1理論模型

噴頭霧化是噴頭內(nèi)液體在噴頭內(nèi)、外力作用下的碎裂過程。該過程是在噴頭液體表面張力、黏性力與噴頭外部空氣徑向速度分量、液體表面空氣動(dòng)力的相互作用下發(fā)生的。當(dāng)外部作用力超過液體自身表面張力和黏性力后，噴頭噴出的液柱或液膜會(huì)初級(jí)碎裂成液片、液線及大顆粒液滴。在空氣湍流動(dòng)能、液滴重力及空氣阻力共同作用下，液滴二次碎裂、霧化，形成細(xì)小液滴。二次碎裂對(duì)噴霧粒徑、噴霧霧滴均勻性起決定性影響。

對(duì)于低黏度液體，當(dāng)液滴處在穩(wěn)定氣流場(chǎng)中，其變形取決于空氣動(dòng)力（0.5gd2，g是氣體密度，kg/m3；d是氣液流速差，m/s）和表面張力系數(shù)與液滴直徑比（1/）。

量綱一參數(shù)韋伯?dāng)?shù)W可表示為

當(dāng)空氣動(dòng)力大于表面張力時(shí)，韋伯?dāng)?shù)較大。受空氣動(dòng)力與表面張力作用，液滴碎裂條件為

式中C是取決于碎裂條件的常數(shù)。

在某一氣液相對(duì)速度d下，最大的穩(wěn)定液滴直徑可表示為

可見，在穩(wěn)定相對(duì)速度下，霧滴碎裂后可保持的最大穩(wěn)定液滴直徑與液滴表面張力系數(shù)正相關(guān)，與氣體密度、氣流差成反相關(guān)。另外，液滴黏度對(duì)碎裂過程產(chǎn)生的影響可以用Brodkey經(jīng)驗(yàn)公式表示如下

式中ρ為液滴密度，μ為液滴的動(dòng)力學(xué)黏度系數(shù)，Pa·s。故液滴密度、液滴的動(dòng)力學(xué)黏度系數(shù)對(duì)液滴碎裂有影響。

噴霧助劑通過改變藥液表面張力、密度及其動(dòng)力學(xué)黏度系數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧二次碎裂過程的干預(yù)，改變噴霧霧化特性。

2材料和方法

試驗(yàn)于2017年6月在國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心航空施藥噴霧檢測(cè)試驗(yàn)室完成。

2.1試驗(yàn)材料

噴霧樣本分別是陰-非離子農(nóng)用增效劑意歐、減量增產(chǎn)助劑激健和尿素3種農(nóng)藥助劑分別與自來水以一定比例的混合物，同時(shí)與市政自來水及蒸餾水進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。意歐助劑為陰-非離子表面活性劑，在稀釋2 000～3 000倍后與農(nóng)藥混用，作用功能是減少藥液表面張力，增加藥液附著力。激健助劑主要成分為增效酮梨，是一種由吐溫類表面活性劑和N-R-2-吡咯烷酮所組成的食品級(jí)多元醇型非離子表面活性劑。一般3 000倍后與農(nóng)藥混用，作用功能是減少農(nóng)藥表面蒸發(fā)和分解。尿素是目前使用量較大的一種化學(xué)氮肥，屬于無機(jī)鹽類，溶于水后液體變渾濁，一般應(yīng)用于航空施藥溶液中改變藥液密度、增加霧滴沉降。由于尿素不屬于標(biāo)準(zhǔn)助劑，其對(duì)藥液霧化的影響，目前尚不明確，這也是本試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)康闹?。意歐與尿素為粉末狀，激健為液體狀。

試驗(yàn)噴頭為德國LECHLER公司生產(chǎn)的空氣誘導(dǎo)噴頭IDK120-025和多量程平面噴頭LU120-015，其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1和圖2所示。

