静电喷雾雾滴飘移相关影响因素及烟用喷雾罩减飘试验研究

孙轩 王生北 魏帅 王志江 谢永辉 张毅杰 张天顺

摘要：为了研究静电喷雾雾滴飘移规律，减少喷杆静电喷雾雾滴飘移潜力，以水敏纸雾滴飘移测试框架为采集方法，进行雾滴飘移田间试验，定量分析了 2种烟株高度（0.2、0.4 m）与 3种喷雾速度（0.4、0.6、0.8 m/s）条件下，3种侧风区间（0.1～0.4、0.5～0.8、0.9～1.2 m/s）对静电喷雾雾滴飘移潜力与烟用喷雾罩减少雾滴飘移效果的影响。结果表明：侧风风速 1.0 m/s、喷雾速度0.4 m/s条件下，烟株高度为0.2 m时与 0.4 m时相比，雾滴飘移潜力增幅最大为97%;烟株高度0.2 m时，侧风风速与雾滴飘移潜力极显著相关（P<0.01）;侧风风速与雾滴飘移潜力的二次函数拟合决定系数大于 0.93;风速 0.6～1.0 m/s条件下，烟用喷雾罩减飘效果显著，雾滴飘移潜力减少率为72%～88%;喷雾速度 0.4 m/s时，喷雾罩减飘效果最好。

关键词：风;烟草;静电喷雾;雾滴飘移;喷雾罩;水敏纸

中图分类号：S491 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2021）16-0193-07

雾滴飘移是指在喷雾作业过程中，农药雾滴或颗粒被气流携带向非标靶区域运动的一种物理现象[1]，也是造成环境污染、农药流失及农药有效利用率低的重要原因之一[2]。随着农药施用量的不断增加以及人们对生态环境保护和食品安全等问题的日益关注，农药雾滴飘移已成为施药过程中须要关注的主要问题之一[3]。

目前，非静电喷雾雾滴飘移研究主要集中在风洞条件、室内风场、田间试验及建模仿真方面，探究了不同喷头类型、喷雾压力、喷雾高度、喷雾速度及不同风速风向等参数对雾滴飘移的影响[4-9]，并讨论了不同减少雾滴飘移方法的具体效果[10-12]。雾滴飘移研究的目的是发现与提出较为突出的问题，建立雾滴飘移测量标准及评价指标，最终控制及减少飘移雾滴。茹煜等在恒风速下进行了水稻静电喷雾田间试验，证明了静电喷雾会显著增加雾滴沉积的效果，但静电雾滴粒径较小，容易产生雾滴飘移[13]。所以，不同试验因素下，静电喷雾对雾滴飘移的影响规律有待进一步研究[14]。卜佳振进行了静电喷雾雾滴飘移田间试验，认为静电电压越大，静电雾滴飘移越少[15]。杨洲等进行了喷杆式静电喷雾机无喷雾靶标的雾滴飘移室内试验，结果表明静电电压的增加会使静电雾滴飘移中心距与飘失率增大，并提出静电喷雾适合在无风或低风速（2 m/s）条件下作业的建议[16]。静电喷雾影响因素研究除了明确低风速下风速与静电雾滴飘移的规律，还须进一步研究靶标作物对静电喷雾雾滴飘移的影响。王军锋等建立风幕式静电喷杆喷雾试验台进行了室内试验，证明无风条件下，风幕能减少静电雾滴的横向飘移运动，但没有进行不同侧风风速条件下，风幕减少静电喷雾雾滴飘移的研究[17]。喷雾罩已被证明能有效减少侧风风速对雾滴飘移的影响，而且喷雾罩结构简单、经济实用[18-22]。现今，研究喷雾罩在不同侧风风速下，减少喷杆式静电喷雾机（器）雾滴飘移的田间试验甚少。

本试验首次尝试将喷雾罩安装在喷杆式静电喷雾器上，以烟草为施药靶标，选用水敏纸雾滴飘移测试框架采集样品，进行了喷杆静电喷雾雾滴飘移及烟用喷雾罩较少雾滴飘移的田间试验。以期为研究静电喷雾雾滴飘移影响因素、喷杆式喷雾机（器）田间雾滴飘移测试方法，提高静电雾滴抗飘移能力提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验首先对比相同侧风风速与喷雾速度下，不同烟株高度对静电喷雾雾滴飘移的影响，研究静电雾滴吸附性对静电雾滴飘移的影响。然后在不同烟株高度与喷雾速度下，研究侧风风速对喷杆静电喷雾雾滴飘移的影响，确定侧风风速对静电喷雾的影响显著性。最后对比得出不同烟株高度与喷雾速度下，侧风风速与喷雾罩减少雾滴飘移潜力效果的关系，分析安装喷雾罩减少静电喷雾雾滴飘移的效果与相关影响规律。共进行了3种侧风风速区间、2种烟株高度与3种喷雾速度条件下的全面试验。试验参数如表1所示。

