張 龍，宋淑然,2,3,4，孫道宗,3,4，薛秀云,2,4，代秋芳,2,4，李 震,2,3,4

(1華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院/人工智能學(xué)院，廣東廣州510642；2國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械化研究室，廣東廣州510642；3廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510642；4廣東省山地果園機(jī)械創(chuàng)新工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510642)

近年來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的需求大幅增加，推進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)改進(jìn)，研發(fā)適合國(guó)情、農(nóng)民需要、先進(jìn)適用的各類(lèi)智能農(nóng)機(jī)裝備迫在眉睫。在農(nóng)機(jī)裝備智能領(lǐng)域，高效噴霧施藥技術(shù)的一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)是農(nóng)藥在靶標(biāo)上的沉積率遠(yuǎn)高于其在非目標(biāo)物或區(qū)域中的沉積率。這也是最大程度地提高農(nóng)藥有效利用率，同時(shí)消除農(nóng)藥對(duì)操作人員的危害以及降低環(huán)境污染的一個(gè)重要途徑[1-3]。然而，我國(guó)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)農(nóng)藥的有效利用率只有30%左右，流失量較高[4-5]。

農(nóng)藥?kù)F化是農(nóng)藥以霧滴的形式分散到大氣中，形成霧狀分散體系的過(guò)程，其實(shí)質(zhì)是噴霧液滴在外力的作用下實(shí)現(xiàn)比表面積的大幅度擴(kuò)增[6-8]。將農(nóng)藥藥液霧化為霧滴的過(guò)程依靠噴頭來(lái)實(shí)現(xiàn)[9]。農(nóng)藥?kù)F化程度直接影響農(nóng)藥漂移距離及沉積有效利用率。噴霧霧滴粒徑分布是農(nóng)藥?kù)F化程度的主要檢測(cè)指標(biāo)[10-11]。較大霧滴能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持動(dòng)量，到達(dá)靶標(biāo)時(shí)間短，漂移較小，但霧滴過(guò)大又容易造成藥液覆蓋率降低、靶標(biāo)附著性差和藥液流失[12-14]。較小的霧滴由于其質(zhì)量小，受到空氣阻力影響大，通常會(huì)由于動(dòng)量不足而無(wú)法到達(dá)靶標(biāo)[15]，但小霧滴有助于增大藥液覆蓋率、提升霧滴覆蓋的均勻性和增大藥液在作物冠層的穿透性[16]。

無(wú)論采用何種噴霧方式，植保機(jī)械的作業(yè)質(zhì)量與霧滴直徑大小都有直接關(guān)系[17]。如果選擇的霧滴大小合適，可以用最小的藥量，以最小的環(huán)境污染達(dá)到最大控制病蟲(chóng)害的目的。如果實(shí)際的霧滴比需要的霧滴大，所浪費(fèi)的農(nóng)藥就會(huì)以霧滴直徑三次方的速率增長(zhǎng)[18]。張瑞瑞等[19]利用不同類(lèi)型及濃度助劑分析比較空氣誘導(dǎo)噴頭IDK120-025和多量程平面噴頭LU120-015的霧滴體積中徑(Volume median diameter,VMD)及霧滴粒徑相對(duì)分布跨度，結(jié)果表明不同類(lèi)型及濃度的助劑對(duì)不同噴頭效果不同，應(yīng)根據(jù)所用噴頭選擇合適的助劑及配比濃度，降低農(nóng)藥?kù)F滴漂移。王瀟楠等[20]利用不同濃度抗蒸發(fā)助劑Agrospred 730、防漂移助劑Break-thru Vibrant、Silwet DRS-60、Greenwet 360分析比較了不同噴頭霧滴漂移潛在指數(shù)，結(jié)果表明添加助劑濃度不同，霧滴體積中徑不同，噴頭潛在漂移指數(shù)不同。何玲等[21]利用不同表面張力的溶液分析了噴霧助劑對(duì)水稻冠層有效沉積率的影響。唐青等[22]利用不同氣流條件對(duì)比分析了標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭和空氣誘導(dǎo)噴頭的霧化特性。趙輝等[23]研究了不同噴霧液動(dòng)態(tài)表面張力下，霧滴粒徑的變化，結(jié)果表明動(dòng)態(tài)表面張力改變對(duì)霧滴粒徑的影響增大。

