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农用航空静电喷头雾化机理与试验研究

时间:2018-01-18 18:20来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是机械工程论文,本文采用高速摄影技术研究圆锥雾液膜结构,根据静电感应电学模型确定农用航空静电喷头感应电极结构尺寸,并采用室内试验的方法研究所设计的农用航空静电
1 绪论
 
1.1 研究目的和意义
随着科学技术的发展和多学科的交叉运用,静电技术开始应用于农业领域。在植保施药技术中,采用静电技术给药液荷电的方法在国内外已经得到广泛关注[2]。静电喷雾技术通过使雾滴荷电产生静电雾滴,在静电作用下,标靶表面产生的相反电荷与静电雾滴形成空间电场,使静电雾滴“吸附”在标靶表面,从而能够增加药液的沉积效果[3]。同时静电喷雾技术具有“静电环绕效应”特点,因此其能够使标靶背面沉积雾滴,增加雾滴沉积效果,提高农药利用率[4]。我国东北垦区地块大,农作物种植面积广,采用农用航空飞机进行植保作业是其重要发展方向之一[5]。农业航空植保技术作业速度快,固定翼飞机喷洒农药时飞行速度可达160km/h 以上;喷洒效率高,美国农业航空植保作业效率可达 100hm2/h 以上;防治效果好,相比于人工与地面植保机械防治效果能够提高 15%~35%[6],应对突发性病虫害能力强,适合我国东北地区农业种植特点[7]。同时农用航植保技术相比于地面植保技术,使用药量少,作业成本低。美国 Sky Tractor 农业航空服务公司数据表明,飞机航空植保作业成本比地面植保机械减少约 40 元/英亩。目前一些发达国家特别是美国,已经将静电喷雾技术与农业航空植保技术相结合为航空静电喷雾技术,并对其进行了相关理论和试验研究,甚至开始推广应用[8]。相关研究和试验结果表明,航空静电喷雾技术能够在一定程度上提高雾滴在标靶的沉积效果,特别是提高标靶背面的雾滴沉积和雾滴在农作物冠层的穿透效果。但在静电喷雾技术中,静电作用导致药液进一步雾化,使雾滴粒径变小,增加雾滴飘移程度。为进一步提高我国农业航空植保技术作业效果同时降低雾滴飘移,本文将静电喷雾技术与农业航空植保技术相结合,在保证原航空喷头雾滴粒径的基础上针对 Y5-B 固定翼农用飞机设计一套静电喷雾系统,通过理论分析航空静电喷雾雾化机理,研究航空静电喷雾系统的作业条件和沉积特性,并对比分析航空静电喷雾技术与常规航空喷雾技术作业效果,为有人驾驶的固定翼飞机静电喷雾技术提供理论依据。
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1.2 航空静电喷雾技术国内外研究现状
静电喷雾技术是在可控雾滴技术与超低量喷雾技术基础上发展来的,其工作原理为药液在雾化过程中形成具有荷电性质的静电雾滴群,静电雾滴群在静电场作用下做定向运动,并吸附在标靶上[10]。目前在植保技术中,农业航空植保技术具有作业效率高、速度快、成本低等优点[11]。为了进一步提高农业航空植保技术作业效果,国内外学者结合静电喷雾技术特点,进行了将静电喷雾技术应用在农杨航空喷雾技术中的研究,即航空静电喷雾技术。航空静电喷雾技术不仅能够提高雾滴在农作物冠层的沉积效果,而且还可使农作物叶片背面沉积雾滴。
 
