王貞濤，張永輝，董慶銘，王曉英，聞建龍

(江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

在農(nóng)作物病蟲害防治過程中，液體化學(xué)藥劑的噴灑是提高防治效果的有效手段之一.荷電噴霧技術(shù)能夠顯著改善液體藥劑的霧化效果，而且霧滴的帶電特性可以促進藥劑霧滴在植株葉片表面沉積，尤其是在植株葉片背部［1-4］.近幾十年來，很多研究者采用試驗手段或者數(shù)值方法詳細(xì)研究了荷電噴霧及其在農(nóng)作物病蟲害防治中的應(yīng)用、裝置與機具開發(fā)等，主要內(nèi)容涉及霧滴的荷電特性、霧滴粒徑分布與沉積、荷電多相流動理論等方面［5-8］.

J.R.Lake等［1］在風(fēng)洞內(nèi)模擬研究了靜電噴霧產(chǎn)生的霧滴在大麥田的沉積量試驗，探討了噴嘴尺寸、安裝高度、荷電量和風(fēng)速對荷電液滴沉積量的影響，并且建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型.S.E.Law［2］總結(jié)回顧了20世紀(jì)靜電噴霧在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究狀況，并展望了未來的研究與應(yīng)用的發(fā)展趨勢.G.N.Laryea等［3］設(shè)計了一種壓力旋流霧化噴嘴，詳細(xì)研究了該噴嘴采用靜電噴霧時的噴霧特性，研究表明該霧化噴嘴形成的霧滴荷電，具有減少殺蟲劑的使用量、增加果樹葉片的沉積量和降低漂移損失等優(yōu)點.L.F.Gaunt等［9］證明了荷電噴霧能夠顯著提高殺蟲劑霧滴在昆蟲上的沉積量，滅蟲的時間明顯縮短.Zhao S.等［10］采用數(shù)值計算方法研究了不同荷質(zhì)比下荷電顆粒向球形靶的運動軌跡，研究表明通過確定顆粒的運動軌跡及在球形目標(biāo)物上沉積的顆粒數(shù)量，可得出獲得最佳沉降量所要滿足的條件.D.Maski等［11］研究了電極電壓、液體流量以及液體物性對靜電噴霧中液滴荷電能力的影響，結(jié)果表明流量增加，荷電能力下降.V.R.Mamidi等［12］設(shè)計了一種由感應(yīng)荷電的壓力旋流霧化噴嘴組成的手壓背負(fù)式噴霧器，并對電極位置、施加壓力、液體導(dǎo)電性以及電壓等參數(shù)進行了優(yōu)化以增加系統(tǒng)的效率和有效性.

為了提高靜電噴霧的射程和噴幅，增加生產(chǎn)效率，在實際生產(chǎn)中常采用軸流式風(fēng)機以增大荷電霧滴輸運的距離［13-16］.軸流式風(fēng)機適合在低壓下輸送出較大的氣體流量，氣體流速較低，風(fēng)筒出口直徑較大，風(fēng)速衰減緩慢，氣相流場較為均勻.康燦、王曉英等［13-14］采用荷電噴霧進行了滅蝗試驗研究，探討了霧滴的粒徑與沉積量的分布，并對比了荷電與非荷電、不同種類和噴量下藥液的滅蝗效果.王貞濤、聞建龍等［15-16］采用高壓靜電噴霧進行了室內(nèi)滅菌的試驗研究，分析了荷電噴霧與非荷電噴霧對滅菌效果的影響.

雖然國內(nèi)外學(xué)者對荷電噴霧特性及其應(yīng)用領(lǐng)域的研究已取得了很多重要的結(jié)論與成果，但是風(fēng)送荷電噴霧形成的大量細(xì)小荷電霧滴在到達目標(biāo)物的輸運過程中，受到靜電場與流場的綜合作用，其輸運過程中存在較多的不確定性因素，因此荷電霧滴在氣相流場作用下的空間粒徑分布與沉積特性仍然是當(dāng)前研究的熱點內(nèi)容之一，也是更好控制霧滴輸運距離與沉積量的重要基礎(chǔ).特別是對于荷電霧滴的遠距離輸運與沉積、及其空間分布等仍需要進一步研究，獲得更加精確的數(shù)據(jù)以指導(dǎo)工程應(yīng)用.

文中將軸流風(fēng)機風(fēng)送技術(shù)與靜電噴霧技術(shù)結(jié)合設(shè)計風(fēng)送荷電噴霧試驗裝置，選擇壓力旋流霧化噴嘴，以純水作為霧化介質(zhì)，主要對荷電與非荷電情況下的霧滴粒徑與沉積質(zhì)量沿噴嘴軸線的分布進行試驗，并對某一軸線位置沿水平徑向方向上的霧滴沉積質(zhì)量和沿垂直徑向方向上的霧滴粒徑的特性進行研究，為風(fēng)送荷電噴霧特性的研究提供一定的參考.

