孔口尺寸和喷雾压力对典型扇形航空喷头雾化特性的影响研究

姚伟祥，郑登月，潘瑞龙，刘益含，曹英丽，许童羽

（沈阳农业大学信息与电气工程学院/辽宁省农业信息化工程技术研究中心，沈阳 110161）

随着现代农业的发展，航空喷洒技术被广泛应用于农业生产中，与地面喷洒和有人驾驶飞机喷洒等方式相比，植保无人机喷洒具有垂直起降、作业高效、操作简单等优势[1-2]。在理想的植保无人机喷洒作业过程中，所有农药都应沉降在靶标区域内，但由于喷洒时受到无人机飞行速度、飞行高度以及旋翼下方湍流风场的影响，不可避免地会发生雾滴飘移现象[3]。雾滴飘移是指飞行器在喷洒农药过程中，雾滴随气流运动沉积于非靶标区域的现象[4]。影响雾滴飘移的首要因素被认为是雾滴粒径尺寸，小雾滴更容易在作业过程中发生飘移现象[5]，因此准确地测量雾滴粒径尺寸便成为评估喷雾性能和作业效果的关键[6]。

目前，国外学者已针对航空喷头雾化特性展开多项研究，其理论体系已经相对成熟。TESKE等[7]建立了AGDISP(Agricultural Dispersion)和AGDRIFT(Agricultural Drift)预测模型，能够便捷、直观地预测不同粒径大小雾滴的飘移程度。CZACZYK等[8]测量了MMAT公司不同孔径和流道的扇形喷头在不同压力下的雾滴粒径，发现该型号系列喷头喷施的雾滴可满足工作环境下的抗飘移需求。THOMSON等[9]通过对有人驾驶固定翼飞机进行试验，研究了螺旋桨效应对不同粒径尺寸农药雾滴飘移的影响。KIRK[10]通过改变喷雾压力、风速和喷头安装角度等因素，对CP系列喷头进行了雾滴粒径拟合，预测了不同参数下喷头的雾滴粒径尺寸。AHMAD等[11]研究了单旋翼植保无人机喷施作业时靶标区域和非靶标区域雾滴沉积的影响因素，发现雾滴粒径尺寸和气象条件均会影响喷雾覆盖范围和雾滴沉积效果。FELSOT等[12]经过收集分析大量雾滴飘移试验数据后提出了喷雾粒径尺寸选择、缓冲区设置等多种抗飘移措施。

我国航空喷头雾化性能研究起步较晚，但发展迅速，也已经取得一些成果。曾爱军等[13]通过对飘移潜在指数进行计算，发现影响雾滴飘移的主要因素是雾滴粒径尺寸和风速。翁海舟等[14]通过田口正交试验得出，喷雾高度对喷雾性能影响最为显著，喷雾下压风场次之。张慧春等[15]分析了在不同压力下四种扇形喷头(AIXR11002、TT11002、XR11002和XR11001)的雾滴粒径分布，发现相同压力下AIXR11002气吸型喷头所产生的雾滴粒径最大，雾滴谱宽度最窄。陈志刚等[16]通过试验得出，静电电压、喷雾压力和环境风速对雾滴沉积率的影响逐一降低。陆枫等[17]通过对三种类型航空喷头雾化特性进行比较并分析得出，在地面喷洒过程中，雾滴粒径尺寸主要受到喷雾压力和喷头种类等因素的影响。唐青等[18]基于风洞试验条件，研究发现在航空喷洒过程中，雾滴粒径尺寸会受到飞行风速风向和喷头安装角度等条件的影响。