1.2.1 国外航空静电喷雾技术研究现状
农业航空植保技术是指将喷洒设备挂载于农用飞机上进行植保作业的方法[11]。该技术在国外开展较早,特别是美国应用较成熟。美国是世界上农业航空植保技术最发达的国家之一,其农业航空发展历史已有 100 多年,目前拥有农用飞机 9000 余架,其中农用直升机 1170 余架,占世界拥有量的 28%左右,承担了美国农业化学处理的 65%[12]。美国耕地面积广阔,超大规模经营的家庭农场是农业生产的主要形式,因此有人驾驶固定翼飞机是美国农用飞机的主要作业形式。农药喷洒作业中雾滴飘移引起环境污染是美国在农业航空植保技术中最为重视的问题之一,对于航空喷药的安全区域,已有法律条文规定[13]。目前,雾滴飘移模型已成为预测航空施药和处理相关纠纷的主要依据之一。关于雾滴飘移和沉积情况,美国林业局在 20世纪 70 年代末到 80 年代初采用计算机模型来分析预测。其中,FSCBG(Forest serviceCramer Barry grim)模型研究气象因素、蒸发情况和农作物冠层对雾滴沉积分布的影响,能够预测雾滴分布和沉积,可用于制定航空喷雾作业的喷洒方案和环境风险评估。FSCBG模型在 Teske 等人的努力下,发展为 AGDISP(Agricultural dispersion)模型[14]。该模型能够通过喷嘴、药液和飞机类型等参数的输入,调用内部数据库预测可能产生的雾滴沉积效果。俄罗斯地广人稀,农用飞机数量 1.1 万架,其中作业机型多为固定翼飞机,年处理耕地面积 35%以上[15]。澳大利亚、巴西和加拿大等国家农业航空植保情况的发展模式与美国相似,主要机型为有人驾驶的旋翼直升机和固定翼飞机。
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2 航空静电喷雾机理研究
 
在目前农用航空植保技术中,航空喷头的喷雾性能经过多年的田间验证证明能够满足相关的农艺要求。为了进一步提高雾滴在农作物背面沉积和冠层穿透效果,可以通过在喷头上增加静电电极的方法使雾滴带电,同时还需保证原航空喷头雾滴粒径和良好的喷雾性能。因此本章通过分析航空静电喷雾雾化机理和静电感应充电过程确定雾滴荷电过程中影响雾滴雾化效果的影响因素,确定感应电极工作时的极限电压模型,并根据感应电极极限电压模型影响因素研究感应电极结构尺寸对雾滴荷电和雾化效果的影响规律。
 
2.1 航空静电喷雾雾化机理
静电喷雾技术中雾滴的雾化包含两个阶段。第一个阶段为通过喷嘴结构采用机械方法使药液进行雾化,该阶段主要是喷孔的剪切力和气力摩擦力起作用;第二个阶段为静电雾化过程,该阶段主要是高压电场起作用,高压电场导致药液内电荷重新排列,电荷之间的排斥力破坏药液表面张力、重力和剪切力等平衡状态,导致药液进一步雾化。
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2.2 静电感应充电过程与空间电势分布
雾滴荷电过程不仅与雾滴物理参数、荷电电量等因素有关,而且与荷电方式有关。雾滴荷电方式影响着雾滴电场的形成[61]。为了使雾滴获得最大荷电量来提高航空植保作业效果,本小节重点分析雾滴荷电方式和空间电势分布对雾滴荷电效果的影响。目前雾滴充电方式包含接触式、电晕式和感应式等三种[62]。接触式充电是药液在管道内部或者喷头内部接触高压静电,然后在喷头机械力和静电电压产生的库仑力的共同作用下发生雾化的充电过程。这种充电方式要求对感应装置的绝缘性高,使用不普遍[63]。电晕式充电方式是通过高压尖端放电的方式对雾滴进行充电的过程[64]。高压尖端附近产生强电场,越靠近尖端位置,电场强度越强。高压尖端附近的气体离子在强电场作用下被电离为具有荷电性能的气体离子。当有雾滴等穿过电离区域时,雾滴被荷电,变为静电雾滴[65]。感应式充电方式是将已经雾化的药液进行通过静电感应的方式进行二次雾化的充电过程。感应充电电极在喷嘴附近产生一层非常厚的偶电层[66],在药液受压强的作用从喷嘴内由液丝变为液滴的过程中一部分与感应充电电极相反的电荷由于静电感应作用被带走而使液滴产生与之相反的电荷,完成感应充电过程,如图 2-1 所示。
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3 静电喷雾系统设计.......21
3.1 静电喷雾系统整体设计.......21
3.2 农用航空静电喷头的设计............22
3.3 农用航空静电喷头雾滴荷质比测试.....25
3.4 农用航空静电喷头雾滴粒径测试......... 29
3.4.1 试验条件............ 30
3.4.2 试验装置与检测仪器.......... 30
3.4.3 试验过程............ 31
3.4.4 试验指标............ 31
3.4.5 试验结果与分析......... 31
3.5 本章小结.... 32
4 农用航空静电喷头雾滴飘移试验研究........... 35
4.1 试验目的.... 35
4.2 材料与方法......... 35
4.2.1 试验条件............ 35
4.2.2 试验装置与检测仪器.......... 36
4.3 试验过程与指标.......... 36
4.4 试验设计.... 37
4.5 结果与分析......... 38
4.6 模型验证与模型求解........... 43
4.7 本章小结.... 44
5 航空静电喷雾试验研究........ 45
5.1 试验目的.... 45
5.2 试验条件.... 45
5.3 试验仪器与检测设备............ 46
5.4 试验方案.... 46
 