圖1 IDK120-025噴頭實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意圖

IDK系列噴頭的設(shè)計(jì)原理與LU系列扇形噴頭之間存在差異。IDK系列噴頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用文丘里原理，在噴頭內(nèi)部將噴霧液體與空氣進(jìn)行混合，使噴出的霧滴成為小氣泡，從而達(dá)到增大霧滴粒徑、減小霧滴飄移、降低霧滴入射靶標(biāo)后二次反彈流失的效果。經(jīng)測(cè)定，噴霧壓力為0.2 MPa時(shí)，IDK120-025及LU120-015的噴量速率均為0.48 L/min；噴霧壓力為0.4 MPa時(shí)，IDK120-025的噴量速率為0.68 L/min。

圖2 LU120-015噴頭實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意圖

2.2試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)測(cè)試裝置如圖3所示。該裝置由激光粒度儀、噴霧系統(tǒng)及藥液回收裝置等部分組成。激光粒度儀是德國新帕泰克廠商生產(chǎn)的HELOS-VARIO/KR型號(hào)實(shí)時(shí)噴霧激光粒度儀，發(fā)射器與接收器間距可調(diào)，范圍為123～1 400 mm，本試驗(yàn)中發(fā)射器與接收器間距1 200 mm，噴霧被測(cè)樣本置于發(fā)射器與接收器中心位置。其粒徑測(cè)量范圍為0.1～3 500m，分為7個(gè)不同量程，對(duì)應(yīng)2.2、13、26 mm 3種光束直徑。設(shè)備安裝時(shí)，激光發(fā)射器與探測(cè)器保持中心在同一軸線，噴頭位置調(diào)整至激光束上方約20 cm處，可垂直于測(cè)量激光束水平移動(dòng)約10 cm。IDK120-025及LU120-015均為平面扇形噴頭，測(cè)試時(shí)保持噴霧面與激光束相互垂直。

圖3霧滴粒徑測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

2.3試驗(yàn)方法

在室溫26℃、空氣相對(duì)濕度60%的環(huán)境下，測(cè)量IDK120-025、LU120-015噴頭在0.2、0.4 MPa噴霧壓力條件下噴施不同濃度助劑藥液時(shí)的霧滴體積中值粒徑和霧滴譜寬度。每次試驗(yàn)噴霧時(shí)間均為10 s，各重復(fù)5次，結(jié)果數(shù)據(jù)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值。

由粒度儀激光光源形成的激光束照射在霧滴上，因粒子大小不同形成不同角度折射，而后光束通過傅里葉透鏡形成散射光與未散射光。探測(cè)器內(nèi)部使用不同探測(cè)器對(duì)2種光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量得到散射圖像。噴霧霧滴粒徑通常用霧滴直徑分布曲線上的特征點(diǎn)進(jìn)行分析，一般又稱為霧滴的特征直徑，它代表某一直徑以下的所有液滴的體積占全部液滴總體積的百分比，并將此比值以符號(hào)下標(biāo)的形式標(biāo)出，特征直徑下標(biāo)數(shù)值均小于1。典型特征直徑包括0.1、0.5、0.632、0.9、0.999及Dv（占有體積最大的液滴直徑）。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)會(huì)（ASABE）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（ANSI）572.1標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)業(yè)噴霧選擇0.5作為噴霧霧滴霧化指標(biāo)，表示噴霧霧滴粒徑小于0.5所有霧滴體積總和占噴霧總液體體積的50%。0.5又被稱為霧滴體積中徑（volume median diameter，VMD）。

霧滴尺寸的發(fā)散性也是描述霧滴尺寸的重要指標(biāo)，一般用均勻度、相對(duì)尺寸范圍、發(fā)散度及發(fā)散邊界等指標(biāo)來評(píng)價(jià)。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)會(huì)（ASABE）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（ANSI）572.1標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)業(yè)噴霧霧滴尺寸發(fā)散性選用相對(duì)尺寸范圍Δ來評(píng)價(jià)，其定義如式（6），表示霧滴直徑相對(duì)于體積中徑的范圍。一般而言，Δ值越大，代表霧滴粒徑范圍越大，發(fā)散性越大。

本文即以霧滴體積中徑0.5及霧滴分布相對(duì)跨度Δ作為評(píng)價(jià)噴霧霧化程度的評(píng)價(jià)參數(shù)。