结合上述研究可知，选择合适的喷头型号和设定适当的喷雾压力能有效提高喷雾效果、扩大覆盖范围和优化飘移管理，选择不当，则可能降低喷雾性能，从而影响农药作用效果[19-20]。针对这一现状，本研究通过设定不同喷雾压力，采用DP-02激光粒度仪分别对具有多种孔口尺寸的航空喷头进行试验，测量雾滴粒径变化情况并对数据进行处理分析，以此评估当前植保无人机所适配的典型扇形航空喷头的雾化特性，以期为优化航空施药方案及减少航空喷施雾滴飘移提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验使用的喷施装置由药箱、水泵、流量计、压力表和喷头共同组成（图1），并通过电源适配器调节水泵工作电压从而控制喷雾压力。测量装置是DP-02激光粒度仪（珠海OMEC仪器有限公司）。该仪器采用He-Ne气体激光发射器，具有48个独立的检测单元，通过光线在行进中遇到微小颗粒时，发生散射的现象进行粒径测定。利用颗粒越大，散射角将会越小；颗粒越小，则散射角越大的现象，测得散射光的分布情况，就可以推算出颗粒的大小。

图1 试验装置示意图Figure 1 Schematic diagram of the experiment device

在测量装置中，激光粒度仪发射器和接收器的间距为120cm，并将其水平放置在两侧工作平台上。将喷头置于激光正上方，使激光垂直穿过喷雾羽流，在喷头和激光竖直方向40cm处进行测量。

试验选取喷头均为全新无磨损喷头（图2），包括意大利ARAG公司生产的延长范围型喷头（CFA11001、CFA110015、CFA11002、CFA11003和CFA11004，孔口尺寸依次增大）和标准扇形喷头（SF11002），以及美国喷雾系统公司生产的标准扇形喷头（TeeJet11002）。

图2 试验喷头Figure 2 Experiment nozzle

1.2 试验设计

试验设计如表1，共28个试验处理，主要分为两部分进行：（1）将喷雾压力设定为0.6MPa，对选定的所有类型喷头依次进行喷雾测定，每种型号喷头选取3个作为重复；（2）设置7组喷雾压力，分别为0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8MPa，依次对CFA11002、SF11002和TeeJet11002喷头进行喷雾测定，每种型号喷头选取3个作为重复。

表1 试验设计Table 1 Experimental design

试验过程中室内温度保持在23℃，空气湿度保持在40%恒定，通过激光粒度仪对雾滴粒径数据进行实时采集与记录。喷雾试剂为水，每次单独型号喷头喷雾试验至少重复5次，单次采样时间为30s，以确保同一组雾滴大小数据的标准差不大于5%。

1.3 数据分析方法

考虑到激光粒度测量通常是高度可重复的，所有统计分析均使用SPSS v26.0软件进行处理。在检验各组数据符合正态分布后，通过方差分析（ANOVA）的事后检验（p=0.05）对每个喷头类型的雾滴粒径尺寸数据进行分析，并使用Origin软件绘制统计图进行比较。

评价喷头雾化性能的参数包括DV0.1、DV0.5、DV0.9、V<100（%volume）、V<150（%volume）、扩散值（Spread value，SV）和相对跨度（Relative span，RS）。DVa表示雾滴粒径由小到大累加到占全部雾滴体积的（a×100）%时对应的雾滴粒径值。其中，DV0.5又称体积中值直径（Volume median diameter，VMD），常用来表征雾滴粒径大小。V<100（%volume）和V<150（%volume）分别表示雾滴粒径小于100µm和150µm时所对应的累积喷雾体积百分比。SV表示同组试验中重复测量结果差异，SV越小，表明同组试验重复测试结果差异越小，计算公式为：

式中：SV为扩散值；Dmax为DVa的最大值；Dmin为DVa的最小值；Dmean为DVa的平均值。

RS用于表征喷头喷施雾滴的均匀性，RS越小，则雾滴均匀性越好，计算公式为：

雾滴粒径尺寸分级标准（Droplet size classification，DSC）是根据ASABE标准，将雾滴体积中值直径小于136µm分级为非常细（Very fine，VF）、136~177µm分级为极细（Fine，F）、177~218µm分级为中等（Medium，M）、218~349µm分级为粗（Coarse，C）、349~428µm分级为非常粗（Very coarse，VC），以此表征喷头雾化性能[21]。