1 試驗裝置與設(shè)計

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗裝置如圖1所示，由3個功能系統(tǒng)組成，一是初次霧化系統(tǒng)，主要包含空氣壓縮機、儲液箱、閥門、流量計、過濾器和噴嘴;二是靜電霧化系統(tǒng)，包含高壓靜電發(fā)生器、靜電電壓表以及充電電極;三是霧滴遠距離輸運系統(tǒng)，即水平放置的軸流風(fēng)機.噴嘴位于軸流風(fēng)機風(fēng)筒中，其軸心與風(fēng)機軸心處于同一直線上，從而保證形成的氣相流場均勻?qū)ΨQ.

圖1 風(fēng)送荷電噴霧試驗裝置

在試驗過程中液體霧化包含2個過程:一是液體經(jīng)過壓力旋流霧化噴嘴，實現(xiàn)初次霧化過程;二是在軸流風(fēng)機形成的氣相流場和噴嘴與充電電極之間形成的靜電場的綜合作用下，初次霧化形成的霧滴實現(xiàn)遠距離輸運過程以及二次霧化過程.

1.2 試驗參數(shù)的選取

風(fēng)機選用低噪聲軸流風(fēng)機，型號為CDZ2.8，葉輪直徑為280 mm，風(fēng)量為2 745 m3·h-1，全壓為 242 Pa，轉(zhuǎn)速為 2 900 r·min-1，功率為 0.25 kW，噪聲為71 dB.噴嘴選用農(nóng)業(yè)噴霧中常用的低壓旋流霧化噴嘴，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.液體進入噴嘴后，通過2個液體出口孔沿斜向切槽進入旋流室，液體在霧化片通道內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)后經(jīng)噴孔噴出而霧化.噴孔的直徑為1.8 mm.在試驗過程中液體所需的霧化壓力由空氣壓縮機提供，設(shè)定壓力值為0.20 MPa，噴嘴的流量為1.2 L·min-1.霧滴的荷電方式為感應(yīng)荷電，即由負(fù)高壓靜電發(fā)生器為環(huán)形電極充電，噴嘴與組合電極之間形成靜電場，經(jīng)噴嘴初次霧化的霧滴由于靜電感應(yīng)而帶電.負(fù)高壓靜電發(fā)生器的功率為200 W，最大輸出負(fù)電壓值為100 kV.電極材料為黃銅，直徑為2.0 mm.電極環(huán)所在平面與噴嘴出口平面的距離設(shè)定為20.0 mm.

圖2 低壓旋流霧化壓力噴嘴示意圖

1.3 試驗方法

文中試驗內(nèi)容包括軸流風(fēng)機氣流速度測量、霧滴荷質(zhì)比與電流測量、霧滴粒徑與沉積質(zhì)量測量3個部分.為避免霧滴運動受到外界自然風(fēng)場的影響，試驗在密閉室內(nèi)進行.在進行霧滴粒徑與沉積質(zhì)量測量試驗中，首先研究在噴嘴軸線上，不同荷電電壓以及非荷電情況下，霧滴粒徑以及沉積質(zhì)量與測量點位置的關(guān)系.然后考察在某一確定軸線位置，沿水平徑向方向上的沉積質(zhì)量以及沿垂直徑向方向上的霧滴粒徑與測量點位置的關(guān)系.測量點的具體布置如圖3所示.

圖3 霧滴粒徑與沉積量的測量點布置

以噴嘴出口中心為坐標(biāo)原點，以噴嘴軸線為x軸，水平徑向為y軸，垂直徑向z軸建立三維直角坐標(biāo)系.在x軸上每隔0.5 m設(shè)置一個測量點，共設(shè)置16個，記錄其坐標(biāo).然后在x軸上2.0 m和3.0 m處沿y軸和z軸正負(fù)方向上每隔10 cm設(shè)置一個測量點，共設(shè)置4個，記錄其坐標(biāo).

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 軸流風(fēng)機氣流速度

軸流風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)力作用使得空氣的流動為一種軸對稱的旋轉(zhuǎn)射流，其速度矢量可分解為軸向速度、徑向速度和切向速度.為消除徑向速度和切向速度的影響，對軸流風(fēng)機進行改造［16］，在風(fēng)機出口處增加收縮段和導(dǎo)流板，以提高空氣流速的均勻程度.圖4為軸流風(fēng)機軸心速度衰減曲線.

