周晴晴,薛新宇,周良富,孫 濤,田志偉
(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京 210014)
噴嘴是植保機(jī)械中最重要的霧化零件,霧滴大小直接影響農(nóng)藥?kù)F滴的附著、滑落或飄移[1-4]。然而,目前中國(guó)農(nóng)用噴嘴應(yīng)用技術(shù)相對(duì)落后,對(duì)噴嘴分級(jí)及應(yīng)用意識(shí)薄弱,農(nóng)民使用自制非標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和同一噴嘴噴施不同藥劑用于不同作物的現(xiàn)象普遍存在[5-6]。導(dǎo)致霧滴飄移和流失嚴(yán)重,農(nóng)藥有效利用率低等問(wèn)題[7-8],其部分原因是國(guó)產(chǎn)農(nóng)用噴嘴缺乏詳細(xì)的分級(jí)方法及應(yīng)用數(shù)據(jù)。受噴嘴生產(chǎn)工藝影響,國(guó)內(nèi)外相同型號(hào)噴嘴的霧化特性也不盡相同,不能直接采用國(guó)外噴嘴的分級(jí)結(jié)果來(lái)劃分國(guó)產(chǎn)噴嘴,因此開(kāi)展適合于國(guó)產(chǎn)噴嘴的分級(jí)方法研究具有現(xiàn)實(shí)意義。依據(jù)ASAE S572.1標(biāo)準(zhǔn),建立國(guó)內(nèi)風(fēng)洞條件下參考噴嘴的分級(jí)方法是噴嘴分級(jí)的前提條件[9],同時(shí)也為國(guó)產(chǎn)噴嘴的分級(jí)測(cè)試提供技術(shù)與設(shè)備支撐。
霧滴粒徑測(cè)量結(jié)果受噴霧液體屬性、流量、噴霧壓力、噴孔形狀及截面積、采樣距離、采集區(qū)域和氣流速度等因素的影響[10-13],更有文獻(xiàn)[14]顯示相同型號(hào)的噴嘴在同樣的測(cè)試壓力下,不同測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試地點(diǎn)獲得的霧滴粒徑結(jié)果差異也很大。如Fritz等[15]在風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)采用激光衍射系統(tǒng),研究了噴嘴在0.7、3.1和6.7 m/s風(fēng)速下的霧滴粒徑,結(jié)果表明霧滴粒徑隨著氣流速度的增加而增大,建議在較高的氣流速度下,不同尺寸液滴之間的速度差減小[16],可避免高估小霧滴的數(shù)量。但風(fēng)速不應(yīng)過(guò)高,因?yàn)檫^(guò)高的風(fēng)速,如大于 305 km/h,將會(huì)引起二次霧化[17]。謝晨等[18-19]采用霧滴粒徑圖像分析儀(PDIA)研究噴嘴的破裂區(qū)長(zhǎng)度,結(jié)果表明液膜長(zhǎng)度隨著壓力、噴頭孔徑的改變而變化,認(rèn)為破裂區(qū)長(zhǎng)度在60 mm以內(nèi)。而ASAE S572.1標(biāo)準(zhǔn)[20]要求采樣距離在200~500 mm之間,目的就是避免測(cè)量非完全霧化區(qū)。宋堅(jiān)利等[21-22]采用相位多普勒粒子分析儀(PDPA)分析了扇形噴頭在噴霧扇面中的霧滴粒徑,結(jié)果表明霧滴粒徑分布為中間低、邊緣高的凹面形態(tài),因此測(cè)試過(guò)程中采用激光掃描整個(gè)噴射霧流區(qū)[20],更能準(zhǔn)確地估計(jì)真實(shí)的液滴尺寸。
