1理论模型

喷头雾化是喷头内液体在喷头内、外力作用下的碎裂过程。该过程是在喷头液体表面张力、黏性力与喷头外部空气径向速度分量、液体表面空气动力的相互作用下发生的。当外部作用力超过液体自身表面张力和黏性力后，喷头喷出的液柱或液膜会初级碎裂成液片、液线及大颗粒液滴。在空气湍流动能、液滴重力及空气阻力共同作用下，液滴二次碎裂、雾化，形成细小液滴。二次碎裂对喷雾粒径、喷雾雾滴均匀性起决定性影响。

对于低黏度液体，当液滴处在稳定气流场中，其变形取决于空气动力（0.5gd2，g是气体密度，kg/m3；d是气液流速差，m/s）和表面张力系数与液滴直径比（1/）。

量纲一参数韦伯数W可表示为

当空气动力大于表面张力时，韦伯数较大。受空气动力与表面张力作用，液滴碎裂条件为

式中C是取决于碎裂条件的常数。

在某一气液相对速度d下，最大的稳定液滴直径可表示为

可见，在稳定相对速度下，雾滴碎裂后可保持的最大稳定液滴直径与液滴表面张力系数正相关，与气体密度、气流差成反相关。另外，液滴黏度对碎裂过程产生的影响可以用Brodkey经验公式表示如下

式中ρ为液滴密度，μ为液滴的动力学黏度系数，Pa·s。故液滴密度、液滴的动力学黏度系数对液滴碎裂有影响。

喷雾助剂通过改变药液表面张力、密度及其动力学黏度系数实现对喷雾二次碎裂过程的干预，改变喷雾雾化特性。

2材料和方法

试验于2017年6月在国家农业智能装备工程技术研究中心航空施药喷雾检测试验室完成。

2.1试验材料

喷雾样本分别是阴-非离子农用增效剂意欧、减量增产助剂激健和尿素3种农药助剂分别与自来水以一定比例的混合物，同时与市政自来水及蒸馏水进行对比试验。意欧助剂为阴-非离子表面活性剂，在稀释2 000～3 000倍后与农药混用，作用功能是减少药液表面张力，增加药液附着力。激健助剂主要成分为增效酮梨，是一种由吐温类表面活性剂和N-R-2-吡咯烷酮所组成的食品级多元醇型非离子表面活性剂。一般3 000倍后与农药混用，作用功能是减少农药表面蒸发和分解。尿素是目前使用量较大的一种化学氮肥，属于无机盐类，溶于水后液体变浑浊，一般应用于航空施药溶液中改变药液密度、增加雾滴沉降。由于尿素不属于标准助剂，其对药液雾化的影响，目前尚不明确，这也是本试验的试验目的之一。意欧与尿素为粉末状，激健为液体状。

试验喷头为德国LECHLER公司生产的空气诱导喷头IDK120-025和多量程平面喷头LU120-015，其结构及尺寸如图1和图2所示。

图1 IDK120-025喷头实物及结构示意图

IDK系列喷头的设计原理与LU系列扇形喷头之间存在差异。IDK系列喷头内部结构设计利用文丘里原理，在喷头内部将喷雾液体与空气进行混合，使喷出的雾滴成为小气泡，从而达到增大雾滴粒径、减小雾滴飘移、降低雾滴入射靶标后二次反弹流失的效果。经测定，喷雾压力为0.2 MPa时，IDK120-025及LU120-015的喷量速率均为0.48 L/min；喷雾压力为0.4 MPa时，IDK120-025的喷量速率为0.68 L/min。

图2 LU120-015喷头实物及结构示意图

2.2试验装置

试验测试装置如图3所示。该装置由激光粒度仪、喷雾系统及药液回收装置等部分组成。激光粒度仪是德国新帕泰克厂商生产的HELOS-VARIO/KR型号实时喷雾激光粒度仪，发射器与接收器间距可调，范围为123～1 400 mm，本试验中发射器与接收器间距1 200 mm，喷雾被测样本置于发射器与接收器中心位置。其粒径测量范围为0.1～3 500m，分为7个不同量程，对应2.2、13、26 mm 3种光束直径。设备安装时，激光发射器与探测器保持中心在同一轴线，喷头位置调整至激光束上方约20 cm处，可垂直于测量激光束水平移动约10 cm。IDK120-025及LU120-015均为平面扇形喷头，测试时保持喷雾面与激光束相互垂直。

图3雾滴粒径测试试验台

2.3试验方法

在室温26℃、空气相对湿度60%的环境下，测量IDK120-025、LU120-015喷头在0.2、0.4 MPa喷雾压力条件下喷施不同浓度助剂药液时的雾滴体积中值粒径和雾滴谱宽度。每次试验喷雾时间均为10 s，各重复5次，结果数据为试验数据平均值。

由粒度仪激光光源形成的激光束照射在雾滴上，因粒子大小不同形成不同角度折射，而后光束通过傅里叶透镜形成散射光与未散射光。探测器内部使用不同探测器对2种光强进行测量得到散射图像。喷雾雾滴粒径通常用雾滴直径分布曲线上的特征点进行分析，一般又称为雾滴的特征直径，它代表某一直径以下的所有液滴的体积占全部液滴总体积的百分比，并将此比值以符号下标的形式标出，特征直径下标数值均小于1。典型特征直径包括0.1、0.5、0.632、0.9、0.999及Dv（占有体积最大的液滴直径）。根据美国农业与生物工程学会（ASABE）和美国国家标准局（ANSI）572.1标准，农业喷雾选择0.5作为喷雾雾滴雾化指标，表示喷雾雾滴粒径小于0.5所有雾滴体积总和占喷雾总液体体积的50%。0.5又被称为雾滴体积中径（volume median diameter，VMD）。

雾滴尺寸的发散性也是描述雾滴尺寸的重要指标，一般用均匀度、相对尺寸范围、发散度及发散边界等指标来评价。根据美国农业与生物工程学会（ASABE）和美国国家标准局（ANSI）572.1标准，农业喷雾雾滴尺寸发散性选用相对尺寸范围Δ来评价，其定义如式（6），表示雾滴直径相对于体积中径的范围。一般而言，Δ值越大，代表雾滴粒径范围越大，发散性越大。

本文即以雾滴体积中径0.5及雾滴分布相对跨度Δ作为评价喷雾雾化程度的评价参数。