试验喷雾设备使用江苏省太仓市金港植保器械科技有限公司生产的雾星 JWB-16A型喷杆式静电喷雾器。静电发生器电压15～30 kV，喷雾器出水量约3 mL/s，喷雾静电雾滴体积中值直径不大于120 μm，在无风室内环境中用水敏纸（water sensitive paper，簡称WSP，尺寸3 cm×8 cm）测试了静电喷雾器在喷雾高度为1、2 m时的有效喷幅，喷幅直径均不超过0.8 m。

田间雾滴飘移测试试验于 2019年 6月在昆明市富民县烟草试验基地进行。试验在喷雾高度为0.3 m、喷嘴直径为 0.04 cm、喷雾压力为 0.36 MPa 条件下喷洒自来水。田间试验布置如图1所示，依据烟草种植区面积确定4 m×1 m的试验区。试验进行期间环境最大瞬时风速不超过2 m/s。每次试验在距离烟草种植中心线0.4 m处，依风向布置3组水敏纸雾滴飘移测试框架，代表3次重复试验的采样结果。水敏纸飘移测试框架用于收集喷雾时飘失的雾滴，主体为3根长1.5 m、垂直插入地面、水平距离为0.1 m的杆子，在所有杆子上布置相同高度的水敏纸，水敏纸相对于地面的布置高度分别为0.15、0.30、0.45、0.6 m。

1.2 试验方法

试验开始后，在距地面1 m高度处设置风速仪，测量试验进行期间瞬时风速与平均风速。每组试验时间不超过10 s，试验风速为试验进行期间的平均风速，且试验瞬时风速均处在对应风速区间 ±0.2 m/s 的范围内。喷雾器喷杆运动方向与地面长方形试验区的长边保持平行，并将喷杆限制在靶标中间位置。风向仪测量风向，侧风风向垂直于喷雾杆行进方向，误差不超过±15°。为了保证每次喷雾杆喷雾高度保持一致，试验前在试验区周边设置了高度参照物;并且为了保证试验喷雾速度的准确性，正式试验前已进行了多次预试验练习。试验进行期间平均温度32.5 ℃、平均相对湿度42%。每次喷雾结束后，待水敏纸干燥后（约 2 min）再收集，并装入预先做好标记的防潮文件盒中，水敏纸会在试验当天进行电子图像扫描，对于水敏纸电子扫描文件，使用图像处理软件ImageJ进行处理，得到飘失雾滴的沉积量等数据，根据不同布置高度上的水敏纸雾滴沉积量，计算不同试验条件下的雾滴飘移潜在指数。

1.3 计算方法

曾爱军在雾滴飘移测试试验中使用飘移潜在指数（drift potential index，简称DIX）作为评价指标，测量了雾滴的飘移沉积特性[23]。王潇楠等进行了雾滴飘移田间试验，将测得的雾滴飘移潜在指数作

为雾滴飘移潜力的评价指标;但因为无人机旋翼附近气流胁迫雾滴运动，雾滴飘移潜在指数与侧风风速无显著相关关系[24]。Bai等使用雾滴飘移潜在指数与雾滴飘移潜在指数减少率（drift potential index reduction percentage，DIXRP）作为评价指标，比较了不同喷嘴减少雾滴飘移潜力的效果[25]。

