CN108114822B - 一种在线调控雾滴粒径的防飘移气力雾化喷头及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线调控雾滴粒径的防飘移气力雾化喷头及其控制方法，包括喷体和扇形雾化腔；喷体由药液导流腔、气体导流腔、电磁流量阀构成，药液导流腔后部与电磁流量阀相连，前部为扇形喷嘴；气体导流腔为空心锥体，包裹于药液导流腔外侧，前部有多个出风角度不同的圆形出气孔，分布于扇形喷嘴周围。本发明采用气力雾化方式利用相交气流对药液进行初次雾化，并且独立调节气体流量和药液流量，动态实现不同的气液混合比例，满足雾滴防飘移能力和穿透能力需求；同时在线调节扇形雾化腔内超声驻波场的压力振幅，对雾滴进行超声二次雾化，实现在线动态调控雾滴粒径，提高雾化均匀性。

Description

一种在线调控雾滴粒径的防飘移气力雾化喷头及控制方法

技术领域

本发明涉及植保喷雾技术领域，尤其涉及一种在线调控雾滴粒径的防飘移气力雾化喷头及控制方法。

背景技术

在农业植保喷雾施药过程中，雾化喷头是产生雾化液滴的工作部件，决定了雾化效果，对最终施药效果有直接影响。现有植保雾化喷头多采用压力雾化原理，其结构参数是固定的，生成雾滴的粒径范围相对固定，很难根据作业对象的改变或者作物状况的变化而在线调整雾滴粒径谱。同时，微细雾滴虽然具备良好的沉积均匀性，但其防飘移能力较差，应采取技术手段予以加强，避免雾滴的飘移损失。

经检索发现，中国发明专利“一种多档喷头”，专利申请号201610838078.X，公开了一种法兰盘旋转选通结构的多档喷头，利用螺母旋松时法兰盘带动喷嘴旋转，实现不同喷嘴的切换。该发明实质为多个压力雾化喷嘴的组合，只能进行离线选通，仍采用压力雾化原理，无法从根本上解决压力雾化喷头自身存在的雾滴粒径谱较宽、粒径分布不均匀、长时间工作后喷孔受药液磨损变粗雾化效果变差等问题。。发明专利“一种气液两相二级雾化喷头”，专利申请号201610913406.8，公开了一种气液两相二级混合雾化的喷嘴装置，利用入射气流实现较好的雾化效果；其利用入射气流产生局部负压将药液吸入混合腔，气流与药液间存在强耦合关系，无法有效控制气液混合比例。虽然混合腔前端出口处配有可调孔径限流阀，然而其采用离线更换方式并且其实质为调节气液混合流体的流量，并非独立控制药液流量。中国发明专利“一种能够调节雾化颗粒大小的气动雾化喷头”，专利申请号201610820858.1，公开了一种在化工生产领域通过改变喷嘴出气口大小调节雾化颗粒大小的喷嘴装置及控制方法。该专利同样利用气动雾化原理，通过手轮调节出气口大小改变雾化颗粒大小，气流与药液同样存在强耦合关系，亦不具备在线调节能力；同时该喷头针对化工生产领域设计，结构较为复杂，不适于大田植保作业领域。

综上，目前植保喷雾施药领域虽然出现一些气动雾化喷头或者气液两相二级雾化喷头，具备一定的雾化效果和雾滴防飘移能力，但仍然缺乏一种可在线调节雾滴粒径谱，雾滴粒径小而分布均匀，气流与药液可独立调控实现不同气液混合比例的雾化喷头。

发明内容

本发明旨在现有技术和方法存在的问题，提出一种在线调控雾滴粒径的防飘移气力雾化喷头及控制方法，利用气动雾化原理实现无压力药液的初次雾化，并与喷头后方进液口处的电磁流量阀相配合，气流与药液独立调控实现不同气液混合比例，满足不同作业环境的雾滴防漂移需求；同时利用超声驻波场对已初步雾化的气液混合流体中的雾滴进行筛选和二次雾化，在线控制雾滴粒径谱，提高粒径均匀性，满足不同作物的最佳粒径需求，提高施药质量和防治效果。