圖4 軸線風(fēng)速衰減曲線

u0為噴口截面上的平均速度，uθmax，urmax，uxmax分別為各截面處最大切向、徑向和軸向速度.由圖4可看出，未加裝導(dǎo)流板時，各分速度隨x/D的增大而迅速衰減，特別是urmax和uθmax，當(dāng)x/D＞4.0，二者幾乎可忽略不計.加裝導(dǎo)流板后，uθmax，urmax2個分速度隨x/D的增大而迅速衰減到非常小的值，與軸向最大速度uxmax相比可忽略不計.然而軸向速度卻顯著增加，約為未加裝導(dǎo)流板時的2倍，這時軸流風(fēng)機形成的空氣流動射流可認(rèn)為是不旋轉(zhuǎn)的軸對稱圓柱射流，因此在風(fēng)機出口處安裝導(dǎo)流板可提高氣流軸向速度，增加噴霧射程.

2.2 霧滴荷質(zhì)比與電流

霧滴荷電量是影響霧滴的粒徑分布、運動軌跡以及沉積量分布等噴霧特性的重要技術(shù)參數(shù).通常以荷質(zhì)比作為霧滴荷電量多少的評定參數(shù).文中的試驗采用法拉第筒法對霧滴的荷質(zhì)比進行測量.荷質(zhì)比的計算公式為

式中:β為單個霧滴的荷質(zhì)比;q為霧滴群荷電量;I為電流強度;t為測量時間;m為霧滴群質(zhì)量.

荷質(zhì)比與電流的測量結(jié)果如圖5所示，荷質(zhì)比與電流均隨著電壓的升高而逐漸增大.荷電電壓在0～15 kV范圍內(nèi)，霧滴荷電效果最為明顯，而且荷電電壓最穩(wěn)定.當(dāng)荷電電壓大于15 kV時，電極會發(fā)出“嗞嗞”聲;當(dāng)荷電電壓達到20 kV時，電極產(chǎn)生放電現(xiàn)象，荷電電壓出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)增大荷電電壓，電壓發(fā)生擊穿現(xiàn)象，從而失去荷電能力.因此，試驗過程中荷電電壓選擇小于20 kV，在對比荷電與非荷電噴霧的沉積分布與霧滴粒徑分布時，荷電電壓設(shè)置為13 kV.

圖5 霧滴荷質(zhì)比與電流

2.3 霧滴粒徑與沉積質(zhì)量

采用微納激光粒度分析儀(Winner 318型)測量待測點的霧滴粒徑.首先將荷電電壓依次設(shè)置為0，5，8，13，19 kV，記錄每一點的測量數(shù)據(jù)，試驗重復(fù)進行10次，將所得結(jié)果取平均值作為試驗結(jié)果，如圖6所示.

圖6 不同荷電電壓下的霧滴粒徑沿軸向分布

從圖6可看出，無論荷電與否，霧滴粒徑基本呈現(xiàn)單峰分布，在x=1.0 m處的霧滴粒徑最大且在100 μm以上，隨著測量點與噴嘴出口距離的增大，霧滴粒徑先增大后減小.在同一測量點處，隨著荷電電壓的升高，霧滴粒徑逐漸減小，在0～13 kV最為明顯.結(jié)果表明:對霧滴荷電不改變霧的滴粒徑分布與軸向距離的關(guān)系，即荷電噴霧與非荷電噴霧，隨著軸向距離的增大，霧滴粒徑均是先增大后減小;霧滴荷電后，不同粒徑的霧滴荷電能力不同，當(dāng)其荷電量超過瑞利極限后，霧滴在靜電力、表面張力、慣性力以及黏性阻力的共同作用下破碎成小霧滴.相同試驗條件下，荷電霧滴的平均粒徑可達到非荷電霧滴的60%，可見荷電對霧滴破碎有著重要的影響.

同樣地測量x=2.0 m以及x=3.0 m處沿垂直徑向(z方向)上的測量點的霧滴粒徑，試驗結(jié)果如圖7所示.