1.3.1 雾滴飘移潜在指数的计算[26] 雾滴飘移潜在指数是一种雾滴飘移潜力的评价指标，DIX值越大，表示飘移损失的可能性越大。

式中：y是水平距离，z是垂直高度，hN是喷头高度，T为雾滴体积总通量;ν（y，z）为飘移雾滴通过测试截面内任意一点的体积通量。

相对体积飘移量（V）定义为：

式中：TN为喷头喷液量。

飘移雾滴量分布的特征高度（h）定义为：

式中：ν（z）为某一高度下任意一点飘移雾滴的体积通量。

雾滴飘移潜在指数（DIX）定义为：

式中：a、b是常数，根据大量风洞试验与田间试验回归分析计算定值分别为 0.88、0.78。

1.3.2 雾滴飘移潜在指数减少率的计算[25] 雾滴飘移潜在指数减少率指标作为DIX值变化情况的评价指标，DIXRP值越大，表示减少雾滴飘移损失的效果越好。

式中：DIXrs为普通静电喷雾时的雾滴飘移潜在指数;DIXis为使用喷雾罩后静电喷雾时的雾滴飘移潜在指数。

2 结果与分析

2.1 不同烟株高度对静电喷雾雾滴飘移的影响

由表2可知，当喷雾速度相同，侧风风速差距过大时，例如侧风风速为0.1～0.4 m/s时，喷雾速度在0.4、0.6 m/s条件下，烟株高度0.4 m时的侧风风速（0.4 m/s）均比0.2 m时（0.1 m/s）大 0.3 m/s，烟株高度0.4 m时雾滴飘移潜力更大。当喷雾速度相同，侧风风速差距不大时，例如喷雾速度0.4 m/s侧风风速为0.5～0.8 m/s条件下，虽然烟株高度0.4 m时侧风风速比0.2 m时大0.2 m/s，但是烟株高度 0.2 m 时雾滴飘移潜力更大。在喷雾速度与侧风风速条件相同时，烟株高度0.2 m时雾滴飘移潜力明显比烟株高度0.4 m时大：侧风风速为0.1～0.4 m/s时增幅为37%;侧风风速为0.5～0.8 m/s时增幅为18%～50%;侧风风速为1.0～1.2 m/s时增幅为54%～97%。烟株高度0.4 m时雾滴飘移潜力较小，可能主要因为烟株高度0.4 m时烟草生长更加成熟，相较于烟株高度0.2 m时静电雾滴更容易吸附靶标，所以静电雾滴更不易飘移。

2.2 烟株高度0.2 m时风速对雾滴飘移与喷雾罩减飘的影响

表3结果表明，烟株高度0.2 m时，不同喷雾速度下，随着侧风风速的增大，雾滴飘移潜力明显变大。由图2可见，3种喷雾速度下，雾滴飘移明显减少。

为定量研究雾滴飘移潜力随侧风风速的变化规律，利用Origin 2019中的数据分析工具分析雾滴飘移潜在指数随侧风风速的变化规律。在进行多项式回归时，同时利用线性函数、指数函数进行了回归分析，这些函数的相关系数均比多项式回归的相关系数要小，故采用多项式表示雾滴飘移潜在指数随侧风风速的变化规律。由表4可见，不使用喷雾罩，雾滴飘移潜在指数DIX均与侧风风速极显著相关（P<0.01）;使用喷雾罩后，雾滴飘移潜在指数DIX与侧风风速显著相关（P<0.05）;烟株高度 0.2 m 时，雾滴飘移潜力随侧风风速的变化规律可以用二次多项式进行表示，且拟合的决定系数较高。

为定量研究喷雾罩减少雾滴飘移随侧风风速的变化规律，利用表示雾滴飘移潜在指数随侧风风速变化关系的二次多项式，分析了不同喷雾速度下，风速（0.6～1.0 m/s）与喷雾罩雾滴飘移潜在指数减少率的关系。图3结果表明，烟株高度0.2 m时，随着风速的增大，喷雾罩减少雾滴飘移的效果随之变差。喷雾速度0.4 m/s时雾滴飘移潜在指数减少率为85%～88%，降幅为3%;喷雾速度 0.6 m/s 时雾滴飘移潜在指数减少率为72%～84%，降幅为12%;喷雾速度0.8 m/s时雾滴飘移潜在指数减少率为73%～85%，降幅為12%。随着风速的增加，喷雾速度0.4 m/s时喷雾罩的减飘效果最优，减飘效果的下降幅度也最小。

2.3 烟株高度0.4 m时风速对雾滴飘移与喷雾罩减飘的影响

由表5可见，烟株高度0.4 m时，随着侧风风速的增大，雾滴飘移潜力明显变大。由图4可以看出，不同喷雾速度下，喷雾罩都明显减少了雾滴飘移。

利用Origin 2019中的数据分析工具，分析了雾滴飘移潜在指数随侧风风速的变化规律。由表6可见，雾滴飘移潜在指数均与侧风风速呈显著相关关系（P<0.05）;烟草高度0.4 m时，雾滴飘移潜力随侧风风速的变化规律可以用二次多项式表示，且r2均较高。

烟株高度0.4 m时，定量分析了不同喷雾速度情况下，风速（0.6～1.0 m/s）与喷雾罩雾滴飘移潜在指数减少率的关系。图5结果表明，烟草高度0.4 m时，喷雾速度 0.4、0.6、0.8 m/s时雾滴飘移潜在指数减少率分别为 42%～58%、47%～49%与 57%～62%，随着侧风风速的增加，喷雾罩减飘效果随之变差。

3 讨论

3.1 静电雾滴吸附作用对静电喷雾雾滴飘移的影响

传统静电喷雾机（器）雾滴飘移室内试验，不设置喷雾靶标[16-17]。进行雾滴飘移试验之前，要预先假设静电雾滴对靶标的吸附作用[27-28]不会对试验结果产生影响，进而得出静电电压的增加会使雾滴更容易飘移。然而在实际情况中，尤其在适宜进行静电喷雾的低风速环境下，静电雾滴对不同生长阶段靶标作物的吸附作用会对雾滴飘移试验的结果产生较大的影响;例如当侧风风速小于 1.2 m/s 时，静电雾滴在烟株高度0.2 m时比0.4 m时更容易飘移，不同侧风风速与喷雾速度条件下雾滴飘移潜力增幅为15%～97%[16]。卜佳振进行了无人直升机雾滴飘移田间试验，得到了随着静电电压的增加，静电雾滴对靶标的吸附作用随之增强，进而减少了雾滴飘移的结论[15]，本试验所得静电雾滴吸附作用对雾滴飘移试验结果的影响效果与之一致。