綜上所述,不同條件下的噴嘴霧滴粒徑的測(cè)試結(jié)果,沒(méi)有對(duì)比和直接利用意義。而基于霧滴譜的噴嘴分級(jí)能夠忽略試驗(yàn)室的數(shù)據(jù)差異,獲得同個(gè)噴嘴相同或相近的分級(jí)結(jié)果[14]。噴嘴分級(jí)應(yīng)嚴(yán)格遵照ASAE S572.1標(biāo)準(zhǔn)[20]要求,測(cè)量參考噴嘴和待分類噴嘴的霧滴譜時(shí)應(yīng)使用相同的儀器、測(cè)量方法、取樣技術(shù)、掃描技術(shù)、操作員和相似的環(huán)境條件。國(guó)外關(guān)于噴嘴分級(jí)的研究已注重分級(jí)精確性及試驗(yàn)室之間的一致性,如Womac[23]研究了參考噴嘴流量的一致性對(duì)對(duì)噴嘴霧滴粒徑的影響,為參考噴嘴的選擇提供依據(jù)。Fritz等[24]在美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局(簡(jiǎn)稱USDA)航空應(yīng)用技術(shù)中心、林肯大學(xué)、澳大利亞昆士蘭大學(xué) 3個(gè)風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi),建立了參考噴嘴的分級(jí)參考圖。結(jié)果表明在相同的測(cè)試條件下,不同試驗(yàn)室霧滴粒徑差異在5%以內(nèi)。國(guó)內(nèi)關(guān)于噴嘴飄移性能及分級(jí)的研究較多[25-28],而關(guān)于噴嘴霧滴粒徑分級(jí)研究較少,如張惠春等[29]在澳大利亞昆士蘭大學(xué)的風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量了參考噴嘴的霧滴粒徑參數(shù),但是卻在不同的風(fēng)速和采樣距離下測(cè)試并分級(jí)待分類噴嘴,分級(jí)結(jié)果有偏差。
本試驗(yàn)在南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所(簡(jiǎn)稱NJS)的低速風(fēng)洞內(nèi),建立參考噴嘴分類的參考圖?;陟F滴譜的噴嘴分類方法,測(cè)量并分級(jí)Teejet和Lurmark扇形霧系列噴嘴,驗(yàn)證分級(jí)方法的正確性。并將蘇州藍(lán)翱精密塑膠有限公司的扇形霧噴嘴 F110系列、實(shí)心圓錐霧噴嘴YZS80系列、空心圓錐霧噴嘴 YZK80系列噴嘴(簡(jiǎn)稱Lanao F110、YZS80、YZK80)霧滴粒徑分級(jí),對(duì)完善國(guó)產(chǎn)噴嘴的技術(shù)參數(shù)、便于用戶選擇噴嘴型號(hào)及確定工作壓力具有指導(dǎo)意義。
試驗(yàn)裝置主要包括 NJS-1型植保低速風(fēng)洞(非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制,試驗(yàn)段尺寸為7.5 m×1.2 m×1.8 m,風(fēng)速0.5~10 m/s,氣流紊流度小于1%)、直線導(dǎo)軌(導(dǎo)軌行程100 cm,移動(dòng)速度6 cm/s)、DP-02型激光粒度儀(珠海歐美克儀器有限公司,重復(fù)性誤差<3%,測(cè)試范圍1~1 500 μm)、3WZ-25型三缸柱塞泵(物理農(nóng)林機(jī)械科技有限公司,轉(zhuǎn)速430~850 r/min,流量7.5~15.5 L/min)、壓力表(上海自動(dòng)化儀表有限公司,量程為0~1 MPa,精度0.4級(jí)),壓力表的壓力入口位于噴嘴出水口前端,壓力表放置在與激光相同高度位置上、風(fēng)速儀(日本Kanomax公司,量程0~50 m/s,精度±2%)以及流量測(cè)試所用的秒表、水桶、電子秤等。
試驗(yàn)裝置具有3個(gè)特點(diǎn),1)風(fēng)洞的頂部安裝直線導(dǎo)軌,在風(fēng)洞頂部打孔,將直角折彎的銅制噴管的頂端穿過(guò)孔固定在導(dǎo)軌滑塊上,噴管底端安裝噴嘴。控制導(dǎo)軌電機(jī)正反轉(zhuǎn),使噴嘴能夠上下滑動(dòng)。2)在風(fēng)洞的壁面兩側(cè)距噴嘴順風(fēng)方向30.5 cm且風(fēng)洞高度的中點(diǎn)處打孔,激光的發(fā)射端和接收端分別放置在風(fēng)洞壁面的兩側(cè),激光經(jīng)發(fā)射端穿過(guò)孔到達(dá)接收端。3)噴嘴的噴霧方向與風(fēng)速方向相同,且扇形噴嘴的噴霧面與激光垂直。試驗(yàn)示意圖如圖1所示。