液體黏度影響噴頭霧化性能[24]，本文配制不同黏度的噴霧液，研究噴霧液黏度對(duì)農(nóng)用噴頭的噴霧霧滴粒徑的影響，以期為農(nóng)藥噴施技術(shù)及機(jī)械性能的提高提供理論支撐與試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文選擇乳油、可濕性粉劑、懸浮劑和水分散粒劑4種常見(jiàn)劑型的農(nóng)藥作為研究對(duì)象，具體為：體積分?jǐn)?shù)為15%的噠螨靈乳油、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的吡蟲(chóng)啉可濕性粉劑、質(zhì)量濃度為240 g/L 的螺螨酯懸浮劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的啶蟲(chóng)脒水分散粒劑。按照農(nóng)藥劑型的使用說(shuō)明把4種農(nóng)藥分別配制成溶液，利用黏度計(jì)測(cè)試4種藥液的黏度，獲得不同劑型農(nóng)藥在使用配比下藥液的黏度范圍。據(jù)此，用水與甘油配制噴霧液代替農(nóng)藥進(jìn)行大量的噴霧試驗(yàn)研究，避免用農(nóng)藥進(jìn)行試驗(yàn)造成環(huán)境污染。同時(shí)利用甘油與水配制出不同黏度的噴霧液進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)噴頭為東莞市沙鷗噴霧系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的實(shí)心錐噴頭，噴嘴直徑為0.8 mm。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用的主要儀器有：丹麥DANTEC公司生產(chǎn)的多普勒動(dòng)態(tài)粒子分析儀(Phase Doppler anemometry，簡(jiǎn)稱(chēng)PDA)，粒子測(cè)量范圍為1～10 000 μm，測(cè)量誤差為1%；上海方瑞儀器有限公司生產(chǎn)的NDJ-8T 數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，測(cè)量范圍為1～2 000 cp，測(cè)量誤差為±1%，重復(fù)誤差為±0.5%，儀器均滿(mǎn)足相關(guān)參數(shù)測(cè)量要求。

試驗(yàn)環(huán)境溫度對(duì)液體黏度的測(cè)試有一定程度的影響，在液體黏度測(cè)試過(guò)程中，環(huán)境溫度是動(dòng)態(tài)變化的。為此，本文在每次試驗(yàn)前，均多次測(cè)量環(huán)境溫度，并使用NDJ-8T 型數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)多次對(duì)同一個(gè)樣品進(jìn)行黏度測(cè)試，保證測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和可信性。

1.3 霧滴參數(shù)定義

本文主要對(duì)霧滴的3個(gè)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量和分析，它們分別是：

算術(shù)平均直徑(Arithmetic mean diameter，D10)：指取樣霧滴群的直徑之和與霧滴群個(gè)數(shù)之和的比值，

體積平均直徑(Volume mean diameter，D30)：指取樣霧滴群平均體積所對(duì)應(yīng)的直徑，

索爾特平均直徑(Sauter mean diameter，D32)：表明霧滴粒徑對(duì)表面積的加權(quán)平均，

在上述霧滴參數(shù)描述中，Di是指霧滴尺寸等級(jí)i的直徑，Ni是指選擇的霧滴尺寸等級(jí)i的個(gè)數(shù)，ni是指每個(gè)尺寸等級(jí)中的霧滴數(shù)，N是霧滴總數(shù)。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

液體的黏度和溫度有極密切的關(guān)系，通常溫度升高，黏度降低。本文測(cè)試液體黏度是在環(huán)境溫度為(25±0.5)℃的前提下進(jìn)行的。