2 结果与分析

2.1 孔口尺寸对喷头喷雾性能的影响

2.1.1 CFA延长范围型系列喷头由图3可知，当喷雾压力固定设定为0.6MPa时，随着CFA延长范围型系列喷头孔口尺寸的不断增大，DV0.1从94.4mm缓慢增至97.8mm并 于108mm趋 于 稳 定。同 时，CFA11001和CFA110015喷头与其他3种喷头表现出一定显著性差异（p<0.05），表明较大的孔口尺寸对细小雾滴影响不大，雾滴数量分布较为稳定。DV0.5从202.2mm快速增至277.5mm，而后缓慢上升至284.5mm，除CFA11003和CFA11004喷头变化不大外，每种喷头都表现出显著性差异（p<0.05）。DV0.9与DV0.5呈现出相似的变化趋势，但与DV0.5相比，DV0.9变化幅度更大，极差高达141.9mm，这表明DV0.9受孔口尺寸影响更大，在孔口尺寸增大过程中，雾滴粒径迅速增大。此外，横向比较SV值发现，所有测定数值均小于10%。其中，CFA11001喷头DV0.1的SV值最大，为8.5%，这也表明试验喷头性能均较为稳定。

图3 CFA型喷头DV0.1、DV0.5、DV0.9统计图Figure 3 Statistical chart of DV0.1,DV0.5,DV0.9 of CFA type nozzles

对比CFA延长范围型系列喷头的粒度分布图（图4）可以发现，不同孔口尺寸喷头雾滴粒径分布大致呈负偏态分布，累积量均呈平滑曲线。随着喷头孔口尺寸不断增大，微分峰值逐渐右移，表明喷头孔口尺寸对100mm以下雾滴粒径分布影响较小，对200mm以上雾滴粒径分布影响较大。其中，CFA110015喷头粒度分布无明显峰值，这可能是受到电源适配器电压波动或水泵低压工作时水泵功率波动的影响，从而导致喷雾压力变化，进而影响到了试验结果。

图4 CFA延长范围型系列喷头的粒度分布图Figure 4 Droplet size distribution diagram of CFA extended range series nozzles

分析CFA延长范围型系列喷头喷雾性能参数（表2）发现，随着喷头孔口尺寸增大，V<100（%volume）从11.7%缓慢减小至7.7%，并在8%附近逐渐保持稳定，CFA11002、CFA11003和CFA11004喷头与其余喷头表现出显著性差异（p<0.05）。V<150（%volume）数据变化幅度比V<100（%volume）更大，高达10%，其中CFA11001、CFA110015和CFA11002喷头均表现出一定显著性差异（p<0.05）。RS值均小于1.6，雾滴分布均匀。随着喷头孔口尺寸增大，CFA延长范围型系列喷头DSC等级由中等（M）提高至粗（C）。

表2 CFA延长范围型系列喷头喷雾性能参数Table 2 Spray performance parameters of CFA extended range type nozzles

2.1.2 相同孔口尺寸的不同类型喷头进一步对具有相同孔口尺寸的3种不同类型喷头（CFA11002、Tee⁃Jet11002和SF11002）进行分析（图5）。当喷雾压力固定设定为0.6MPa时，可以看出CFA11002喷头的DV0.1远大于其余两种标准扇形喷头，且TeeJet11002和SF11002喷头之间无显著差异（p>0.05）。同时，3种类型喷头的DV0.5与DV0.1的变化趋势相似，但相比于DV0.1，DV0.5的变化差异更显著。深入比较发现，3种类型喷头的DV0.9均具有显著差异（p<0.05），其中，CFA11002喷头的DV0.9最大，高达489.9mm，这表明CFA延长范围型喷头的雾滴粒径远大于标准扇形喷头。

图5 CFA11002、TeeJet11002、SF11002喷头DV0.1、DV0.5、DV0.9统计图Figure 5 Statistical chart of DV0.1,DV0.5,DV0.9 of CFA11002,TeeJet11002,SF11002 nozzles