本发明在线调控雾滴粒径的防飘移气力雾化喷头采用如下技术方案：包括喷体、扇形雾化腔。

所述喷体由药液导流腔、气体导流腔、电磁流量阀构成；所述药液导流腔位于喷体中轴，后部与所述电磁流量阀相连，腔体前部为扇形喷嘴；所述气体导流腔为一空心锥体，包裹于药液导流腔外侧，后部有一气流进口，腔体前部为出气角度不同的圆形出气孔；所述气体导流腔壁内置有信号线及快接插头，可传输外部电压激励信号；所述电磁流量阀处于喷体后部，可以在线调整流入导流腔的药液流量。

所述扇形喷嘴位于所述喷体前部，扇形喷嘴周围分布有8个圆形出气孔，分为两组：一组在扇形喷嘴扇面两侧对称分布有6个圆形出气孔，出气方向与喷体中轴线夹角为-30°，两侧圆形出气孔喷出的相交高速气流在喷嘴前方气隙产生负压从而将无压药液从导流腔吸出，6股相交气流同时提高局部湍流强度，对吸出药液进行初次雾化；一组在扇形喷嘴扇面角两侧对称分布有2个圆形出气孔，出气方向与喷体中轴线夹角为60°，引导气液混合流体形成120°雾化角，有利于提高喷头喷幅。

所述扇形雾化腔与所述喷体的前部相连，扇面角120°，其上下扇形内壁分别固定有压电陶瓷片和反射端面，压电陶瓷片接收外部电压激励信号而发出超声波，超声波经反射端面反射后与原波形叠加从而在雾化腔内形成超声驻波场，可对初次雾化的药液进行筛选二次雾化，减小雾滴粒径谱，提高雾化均匀性。

在线调控雾滴粒径和防飘移能力的方法如下：

1)根据作物种植密度和病虫害防治需求，结合施药机具行进速度和施药高度，确定喷嘴的药液流量Q_l，通过调节所述电磁阀开度满足药液流量需求；

2)根据自然风风速和作物冠层郁闭度确定的雾滴防飘移能力和雾滴穿透能力需求，明确所需气液混合比例及其对应的辅助气流流量Q_g和气流流速U_g；

3)根据气液两相流体波动破碎机理，利用步骤1)和2)参数可明确利用气力雾化原理所得初次雾化液滴的粒径谱范围；

4)根据生物最佳粒径理论，结合步骤3)的雾滴粒径谱范围，确定当前作业条件下的雾滴粒径上限值r_max；

5)根据药液密度、表面张力、流动黏度等参数，确定雾化药液的临界韦伯数We_limit；本发明所述雾化喷头中，超声驻波场对药液雾滴所施加的声辐射力是一种惯性力，导致韦伯数We增大，减弱液滴的流体稳定性。由韦伯数表达式，可得超声驻波场中液滴的韦伯数We′与各物理参数的一般关系式。

6)根据King的声场力学理论，由步骤4)的r_max、步骤5)的We_limit、韦伯数We的一般关系式可得所需的超声驻波声辐射压力下限值F_smin，结合声辐射力F_s数学表达式，可得满足雾化需求的超声驻波场压力振幅下限值p_0min；

7)利用外部电压信号在线实时调节超声驻波场的压力振幅p₀，满足p₀≥p_0min，便可动态调控通过所述扇形雾化腔的雾滴的半径值r。若r＞r_limit，其韦伯数超出临界值，从而导致雾滴流体稳定性减弱而发生破裂，即发生超声波二次雾化过程；若r≤r_limit，液滴可以保持动态稳定，顺利通过扇形雾化腔。通过上述超声波二次雾化过程，可以在线动态调节雾滴粒径，减小粒径谱，提高雾化均匀性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、采用无压药液，无需隔膜泵等设备，减小机具负重和功率消耗，降低施药成本，提高作业机具可靠性；