圖1 噴嘴霧滴粒徑測(cè)試示意圖Fig.1 Sketch map of nozzle’s droplet size measurement
參考噴嘴有5個(gè),分別是噴霧系統(tǒng)公司TeeJet 11001、11003、11006、8008和6510不銹鋼芯扇形噴嘴。待分類噴嘴共24個(gè),分別是美國(guó)噴霧系統(tǒng)公司Teejet F110不銹鋼芯扇形噴嘴(01~08號(hào))8種、英國(guó)劍橋 Lurmark F110塑料扇形噴嘴(015~05號(hào))5種;國(guó)產(chǎn)Lanao F110塑料扇形噴嘴(015~05號(hào))5種、YZS80塑料圓錐實(shí)心霧噴嘴(02~04號(hào))3種、YZK80塑料圓錐空心霧噴嘴(02~04號(hào))3種。
在低速風(fēng)洞內(nèi)測(cè)試參考噴嘴和待分類噴嘴的流量和霧滴粒徑,測(cè)試壓力、風(fēng)速、采樣距離和采樣區(qū)域的設(shè)置如下。參考噴嘴 TeeJet 11001、11003、11006、8008和 6510的參考?jí)毫Ψ謩e為 0.45、0.3、0.2、0.25、0.2 MPa。待分類噴嘴的測(cè)試壓力為0.2、0.3、0.4 MPa。為避免高估小霧滴的數(shù)量,同時(shí)為了與Fritz等[24]在USDA航空應(yīng)用技術(shù)中心的數(shù)據(jù)對(duì)比,氣流速度采用6.7 m/s。同理采樣距離和采樣區(qū)域與Bradley的試驗(yàn)參數(shù)相同,如圖1所示,采樣距離為30.5 cm,采樣區(qū)域是此采樣距離下激光掃描的整個(gè)噴霧截面。確定采樣區(qū)域的具體操作方法是:?jiǎn)?dòng)絲桿,驅(qū)動(dòng)噴嘴從上到下滑動(dòng)。當(dāng)噴霧區(qū)域到達(dá)激光且遮光比達(dá)0.5%時(shí)計(jì)時(shí)開(kāi)始,當(dāng)噴霧區(qū)間遠(yuǎn)離激光且遮光比減小到0.5%時(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束。在粒徑分析系統(tǒng)軟件中設(shè)置激光粒度儀的采樣時(shí)間,使激光檢測(cè)時(shí)間與噴霧面行程時(shí)間相吻合。試驗(yàn)過(guò)程中所用的噴霧介質(zhì)是清水。
參考噴嘴和待分類噴嘴的流量和霧滴粒徑測(cè)試步驟如下:1)按圖1搭建好試驗(yàn)裝置,確保系統(tǒng)運(yùn)行良好。2)打開(kāi)風(fēng)洞風(fēng)機(jī),調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,用風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)洞的風(fēng)速為(6.7±0.2)m/s。3)開(kāi)啟液泵,調(diào)節(jié)噴霧壓力至測(cè)試壓力。4)采用水桶和電子秤測(cè)試1 min內(nèi)噴嘴噴灑水的質(zhì)量測(cè)得流量。選擇與參考流量相差±40 mL/min以內(nèi)[20]的參考噴嘴用于建立霧滴譜,選擇與生產(chǎn)廠家標(biāo)定流量相差±5%以內(nèi)[23]的待分類噴嘴用于進(jìn)行噴嘴分類。5)啟動(dòng)絲桿,讓噴嘴從上到下滑動(dòng)。當(dāng)噴霧區(qū)域到達(dá)激光且遮光比達(dá)0.5%時(shí)開(kāi)始測(cè)試,測(cè)試結(jié)束后保存測(cè)量結(jié)果,記錄測(cè)定的10%、50%和90%體積直徑即DV10、DV50和 DV90以及直徑小于 100 μm 的噴霧體積百分比即V<100 μm(%vol)的值。6)每組試驗(yàn)至少重復(fù)測(cè)量3次,要求保存和記錄的霧滴微分分布呈單峰分布,且 3次重復(fù)數(shù)據(jù)尤其是 DV50的偏差在±5%以內(nèi)。7)當(dāng)改變壓力或更換噴嘴時(shí),重復(fù)試驗(yàn)步驟3)~6)。
