侧风影响下喷头倾斜角度对雾滴飘移补偿

孙道宗，占旭锐，刘伟康，薛秀云,2,3,4，谢家兴，李 震,2,3,4，宋淑然,2,3,4，王卫星

侧风影响下喷头倾斜角度对雾滴飘移补偿

孙道宗1,3，占旭锐1，刘伟康1，薛秀云1,2,3,4，谢家兴1,3，李 震1,2,3,4，宋淑然1,2,3,4※，王卫星1,3

（1. 华南农业大学电子工程学院/人工智能学院，广州 510642； 2. 国家柑橘产业技术体系机械研究室，广州 510642；3. 广东省农情信息监测工程技术研究中心，广州 510642； 4. 广东省山地果园机械创新工程技术研究中心，广州 510642）

为研究植保喷雾作业中在不同风速和喷头倾斜角度下对水平喷雾的雾滴飘移的影响，设置3个风速水平（1、2、3 m/s）与4个喷头倾斜角度水平（0°、15°、30°、45°）进行喷雾试验，测定了不同水平的雾滴分布，以风速为0、喷头倾斜角度为0°的常规作业水平作为对照组，对垂直和水平两个方向的雾滴质量分布中心与变异系数进行分析。结果表明，垂直方向上，侧风风速与喷头倾斜角度对垂直雾滴质量分布中心的影响在±3 cm范围内整体影响较小，而侧风风速与喷头倾斜角度的增大都会使垂直方向变异系数减小，在1～3 m/s的风速下垂直方向变异系数减小的最大值分别为12.3、6.0、16.0个百分点，提高了雾滴在垂直方向上的均匀性。水平方向上，不同风速和喷头倾斜角度都会对雾滴飘移产生影响，随着喷头倾斜角度的增大，雾滴受风速的影响程度会减小，当喷头倾斜角的补偿量超过了当前风速下对雾滴的飘移量，会使雾滴飘移产生过补偿，在高风速时喷头倾斜角度的改变会带来更大的雾滴飘移改变。侧风风速与喷头倾斜角度对水平方向上变异系数会产生较大影响：随着喷头倾斜角度的增大，水平变异系数也随之增大，而风速的变化使水平变异系数呈现先增大后减小的趋势。拟合了喷头倾斜角度与风速对雾滴飘移的影响模型，并计算出在1、2、3 m/s风速条件下，最佳补偿的喷头倾斜角度分别为3°、7°、11°。该研究为植保作业中雾滴飘移改善技术提供参考。

风速；喷头；喷雾；飘移补偿；雾滴分布

0 引 言

在对果树进行农药喷洒作业过程中，由于自然风或者喷雾机行进中产生的横向风会使雾滴产生飘移，是导致药液流失、环境污染及病害防治效果低的重要原 因[1-2]。影响喷雾飘移的因素有很多，从喷雾作业参数上来看，有风速[3]、喷雾压力[4]、喷头流量[5]、雾滴粒径[6]、喷头倾斜角等[7]。茹煜等[8]在风洞条件下分析了多种喷雾参数对雾滴飘移的影响，建立了雾滴飘移模型以预测不同参数下的雾滴飘移状态。周瑞琼等[9]建立了风速在0～6 m /s范围内的低速风洞，采用碳纤维棒收集垂直方向和水平方向上含荧光素钠的雾滴，由荧光分光光度计测定了收集杆上的荧光素钠的含量，发现影响雾滴飘移的喷头结构参数和操作技术的参数因素次序依次为风速、喷头类型、喷雾介质、压力。孙国祥等[10-13]通过CFD技术对喷雾过程中雾滴的飘移状态进行了分析，得到了不同参数对雾滴飘移的影响规律。

目前，已经有多种有效控制雾滴飘移的技术在农业生产中得到应用[14-17]，如气流辅助喷雾技术[18]、超低量防飘移技术[19]、静电喷雾技术[20-21]、变量喷雾技术[22]等。在喷雾作业中，对喷雾压力与喷头流量等参数的 调整虽然会改善雾滴飘移，但是也会对喷雾效果产生影响[23]。而对喷头倾斜角度的改变可以较好的减小雾滴飘移[24]。现有的关于调整喷头倾斜角度的研究中，多是 对垂直喷雾的喷头倾斜角度和飘移量加以分析[25-26]，而在果树喷雾作业中常见的水平喷雾下，不同风速与不同喷头倾斜角度对雾滴沉积、飘移的影响的研究稍有不足。

鉴于以上分析，本文通过试验风场的恒速风模拟喷雾机行进过程或自然风对喷雾的飘移影响，对水平喷雾在不同风速下的喷头倾斜角度与雾滴飘移之间的关系进行研究，以期找到其中的规律，对实时调整喷头倾斜角度以有效改善雾滴飘移的方法提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用的喷雾系统主要由电池、水箱、隔膜泵、压力计、开关、喷头组成。其中电池为12 V铅蓄电池，聚乙烯水（50 L），隔膜泵为SURGEFLO公司的DP-160，流量7 L/min，压力为0～0.8 MPa；压力计为广州指南针传感器有限公司的PTB203S，量程为0～3 MPa喷头为“雾的池内”公司的JJXP型号喷头。试验现场如图1a所示。