由CFA11002、TeeJet11002和SF11002喷头的粒度分布图可以发现（图6），CFA11002喷头雾滴粒径分布大致呈负偏态分布，TeeJet11002和SF11002喷头雾滴粒径分布大致呈正态分布，累积量均呈平滑曲线。通过对比分析得出，CFA11002喷头雾滴粒径峰值和粒径分布范围最大，峰值大致出现在370mm，雾滴粒径最大超过800mm，TeeJet11002与SF11002喷头雾滴粒径分布大致相同。其中，TeeJet11002喷头粒度分布图中出现明显的图像分块，可能是由于雾滴喷施过程中压力过大或遇到工作台后发生二次破裂现象[22]，同时在此过程中存在雾滴分散和聚集效应，这些雾滴间的互相作用会使雾滴粒径发生一系列不可控变化[23]。

图6 CFA11002、TeeJet11002、SF11002喷头粒度分布图Figure 6 Droplet size distribution of CFA11002,TeeJet11002,SF11002 nozzles

对比相同孔口尺寸的3种不同类型喷头的喷雾性能参数可以进一步发现（表3），试验选用的3种11002喷头的SV值均小于8.0%，其中，TeeJet11002喷头的SV值更是小于2.2%，这表明各类型试验喷头性能稳定且Tee⁃Jet11002喷头稳定性最高。此外，在相同孔口尺寸下，CFA11002喷头的DSC等级为粗（C），TeeJet11002和SF11002喷头的DSC等级均为非常细（VF）。

表3 相同孔口尺寸不同类型喷头喷雾性能参数Table 3 Spray performance parameters of different types of nozzles with the same orifice size

2.2 喷雾压力对喷头喷雾性能参数的影响

2.2.1 CFA11002喷头由图7可知，当喷雾压力从0.2MPa增至0.8MPa时，DV0.1从144mm缓慢下降至97mm，随着压力增大呈现下降趋势，标准差稳定在2.0mm以内，表明稳定性较好。DV0.5和DV0.9分别从381mm和681mm降至233mm（DV0.5）和463mm（DV0.9），随着压力增大均呈现出先迅速下降后缓慢下降的趋势，标准差随之逐步变小，稳定性逐步增强。具体在于，当压力大于0.5MPa时，喷雾压力对DV0.1、DV0.5和DV0.9的影响显著减弱，这表明该型喷头的适宜喷洒压力在0.5MPa以上。横向比较SV值发现，所有数值均小于15%，这同样表明该型喷头在不同压力下均表现稳定。

图7 CFA11002喷头DV0.1、DV0.5、DV0.9随压力变化趋势图Figure 7 Trend diagram of DV0.1,DV0.5,DV0.9 of CFA11002 nozzle with pressure

表4为CFA11002喷头在不同压力下的喷雾性能参数，由表4可知，喷雾压力对V<100（%volume）和V<150（%volume）存在显著影响（p<0.05），当压力由0.2MPa逐渐增加至0.8MPa时，小于100mm雾滴所占比例由3.26%增至10.99%，小于150mm雾滴所占比例由11.13%增至26.72%，增长趋势较为稳定。喷雾压力对分布跨度RS无显著影响，并呈现出非规律性变化。当喷雾压力大于0.3MPa时，喷头的DSC等级从非常粗（VC）变成粗（C）。

表4 CFA11002喷头不同压力喷雾性能参数Table 4 Spray performance parameters of CFA11002 nozzle with different pressure

对比CFA11002喷头的粒度分布图（图8）发现，图像大致呈负偏态分布，累积量呈平滑曲线，且随着压力增大，雾滴粒径微分分布峰值由551.1mm降至302.5mm，表明雾滴粒径整体逐渐减小。同时，对雾滴体积中值直径变化进行线性拟合（图9），线性回归方程为y=339.983-237.424x，拟合参数R2=0.865。由此可以看出，CFA11002喷头雾滴粒径整体偏大，并呈现出随着压力增大而下降的趋势。其变化规律基本呈线性变化，但该型喷头的体积中值直径的函数拟合优度较差，当压力大于0.7MPa时，压力对雾滴粒径大小无显著影响（p>0.05）。2.2.2 SF11002喷头由图10可知，当喷雾压力从0.2MPa增至0.8MPa时，DV0.1和DV0.5分别从75mm和151mm下降至49mm（DV0.1）和121mm（DV0.5），随着压力增大呈现下降趋势，标准差较小且相对稳定。DV0.9由297mm降低至242mm，变化趋势与DV0.5相似，但数据差异性较大，在0.3，0.4，0.7MPa压力下，极差分别达到38，38，61mm。由此可以发现，细小雾滴变化均匀，误差较小，大雾滴变化趋势稳定，但误差较大。横向比较SV值发现，只有在0.7MPa压力下DV0.9的SV值达到21.44%，其余SV值均小于15%，表明该组重复试验喷头稳定性较好，异常值的出现可能是由于试验过程中测量仪器存在误差。