1.4.1 4 種常用于防治木虱的農(nóng)藥黏度范圍測(cè)試 為了揭示農(nóng)藥黏度對(duì)噴頭霧滴參數(shù)的影響，根據(jù)農(nóng)藥使用說(shuō)明的配比要求，配制了4種柑橘病蟲(chóng)害防治中常用的農(nóng)藥溶液，利用黏度計(jì)分別測(cè)量其黏度值，每隔2 min 讀取1次黏度值，共讀取3次，取平均值作為最終黏度值，結(jié)果如表1所示。4種農(nóng)藥溶液黏度的平均最小值為1.25 cp，平均最大值為

1.80 cp。

表1 4種常見(jiàn)農(nóng)藥的黏度Table1 Viscositiesof four common pesticides

1.4.2替代試劑不同黏度甘油的配置 由于甘油與水能夠以任意比例互溶，且純甘油黏度較大，本文采用純甘油與水以一定的比例混合，配制4種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甘油溶液，結(jié)果如表2所示。隨著甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，溶液的黏度也逐漸變大，黏度范圍能夠涵蓋常用的農(nóng)藥溶液黏度。

1.4.3霧滴參數(shù)的采樣點(diǎn)設(shè)定 噴霧液黏度對(duì)噴頭霧化性能的影響試驗(yàn)包括：不同噴霧液黏度下對(duì)噴頭軸心線(xiàn)方向上霧滴參數(shù)的測(cè)定，以及不同噴霧液黏度下對(duì)噴頭徑向(軸心方向高度一定時(shí))霧滴參數(shù)的測(cè)定。噴霧試驗(yàn)時(shí)，噴頭軸心方向垂直地面，噴霧壓力為0.9 MPa。

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)甘油溶液的黏度Table 2 Viscositiesof different massfractionsof glycerin solution

前期試驗(yàn)中，為了能夠設(shè)置合適的噴頭噴霧區(qū)域采樣點(diǎn)，在噴霧壓力為1.0 MPa 條件下，測(cè)量了噴頭的霧錐角，結(jié)果為44.14°，由此，利用預(yù)試驗(yàn)測(cè)得的霧錐角正切值的結(jié)果，可以確定噴霧區(qū)域的邊界位置，從而確定霧滴采樣點(diǎn)的范圍。

軸心方向上霧滴采樣點(diǎn)設(shè)定：為研究不同黏度對(duì)噴頭軸心方向上霧滴粒徑的影響，建立以噴頭處為原點(diǎn)、水平向左方向?yàn)閤、垂直向里方向?yàn)閥、垂直向下方向?yàn)閦的笛卡爾坐標(biāo)系，在噴頭霧化區(qū)域軸心方向上，從噴頭z=0 cm 處開(kāi)始，每隔2 cm利用PDA 分別測(cè)量軸心方向上霧滴參數(shù)。

徑向霧滴采樣點(diǎn)設(shè)定：為研究黏度對(duì)噴頭徑向霧滴粒徑的影響，在軸心方向上分別選取z=30 cm，z=40 cm 處的水平面，測(cè)量所對(duì)應(yīng)徑向上的霧滴粒徑；在z=30 cm 處x選取?8～8 cm 之間；在z=40 cm處，x選取?10～10 cm 之間，其中徑向(x方向)采樣點(diǎn)間隔均為1 cm，利用PDA 分別測(cè)量每個(gè)采樣點(diǎn)上的霧滴參數(shù)。

1.4.4數(shù)據(jù)處理 運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS16.0對(duì)軸心距離、液體黏度以及霧滴粒徑的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 軸心方向上霧滴粒徑分布特性