5 航空静电喷雾试验研究
 
本章将前文所设计的静电喷雾系统安装到有人驾驶固定翼飞机 Y5-B 机型上,根据上述研究确定的工作参数进行航空静电喷雾技术与常规农业航空植保技术作业效果对比试验。根据中华人民共和国民用航空行业标准《航空喷施设备的喷施率和分布模式测定》(MH/T 1040—2011)中规定的方法进行试验和作业效果检测[96]。
 
5.1 试验目的
对比分析航空静电喷雾技术与常规农业航空植保技术作业效果。
 
5.2 试验条件
本次试验地点为黑龙江省佳木斯市泡子沿村,喷洒对象为水稻,平均高度为 1.2m。试验田包含 1 号地和 2 号地两部分,面积均为 667m2。其中 1 号地进行航空静电喷雾技术试验,2 号地作为常规农业航空植保技术试验。为了防止静电喷雾试验和非静电喷雾试验相互影响,要求两块土地在垂直于飞机飞行方向上中间间隔 100m 以上。在喷雾作业时,为安全起见,采用水代替药液进行喷洒作业[56]。试验所用机型为有人驾驶的农用固定翼飞机Y5-B,飞行速度:160km/h,飞行高度为 3m。Y5-B 机型搭载喷头数量为 65 个,喷头间距20cm。喷头喷雾压力为 0.3MPa,每个喷头静电电压为 9kV。作业时环境平均温度为 26.6℃,平均湿度 52%,平均风速 2.6m/s,风向为西风,时间为 2016 年 9 月 14 日 13:21,如图 5-1所示。
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结论
 
静电喷雾技术作为一种新型植保技术,能够提高药液在农作物表面的沉积效果。本文将静电喷雾技术应用于 Y5-B 型固定翼农用飞机,以进一步提高 Y5-B 型农用飞机植保作业效果。本文首先通过航空静电喷雾机理分析,研究雾滴荷电方式和影响因素,根据静电感应原理设计适用于 Y5-B 型农用飞机的航空静电喷雾系统;然后对其荷电性能和雾化性能进行测试,为了进一步研究所设计的航空静电喷雾系统合适的外界作业条件,特别是静电喷雾系统能够抵抗的侧向风速,采用风洞试验台进行了静电雾滴飘移试验研究;最后采用对比的方法进行了静电喷雾与非静电喷雾的田间试验研究。得出的如下结论:
(1)通过对静电雾化机理分析,建立了农用航空静电喷头感应电极工作时的极限工作电压模型,可以通过控制电极工作电压小于其极限电压来保证原航空喷头的雾滴粒径不发生变化和原航空喷头的喷雾性能;
(2)根据航空喷头产生的液膜结构尺寸确定感应电极结构为锥形电极,锥角为 80°,长度为 17mm;在不替换原航空喷头的条件下,针对 Y5-B 机型设计了一套静电喷雾系统,通过对其雾化和荷电性能测试,表明为了保证原航空喷头良好的喷雾性能和雾滴粒径,静电喷雾系统工作静电电压不宜超过 7kV,最大不能超过 9kV,此时雾滴荷质比达到最大1.98mC/kg,满足目前国外针对航空静电喷雾技术中荷质比大于 0.8mC/kg 的要求;
(3)采用风洞试验台进行的静电雾滴飘移试验研究表明,所设计的农用航空静电喷雾系统作业时侧向风速不宜超过 3m/s,最大不能超过 4.6m/s;
(4)通过田间航空静电喷雾与常规航空喷雾作业效果对比试验可知,航空静电喷雾系统能够提高药液在水稻冠层下方和叶片背面的雾滴沉积密度,提高分别为 132.24%和407.41%,说明航空静电喷雾技术能够增加雾滴在农作物冠层的穿透性与在农作物背面沉积效果,有利于水稻病虫害防治作业。
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参考文献(略)
(责任编辑:工程论文)
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