雾滴采集设备使用的是Salvarani公司的垂直雾滴分布测量仪，其结构如图1b所示。仪器分为两排收集单元，交错排列，在垂直方向上能收集到有效高度内的全部雾滴，每个收集单元采集不同高度的雾滴，最低的收集单元高度是55 cm。收集单元收集到的雾滴通过导管流入下方的量筒，量筒读数范围为0～100 mL。仪器可以通过导轨左右移动。

1.2 试验设计

1.2.1 风速范围确定

为了研究喷雾作业的适宜参数，采用CFD数值模拟的方法对喷雾过程进行仿真计算。论文选取雾的池内公司的型号为JJXP的喷头作为试验对象，试验前通过粒子动态分析仪测量了不同的喷头安装角度下的雾滴粒径，发现喷头安装角度在本文的试验参数范围内对雾滴粒径几乎不产生影响，不会对本文试验形成干扰。

建立与试验喷雾范围一致的模拟区域如图2所示，模型长3 m，宽2 m，高2 m，喷头位置处于= 100 cm，=100 cm，=150 cm处，喷雾方向为–，坐标原点为图1中垂直雾滴分布测量仪的起始测量位置，即雾滴测量仪P栏的左边缘在轴方向上与喷头垂直距离为140 cm处，雾滴捕获面为仪器移动收集雾滴的有效范围面。选取CFD中的湍流模型来模拟试验的侧风，并采用K-omega模型。

选取离散相模型，仿真参数通过粒子动态分析仪测出，仿真中雾滴粒径取270m，雾锥角取30°），将喷雾作为离散相，侧风气流作为连续相， DPM（Discrete Phase Model）边界条件设置为trap，捕获雾滴，观察雾滴捕获面上的雾滴分布以确定喷雾效果。

1～4 m/s侧风风速下的雾滴捕获面雾滴浓度仿真结果如图3所示。图3为雾滴捕获面上的雾滴分布。由图3可知，随着风速的增大，在雾滴捕获面上的雾滴分布整体向+方向飘移，雾滴沉积量也逐渐减少，2 m/s时已经呈现较严重的飘移现象，当风速达到3 m/s时雾滴主要集中在雾滴捕获面的边缘，4 m/s时在雾滴捕获面上的雾滴已经不足以达到实际作业的喷雾效果，因此，试验时风速水平选择1～3 m/s。

1.2.2 喷雾试验设计

为研究不同的侧风风速与喷头倾斜角度对横向喷雾的影响，在0.3 MPa喷雾压力（JJXP型号喷头，额定喷雾压力为0.2 MPa，试验设置喷头距仪器垂直距离为 100 cm，为取得更好喷雾效果，试验选取0.3 MPa压力），喷头高度=150 cm，喷雾距离=100 cm条件下，设计3个风速水平（1、2、3 m/s）和4种喷头倾斜角度（0°、15°、30°、45°），并以风速为0、喷头倾斜角度为0°的水平作为对照组进行雾滴飘移试验。雾滴分布越接近对照组则说明喷雾效果越好，在植保喷雾作业中，水平喷雾的雾滴由于受到重力作用对喷雾的垂直分布产生影响，因此，文中也进行了不同风速与喷头倾斜角下雾滴垂直分布分析。

注：图中矩形框为雾滴分布的范围

1.3 试验方法

试验布置如图4所示，垂直雾滴分布测量仪沿图中箭头方向进行移动。喷头固定在支架上，喷头水平放置，喷雾方向与垂直雾滴分布测试仪垂直，方向为–方向，风机产生试验恒速风场，风场方向为+方向，与喷雾方向垂直。使用希玛ST9816风速仪在喷头处进行风速标定。喷雾液体采用清水代替农药进行试验，喷头与测量仪垂直距离为100 cm，喷雾压力0.3 MPa，喷雾测量时间为 1 min，喷雾高度=150 cm，喷头倾斜方向由–向–。

1. 风机 2. 垂直雾滴分布测量仪 3. 喷雾支架 4. 喷头 5. 导轨 6. 测量仪移动方向

将垂直雾滴分布测量仪向–方向沿导轨移动到P栏的左边缘与喷头在轴方向距离为140 cm处。此时F栏则处于100 cm处，进行喷雾测量，每次测量读数完毕后，将垂直雾滴分布测量仪向+方向移动20 cm，此时P栏处于第一次测量时的K栏的位置。当移动第二次时，P栏就处于第一次测量时的F栏位置，此时P栏与F栏都在该位置记录过数据，设定该位置为–100 cm，以此类推，直到向+方向移动到P栏在轴方向上与喷头距离为180 cm的位置停止。

从–100 cm到180 cm的距离上，每隔20 cm为一组，共分为15组（–100，–80，…，160，180），每一组的位置上都有P栏和F栏的测量记录，将每一组的P栏与F栏的所有量筒读数相加，作为一个水平下的该位置采集到的雾滴体积V，如式（1）～（3）所示。

式中是从–100 cm到180 cm距离分成的15组的编号=1，2，…，15；Vp1、Vp3、Vp5、Vp7分别为在第组距离上P栏测得的1、3、5、7号量筒的读数，mL；Vp为第组距离上P栏上的量筒读数之和，mL；Vf2、Vf4、Vf6分别为在第组距离上F栏测得的2、4、6号量筒的读数，mL；Vf为第j组距离上F栏上的量筒读数之和，mL。