應(yīng)用SAS統(tǒng)計(jì)分析軟件,采用最小顯著差數(shù)(LSD)的多重比較方法,顯著水平α為0.05,比較NJS和USDA參考噴嘴的測(cè)試數(shù)據(jù)顯著差異性,分析不同試驗(yàn)設(shè)備對(duì)霧滴粒徑測(cè)量結(jié)果的影響。
根據(jù)參考噴嘴 TeeJet 11001、11003、11006、8008和6510不銹鋼芯扇形噴嘴的霧滴粒徑與累積體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系,建立噴嘴分類的參考圖??梢允褂?DV10、DV50和DV90值的折線圖來(lái)簡(jiǎn)化。折線圖把霧滴粒徑分為 6個(gè)區(qū)間,從小到大分別對(duì)應(yīng)霧滴粒徑的6個(gè)類別:很細(xì)(VF)、細(xì)(F)、中等(M)、粗(C)、很粗(VC)、極粗(XC)。在參考圖上畫(huà)待分類噴嘴的霧滴譜折線圖。當(dāng)待測(cè)噴嘴霧滴譜的折線圖處于參考圖單個(gè)分類類別中,而不打斷參考曲線時(shí),則按折線所在的區(qū)間將待測(cè)噴嘴分類。當(dāng)待測(cè)噴嘴霧滴譜折線打斷參考曲線,但不穿過(guò)2個(gè)區(qū)間時(shí),則按大部分折線所在的區(qū)間將待測(cè)噴嘴分類。當(dāng)待測(cè)噴嘴霧滴譜折線穿過(guò)2個(gè)及2個(gè)以上區(qū)間時(shí),則忽略Dv90區(qū)域超大霧滴的影響,按DV10所在的區(qū)間將待測(cè)噴嘴分類,以指示液滴最小尺寸。在噴嘴分類中把參考噴嘴霧滴粒徑的平均值+標(biāo)準(zhǔn)差作為噴嘴分類的實(shí)際上限[20]。
參考噴嘴TeeJet11001、11003、11006、8008和6510在參考?jí)毫ο履暇┺r(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所霧滴粒徑平均值及標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表1。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和USDA對(duì)比[24],USDA的風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為 9.8 m×1.2 m×1.2 m,風(fēng)速范圍是 0~8 m/s,采用Sympatec HELOS Vario激光衍射儀測(cè)量霧滴粒徑,動(dòng)態(tài)粒徑測(cè)量范圍是0.5~3 500 μm。兩個(gè)試驗(yàn)室數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果如表1所示,11003和11006號(hào)噴嘴無(wú)顯著差異,11001、8008和6510號(hào)噴嘴霧滴粒徑分布有顯著差異,且 11001噴嘴 NJS霧滴的測(cè)量值大于USDA,8008和 6510號(hào)噴嘴 NJS霧滴的測(cè)量值小于USDA。這是由于Sympatec HELOS Vario激光衍射儀和DP-02激光粒度儀測(cè)量范圍不同,2個(gè)儀器對(duì)細(xì)霧滴和粗霧滴的測(cè)量值存在偏差。且風(fēng)洞系統(tǒng)、噴嘴運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)不同,導(dǎo)致部分參考噴嘴霧滴粒徑的測(cè)試結(jié)果存在顯著差異。由于 2個(gè)試驗(yàn)室數(shù)值相差不大且總體趨勢(shì)一致,因此測(cè)試數(shù)據(jù)可以用作本試驗(yàn)室的噴嘴霧滴粒徑分級(jí)的參考臨界值。