從噴頭開(kāi)始，每隔2 cm，測(cè)量噴頭軸心方向上的霧滴參數(shù)，結(jié)果如表3所示。

從表3 可以看出，在軸心方向上距離噴頭1～6 cm的區(qū)間內(nèi)，霧滴粒徑變小趨勢(shì)明顯，分析原因可能是：在一定的壓力下，射流以連續(xù)液體的形式從噴頭高速流出，受到外界氣體的擾動(dòng)作用，液體表面會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的波動(dòng)，當(dāng)液體流速較大時(shí)，液體表面的波幅將快速變大，最終波峰被撕裂下來(lái)，形成較大霧滴。隨著射出距離變大，這種表面波的波幅將逐漸擴(kuò)大，使液體分裂成大顆粒液滴，液滴直徑超過(guò)了一定的閾值，在周?chē)諝馇袘?yīng)力的作用下，它們將進(jìn)一步碎裂成更細(xì)小的液滴，故在距離噴頭1～6 cm 的區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)出變小的趨勢(shì)。

Rayleigh 理論導(dǎo)出了形成黏性射流最大不穩(wěn)定性的比值，即有一個(gè)最小的擾動(dòng)波長(zhǎng) 和最有可能導(dǎo)致射流破裂成為液滴的擾動(dòng)波長(zhǎng) ，噴頭出口附近的初始擾動(dòng)波長(zhǎng)小于 時(shí)，受表面張力作用，射流的擾動(dòng)漸緩；當(dāng)初始擾動(dòng)波長(zhǎng)大于 時(shí)，擾動(dòng)波振幅增大，并最終導(dǎo)致射流破裂，對(duì)于非黏性流體[25]

對(duì)于黏性流體

式中：為液體的黏度，為液體的密度， 為液體的表面張力，為射流直徑。由此可見(jiàn)，黏性流體的與非黏性流體相同，但其 卻比非黏性流體大得多。

試驗(yàn)表明，在相同的噴霧條件下，對(duì)于不同黏度的噴霧液，液體密度 、液體表面張力 、射流直徑 變化不大，影響擾動(dòng)波長(zhǎng) 變化的主要因素在于噴霧液的黏度，即噴霧液黏度越大，越有可能導(dǎo)致射流破裂成為液滴的擾動(dòng)波長(zhǎng) 也越大，亦需要更多的能量才能完成從射流破碎成霧滴的過(guò)程。由表3可以發(fā)現(xiàn)，噴霧液黏度越大，相同位置處?kù)F滴粒徑隨著噴霧液黏度的增加而變大，其原因可能是：噴霧液黏度越大，噴霧液越難以發(fā)生霧化，相同噴射壓力下，霧化黏度大的噴霧液需要更多的能量，因此導(dǎo)致黏度較大的噴霧液，霧滴碎裂不夠細(xì)小，最終形成顆粒較大的液滴。

在軸心方向上距離噴頭8～40 cm 的區(qū)間內(nèi)，不同軸心距離下的霧滴粒徑呈現(xiàn)出從近噴頭處到遠(yuǎn)噴頭處逐漸變大的規(guī)律，其原因可能是：在噴頭的軸心方向上，作用于霧滴的力主要是重力和空氣阻力，當(dāng)霧滴受到重力影響時(shí)，會(huì)加速下降，霧滴發(fā)生聚合碰撞，使霧滴粒徑逐漸變大，形成了大霧滴。

表3 不同黏度下軸心方向上霧滴參數(shù)1)Table 3 Droplet parametersin the axisdirection under different viscositiesμm

2.2 軸心霧滴粒徑的統(tǒng)計(jì)分析

為了明確軸心距離、液體黏度與霧滴粒徑之間的內(nèi)在聯(lián)系，更好地揭示影響霧滴粒徑分布規(guī)律的主要原因，本文運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS對(duì)軸心距離、液體黏度以及霧滴粒徑進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析。

通過(guò)判斷2個(gè)數(shù)據(jù)集是否在一條直線(xiàn)上來(lái)推斷2個(gè)數(shù)據(jù)集的線(xiàn)性相關(guān)性，其計(jì)算公式為：

