CN108114846A - 一种利用超声驻波调控雾滴粒径的压力雾化喷头及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用超声驻波调控雾滴粒径的压力雾化喷头及控制方法，包括喷体、圆筒状过滤网、密封胶圈、喷头盖；喷体为变径空心圆柱腔体，内部装配有圆筒状过滤网；喷头盖后半部分为变径渐缩空心腔体，内部装备有与渐缩段严密配合的雾化喷嘴，喷头盖前半部分为扇形雾化腔，腔内超声驻波场可对药液雾滴进行二次雾化；喷体与喷头盖利用密封胶圈实现连接。本发明采用超声驻波场调控雾滴粒径的方式，在线实时调节超声驻波场的压力振幅，对扇形雾化腔内雾滴进行“筛选二次雾化”，实现在线动态调控雾滴粒径。

Description

一种利用超声驻波调控雾滴粒径的压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，尤其涉及一种利用超声驻波调控雾滴粒径的压力雾化喷头及控制方法，满足植保作业时雾滴粒径小、分布均匀、粒径谱较窄的技术需求。

背景技术

在农业植保喷雾施药过程中，合适的雾滴粒径可以减少雾滴漂移，改善沉积均匀性，提高靶标雾滴沉积量，增强防治效果。根据生物最佳粒径理论，不同靶标作物适宜捕获的雾滴粒径范围存在差异，这要求植保作业时能够根据不同的靶标作物对雾滴粒径进行实时调整。同时，对于大多数生物靶标，最佳雾滴粒径范围为20～50μm，说明需要的雾滴粒径小并且粒径谱较窄。因此，植保喷雾施药作业亟需一种能够对雾滴粒径进行实时调控，实现雾滴粒径小、分布均匀、粒径谱较窄的雾化效果调节装置和控制方法。

经检索发现，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。针对化工生产领域，该专利仅利用气动雾化原理，通过手轮调节出气口大小改变雾化颗粒大小，但该喷头结构较复杂，不适合在植保喷雾施药中使用。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。该发明实质为多个不同压力式雾化喷嘴的组合，只能进行离线选通，并且雾化过程只利用了压力式雾化原理。

综上，目前在植保喷雾领域内已有喷头产品及专利申请内容主要关注于不同雾化原理的选择和应用，实现不同的药液流速和雾滴粒径需求。然而已有产品和专利均没有关注雾滴粒径谱较大、粒径分布不均等内容，无法满足生物最佳粒径理论所需要的雾滴粒径小、粒径分布均匀、粒径谱较窄的需求。

发明内容

本发明旨在现有技术和方法存在的问题，提出一种利用超声驻波场调控雾滴粒径的压力雾化喷头及控制方法，具有结构简单可靠、使用成本较低、具备雾滴粒径动态调控能力等优势，满足不同作物靶标的最佳粒径需求。

本发明的利用超声驻波调控雾滴粒径的压力雾化喷头采用如下技术方案：喷头包括喷体、圆筒状过滤网、密封胶圈、喷头盖组成。

所述喷体为变径空心圆柱腔体结构，喷体后部为药液入口，喷体大内径腔内部装配有圆筒状过滤网；所述喷头盖后半部分为变径渐缩空心腔体，内部装配有与渐缩段严密配合的雾化喷嘴，喷嘴口呈扇形狭缝，可将压力药液进行初次雾化，喷头盖前半部分为扇形雾化腔，雾化腔上下内表面分别固定有超声振动压电陶瓷片和反射端面，压电陶瓷通过喷头盖内预置导线接收外部电压激励信号而产生超声振动，从而在雾化腔内生成超声驻波场，可对药液雾滴进行二次雾化；所述喷体与喷头盖通过喷体前部外螺纹与喷头盖后端内螺纹的紧固作用利用所述密封胶圈实现密封连接。

利用超声驻波调控雾滴粒径方法如下：

1)根据药液压力、理化特性及喷嘴孔径，确定初次雾化的药液雾滴粒径分布，明确初次雾化粒径谱；

2)根据生物最佳粒径理论和作业环境需要，明确所需雾滴粒径谱范围，结合步骤1)确定雾滴粒径上限值r_max；

3)根据流体稳定性理论，韦伯数We是描述药液流体稳定性的主要参数。当We不超过临界值时，液滴能够保持动态稳定，当We大于临界值时，液滴在惯性力的作用下发生破裂。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；

4)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，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。

5)药液的具体雾化过程中，可认为药液密度ρ_p、表面张力γ、超声波波长λ等参数保持不变，由步骤2)的r_max、步骤3)的We_limit、步骤4)的关系式可得所需的超声驻波声辐射压力下限值F_smin；

6)根据King的声场力学理论，超声驻波产生的声场辐射压力会使粒子向驻波的波节或波腹运动。在药液雾化过程中，雾滴粒子与空气介质的相对密度大于0.4，声辐射力Fs指向波节，即压力节点。由步骤5)的F_smin和声辐射力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)利用外施激励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“筛选二次雾化”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、两级雾化方式也避免了对单一雾化方式的过度依赖，克服压力雾化方式低压雾化不理想和高压喷嘴磨损严重以及超声驻波雾化对压电陶瓷振幅要求较高、易疲劳损坏等缺陷；