圖7 非荷電噴霧與荷電噴霧沿z方向的粒徑分布情況

從圖7中可以看出，非荷電噴霧時，霧滴粒徑沿垂直徑向(z方向)基本呈現(xiàn)對稱分布，即噴嘴軸線上的霧滴粒徑最小，隨著徑向距離的增大，霧滴粒徑逐漸增大.荷電噴霧時，霧滴粒徑沿著z軸正方向呈現(xiàn)出遞減趨勢，即粒徑較大的霧滴分布在噴嘴下方區(qū)域，而粒徑較小的霧滴分布在噴嘴上方區(qū)域，關(guān)于x軸呈現(xiàn)出不對稱分布.這是由于霧滴荷電后，不同間距的霧滴之間存在大小不等以及方向不同的庫倫斥力作用.相比于非荷電噴霧，霧滴所受的來自其他霧滴的庫倫斥力的合力作用突出，加之氣流和重力等共同作用，使得粒徑較小的霧滴上揚，粒徑較大的霧滴下沉，大霧滴與小霧滴分離.結(jié)果表明，荷電噴霧有助于實現(xiàn)大小霧滴的分離，這對于不同空間位置對霧滴粒徑做要求的工程應(yīng)用具有重要意義.

采用單位面積的霧滴沉積質(zhì)量作為霧滴沉積特性的一個評定參數(shù).測量點的布置如圖3所示，在每個測量點上放置直徑為89 mm的玻璃皿用來接收沉降的霧滴.在試驗開始時，將玻璃皿口遮擋住，待軸流風(fēng)機以及噴霧達到穩(wěn)定狀態(tài)后，開啟玻璃皿的遮擋，開始秒表計時為300 s，然后迅速將玻璃皿封住，防止由于玻璃皿內(nèi)的霧滴蒸發(fā)而造成測量誤差.最后，關(guān)閉試驗裝置.稱重時將玻璃皿外表擦干后，使用高精度(±0.01 g)的電子天平測出每個玻璃皿的質(zhì)量，然后減去未接收霧滴時的玻璃皿質(zhì)量，再根據(jù)玻璃皿的直徑計算出單位面積的霧滴沉積質(zhì)量，即可得相應(yīng)測量點的霧滴沉積狀況.

圖8為荷電和非荷電噴霧時，噴嘴軸線上(x方向)的單位面積的霧滴沉積質(zhì)量測量結(jié)果.

圖8 霧滴沿軸向的沉積質(zhì)量分布

由圖8可知，隨著軸向距離的增大，單位面積的霧滴沉積質(zhì)量先增大后減小，呈現(xiàn)單峰分布;從噴嘴出口到x=3.0 m，非荷電噴霧時的單位面積的霧滴沉積質(zhì)量比荷電噴霧時的效果好，這是由于非荷電噴霧時，霧滴粒徑較大且大部分由于重力作用而沉降，而荷電噴霧時，霧滴粒徑較小，而且霧滴之間存在庫倫斥力作用，在風(fēng)力作用下，小粒徑霧滴沿軸線輸運得更遠而沉降，這也是在3.0～8.0 m，荷電噴霧的霧滴沉積量明顯高于非荷電時的原因.在x=3.0 m處，荷電噴霧的霧滴沉積質(zhì)量比非荷電噴霧的提高了18%，而且隨x值的增大，提高幅度也逐漸增大，在x=8 m處，提高幅度達3.5倍，這說明風(fēng)送荷電噴霧能夠在較遠的輸運距離上獲得較好的沉積效果.

荷電噴霧與非荷電噴霧沿水平徑向的霧滴沉積質(zhì)量測量的試驗結(jié)果如圖9所示.

圖9 霧滴沿水平徑向的沉積質(zhì)量分布

由圖9可知，荷電與非荷電2種情況下，霧滴的沉積質(zhì)量均隨著與軸線距離的增大而減小，即在軸線上取得最大值.如果規(guī)定單位面積的沉積質(zhì)量在0.005 g·cm-2以上的區(qū)域為有效的沉積區(qū)域，那么，非荷電噴霧時，有效的沉積區(qū)域為-0.3～0.3 m，而荷電噴霧時，則為-0.4～0.4 m，說明荷電噴霧產(chǎn)生的沉積區(qū)域大于非荷電噴霧的.這是由于在荷電噴霧過程中，霧滴帶有相同極性的電荷，霧滴之間產(chǎn)生了相互排斥的作用力，霧滴在輸運過程中彌散程度加劇，因而沉積質(zhì)量沿水平徑向(y方向)分布更加寬闊.

3 結(jié)論

1)對軸流風(fēng)機進行改造后，產(chǎn)生的氣流有助于增加噴霧射程，以及對霧滴的荷質(zhì)比與電壓關(guān)系的研究，有助于確定霧滴粒徑和沉積質(zhì)量測量試驗的荷電電壓.

2)荷電噴霧與非荷電噴霧的霧滴粒徑與沉積質(zhì)量均隨著軸向距離的增加先增大后減小，呈現(xiàn)出單峰分布，對霧滴荷電，使得霧滴粒徑減小，軸向距離3.0～8.0 m時的霧滴沉積質(zhì)量增加.