2、独立在线调控药液流量和气体流量及流速，满足不同气液混合比例和防漂移需求，适用于不同作业环境和施药对象；

3、气力雾化和超声波雾化相结合，增强雾化效果，在线实时调节超声波振幅，动态调控雾滴粒径，减小雾滴粒径谱，满足不同作物的生物最佳粒径需求。

附图说明

图1是本发明的防飘移气力雾化喷头的正视图；

图2是本发明的防飘移气力雾化喷头的剖面图；

图3是本发明的防飘移气力雾化喷头的喷嘴和出气孔局部细节图；

图4是本发明的防飘移气力雾化喷头的侧视图；

图中：1.扇形雾化腔 2.压电陶瓷片 3-1.扇面角出气孔 3-2.扇面两侧出气孔 4.气体导流腔 5.药液导流腔 6.气流进口 7.喷体 8.电磁流量阀 9.药液进口 10.快接插头11.信号线 12.扇形喷嘴 13.反射端面

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利进行进一步描述。

本发明在线调控雾滴粒径的防飘移气力雾化喷头，其结构如图1～4所示，喷头包括喷体7、扇形雾化腔1。所述喷体7由气体导流腔4、药液导流腔5、电磁流量阀8构成；所述药液导流腔5位于喷体中轴，后部与所述电磁流量阀8相连，腔体前部为扇形喷嘴12；所述气体导流腔4为一空心锥体，包裹于所述药液导流腔5外侧，后部有一气流进口6，腔体前部为出气角度不同的两组圆形出气孔3-1、3-2；所述气体导流腔4腔壁内置有信号线11及快接插头10，可传输外部电压激励信号；所述电磁流量阀8处于喷体后部，可以通过在线调节电磁阀开度控制流入所述药液导流腔5的药液流量。

所述扇形喷嘴12位于所述喷体7前部，扇形喷嘴12周围分布有8个圆形出气孔，分为两组：一组在扇形喷嘴扇面两侧各分布有3个圆形出气孔3-2，共6个，出气方向与喷体中轴线夹角为-30°，两侧圆形出气孔喷出的高速气流在喷嘴前方相交，使喷嘴出口气隙处产生负压从而将无压药液从药液导流腔5吸出，6股相交气流同时提高了局部湍流强度，将吸出药液进行初次雾化；一组在扇形喷嘴扇面角两侧各有1个圆形出气孔3-1，共2个，出气方向与喷体中轴线夹角为60°，引导气液混合流体形成120°雾化角，有利于提高喷头喷幅。

所述扇形雾化腔1与所述喷体7的前部相连，扇面角120°，其上下扇形内壁分别固定有所述压电陶瓷片2和所述反射端面13，压电陶瓷片2接收外部电压激励信号而发出超声波，超声波经反射端面13反射后与原波形叠加从而在扇形雾化腔1内部形成超声驻波场，可对初次雾化的药液进行筛选二次雾化，减小雾滴粒径谱，提高雾化均匀性。

在线调控雾滴粒径和防飘移能力的方法如下：

1)根据作物种植密度和病虫害防治需求，结合施药机具行进速度和施药高度，确定扇形喷嘴12的流量Q_l，通过调节所述电磁阀8的开度满足药液流量Q_l和流速U_l需求；

2)根据自然风风速和作物冠层郁闭度确定的雾滴防飘移能力和雾滴穿透能力需求，明确所需气液混合比例及其对应的辅助气流流量Q_g和气流流速U_g；

3)根据气液两相流体波动破碎机理，雾化是由于气液交界面的不稳定波动而引起的，气动力会导致药液波幅增长，当波幅足够大时，半个波长或整个波长将被撕裂下来，然后由于表面张力的作用再收缩成液滴；

式中，

A——药液波波幅；

ρ_g、ρ_l——气体密度、药液密度；

U_g、U_l——气体流速、药液流速；

λ——药液波波长；

μ_l——药液动力粘度；

由公式(1)可知较大的气液速度差有利于雾化，根据公式(1)并结合步骤1)和2)参数可明确利用气力雾化原理所得初次雾化液滴的粒径谱范围；

4)根据生物最佳粒径理论，结合步骤3)的雾滴粒径谱范围，确定当前作业条件下的雾滴粒径上限值r_max；

5)韦伯数We是衡量雾滴流体稳定性的主要指标，根据药液密度、表面张力、动力黏度等参数，确定雾化药液的临界韦伯数We_limit。

根据定义，韦伯数We为雾滴所受惯性力与雾滴表面张力之比，其表达式为

其中，

r——药液雾滴半径；

v——雾滴与空气介质的相对运动速度；

γ——药液表面张力；

本发明所述雾化喷头中，超声驻波场对药液雾滴所施加的声辐射力亦是一种惯性力，导致韦伯数We增大，减弱液滴的流体稳定性。由韦伯数表达式，可得超声驻波场中液滴的韦伯数We′与各物理参数的一般关系式如下：