图8 CFA11002喷头不同压力粒度分布图Figure 8 Droplet size distribution of CFA11002 nozzles with different pressure

图9 CFA11002喷头雾滴体积中值直径变化趋势图Figure 9 Trend diagram of droplet volume median diameter of CFA11002 nozzle

图10 SF11002喷头DV0.1、DV0.5、DV0.9随压力变化趋势图Figure 10 Trend diagram of DV0.1,DV0.5,DV0.9 of SF11002 nozzle with pressure

表5为SF11002喷头在不同压力下的喷雾性能参数，从表5可以看出，当压力增加至0.8MPa时，小于100mm雾滴所占比例为37.26%，小于150mm雾滴所占比例为66.10%，且变化较为稳定。喷雾压力对分布跨度RS无显著影响，并呈现出非规律性变化。当喷雾压力大于0.5MPa时，喷头的DSC等级从细（F）变成极细（VF）。

表5 SF11002喷头不同压力喷雾性能参数Table 5 Spray performance parameters of SF11002 nozzle with different pressure

对比SF11002喷头的粒度分布图（图11）发现，图像大致均呈正态分布，累积量呈平滑曲线，且随着压力增大，雾滴粒径微分分布峰值由202.7mm降至135.9mm，这表明雾滴粒径整体逐渐减小。当压力大于0.3MPa时，粒度分布图右侧出现明显的图像分块，可能是雾滴

图11 SF11002喷头不同压力粒度分布图Figure 11 Droplet size distribution of SF11002 nozzles with different pressure

受到环境影响出现合并聚集效应所致[23]。同时，对雾滴体积中值直径变化进行线性拟合（图12），线性回归方程为y=165.032-57.8382x，拟合参数R2=0.952。由此可以看出，SF11002喷头的雾滴粒径随着压力增大呈减小趋势，其变化规律基本呈线性变化，体积中值直径拟合优度较高。当压力大于0.7MPa时，压力对雾滴粒径尺寸无显著影响（p>0.05）。

图12 SF11002喷头雾滴体积中值直径变化趋势图Figure 12 Trend diagram of droplet volume median diameter of SF11002 nozzle

2.2.3 TeeJet11002喷头由图13可知，当喷雾压力从0.2MPa增至0.8MPa时，DV0.1和DV0.5分别从76mm和161mm下降至41mm（DV0.1）和97mm（DV0.5），随着压力增大呈现下降趋势，标准差较小且相对稳定。DV0.9的变化趋势与DV0.5相似，但数据差异性较大，明显看出DV0.9在0.8MPa时急剧下降，极差高达32mm。横向比较SV值发现，只有在0.8MPa压力下，DV0.9的SV值为18.51%，其余SV值均小于10%，这表明该组试验喷头整体稳定性较好，但随着压力增大，试验误差逐渐增大，即较大雾滴在高压下表现不稳定。

图13 TeeJet11002喷头DV0.1、DV0.5、DV0.9随压力变化趋势图Figure 13 Trend diagram of DV0.1,DV0.5,DV0.9 of TeeJet11002 nozzle with pressure

表6为Teejet11002喷头在不同压力下的喷雾性能参数，从表6可以看出，当压力增加至0.8MPa时，小于100mm雾滴所占比例为52.67%，小于150mm雾滴所占比例为82.85%，且变化较为稳定。喷雾压力对分布跨度RS无显著影响，并呈现出非规律性变化。当喷雾压力大于0.3MPa时，喷头的DSC等级从细（F）变成极细（VF）。