表1 2個(gè)試驗(yàn)室參考噴嘴的霧滴粒徑分布與方差分析Table 1 Droplet size distribution and variance analysis of reference nozzle in two laboratories
根據(jù)參考噴嘴DV10、DV50和DV90的值,繪出NJS風(fēng)洞試驗(yàn)室噴嘴分類的參考折線圖。如圖 2所示,TeeJet 11001、11003、11006、8008、6510噴嘴霧滴粒徑折線分別表示:很細(xì)/細(xì)(VF/F)、細(xì)/中(F/M)、中/粗(M/C)、粗/很粗(C/VC)、很粗/極粗(VC/XC)的臨界值。數(shù)值低于 11001型噴嘴的為很細(xì),介于 11001型噴嘴與11003型噴嘴的為細(xì),以此類推,把霧滴粒徑分為很細(xì)、細(xì)、中等、粗、很粗、極粗 6個(gè)等級(jí)。另外,由于本文待分類噴嘴級(jí)別在很細(xì)(VF)到極粗(XC)之間,所以沒(méi)有測(cè)量參考噴嘴 IP-16和 6515對(duì)應(yīng)的極細(xì)/很細(xì)(XF/VF)和極粗/超級(jí)粗(XC/UC)的類別。
圖2 NJS風(fēng)洞試驗(yàn)室霧滴粒徑分級(jí)參考圖Fig.2 Reference map for droplet size classification in NJS wind tunnel laboratory
根據(jù)噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa壓力下霧滴譜折線所在的區(qū)間,把美國(guó)噴霧系統(tǒng)公司Teejet F110不銹鋼芯扇形系列噴嘴、英國(guó)劍橋 Lurmark F110塑料扇形系列噴嘴分級(jí)。霧滴粒徑平均值與噴嘴分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)比噴嘴分級(jí)結(jié)果與廠家標(biāo)稱的噴嘴級(jí)別[30],發(fā)現(xiàn)Teejet F110-03噴嘴在0.2 MPa壓力下測(cè)試級(jí)別比標(biāo)稱級(jí)別粗一個(gè)等級(jí);Lurmark F110-04噴嘴在0.3 MPa壓力下,測(cè)試級(jí)別比標(biāo)稱級(jí)別細(xì)一個(gè)等級(jí),見(jiàn)表 2中加粗部分。原因一是由于上述噴嘴在上述壓力下的霧滴粒徑逼近噴嘴分級(jí)的臨界線,且測(cè)量結(jié)果存在波動(dòng)性,所以導(dǎo)致分級(jí)結(jié)果的誤判;二是由于廠家測(cè)試條件和測(cè)試方法與本試驗(yàn)不同,導(dǎo)致分級(jí)結(jié)果存在個(gè)別不一致現(xiàn)象。由于絕大部分噴嘴及其壓力下的測(cè)試級(jí)別與廠家標(biāo)稱的噴嘴級(jí)別相符,表明NJS風(fēng)洞試驗(yàn)室建立的霧滴粒徑分級(jí)參考圖以及基于霧滴譜的噴嘴分級(jí)方法適用于噴嘴的分級(jí)。
根據(jù)Lanao F110、YZS80、YZK80系列噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa壓力下霧滴譜所在的區(qū)間,把噴嘴分級(jí)。霧滴譜及噴嘴分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表3、表4和表5。
表2 Teejet F110不銹鋼芯扇形系列噴嘴與Lurmark F110塑料扇形系列噴嘴霧滴粒徑與分級(jí)Table 2 Droplet size and classification of Teejet F110 stainless steel fan series nozzles and Lurmark F110 fan series nozzles