其中，F_s——超声驻波场声辐射力；

λ′——超声波波长。

6)根据King的声场力学理论，由步骤4)的r_max、步骤5)的We_limit、韦伯数We的一般关系式可得所需的超声驻波声辐射压力下限值F_smin，结合声辐射力F_s数学表达式，可得满足雾化需求的超声驻波场压力振幅下限值p_0min；

7)利用外部电压信号在线实时调节超声驻波场的压力振幅p₀，满足p₀≥p_0min，便可动态调控通过所述扇形雾化腔1的雾滴半径值r。若r＞r_limit，其韦伯数超出临界值，从而导致雾滴流体稳定性减弱而发生破裂，即发生超声波二次雾化过程；若r≤r_limit，液滴可以保持动态稳定，顺利通过所述扇形雾化腔1。通过上述超声波二次雾化过程，可以在线动态调节雾滴粒径，减小粒径谱，提高雾化均匀性。

Claims (1)

1.一种在线调节雾滴粒径的防飘移气力雾化喷头的控制方法，其特征在于，雾化喷头包括喷体、扇形雾化腔；

所述喷体由药液导流腔、气体导流腔、电磁流量阀构成；所述药液导流腔后部与所述电磁流量阀相连，腔体前部为扇形喷嘴；所述气体导流腔腔体前部为出气角度不同的圆形出气孔；所述电磁流量阀能够在线调整流入导流腔的药液流量；

所述扇形喷嘴位于所述喷体前部，扇形喷嘴周围分布有8个圆形出气孔，分为两组：一组在扇形喷嘴扇面两侧对称分布的6个圆形出气孔喷出的相交气流在喷嘴前方气隙产生负压将药液从导流腔吸出，进行药液初次雾化；一组在扇形喷嘴扇面角两侧对称分布有2个圆形出气孔，出口方向与喷体中轴线夹角为60°，有利于提高喷头喷幅；

所述扇形雾化腔内壁分别固定有压电陶瓷片和反射端面，雾化腔内形成的超声驻波场可对初次雾化的药液进行二次雾化，减小雾滴粒径谱；

所述的控制方法，包括步骤：

1)根据作物种植密度和病虫害防治需求，结合施药机具行进速度和施药高度，确定喷嘴的药液流量Q_l，通过调节所述电磁流量阀开度满足药液流量需求；

2)根据自然风风速和作物冠层郁闭度确定的雾滴防飘移能力和雾滴穿透能力需求，明确所需气液混合比例及其对应的辅助气流流量Q_g和气流流速U_g；

3)根据气液两相流体波动破碎机理，利用步骤1)和2)参数明确初次雾化液滴的粒径谱范围；

4)根据生物最佳粒径理论，结合步骤3)的雾滴粒径谱范围，确定当前作业条件下的雾滴粒径上限值r_max；

5)根据药液密度、表面张力、流动黏度，确定雾化药液的临界韦伯数We_limit；由韦伯数表达式，可得超声驻波场中液滴的韦伯数We′与各物理参数的一般关系式；

6)根据King的声场力学理论，由步骤4)的r_max、步骤5)的We_limit、韦伯数We的一般关系式可得所需的超声驻波声辐射压力下限值F_smin，结合声辐射力F_s数学表达式，可得满足雾化需求的超声驻波场压力振幅下限值p_0min；

7)利用外部电压信号在线实时调节超声驻波场的压力振幅p₀，满足p₀≥p_0min，便可动态调控通过所述扇形雾化腔的雾滴的半径值r；若r＞r_limit，其韦伯数超出临界值，从而导致雾滴流体稳定性减弱而发生破裂，即发生超声波二次雾化过程；若r≤r_limit，液滴能够保持动态稳定，顺利通过扇形雾化腔。