每组雾滴的体积分数为

式中P为每组距离上雾滴的体积分数，%；为分组的总个数；为每组编号。

对于每一个试验水平的雾滴受侧风影响的分布情况，用雾滴质量分布中心来表示雾滴在垂直或者水平方向上的质量集中的一维位置，有侧风时值越接近无风时的值，则表明飘移越少。的计算公式为

式中为雾滴质量分布中心，cm；为分组的总个数；为每组编号；d为每组对应的距离（编号1，2，3，…，15对应距离–100，–80，–60，…，180），cm。

为了分析垂直方向上的雾滴分布情况，由于7个收集单元对应着不同的高度，（编号1～7收集单元对应着155～175 cm的垂直高度，间隔为20 cm）将每个水平测量的数据中相同编号的收集单元的数值相加，作为该高度下的雾滴采集数值。

使用变异系数CV来表示雾滴沉积的均匀性程度，变异系数计算公式如式（6）～（7）所示[27]：

为了更直观观察不同水平对雾滴飘移的改善效果，用不同水平的雾滴质量分布中心的数值减去对照组的雾滴质量分布中心数字的绝对值表示对雾滴飘移的补偿效果。值越小，说明该水平对雾滴飘移的补偿效果越好。的计算如式（8）所示：

式中为雾滴飘移距离补偿值，cm； D表示风速m/s、喷头倾斜角度°下的雾滴质量分布中心，cm；0表示对照组的雾滴质量分布中心，cm。

2 结果与分析

2.1 雾滴垂直分布分析

水平方向喷雾时雾滴会受到重力等因素的影响，导致雾滴在垂直方向的分布偏离正态分布，图5为对照组雾滴垂直分布图。

图5 对照组雾滴垂直分布图

由图5知，风速为0，喷头倾斜角度为0°时，雾滴在垂直方向上主要分布在95 cm至135 cm高度内，并且高度为135 cm处采集的雾滴体积分数最大，考虑到实际喷雾高度为150 cm，该数据符合重力对雾滴分布影响的预期。

图6为不同喷头倾斜角度下垂直方向上的雾滴质量分布中心。由图6可知，随着风速的增大，垂直雾滴质量分布中心总体呈现下降趋势；随着喷头倾斜角度的增大，1 m/s风速下的垂直雾滴质量分布中心呈现先增大后减小的趋势，在喷头倾斜角度为30°时取得最大值，2与3 m/s风速的变化量不明显，处于平稳状态。总体上，在不同喷头倾斜角度与不同风速下，垂直方向的雾滴质量分布中心变化不大，计算得到对照组的数值为126.1 cm，总体变化幅度在±3 cm，这说明在0～3 m/s风速内，0～45°的喷头倾斜角度改变不会在垂直方向上对雾滴分布产生较大影响。

不同水平下的垂直方向的雾滴分布的变异系数如表1所示。

由表1可知，对照组垂直方向上喷雾分布的变异系数为90.3%，相同喷头倾斜角度下风速从1 m/s到3 m/s、相同风速下喷头倾斜角度的增大都会导致垂直方向上的变异系数减小，使垂直方向上雾滴分布更均匀，这可能由于风速的增大使得实心圆锥型喷雾形状发生了变化，而雾滴质量分布中心的变化并不明显，导致原本最多集中在135 cm左右的雾滴向临近的高度扩散。

图6 不同喷头倾斜角度下垂直雾滴质量分布中心

表1 不同水平下喷雾垂直方向变异系数

不同风速下喷头倾斜角度对雾滴垂直分布的影响如图7所示。和对照组相对比，在115 cm和155 cm高度处的雾滴体积分数明显增大，使雾滴垂直分布更均匀，这是由于风速和喷头倾斜角度的改变会使雾滴到达靶标的时间增加，而水平喷雾的方向导致雾部分在垂直方向上分速度大小不为0的雾滴的飘移时间增加，从而在垂直方向上到达了更高或者更低的高度。喷头倾斜角度的增大使得雾滴向更低处分散，随着喷头倾斜角度的增大，95、75、55 cm高度处的雾滴体积分数要相对增大，而135、155、115 cm处的分布相对对照组来说也更加均匀，从而使得垂直方向雾滴变异系数变小，这是由于风速和喷头倾斜角度的增大都会带来雾滴采集到的体积减小的问题，这可能由于雾滴采集仪器的移动范围是–100 cm到180 cm，更大的喷头倾斜角度会与侧风相互作用导致雾滴破碎成更小的雾滴，更大的侧风风速导致细小的雾滴飘移出了雾滴采集范围。

综上所述，风速与喷头倾斜角度的改变对垂直雾滴质量分布中心影响不显著，加大喷头倾斜角度和风速会改善雾滴垂直分布的均匀程度，但是会影响喷雾总量，实际喷雾作业时植物不同的喷雾位置的所需喷雾量不同，实际作业时在不同侧风风速下对喷头倾斜角度需要慎重选择。

图7 不同风速下喷头倾斜角度对雾滴垂直分布的影响

2.2 雾滴水平分布分析

在0.3 MPa喷雾压力、150 cm喷雾高度、100 cm喷雾距离下进行喷雾试验，分析雾滴的水平方向分布。图8为在不同风速下喷头倾斜角度对雾滴分布影响图，横坐标为距离，纵坐标为该距离上的雾滴体积分数。