式中，N為2個(gè)數(shù)據(jù)集樣本個(gè)數(shù)，xi表示x數(shù)據(jù)集中某一樣本(i)的樣本值，yi表示y數(shù)據(jù)集中樣本i的樣本值，r值反映了2個(gè)變量線(xiàn)性相關(guān)性的強(qiáng)弱程度，r值越大說(shuō)明兩者相關(guān)性越強(qiáng)，據(jù)此，利用軟件做出了液體黏度、軸心距離與霧滴粒徑三者之間的Pearson 相關(guān)系數(shù)(表4)。

從表4可以看出，當(dāng)軸心距離為4～40 cm 時(shí)，也就是采用樣本為4～40 cm 區(qū)間內(nèi)霧滴粒徑數(shù)據(jù)，其軸心距離、液體黏度與霧滴粒徑的Pearson 相關(guān)系數(shù)(r)分別為0.531、0.795，可見(jiàn)液體黏度與霧滴粒徑之間的相關(guān)性更強(qiáng)，接近于極強(qiáng)相關(guān)，顯著性值較高(當(dāng)顯著性值小于0.05時(shí)認(rèn)為顯著)，據(jù)此可得出，在距離噴嘴4～40 cm 區(qū)間內(nèi)，霧滴粒徑的大小受到液體黏度的影響較大，同時(shí)軸心距離也是影響霧滴粒徑變化的主要因素；當(dāng)軸心距離為0～40 cm時(shí)，其軸心距離、液體黏度與霧滴粒徑的Pearson 相關(guān)系數(shù)分別為0.287、0.586，可見(jiàn)當(dāng)計(jì)算范圍包含0～4 cm 區(qū)間時(shí)，液體黏度與霧滴粒徑大小的相關(guān)性為中等程度相關(guān)，而軸心距離與霧滴粒徑大小的相關(guān)性為弱相關(guān)，這說(shuō)明霧滴粒徑在區(qū)間0～4 cm 與區(qū)間4～40 cm 內(nèi)變化趨勢(shì)不統(tǒng)一，故而三者之間的相關(guān)性有所降低，結(jié)合表3不難發(fā)現(xiàn)，在霧滴粒徑為0～4 cm 區(qū)間內(nèi)，噴霧液由噴嘴噴出后，在切應(yīng)力的作用下撕裂成液膜，大霧滴變?yōu)樾§F滴，這剛好與霧滴在4～40 cm 區(qū)間內(nèi)的變化相反，因此相關(guān)性有所降低。

綜合考慮可以發(fā)現(xiàn)，霧滴從噴嘴噴出后液體黏度對(duì)霧滴粒徑的影響大于軸心距離對(duì)霧滴粒徑的影響。

表4 軸心霧滴粒徑的Pearson相關(guān)分析Table 4 Pearson correlation analysis of axial droplet size

2.3 徑向霧滴粒徑分布

為了了解不同噴霧液黏度對(duì)噴頭徑向霧滴參數(shù)的影響(為便于分析，取z=30 cm 處分析)，繪制出如圖1所示的霧滴體積平均直徑D30隨徑向距離變化三維圖。

由圖1可以看出，在相同噴霧液黏度下，霧滴粒徑隨著徑向距離增大而增大，軸心位置始終保持著最小的霧滴粒徑，徑向左右兩邊霧滴粒徑近似于對(duì)稱(chēng)分布；不同噴霧液黏度下，液體黏度越大，相同位置霧滴體積平均直徑越大。

圖1 z=30 cm 處徑向霧滴體積平均直徑(D30)變化Fig.1 Change of radial droplet D30 at

奧內(nèi)佐格的研究表明，射流破碎后的液滴尺寸主要取決于噴口直徑、液體的密度、黏性力和表面張力，并且整理出了無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)Z來(lái)進(jìn)行描述，Z為射流破碎后的霧滴大小的無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)，它與液體的密度、黏性力和表面張力間存在一定的關(guān)系[25]，如下式所示：