3)對比x=2.0和3.0 m處，荷電噴霧與非荷電噴霧的霧滴粒徑沿垂直徑向(z方向)以及霧滴沉積質(zhì)量沿水平徑向(y方向)的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，荷電噴霧能夠?qū)崿F(xiàn)大小霧滴分離，即較小霧滴位于噴嘴軸線上方，較大霧滴位于噴嘴軸線下方，而且荷電噴霧使得霧滴的有效沉積區(qū)域由非荷電噴霧時的-0.3～0.3 m增加為-0.4～0.4 m.

References)

［1］Lake J R，Marchant J A.Wind tunnel experiments and a mathematical model of electrostatic spray deposition in barley［J］.Journal of Agricultural Engineering Research，1984，30:185-195.

［2］Law S E.Agricultural electrostatic spray application:a review of significant research and development during the 20th century ［J］.Journal of Electrostatics，2001，51/52:25-42.

［3］Laryea G N，No S Y.Development of electrostatic pressure-swirl nozzle for agricultural applications［J］.Journal of Electrostatics，2003，57:129-142.

［4］Maski D，Durairaj D.Effects of charging voltage，application speed， targetheight， and orientation upon charged spray deposition on leaf abaxial and adaxial surfaces［J］.Crop Protection，2010，29:134-141.

［5］閆云飛，張 力，高振宇，等.低壓旋流霧化噴嘴的霧化性能［J］. 化工學(xué)報，2009，60(5):1141-1147.

Yan Yunfei，Zhang Li，Gao Zhenyu，et al.Atomization performance of low pressure swirl atomizing nozzle［J］.CIESC Journal，2009，60(5):1141-1147.(in Chinese)

［6］羅惕乾，張 軍，王貞濤，等.荷電多相流理論及應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［7］王軍鋒，張娟娟，王貞濤，等.風(fēng)幕式氣力輔助靜電噴霧沉積特性［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012，43(2):61-66.

Wang Junfeng，Zhang Juanjuan，Wang Zhentao，et al.Deposition and distribution characteristics of air-assisted electrostatic spraying by wind-curtain［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2012，43(2):61-66.(in Chinese)

［8］Wang Z T，Wen J Z，Wang J F，et al.PDPA investigations on an electrostatically-assisted twin-fluid atomization flow［J］.Advances in Mechanical Engineering，2014，doi:10.1155/2014/402747.

［9］Gaunt L F，Hughes J F，Harrison N M.Electrostatic deposition of charged insecticide sprays on electrically isolated insects ［J］.Journal of Electrostatics，2003，57:35-57.

［10］Zhao S，Castle G S P，Adamiak K.Factors affecting deposition in electrostatic pesticide spraying［J］.Journal of Electrostatics，2008，66(11/12):594-601.

［11］Maski D，Durairaj D.Effects of electrode voltage，liquid flow rate，and liquid properties on spray chargeability of an air-assisted electrostatic-induction spraycharging system［J］.Journal of Electrostatics，2010，68(2):152-158.

［12］Mamidi V R，Ghanshyam C，Kumar P M，et al.Electrostatic hand pressure knapsack spray system with enhanced performance for small scale farms［J］.Journal of Electrostatics，2013，71(4):785-790.

［13］康 燦，楊敏官，羅惕乾，等.高壓靜電噴灑機的試驗［J］. 江蘇大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，28(3):197-200.

Kang Can，Yang Minguan，Luo Tiqian，et al.Experiment of high-voltage electrostatic spray machine［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2007，28(3):197-200.(in Chinese)

［14］王曉英，羅惕乾，王貞濤，等.高壓靜電噴灑滅蝗車性能試驗［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2008，39(3):60-62，66.

Wang Xiaoying，Luo Tiqian，Wang Zhentao，et al.Experimental study on the characteristics of high voltage electrostatic spraying locust-killing vehicle［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2008，39(3):60-62，66.(in Chinese)

［15］王貞濤，羅惕乾，王軍鋒，等.高壓靜電噴霧滅菌的試驗［J］. 排灌機械，2008，26(3):64-68.

Wang Zhentao，Luo Tiqian，Wang Junfeng，et al.Experiment on sterilization by high-voltage electrostatic spray［J］.Drainage and Irrigation Machinery，2008，26(3):64-68.(in Chinese)

［16］聞建龍，張 星，宋曉寧，等.軸流風(fēng)送靜電噴霧試驗［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，40(10):58-61，80.

Wen Jianlong，Zhang Xing，Song Xiaoning，et al.Experimental study of axial-flow air-assisted electrostatic spraying［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2009，40(10):58-61，80.(in Chinese)