图8 不同风速下喷头倾斜角度对雾滴水平分布的影响

由图8可以看出，在风速为0，喷头倾斜角度为0°时，体积分数整体呈现正态分布，由于喷头倾斜角度是逆时针往负方向偏转，随着喷头的偏转角度从0°到45°，喷雾分布整体向负方向偏移，雾滴受到向正方向的风场的影响，会整体向正方向偏移，当喷头向负方向偏转时，喷头出口速度在水平方向的速度与风场水平方向上的分速度相反，会减小一部分风场对雾滴的影响，而当喷头倾斜角度过大时，在抵消风场水平方向的风速度外，会使喷雾产生负方向的飘移。为了直观分析不同角度对雾滴飘移的补偿效果与对雾滴均匀性的影响，计算了不同水平下的雾滴质量分布中心与水平方向上的雾滴分布变异系数，如表2所示。

由表2雾滴质量分布中心的数据对比可知，以侧风风速为0，且喷头倾斜角度为0°时为对照组，雾滴质量分布中心为73.23 cm，说明无风且喷头无倾斜时雾滴大部分集中在73.23 cm左右。在相同的喷头倾斜角度下，随着风速的增大，雾滴质量分布中心逐渐增大，说明风场对雾滴飘移的影响随之增加。在相同风速下，喷头倾斜角度的增大会导致雾滴质量分布中心的减小，在风速为 1 m/s时，45°的喷头倾斜角度使雾滴质量分布中心呈现负数。相对于1和2 m/s来说，45°喷头倾斜角度下2到3 m/s之间的雾滴质量分布中心的数值变化更大，可能由于在高风速下，喷头的雾滴初始速度方向与风场速度方向之间的夹角对雾滴的破碎影响更大[28]，导致更多的大雾滴破碎成小雾滴，雾滴粒径变小会使雾滴飘移量增大[29]，使之超过了测量范围，而受仪器精度影响，过小的微量雾滴难以被采集。

表2 不同风速与喷头倾斜角度下水平方向雾滴质量分布中心与变异系数

由表2中水平方向变异系数数据对比可知，在相同风速下，随着喷头倾斜角度由0°到45°增大，雾滴水平方向变异系数相应增大，在风速为1 m/s时增量为1.79、34.34、14.35个百分点；在风速为2 m/s时增量为3.97、27.74、8.21个百分点；在风速为3 m/s时增量为0.88、1.81、2.03个百分点，说明在更大的风速时喷头倾斜角度的改变会导致更小的变异系数变化量，但总体来说，水平变异系数在增大。在相同喷头倾斜角度下，随着风速的增大，雾滴水平方向变异系数呈现先增大后减小的趋势，变异系数在风速为2 m/s条件下达到最高值。在1 m/s与2 m/s的风速下，随着喷头倾斜角度的增大，水平方向变异系数增长幅度都较大，总体增速呈现先增大后减小的趋势，增长速度最快在15°到30°之间，可能由于15°与0°的喷头倾斜角度对雾滴粒径和速度方向影响较小，而到达15°与30°之间某个角度时，对雾滴粒径与速度方向的影响达到了一个临界值，使之水平方向变异系数发生突变，表2中1与2 m/s风速下的雾滴质量分布中心与3 m/s相比变化幅度更大，也印证了这一点。在3 m/s时，由于风速较大，初始雾滴粒径相对于低风速而言更小，更多的细小雾滴飘失在较远距离，未被仪器采集到，因此，在相同喷头倾斜角度下，风速为3 m/s时的水平变异系数反而更小。

计算得到不同水平的响应面如图9所示。由图9可知，在风速为1和2 m/s情况下，随着喷头从0°增大到45°，值逐渐增加，代表飘移补偿效果变差，而在风速为3 m/s时，飘移补偿值呈现先减小，后增大的过程。这是由于1和2 m/s的风速相对较小，在喷头倾斜角度为0°时的值处于5 cm以下，飘移程度较小，而喷头倾斜角度从15°到45°继续增大时，就超过了在该风速下的最佳补偿角度，于是呈现过补偿的状态，即雾滴向反方向产生飘移。而当风速在3 m/s，喷头倾斜角度处于0°时，值为14.14 cm，当喷头倾斜角度调整为15°，值减小为6.36 cm，说明雾滴飘移得到了改善，但当喷头倾斜角度在30°和45°时，又出现了过补偿现象，使雾滴向反方向飘移。

图9 不同试验水平雾滴飘移补偿值L

以风速、喷头倾斜角度为自变量，值为因变量，使用Origin软件进行多元线性回归，如式（10）所示。

式中为飘移距离补偿值，cm；为风速，m/s；为喷头倾斜角度，(°)。该多元线性回归模型调整后2值为0.95，说明该回归模型具有较好的相关性，其中，变量的系数为6.59，大于变量的系数1.70，说明侧风风速对雾滴飘移的影响大于喷头倾斜角度，通过多元线性回归模型取整计算出1、2、3 m/s风速下对水平雾滴飘移距离补偿最优喷头倾斜角度分别为3°、7°、11°，与上述试验规律相符合，但由于喷雾效果还受雾滴沉积量与雾滴粒径等参数影响，当风速过大时，这些参数变化量过大，回归模型误差加大，因而该回归模型适用于在低风速条件下对雾滴飘移补偿效果进行预测计算。

