中在脉冲发动机声学结构对工作频率及动力性能的影响[6-8]、工作频率的计算方法[9-10]、声学结构特性及噪声[11-12]、脉动气流雾化[13]、Rijke型脉动燃烧机理[14]等相关方面。针对药液的热力烟化或雾化过程对脉冲发动机工作频率的反馈影响的研究尚处于空白。国内外主要对涉及航空用脉冲发动机或热水取暖用脉动燃烧器进行了相关研究，如热释放或热交换的特性[15-17]、喷管内的热传递数值模型[18-19]、无阀式脉冲发动机的高频工作特性[20]等。而针对应用于脉冲烟雾机或脉冲式烟雾水雾机及其脉冲发动机的相关研究则鲜有报道。

本文选用6HYW-60S型脉冲式烟雾水雾机，研究在不同的油门开度、不同的药液类型(用0#柴油和清水代替热雾剂农药和水雾剂农药)以及进入喷管内不同药液流量等工作状况下对工作频率的影响。

1 结构及工作原理

图1 常规脉冲烟雾水雾机结构简图Fig.1 Structure diagram of pulsed smoker/fogger1.打气筒 2.三通阀 3.起动单向阀 4.进气管 5.单向膜片 6.引压管口 7.化油器 8.喉管 9.油针 10.火花塞 11.油箱 12、20.引压管 13.药箱 14.药开关 15.药喷嘴 16.喷管17.燃烧室 18.燃烧室前室 19.药箱加压单向阀

常规脉冲式烟雾水雾机结构如图1所示，主要由脉冲发动机和供药系统两大部分组成。脉冲发动机的主体结构是燃烧室和喷管(简称燃烧室-喷管[2])，另外还包括点火、供油、起动等装置。供药系统则由药箱、药开关、药喷嘴、加压单项阀等组成。脉冲发动机工作原理如下：起动时利用打气筒手动打气，分别给化油器供气及对油箱加压。由化油器形成的可燃混合气通过位于燃烧室前室处的火花塞点火燃烧(火花塞只在起动时发挥点火作用，正常工作后进入燃烧室的可燃混合气由上一循环的余火或高温壁面点火燃烧而无须火花塞点火)。燃烧室压力突增，关闭进气单向膜片，燃烧后的热气流经过喷管从喷口排出。燃烧室内压力下降，单向膜片打开开始进气，随燃烧室内压力进一步下降，喷管内气流由向外排出转向喷管内进气，燃烧室内刚进入的可燃混合气获得进一步压缩，再次点燃，形成周期性进气-燃烧-排放的循环往复过程。发动机的供油是由化油器进气时在喉管处形成的负压完成吸油。脉冲式烟雾水雾机的工作则是依靠脉冲发动机自激自吸的脉动燃烧振荡。发动机工作时在喷管内形成沿喷管轴向的周期往复的高温紊流排放气流，药液(无论是热雾剂还是水雾剂)由位于喷管上的药喷嘴进入喷管内，利用喷管内高温脉动热气流的热能和紊流动能将药液破碎、裂化、蒸发，从喷管出口排出后冷凝，形成非常微小的烟雾或水雾雾滴。整机除化油器上进气单向膜片以及药箱加压单向阀产生小位移运动外，没有其他任何运动部件。脉冲发动机燃烧阶段产生的较高压力通过位于化油器上的引压管口及药箱加压单向阀引入至药箱内给药液加压，使药液以一定流量在药箱内微压作用下自动流入喷管内，形成药液供给系统。整机无需供油泵、供气泵及供药泵等耗能装置。

2 试验方法

2.1 测试系统

药液流量由药液增压系统与喷嘴结构决定，一般由生产厂家设定。为了研究药液流量对脉冲发动机工作的反馈影响，将图1中的药液供给系统改为齿轮泵主动供药且流量可以调节，工作特性参数测试系统如图2所示。

图2 脉冲式烟雾水雾机工作特性参数测试系统Fig.2 Testing system of characteristic parameters for pulsed smoker/fogger1.药喷嘴 2.药开关 3.转子流量计 4.齿轮泵 5.药箱 6.传声器 7.A/D转换器 8.前置放大器 9.计算机 10.二位三通阀 11.计量管 12.油箱

2.1.1频率测试装置

脉冲发动机工作时，可燃混合气在燃烧室内经过“进气-燃烧-排气-再进气”的循环往复式自激振荡脉动燃烧，燃烧室内的气体压力基本符合正弦波的特征。燃烧室内的压力信号及脉冲发动机的噪声信号前期已进行测量[4,11]，并分别进行频谱分析，两种方法所测得的基频完全一致。采用噪声测量方法确定脉冲发动机的工作频率。该测试装置由传声器、A/D转换器、前置放大器及计算机组成，见图2。传声器距喷管出口中心300 mm，与喷管轴线呈45°夹角。应用CRAS7.1随机信号与振动分析软件对排气口的噪声进行频谱分析。