表3 Lanao F110系列噴嘴的霧滴粒徑及分級(jí)Table 3 Droplet size and classification of Lanao F110 series nozzles
表4 Lanao YZS80系列噴嘴的霧滴粒徑及分級(jí)Table 4 Droplet size and classification of Lanao YZS80 series nozzles
表5 Lanao YZK80系列噴嘴的霧滴粒徑及分級(jí)Table 5 Droplet size and classification of Lanao YZK80 series nozzles
由表3、表4和表5可知,針對(duì)同一型號(hào)的噴嘴,隨著噴霧壓力的增加,霧滴粒徑減小,分級(jí)級(jí)別變化趨勢(shì)是由粗變細(xì)。針對(duì)不同型號(hào)的噴嘴,在噴嘴序號(hào)和噴霧壓力相同的情況下,霧滴粒徑由大到小的順序是:YZS80>F110>YZK80。
本文根據(jù)ASAE S572.1標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范測(cè)試方法和程序,在NJS-1型風(fēng)洞試驗(yàn)室對(duì)參考噴嘴、Teejet、Lurmark和Lanao噴嘴進(jìn)行霧滴譜測(cè)試,得到了如下結(jié)論:
1)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所(NJS)和美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局(USDA)2個(gè)實(shí)驗(yàn)室的參考噴嘴測(cè)試結(jié)果數(shù)值相差不大且總體趨勢(shì)一致,表明 NJS-1型風(fēng)洞參考噴嘴測(cè)試數(shù)據(jù)可以用作本試驗(yàn)室的噴嘴霧滴粒徑分級(jí)的參考臨界值。在此基礎(chǔ)上建立了NJS試驗(yàn)室霧滴粒徑分級(jí)的參考圖,總結(jié)了基于霧滴譜的分級(jí)方法,把霧滴粒徑分為很細(xì)、細(xì)、中等、粗、很粗、極粗 6個(gè)等級(jí)。
2)Teejet、Lurmark扇形霧系列噴嘴除了 Teejet F110-03噴嘴在0.2 MPa壓力下測(cè)試級(jí)別比標(biāo)稱級(jí)別粗一個(gè)等級(jí)、Lurmark F110-04噴嘴在0.3 MPa壓力下,測(cè)試級(jí)別比標(biāo)稱級(jí)別細(xì)一個(gè)等級(jí)之外,其余噴嘴的測(cè)試級(jí)別與廠家標(biāo)稱的噴嘴級(jí)別相符。表明 NJS-1型風(fēng)洞試驗(yàn)室建立的霧滴粒徑分級(jí)參考圖以及基于霧滴譜的噴嘴分級(jí)方法適用于噴嘴分級(jí)。
3)將基于霧滴譜的噴嘴分級(jí)方法用于國(guó)產(chǎn)Lanao噴嘴的分級(jí),得到了Lanao F110、YZS80、YZK80系列噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa壓力下的霧滴譜及噴嘴級(jí)別。完善了國(guó)產(chǎn)噴嘴的霧化特性參數(shù),便于用戶選擇噴嘴型號(hào)以及確定適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)參數(shù)。
本文只分析了風(fēng)速為6.7 m/s條件下噴嘴霧滴粒徑及分級(jí)結(jié)果。其他低風(fēng)速條件同樣可以采用本文描述的霧滴粒徑測(cè)試方法以及基于霧滴譜的噴嘴分級(jí)方法進(jìn)行測(cè)試和分級(jí)。如果沒(méi)有風(fēng)速,建議噴霧方向垂直向下。