2、超声驻波雾化可对初步雾化液滴进行过滤选择，对大粒径雾滴进行“筛选二次雾化”过程，从而有效减小雾滴粒径谱，提高雾化均匀性，满足生物最佳粒径理论的要求；

3、通过药液压力和超声驻波振幅的在线实时控制与配合，可以生成不同粒径、雾化均匀的药液雾滴，适用于不同作业环境、不同靶标作物的差异化雾滴粒径需求。

附图说明

图1是本发明的雾化喷头的正视图；

图2是本发明的雾化喷头的剖面图；

图3是本发明的雾化喷头的前视图；

图4是本发明的雾化喷头的侧视图；

图5是超声驻波雾化原理图；

图中：1.超声振动压电陶瓷片 2.反射端面 3.喷头盖 4.预置导线 5.快接插头6.喷体 7.圆筒状过滤网 8.药液入口 9.雾化喷嘴 10.密封胶圈 11.扇形狭缝 12.扇形雾化腔。

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。

本发明所述一种利用超声驻波调控雾滴粒径的压力雾化喷头，其结构如图1～4所示，喷头包括喷体6、圆筒状过滤网7、密封胶圈10、喷头盖3。所述喷体6为变径空心圆柱腔体结构，喷体后部的药液入口8为宝塔接头，便于与输液管快速连接，喷体前部内装有圆筒状过滤网7，可对药液进行过滤，避免药液杂质堵塞喷嘴；所述喷头盖3后半部分为变径渐缩空心腔体，内部装备有与渐缩段严密配合的雾化喷嘴9，喷嘴口呈扇形狭缝11，可将有压药液以扇形雾面喷出，喷头盖前半部分为扇形雾化腔12，雾化腔上下内壁分别固定有超声振动压电陶瓷片1和反射端面2，超声振动压电陶瓷片1通过喷头盖3内预置导线4接收外部电压激励信号而发射超声波，从而在扇形雾化腔12内生成超声驻波场，可对药液雾滴进行二次雾化；所述喷体6与喷头盖3通过喷体前部外螺纹与喷头盖后端内螺纹的紧固作用利用所述密封胶圈10实现密封连接。

利用超声驻波调控雾滴粒径的具体方法如下：

1)根据药液压力、理化特性及喷嘴孔径，确定初次雾化的药液雾滴粒径分布，明确初次雾化粒径谱；

2)根据生物最佳粒径理论和作业环境需要，明确所需雾滴粒径谱范围，结合步骤1)确定雾滴粒径上限值r_max；

3)根据流体稳定性理论，韦伯数We是描述药液流体稳定性的主要参数。当We不超过临界值时，液滴能够保持动态稳定，当We大于临界值时，液滴在惯性力的作用下发生破裂。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；

4)雾滴粒子在压力节点处受辐射力的双向挤压变为椭球形或薄饼状，减弱液滴的流体稳定性，如图5所示。

由韦伯数表达式

其中，

ρ_p——药液密度；

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；

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为

其中，F_s——超声驻波场声辐射力；

λ——超声波波长。

5)由步骤2)的r_max、步骤3)的We_limit、步骤4)的关系式(2)可得所需的超声驻波声辐射压力下限值Fs_min；

6)由步骤5)的Fs_min和声辐射力Fs数学表达式

其中，p₀——压力振幅；

V_p——雾滴粒子体积，

β_m,β_p——分别为空气介质与雾滴粒子可压缩比，与材料速度相关，β＝1/ρc²；

ρ_m,ρ_p——分别为空气介质与雾滴粒子的密度；

可得，满足雾化需求的超声驻波场压力振幅下限值p_0min；

7)利用外施激励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12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，若图5所示。通过上述“筛选二次雾化”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 (2)

1.一种利用超声驻波调控雾滴粒径的压力雾化喷头，其特征在于：包括喷体、喷头盖、圆筒状过滤网、密封胶圈；所述喷体为变径空心圆柱腔体结构，喷体后部为药液入口，喷体大内径腔内部装配有所述圆筒状过滤网；

所述喷头盖后半部分为变径渐缩空心腔体，内部装备有与渐缩段严密配合的雾化喷嘴，喷嘴口呈扇形狭缝，可将压力药液进行初次雾化，喷头盖前半部分为扇形雾化腔，雾化腔上下内表面分别固定有超声振动压电陶瓷片和反射端面，压电陶瓷通过喷头盖内预置导线接收外部电压激励信号而产生超声振动，从而在雾化腔内生成超声驻波场，可对药液雾滴进行二次雾化；

所述喷体与喷头盖通过喷体前部外螺纹与喷头盖后端内螺纹的紧固作用利用所述密封胶圈实现密封连接。

2.根据权利要求1所述一种利用超声驻波调控雾滴粒径的压力雾化喷头的控制方法，其特征在于：

1)根据药液压力、理化特性及喷嘴孔径，确定初次雾化的药液雾滴粒径分布，明确初次雾化粒径谱；

2)根据生物最佳粒径理论和作业环境需要，明确所需雾滴粒径谱范围，结合步骤1)确定雾滴粒径上限值r_max；

3)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；

4)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；

5)由步骤2)的r_max、步骤3)的We_limit、步骤4)的关系式可得所需的超声驻波声辐射压力下限值F_smin；

6)由步骤5)的F_smin和声辐射力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)利用外施激励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“筛选二次雾化”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。