2.1.2温度测试装置

为测定脉冲发动机工作时燃烧室的气流温度，本文采用1根钨铼热电偶从喷管口处插入，测量燃烧室内温度，由温度显示仪显示并记录。

2.1.3药液流量调节装置

药液流量调节装置由药喷嘴、药开关、转子流量计、齿轮泵和药箱组成(图2)。

2.1.4燃油实时计量装置

燃油实时计量装置主要由油耗计量管和二位三通阀组成(图2)，用以测量进入燃烧室燃烧的燃油消耗量，同时记录对应的时间，即计算可得脉冲发动机燃油消耗率。试验中的油耗计量管采用50 mL滴定管，在脉冲发动机起动阶段及进入稳态燃烧前的过渡阶段均由油箱供油，只有进入稳态阶段进行测量时才将三通阀转至计量管供油。

2.2 试验参数设定

2.2.1油门开度

6HYW-60S型脉冲式烟雾水雾机配备的化油器通过旋转油针调节进油量，油针可旋转角为90°，试验过程中将油针旋转角进行4等分，即油门开度分别为：0°、22.5°、45.0°、67.5°、90.0°，共5个位置。

2.2.2药液类型及流量

林业上应用脉冲烟雾机进行病虫害防治时所配的热雾剂大多采用菊酯类农药，溶剂油为柴油。本文以0#柴油作为热雾剂试验用液体，同时以清水代表水雾剂农药试验用液体。0#柴油和清水流量均设定为20、30、40、50、60、70、80 L/h。所有试验重复测量3次，每一次将所有参数测定完后，再进行下一次重复测试，测试结果取算术平均值。

3 试验结果与分析

3.1 不喷药状态

脉冲式烟雾水雾机在不喷烟雾或水雾条件下，无任何药液从药喷嘴(图2)进入喷管内，对应的燃油消耗率及工作频率见表1。

表1 脉冲式烟雾水雾机不喷药时各参数数值Tab.1 Parameter values of pulsed smoker/fogger without spraying

由表1可知，油门开度在0°～90°范围内调节时，燃油消耗率变化范围为1.46～1.65 kg/h。当油门开度为0°时，此时油针并没有完全堵住油嘴，仍保持一定的开度，一般为发动机起动开度。油门开度90.0°时的燃油消耗率只比油门开度67.5°时高0.01 kg/h，两者非常接近，说明油门开度在67.5°时已接近全开状态。脉冲发动机能否正常脉动燃烧工作，不仅与燃烧室-喷管结构参数所构成的声学条件有关，也与供给脉冲发动机的可燃混合气进行燃烧所构成的加热条件有关，两者只有形成耦合才能激发起自激自吸的脉动燃烧。当油门开度加大即供油量加大，燃烧室内燃烧强度相应增强，在燃烧室-喷管内形成新的脉动燃烧动态平衡[21-22]。当然，如果两者不匹配即无法耦合作用则脉冲发动机无法起动，或起动后工作不稳定，容易熄火。

将试验测量的排气噪声声压信号应用CRAS7.1随机信号与振动分析系统进行频谱分析，取第1阶频率作为脉冲发动机的实际工作频率，见表1。由表1可知，实际工作频率随油门开度加大(即供油量加大)呈缓慢增加趋势。当油门开度0°时，实际工作频率为111.4 Hz，到最大开度90.0°时，频率增加了9.7 Hz。

图3为油门开度45.0°时的压力信号频谱图，其基频为117.2 Hz，图中标出了脉冲发动机的第2、3、4阶高次谐频分别为238.3、359.4、470.7 Hz，基本为基频的整数倍。

图3 压力信号功率频谱图(油门开度45°)Fig.3 Pressure signal spectrum of pressure signal under throttle opening of 45°

当燃烧室内无燃烧发生时，脉冲发动机的主体结构为燃烧室-喷管，类似于Helmholtz型声学共振器，其理论工作频率为[20]

(1)

cv——定容比热容，J/(kg·K)

cp——定压比热容，J/(kg·K)

R——气体常数，取287 J/(mol·K)

T——燃烧室温度， K

S——喷管横截面积，m2

V——燃烧室体积，m3

L——喷管长度，m

根据所测的燃烧室内气流温度，利用式(1)可计算得到脉冲发动机的理论工作频率，如表1所示。采用式(1)计算的理论工作频率比实际工作频率平均高31.1 Hz。最大差值为32.8 Hz(油门开度22.5°)，最小差值时29.6 Hz(油门开度0°)，不同油门开度下的两种频率的变化均不显著。

