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初級碎裂成液片、液線及大顆粒液滴。在空氣湍流動能、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。二次碎裂對噴霧粒徑、噴霧霧滴均勻性起決定性影響。

對于低黏度液體，當(dāng)液滴處在穩(wěn)定氣流場中，其變形取決于空氣動力（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)空氣動力大于表面張力時，韋伯?dāng)?shù)較大。受空氣動力與表面張力作用，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為液滴的動力學(xué)黏度系數(shù)，Pa·s。故液滴密度、液滴的動力學(xué)黏度系數(shù)對液滴碎裂有影響。

噴霧助劑通過改變藥液表面張力、密度及其動力學(xué)黏度系數(shù)實(shí)現(xiàn)對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，同時與市政自來水及蒸餾水進(jìn)行對比試驗(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弧Ｒ鈿W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)測定，噴霧壓力為0.2 MPa時，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，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型號實(shí)時噴霧激光粒度儀，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，噴霧被測樣本置于發(fā)射器與接收器中心位置。其粒徑測量范圍為0.1～3 500m，分為7個不同量程，對應(yīng)2.2、13、26 mm 3種光束直徑。設(shè)備安裝時，激光發(fā)射器與探測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，可垂直于測量激光束水平移動約10 cm。IDK120-025及LU120-015均為平面扇形噴頭，測試時保持噴霧面與激光束相互垂直。

圖3霧滴粒徑測試試驗(yàn)臺

2.3試驗(yàn)方法

在室溫26℃、空氣相對濕度60%的環(huán)境下，測量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的霧滴體積中值粒徑和霧滴譜寬度。每次試驗(yàn)噴霧時間均為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。探測器內(nèi)部使用不同探測器對2種光強(qiáng)進(jìn)行測量得到散射圖像。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（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、相對尺寸范圍、發(fā)散度及發(fā)散邊界等指標(biāo)來評價。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)會（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)散性選用相對尺寸范圍Δ來評價，其定義如式（6），表示霧滴直徑相對于體積中徑的范圍。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及霧滴分布相對跨度Δ作為評價噴霧霧化程度的評價參數(shù)。