2.3 最优补偿验证

2.3.1 最优补偿验证试验设计

根据上节得到的不同风速下的最优补偿角度，设计喷雾试验进行验证。试验对象为仿真树，大小为2 m × 2 m，小冠开心形树冠，用以模拟田间枝叶茂密的果树冠层。为验证不同的侧风风速与喷头倾斜角度对横向喷雾的补偿效果，在0.3 MPa喷雾压力、喷头高度为150 cm、喷头到仿真树距离为100 cm条件下，在3个风速水平（1、2、3 m/s、）及其对应的由2.2节计算得到的最优补偿角度（3°、7°、11°）条件下进行雾滴飘移试验，并以侧风风速为0 m/s、喷头倾斜角度为0°作为对照组。

注：图b中1～9为采样点编号。

试验中，以恒速风场模拟喷雾过程中的侧风影响，设定喷头方向与仿真树垂直时为0°，喷头倾斜角度方向为侧风的方向的反方向，喷头倾斜角度调整示意图如图10a所示。仿真树雾滴采样如图10b所示，其中采样均分为左中右三层，呈九宫格形，相邻两层之间间隔50 cm，最下一排距地面50 cm，给每个采样点设置一个编号，如图10b中采样点上的数字所示，共计9个采样点。每个采样点采用回形针固定水敏纸（76 mm×26 mm）。每次试验结束，按照编号顺序逐一收集雾滴干燥的水敏纸，放入塑封袋中，带回试验室处理。水敏纸采用扫描仪进行扫描，扫描后的图像采用ImageJ软件进行图像处理，得到仿真树冠层的雾滴覆盖率与变异系数。

试验数据采用 Excel 2019 进行记录和整理，采用 Origin 9. 1 进行图形绘制。为测试对比不同水平下的喷雾沉积与飘移状态，本文以水平方向上同一位置的树冠采样点雾滴覆盖率来衡量雾滴飘移程度，以垂直方向上同一高度的树冠采样点雾滴覆盖率变异系数来衡量冠层的雾滴均匀性。

2.3.2 最优补偿验证试验结果

试验中按照果树叶片生长角度布置水敏纸，雾滴在水敏纸上的分布能够近似表达药液在叶片上的分布。不同水平下的部分采样点水敏纸扫描图像及图像处理界面如图 11所示，不同风速与喷头倾斜角度下雾滴覆盖率如表3所示。

图11 采样点与图像处理

表3 不同风速与喷头倾斜角度下雾滴覆盖率

从表3可以看出，在1 m/s的侧风影响下，喷头倾斜角度为0°时，相对于对照组来说，左侧区域雾滴覆盖率减小了9.62个百分点，中间区域雾滴覆盖率增加了4.27个百分点，右侧区域增加了0.86个百分点，说明在侧风影响下，雾滴整体向右侧偏移；当喷头倾斜角度为3°时，左侧区域与右侧区域的雾滴覆盖率与对照组相当，而中间区域比对照组相比降低5.67个百分点，总体雾滴漂移呈现减小的趋势，其原因可能因为侧风与喷头之间夹角大于90°时，侧风对雾滴破碎的影响加剧，产生了更多粒径更小的雾滴，粒径更小的雾滴受侧风影响更大，从而会使最大飘移距离增大，但整体雾滴飘移有所改善。风速为2 m/s，喷头倾斜角度为0°时，左侧雾滴覆盖率减少了12.99个百分点，中间区域增大了3.60个百分点，右侧区域增大了23.10个百分点，说明随着风速的增大，雾滴整体向右侧飘移加剧，导致右侧区域覆盖率大幅度增加，而左侧大幅度减小，当喷头倾斜角度调整为7°时，三个区域的覆盖率与对照组接近，分别变化了+4.36、–1.97、+1.60个百分点，整体雾滴飘移补偿效果良好。风速为3 m/s，喷头倾斜角度为0°时，与对照组相比，左侧区域雾滴覆盖率下降了18.80个百分点，中间区域增大了2.01个百分点，右侧区域增大了24.61个百分点，可以看到风速增大到3 m/s时，整体雾滴飘移程度进一步加大，但是在中间区域，随着风速的增大雾滴覆盖率波动并不明显，原因可能是在喷雾距离100 cm的条件下，中间区域是实心圆椎喷头的主要喷雾区域，随着风速增大，雾滴整体向右飘移，右侧已经超过了仿真树的范围，大量雾滴无法采集，而左侧区域喷雾覆盖率减小较为明显，但是中间区域仍是主要喷雾区域。当喷头倾斜角度为11°时，雾滴覆盖率在左中右侧与对照组相比更为接近，分别变化了+8.92，+6.49，+6.90个百分点，相对于喷头角度为0°时有明显改善。

为了研究在不同水平下喷雾作业的均匀性，对同一高度的雾滴采样点数据进行分析，计算得到不同高度采样点的雾滴覆盖率变异系数，变异系数越大说明雾滴均匀性越差，不同风速与喷头倾斜角度下雾滴覆盖率变异系数如表4所示。