利用式(1)计算脉冲发动机理论工作频率的前提条件是将脉冲发动机的燃烧室-喷管看作为Helmholtz声学共振器。实际用作消声的声学共振器由具有较大的空腔与较短小的颈管构成。本文脉冲发动机与一般声学共振器相比，将燃烧室柱部和锥部合起来作为声学空腔，将较长的喷管作为声学颈管。虽然式(1)中已考虑到喷管长度L的影响，喷管越长，频率越低，但整个质量气流在较长的喷管内沿喷管轴向来回振荡时，喷管也相当于一个阻尼器，会进一步降低其振荡频率。这正是实际工作频率比式(1)计算的理论工作频率小的原因之一。

当脉冲发动机工作(即燃烧室内存在燃烧)时，声学系统内有热量加入，调节油门开度即改变供油供气量，则在燃烧室-喷管内会形成新的燃烧振荡耦合过程，引起实际工作频率发生相应变化。一旦两者不匹配则无法耦合工作，导致脉冲发动机无法起动或可靠工作。脉冲发动机至今许多机理仍不够清晰，导致一些以脉冲发动机为动力的新型脉动燃烧器难以得到很好的开发应用。

3.2 喷药状态

将图2中的药箱装入0#柴油或清水，调节齿轮泵，由转子流量计记录药液流量，则药液由药喷嘴以液流形式进入喷管内。喷管内以紊流脉动的热气流不断流过药喷嘴，利用高温、高速及紊态流动的热气流所具有的动能及热能，将进入喷管内的药液(柴油或清水)进行破碎、裂化、蒸发成细小雾滴，从喷管出口处喷出。药液从药喷嘴进入原有自激自吸振荡燃烧系统中，不仅吸收系统内的热量，同时将雾化后的细小雾滴加入到振荡气流中形成新的振荡质量流，这必将会影响脉动燃烧系统原有的振荡平衡，并形成新的振荡平衡，即会改变脉动发动机的工作频率。在喷烟雾和喷水雾不同工况条件下，结合不同油门开度和喷液流量情况，测得脉冲式烟雾水雾机的实际工作频率如表2所示。

以0#柴油作为热雾剂药液流入到喷管内，经过热力烟化后形成直径小于10 μm的微小油雾滴[23]，进入空气中冷凝成浓密的白色可见烟雾。无论在何种油门开度下，脉冲发动机的实际工作频率均随着柴油流量的增加呈下降趋势。当油门开度处于最小值0°时，由不喷药时的111.4 Hz，下降为喷药流量为20 L/h时的109.4 Hz，下降了2.0 Hz，直至下降到喷药流量80 L/h时的101.6 Hz，下降了9.8 Hz。脉冲发动机的实际工作频率与热雾剂流量之间呈线性负相关，如图4所示，图中虚线为实测曲线，实线为拟合直线。无论在何种油门开度下，实际工作频率与柴油流量不仅均呈线性关系下降，且下降趋势关系比较一致，即可采用共同的线性比例系数，即为-0.135 7 Hz·h/L。

表2 喷雾状态下实际工作频率

Tab.2 Actual working frequency with sprayingHz

液体油门开度/(°)喷液流量/(L·h-1)203040506070800109.4109.4107.4105.5105.5103.5101.622.5111.4111.4109.4109.4107.4105.5103.5柴油45.0115.2115.2111.4111.4109.4109.4107.267.5117.2117.2111.4111.4111.4109.4109.490.0117.2117.2115.2111.4111.4111.4109.40101.6101.699.699.697.797.795.722.5105.5102.5101.6101.699.699.697.7水 45.0107.4105.5103.5101.6101.699.699.667.5107.4107.4105.5103.5101.6101.6101.690.0109.4107.5105.5105.5103.5103.5101.6

图4 喷烟雾工况下工作频率与热雾剂流量的线性关系Fig.4 Linear relationship curves between working frequency and flow rate of hot spray under smoke injection conditions

另外，实际工作频率随着油门开度的增大即供油量的增加呈上升趋势。当柴油流量为20 L/h时，工作频率从油门开度0°时的109.4 Hz，增大到油门开度67.5°或90.0°时的117.2 Hz，增加了7.8 Hz。对应柴油其他各流量下，其工作频率的增加趋势大体一致。

脉冲发动机工作频率与耗油率之间，无论在何种喷药流量工况下，均存在共同的线性比例系数，即为38.58 Hz·h/L。以工作频率与热雾剂流量及脉冲发动机耗油率的组合函数关系，进行平面拟合，如图5所示。图中圆球点为实测值对应的点。

图5 工作频率与流量及耗油率的平面线性关系Fig.5 Planar linear relationship between working frequency and spray flow rate and fuel consumption rate

