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來(lái)源:農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 瀏覽 8 次 發(fā)布時(shí)間:2025-04-07
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(guò)程。該過(guò)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(guò)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(jiàn),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(guò)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(guò)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(guò)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(guó)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(lái)水以一定比例的混合物,同時(shí)與市政自來(lái)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(wú)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(guó)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(guó)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(guò)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(guó)農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)會(huì)(ASABE)和美國(guó)國(guó)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(lái)評(píng)價(jià)。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)會(huì)(ASABE)和美國(guó)國(guó)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(lái)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)。