对比TeeJet11002喷头的粒度分布图（图14）发现，图像大致均呈正态分布，累积量呈平滑曲线，且随着压力增大，雾滴粒径微分分布峰值由201.6mm降至111.8mm，这表明雾滴粒径整体逐渐减小。对雾滴体积中值直径变化进行线性拟合（图15），线性回归方程为y=171.436-89.8507x，拟合参数R2=0.914。由此可以看出，TeeJet11002喷头雾滴粒径随着压力增大呈减小趋势，体积中值直径随压力变化的规律基本呈线性变化，函数拟合优度较高。在0.5~0.7MPa压力范围内，压力对体积中值直径的影响较弱，其他压力条件下均有显著影响（p<0.05）。

图14 TeeJet11002喷头不同压力粒度分布图Figure 14 Droplet size distribution of TeeJet11002 nozzles with different pressure

图15 TeeJet11002喷头雾滴体积中值直径变化趋势图Figure 15 Trend diagram of droplet volume median diameter of TeeJet11002 nozzle

3 讨论与结论

本研究对CFA延长范围型喷头以及SF和TeeJet标准扇形喷头进行了雾滴粒径尺寸测试的试验，并分析了孔口尺寸和喷雾压力对各型号扇形航空喷头雾化特性的影响。由于试验在室内进行，与实际植保无人机喷洒条件不完全相同，试验结论会存在一定的局限性，但仍具有一定参考价值，未来还可以考虑在本试验基础上增加风洞试验。同时，此次研究忽略了植保无人机实际作业过程中喷头磨损对喷雾性能造成的影响，未来可以将全新喷头与非全新喷头结合分析，为航空喷洒提供更加精准的数据。

本研究结果表明，（1）当喷雾压力固定设定为0.6MPa时，随着CFA11001、CFA110015、CFA11002、CFA11003和CFA11004喷头的孔口尺寸不断增大，其雾滴粒径尺寸和雾滴粒径分布持续增大，其中DV0.1、DV0.5和DV0.9极差分别为14.3，82.3，141.9mm，最大雾滴粒径于620mm增至970mm，雾滴粒径范围由581mm增至926mm。由此可见，孔口尺寸是影响CFA型喷头的雾滴粒径尺寸和雾滴粒径分布的重要因素。（2）当喷雾压力固定设定为0.6MPa时，标准扇形喷头相对延长范围型喷头表现出更高的喷雾稳定性，TeeJet11002喷头DV0.5为117.4mm，雾滴粒径多分布于40~300mm之间，SF11002喷头DV0.5为127.9mm，雾滴粒径多分布于50~350mm之间。延长范围型喷头CFA11002的DV0.5最大，高达259.3mm，雾滴粒径分布更广，多分布于110~600mm之间。与标准扇形喷头相比，延长范围型喷头更长，雾滴粒径尺寸和雾滴粒径分布都显著提高，由此得到，喷头类型是影响雾滴粒径尺寸和雾滴粒径分布的重要因素。（3）在0.2~0.8MPa压力变化范围内，TeeJet11002、SF11002和CFA11002喷头的雾滴粒径呈现出随着压力增大而下降的趋势。TeeJet11002喷头在全压力下表现稳定，DV0.1、DV0.5和DV0.9的极差分别为3.5，8.4，32.1mm。SF11002喷头次之，DV0.1、DV0.5和DV0.9的极差分别为7.1，7.7，60.7mm。CFA11002喷头雾滴粒径整体偏大，存在一定误差，DV0.1、DV0.5和DV0.9的极差分别达到了4.8，24.8，84.4mm。其中，TeeJet11002（R2=0.914）和SF11002（R2=0.951）拟合优度均较好，CFA11002（R2=0.865）拟合优度较差，这表明与延长范围型喷头相比，喷雾压力对标准扇形喷头影响更显著。由此得到，喷雾压力是影响雾滴粒径尺寸和雾滴粒径分布的又一重要因素。