由表4可以观察到，在1 m/s风速下，随着喷头倾斜角度从0°增大到3°，采样点高度为150 cm处的雾滴覆盖率变异系数降低了56.88个百分点，高度为100 cm处降低了28.19个百分点，50 cm处基本保持不变，说明风速在1 m/s时，调整喷头倾斜角度后雾滴均匀性有所提高。侧风风速为2 m/s时，随着喷头倾斜角度的增大，高度为50 cm与100 cm处的雾滴覆盖率变异系数分别降低了 37.19、43.11个百分点，但150 cm高度处的变异系数增大了35.54个百分点。可能由于150 cm高度较高，受侧风与重力等因素影响，导致变异系数增大的趋势较为明显。风速为3 m/s时，随着喷头角度从0°调整为11°，各高度下变异系数都明显增大，并以高度150 cm处最为明显，增大了52.26个百分点，而100 cm与150 cm处的均匀性也相应降低。说明随着侧风风速的增大，相同高度的雾滴均匀性呈现先变好后变坏的趋势，综合雾滴漂移程度与雾滴均匀性来看，在1 m/s处喷头倾斜角对侧风风速的补偿效果最好。

表4 不同风速与喷头倾斜角度下雾滴覆盖率变异系数

3 结 论

论文研究了横向喷雾在3个风速和4个喷头倾斜角度下，垂直与水平两个方向上的雾滴分布状态，并着重分析水平方向上受风场影响时喷头倾斜角度对雾滴飘移的影响，得到以下结论：

1）垂直方向上，风速和喷头倾斜角度对雾滴质量分布中心影响的总体变化幅度在±3 cm，风速与喷头倾斜角度的增大会使垂直方向的变异系数相应减小，提高雾滴在垂直方向上的均匀性。

2）水平方向上，风速的大小和喷头倾斜角度的大小都对雾滴的飘移量产生影响影响，并且两者呈现一定的相关性，风速的影响程度大于喷头倾斜角度。随着喷头倾斜角度向风速的负方向的增加，雾滴受风速的影响程度会减小，当喷头倾斜角的补偿量超过了当前风速下对雾滴的飘移量，会使雾滴飘移产生过补偿，数据表明，在 1、2、3 m/s风速下对水平雾滴飘移补偿最优喷头倾斜角度分别为3°、7°、11°。

3）水平方向上，喷头倾斜角度的增大会导致在有效喷雾范围内喷雾变异系数增大，使雾滴均匀性降低，而风速的增大导致变异系数先增大后减小，本试验中在风速为2 m/s水平下达到峰值。

在高风速时喷头倾斜角度的改变会带来更大的雾滴飘移，这可能由于高风速时与喷雾速度的夹角会产生更严重的雾滴破碎效果，影响雾滴整体分布，在不同参数下对雾滴破碎的影响还需进一步研究以优化本文拟合模型。

[1] 刘秀娟，周宏平，郑加强. 农药雾滴飘移控制技术研究进展[J]. 农业工程学报，2005，21(1)：186-190.

Liu Xiujuan, Zhou Hongping, Zheng Jiaqiang. Research advances of the technologies for spray drift control of pesticide application[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(1): 186-190. (in Chinese with English abstract)

[2] 鲁文霞，兰玉彬，王国宾，等. 环境风速对四旋翼植保无人机喷施雾滴飘移的影响研究[J]. 农机化研究，2021，43(7)：187-193.

Lu Wenxia, Lan Yubin, Wang Guobin, et al. Study on the influence of wind speed on the drift of four-rotor plant protection UAV[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2021, 43(7): 187-193. (in Chinese with English abstract)

[3] 丁素明，薛新宇，董祥，等. 喷雾参数对雾滴沉积性能影响研究[J]. 农业机械学报，2020，51(S2)：308-315.

Ding Suming, Xue Xinyu, Dong Xiang, et al. Influence of spray parameters on droplet deposition performance[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(S2): 308-315. (in Chinese with English abstract)

[4] 吕晓兰，傅锡敏，宋坚利，等. 喷雾技术参数对雾滴飘移特性的影响[J]. 农业机械学报，2011，42(1)：59-63.

Lv Xiaolan, Fu Ximin, Song Jianli, et al. Influence of spray operating parameters on spray drift[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(1): 59-63. (in Chinese with English abstract)

[5] 祁力钧，傅泽田. 不同条件下喷雾分布试验研究[J]. 农业工程学报，1999，15(2)：107-111.

Qi Lijun, Fu Zetian. Experimental study on spray distribution under different conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1999, 15(2): 107-111. (in Chinese with English abstract)

[6] 吕晓兰，傅锡敏，吴萍，等. 喷雾技术参数对雾滴沉积分布影响试验[J]. 农业机械学报，2011，42(6)：70-75.

Lv Xiaolan, Fu Ximin, Wu Ping, et al. Influence of spray operating parameters on droplet deposition[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(6): 70-75. (in Chinese with English abstract)

[7] 吴罗罗，李秉礼，何雄奎，等. 雾滴飘移试验与几种喷头抗飘失能力的比较[J]. 农业机械学报，1996(S1)：124-128. Wu Luoluo, Li Bingli, He Xiongkui, et al. The nature of drift loss and the anti drifting ability of diflirent nollzels[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 1996(S1): 124-128. (in Chinese with English abstract)

[8] 茹煜，朱传银，包瑞. 风洞条件下雾滴飘移模型与其影响因素分析[J]. 农业机械学报，2014，45(10)：66-72.