式中：表示液體黏度，表示液體密度， 表示表面張力， 表示射流起始直徑。

在相同試驗(yàn)條件下，對(duì)于不同黏度的噴霧液，其液體密度、表面張力、射流直徑變化不大，故液體的黏度是霧化過(guò)程中液體破碎的主要因素，黏性在射流表面擾動(dòng)波增長(zhǎng)的過(guò)程中起阻尼作用，黏性越小阻力越小，Z越小，故霧滴粒徑越小。

2.4 徑向霧滴粒徑的統(tǒng)計(jì)分析

為了更好地闡釋霧滴粒徑在徑向上的分布規(guī)律，明確霧滴粒徑在徑向上與徑向距離、液體黏度之間的內(nèi)在制約因素，對(duì)徑向距離、霧滴粒徑以及液體黏度之間進(jìn)行了Pearson 相關(guān)分析，結(jié)果如表5所示。

表5 徑向霧滴粒徑的Pearson 相關(guān)分析1)Table5 Pearson correlation analysisof radial droplet size

由表5可以看出，在徑向上，霧滴粒徑與徑向距離的相關(guān)系數(shù)為0.932，具有極強(qiáng)相關(guān)性，且顯著性值為0.000，小于0.05，故認(rèn)為霧滴粒徑與徑向距離之間顯著性高；霧滴粒徑與液體黏度的相關(guān)系數(shù)為0.328，表現(xiàn)為弱相關(guān)，且顯著性值為0.014，小于0.05，則認(rèn)為霧滴粒徑與液體黏度之間聯(lián)系較徑向距離弱。

由表4和表5可以發(fā)現(xiàn)，在噴頭噴霧區(qū)域中，在軸心方向上霧滴粒徑分布受液體黏度影響較大，二者相關(guān)系數(shù)為0.795，同時(shí)，在軸心方向上，霧滴粒徑也會(huì)受到軸心距離的影響，相關(guān)系數(shù)為0.531，較液體黏度影響相對(duì)較弱；在噴頭徑向上，霧滴粒徑與徑向距離相關(guān)系數(shù)為0.932，表現(xiàn)出極強(qiáng)相關(guān)性，意味著徑向位置不同時(shí)，霧滴粒徑變化明顯，由圖1可以看出，當(dāng)徑向位置變大時(shí)，霧滴粒徑增加明顯；在徑向上，霧滴粒徑與液體黏度相關(guān)系數(shù)為0.328，表現(xiàn)為弱相關(guān)性。

3 結(jié)論

本文研究了不同噴霧液黏度下，噴頭的噴霧區(qū)域中垂直(軸心)與水平(徑向)方向上噴霧霧滴粒徑變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1)噴霧液黏度越大，噴頭所噴出霧滴的粒徑也越大。隨著黏度的增大，軸心方向上的霧滴粒徑先變大后變小，噴霧液黏度越大，霧滴越難以霧化；在徑向上，噴霧區(qū)域的邊界處?kù)F滴粒徑大于內(nèi)部霧滴粒徑；

2)根據(jù)Pearson 相關(guān)分析得出，軸心方向上，霧滴粒徑的大小分布受液體黏度影響較大，相關(guān)系數(shù)為0.795；而在徑向上，霧滴粒徑大小分布受到徑向距離影響較大，相關(guān)系數(shù)為0.932；

3)試驗(yàn)分析得出添加不同濃度的甘油溶液均可對(duì)霧滴粒徑產(chǎn)生較大影響，因此應(yīng)根據(jù)噴施的實(shí)際情況選擇合適的濃度配比，適當(dāng)提高噴霧液黏度，有助于達(dá)到降低農(nóng)藥?kù)F滴漂移、增加霧滴穿透性的目的。