3.2 田间不稳定与不可控的侧风对静电喷雾雾滴飘移的影响

本试验针对低风速（侧风风速小于1.2 m/s）、低施药量（施药量在3 mL/s以下）静电喷雾机（器）田间运动喷雾，建立了雾滴飘移实时测试收集框架。但因为雾滴飘移田間试验主要由于侧风的不稳定性和不可控性，使得田间试验很难重复，难以确定某一因素对试验结果的影响作用，所以试验整体设计既有精确也有简化。例如：（1）单组试验进行时间短（不超过10 s），保证了侧风风速变化的稳定性。使用试验平均风速作为侧风风速，保证了组内重复试验结果的代表性[16]。（2）试验设置了侧风风速浮动变化区间，增强了侧风风速的可调控性，有效避免了试验水敏纸的大量浪费，之后通过建立侧风风速与雾滴飘移潜在指数的二次拟合函数，分析侧风风速对雾滴飘移的影响。（3）使用水敏纸雾滴飘移测试框架采集飘移出喷雾区域的雾滴，提高了飘移雾滴的采集精度[29-30]。即使静电喷雾喷雾量较少，不同试验条件下结果的差异也非常明显。本试验方法针对性较强，但也存在着一些不足，需要后续研究进行不同试验条件下的完善。主要体现在水敏纸对雾滴的灵敏度较高，对试验环境的要求较为苛刻，且对于飘移雾滴的数据容量也较低。

3.3 喷雾罩减飘方法对静电喷雾雾滴飘移的影响

静电喷雾的优势在于静电雾滴的吸附性，特别是静电雾滴的环绕效果对于提升作物背面吸附性尤为重要[14]。但相关试验已证明静电雾滴容易被侧风风速所影响[16]，选择采用喷雾罩减少静电喷雾雾滴飘移，一方面因为喷雾罩与某些改变喷雾雾滴的大小来减少雾滴飘移的喷雾防飘移助剂原理[26]不同，喷雾罩不会对静电雾滴的雾化有任何影响。另一方面喷雾罩也与为喷雾雾滴附加动能的风幕式减飘方法原理[2，17]不同，喷雾罩不会影响雾滴的运动轨迹，从而影响静电雾滴的环绕效果。喷雾罩减飘方法虽然理念和方法比较简单，但喷雾过程中喷雾罩与静电雾滴自身的静电吸附力协力合作，现阶段不失为一种减少静电喷雾雾滴飘移的良好方法。

4 结论

为了研究静电喷雾雾滴飘移规律，减少喷杆静电喷雾雾滴飘移潜力，进行了喷杆静电喷雾雾滴飘移田间试验。运用雾滴飘移潜在指数与雾滴飘移潜在指数减少率分别作为雾滴飘移潜力与喷雾罩减少雾滴飘移效果的评价指标，在不同烟株高度（0.2、0.4 m）与喷雾速度（0.4、0.6、0.8 m/s）条件下，定量分析了侧风风速 （0.1～0.4 m/s、0.5～0.8 m/s、0.9～1.2 m/s）与静电喷雾雾滴飘移潜力、烟用喷雾罩减飘效果的关系，得到了以下结论：

在低风速（侧风风速小于1.2 m/s）条件下，静电雾滴对不同生长阶段靶标的吸附作用，会对静电喷雾雾滴飘移试验的结果产生一定的影响。

平均温度32.5 ℃、平均相对湿度42%、侧风风速小于1.2 m/s条件下，随着侧风风速的增加，水敏纸雾滴飘移测试框架测得的雾滴飘移潜力随着之增加;对不同侧风风速区间下的试验结果进行拟合，表明了侧风风速（0.1～1.2 m/s）与雾滴飘移潜力的二次函数关系（拟合决定系数大于 0.93）。使用喷雾罩后，侧风风速与雾滴飘移潜力显著相关（P<0.05），对不同侧风风速区间下的试验结果进行拟合，表明了侧风风速（0.1～1.2 m/s）与雾滴飘移潜力呈显著相关关系。

在 0.6～1.0 m/s侧风风速条件下，风速越大，喷雾罩的减飘效果越差;烟株高度 0.2 m时，喷雾罩雾滴飘移减少率为 72%～88%，喷雾速度越慢，喷雾罩减飘效果越好;烟株高度 0.4 m时，喷雾罩雾滴飘移减少率为 42%～62%。

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