Ru Yu, Zhu Chuanyin, Bao Rui. Spray drift model of droplets and analysis of influencing factors based on wind tunnel[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(10): 66-72. (in Chinese with English abstract)

[9] 周瑞琼，张慧春，周宏平，等. 喷雾参数间互作效应对农药雾滴飘移的影响[J]. 排灌机械工程学报，2019，37(07)：612-617.

Zhou Ruiqiong, Zhang Huichun, Zhou Hongping, et al. Effect of interaction between spray parameters on pesticide droplet drift[J]. Journal of Drainage and Irrigation Mechanical Engineering, 2019, 37(07): 612-617. (in Chinese with English abstract)

[10] 孙国祥，汪小旵，丁为民，等. 基于CFD离散相模型雾滴沉积特性的模拟分析[J]. 农业工程学报，2012，28(6)：13-19.

Sun Guoxiang, Wang Xiaochan, Ding Weimin, et al. Simulation analysis on characteristics of droplet deposition base on CFD discrete phase model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(6): 13-19. (in Chinese with English abstract)

[11] 孙国祥，李永博，汪小旵，等. 背负式喷雾器雾滴分布特性的CFD模拟与试验[J]. 农业工程学报，2012，28(20)：73-79.

Sun Guoxiang, Li Yongbo, Wang Xiaochan, et al. CFD simulation and experiment of droplet distribution characteristics in knapsack sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(20): 73-79. (in Chinese with English abstract)

[12] 王景旭，祁力钧，夏前锦. 靶标周围流场对风送喷雾雾滴沉积影响的CFD模拟及验证[J]. 农业工程学报，2015，31(11)：46-53.

Wang Jingxu, Qi Lijun, Xia Qianjin. CFD simulation and validation of trajectory and deposition behavior of droplets around target affected by air flow field in greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(11): 46-53. (in Chinese with English abstract)

[13] He Y, Sun Z, Shen B, et al. CFD study on the flow distribution of an annular multi–hole nozzle[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2019, 98(2): 590-606.

[14] Endalew A M, Debaer C, Rutten N, et al. A new integrated CFD modelling approach towards air-assisted orchard spraying, Part I: Model development and effect of wind speed and direction on sprayer airflow[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2010, 71(2): 128-136.

[15] Wang G, Han Y, Li X, et al. Field evaluation of spray drift and environmental impact using an agricultural unmanned aerial vehicle (UAV) sprayer[J]. Science of The Total Environment, 2020, 737: 139793.

[16] Sousa Alves G, Kruger G R, Da Cunha J P A R, et al. Dicamba spray drift as influenced by wind speed and nozzle type[J]. Weed technology, 2017, 31(5): 724-731.

[17] Zhang B, Tang Q, Chen L, et al. Numerical simulation of spray drift and deposition from a crop spraying aircraft using a CFD approach[J]. Biosystems Engineering, 2018, 166: 184-199.

[18] 胡军，刘昶希，初鑫，等. 锥形风场式防飘移装置雾滴沉积特性研究[J]. 农业机械学报，2020，51(12)：142-149，174.

Hu Jun, Liu Changxi, Chu Xin, et al. Droplet deposition characteristics of conical wind field anti-drift device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(12): 142-149, 174. (in Chinese with English abstract)

[19] 彭军，李睿远，柴苍修. 风送液力式超低量喷雾装置内流场的模拟分析[J]. 机械工程与自动化，2007(2)：53-55.

Peng Jun, Li Ruiyuan, Cai Cangxiu. Simulation of the inner flow of the air-assisted hydraulic ultra-low volume sprayer device[J]. Mechanical Engineering & Automation, 2007(2): 53-55. (in Chinese with English abstract)

[20] 杨洲，牛萌萌，李君，等. 不同侧风和静电电压对静电喷雾飘移的影响[J]. 农业工程学报，2015，31(24)：39-45.

Yang Zhou, Niu Mengmeng, Li Jun, et al. Influence of lateral wind and electrostatic voltage on spray drift of electrostatic sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(24): 39-45. (in Chinese with English abstract)

[21] 周良富，张玲，丁为民，等. 风送静电喷雾覆盖率响应面模型与影响因素分析[J]. 农业工程学报，2015，31(增刊2)：52-59.

Zhou Liangfu, Zhang Ling, Ding Weiming, et al. Response surface model and influence factors analysis of wind borne electrostatic spray coverage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(Supp. 2): 52-59.(in Chinese with English abstract)

[22] 翟长远，王秀，密雅荣，等. PWM变量喷雾喷头流量模型[J]. 农业机械学报，2012，43(4)：40-44.

Zhai Changyuan, Wang Xiu, Mi Yarong, et al. Nozzle flow model of PWM variable-rate spraying[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(4): 40-44. (in Chinese with English abstract)

[23] 范小博，邓巍，吴桂芳. 飘移控制喷雾施药技术研究进展[J]. 农机化研究，2016，38(6)：1-9.

Fan Xiaobo, Deng Wei, Wu Guifang. Research progress of spray drift control technology[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016, 38(6): 1-9. (in Chinese with English abstract)

[24] 倪佳胜，茹煜，王水金，等. 雾滴飘移预测试验研究[J]. 农机化研究，2020，42(10)：152-157.