当脉冲发动机应用于热力雾化水雾剂药液(即清水)时，油门开度处于最小开度0°，水流量20 L/h时实际工作频率由不喷药时111.4 Hz降至101.6 Hz，下降了9.8 Hz，其下降幅度远大于喷烟雾时的2.0 Hz。这是因为水的比热容为42 000 J/(kg·K)，约为柴油的2倍。喷烟雾时药喷嘴处的温度由喷药前900℃，降至喷药后700℃左右，而喷水雾时则骤降至80℃左右，即温度急骤下降是使原有脉动燃烧系统吸收消耗相当大热量，从而较大改变了原有振荡系统并达到新的振荡平衡，且喷管内热力雾化的水雾滴平均粒径50 μm也远高于烟雾滴最大直径10 μm[23]，因此水雾惯性质量流比烟雾大。根据瑞利准则[24]，虽然文中的热量没有从系统取走，但从喷药嘴附近至喷管出口段(称为热力烟化段或热力雾化段)热气流的介质、质量、状态均发生了较大的改变，致使频率产生较大下降[25]。随着水流量由20 L/h增至80 L/h，实际工作频率不断下降，一直降到95.7 Hz，流量增加了3倍，频率只下降了5.9 Hz，说明水雾剂药液加入空载时的脉动振荡气流中对脉动振荡系统的影响远高于加入后流量的变化量对其产生的影响。对应其余油门开度22.5°、45.0°、67.5°、90.0°，水雾剂流量由20 L/h增加至80 L/h，实际工作频率分别下降了7.8、7.8、5.8、7.8 Hz。

4 数学模型

根据前述综合分析脉冲发动机的实际工作频率与热雾剂流量及脉冲发动机耗油率之间的关系，可得

f=-0.135 7Q1+38.58q+56.13
(R2=0.925)

(2)

式中Q1——热雾剂流量， L/h

q——脉冲发动机耗油率， L/h

利用式(2)计算对应耗油率及热雾剂流量或喷药量的工作频率，计算结果见表3。计算值与实际工作频率最大绝对误差仅为2.5 Hz(对应油门开度67.5°，喷药量40 L/h)，相对误差只有2.2%。应用式(2)计算不喷药时的工作频率，其最大相对误差只有1.2%。说明在喷烟雾工况下，喷药量从0直至最大喷药量80 L/h，均可应用式(2)简化计算脉冲发动机的工作频率。

表3 利用频率修正公式计算的工作频率Tab.3 Working frequency calculated by frequency correction equation Hz

实际工作频率与水雾剂流量及耗油率之间也存在着良好的线性关系，脉冲发动机工作频率与水雾剂农药流量及耗油率之间的关系为

f=-0.115 7Q2+30.73q+59.61 (R2=0.936)

(3)

式中Q2——水雾剂农药流量，L/h

因热力雾化水雾剂时，水雾剂加入喷管内对原有热气流产生大幅降温，使实际工作频率幅值产生较大下降，因此式(3)只适用于加入水雾剂农药后的实际工作频率与水雾剂农药流量及耗油率之间的关系，而不适用于不加水雾剂农药即空载情况，空载时可用式(2)计算。

利用式 (3)计算对应水雾剂农药流量和各油门开度下的工作频率，见表3，计算值与实测值最大相对误差仅为1.4%(对应油门开度67.5°，流量60 L/h)。可见，针对6HYW-60S型脉冲式烟雾水雾机，喷烟雾时应用式(2)、喷水雾时应用式(3)计算其工作频率可行。

脉冲式烟雾水雾机在一定的脉动频率下才能正常工作，其工作过程是一个反馈耦合系统[26]。可以把是否喷药近似看作系统有无负载两种状态。水的比热容大于柴油，相同流量下水雾的负载大于烟雾负载。

5 结论

(1)应用声学共振频率计算公式计算脉冲发动机频率时，虽然指无加热条件，但又必须考虑加热时的本地温度对应的声速。计算值比实测值平均高31.1 Hz，平均相对误差为26.6%。

(2)从药喷嘴向喷管内注入热雾剂或水雾剂农药并且热力烟化或雾化后，均会使原有工作频率下降，水雾剂农药雾化后工作频率的下降值大于热雾剂烟化后的下降值，即水雾剂农药热力雾化比热雾剂热力烟化对原有脉动燃烧振荡系统的扰动大。

(3)建立的工作频率计算式(2)适用于喷烟雾同时也适用不喷药液状态，式(3)只适用于喷水雾状态。喷烟雾或喷水雾状态下，实际工作频率与药液流量之间均呈负比例关系，其比例系数分别为-0.135 7、-0.115 7 Hz·h/L；工作频率与燃油消耗率之间均呈正比例关系，对应比例系数分别为38.58、30.73 Hz·h/L，说明喷烟雾时药液流量与燃油消耗率对工作频率的影响均比喷水雾时略大。式(2)、(3)所引起的最大平均相对误差只有2.2%和1.4%，表明应用这两个模型在常规喷药量范围内计算相应的工作频率可行。