Ni Jiasheng, Ru Yu, Wang Shuijin, et al. Experimental study on prediction of droplet drift[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2020, 42(10): 152-157. (in Chinese with English abstract)

[25] Chen Y, Hou C, Tang Y, et al. An effective spray drift-reducing method for a plant-protection unmanned aerial vehicle[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2019, 12(5): 14-20.

[26] 刘慧佳. 低漂移喷杆喷雾机关键零部件设计[J]. 现代化农业，2018(5)：57-58.

Liu Huijia. Key parts design of low drift boom sprayer[J]. Modernizing Agriculture, 2018(5): 57-58. (in Chinese with English abstract)

[27] 蒋焕煜，周鸣川，李华融，等. PWM变量喷雾系统动态雾滴分布均匀性实验[J]. 农业机械学报，2015，46(3)：73-77.

Jiang Huanyu, Zhou Mingchuan, Li Huarong, et al. Experiment on dynamic droplet distribution uniformity for PWM variable spray system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(3): 73-77. (in Chinese with English abstract)

[28] 张瑞瑞，李龙龙，付旺，等. 脉宽调制变量控制喷头雾化性能及风洞环境雾滴沉积特性[J]. 农业工程学报，2019，35(3)：42-51.

Zhang Ruirui, Li Longlong, Fu Wang, et al. Spraying atomization performance by pulse width modulated variable and droplet deposition characteristics in wind tunnel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 42-51.(in Chinese with English abstract)

[29] 张慧春，郑加强，周宏平，等. 农药喷施过程中雾滴沉积分布与脱靶飘移研究[J]. 农业机械学报，2017，48(8)：114-122.

Zhang Huichun, Zheng Jiaqiang, Zhou Hongping, et al. Droplet deposition distribution and off-target drift during pesticide spraying operation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(8): 114-122. (in Chinese with English abstract)

Compensation of spray angle to droplet drift under crosswind

Sun Daozong1,3, Zhan Xurui1, Liu Weikang1, Xue Xiuyun1,2,3,4, Xie Jiaxing1,3, Li Zhen1,2,3,4, Song Shuran1,2,3,4※, Wang Weixing1,3

(1.510642;2.510642;3.510642;4.510642)

This study aims to explore the effects of side spray in the plant protection spraying on the droplet drift under different wind speeds and nozzle tilt angles. A sprayed test was performed on the three wind speed levels (1, 2, and 3 m/s), and four nozzle tilt angles (0°, 15°, 30°, and 45°). The droplet distribution was also measured under different levels. The control group was also set as a wind speed of 0 m/s, and the nozzle tilt angle of 0°. The mass distribution center of droplet and the coefficient of variation were then determined in the vertical and horizontal directions. The results show that there was a relatively small influence of crosswind wind speed and nozzle tilt angle on the droplet mass distribution center in the range of ±3 cm in the vertical direction. Specifically, the increase of crosswind wind speed and nozzle tilt angle caused the new variation in the vertical direction. The maximum decrease of coefficient of variation in vertical direction at 1-3 m/s wind speed is 12.3, 6.0 and 16.0 percentage points respectively. By contrast, there was a greatly different influence of the wind speeds and nozzle tilt angles on the droplet drift in the horizontal direction. The influence of the fog droplets on the wind speed decreased, as the tilt angle of the nozzle increased toward the negative direction of the wind speed. The fog droplets drifted excessively, when the compensation amount of the nozzle tilt angle exceeded the drift amount of the fog droplets under the current wind speed. The tilt angle of the nozzle at high wind speeds was greatly contributed to a greater change in the droplet drift. The speed of crosswind wind and the tilt angle of the nozzle presented a greater impact on the coefficient of variation in the horizontal direction. Furthermore, the horizontal coefficient of variation increased, whereas, the change of wind speed caused the horizontal coefficient of variation to increase first and then decrease, as the tilt angle of the nozzle increased. Consequently, the best compensated nozzle tilt angles were 3°, 7° and 11° under the conditions of 1, 2, and 3 m/s. This finding can provide a strong reference for the improvement technology of droplet drift in plant protection spraying.

wind speed; nozzles; spray; drift compensation; droplet distribution

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.010

S224.3

A

1002-6819(2021)-21-0080-10

孙道宗，占旭锐，刘伟康，等. 侧风影响下喷头倾斜角度对雾滴飘移补偿[J]. 农业工程学报，2021，37(21)：80-89.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.010 http://www.tcsae.org

Sun Daozong, Zhan Xurui, Liu Weikang, et al. Compensation of spray angle to droplet drift under crosswind[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 80-89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.010 http://www.tcsae.org

2021-08-11

2021-10-30

国家自然科学基金项目（31671591，31971797）；广东省现代农业产业技术体系创新团队建设专项资金（2020KJ108）；广州市科技计划项目（202002030245）；财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系资助；广东省教育厅特色创新类项目（2019KTSCX013）；大学生创新创业训练计划项目（201910564147）

孙道宗，博士，副教授，研究方向为喷雾技术及传感器技术应用。 Email：sundaozong@scau.edu.cn

宋淑然，博士，教授，研究方向为喷雾技术及测控技术。Email：songshuran@scau.edu.cn