风送静电喷雾系统的雾化装置设计及流场分析

风送静电喷雾系统的雾化装置设计及流场分析 风送静电喷雾系统的雾化装置设计及流场 分析 2011年3月农机化研究第3期 风送静电喷雾系统的雾化装置设计及流场分析 茹煜,贾志成,吴胜利,吴小伟,范庆妮 (南京林业大学,南京210037) 摘要:将风送静电喷雾技术应用于农林病虫害的防治有着广泛的前景.为此,针对轴流风送静电喷雾系统设 计了内嵌式静电喷头,该喷头采用内嵌式圆柱电极作为充电装置,具有使雾滴雾化均匀,荷电充分的特点.同 时,通过多点风速仪对该系统所用轴流风机流场进行测试,获得了气流轴向速度分布以及主体射流段不同输送 距离处的气流速度分布,分析了雾滴与气流的跟随特性.研究结果表明,荷电雾滴的轴向运动与气流的跟随性 良好,可近似将气体流场的速度分布看作雾滴运动的速度分布,为进一步研究荷电雾滴的运动和沉降规律奠定 基础. 关键词:风送;静电喷雾;流场分布 中图分类号:s493.1文献标识码:A文章编号:1003—188X(2011)03—0104-04 0引言 风送式静电喷雾技术的应用越来越多,该技术是 药液首先通过压力雾化或旋转雾化方式形成雾滴,再 经过充电电极使雾滴带电,并在气流的作用下二次雾 化,由静电力和气流将雾滴送到植株上.它最早应用 在果园的病虫害防治上.1992年,Law和Cooper对果 园风送静电喷雾机进行了带电雾滴和非带电雾滴的 沉积研究,研究表明前者的沉积效果明显优于后 者?.1992年,江苏大学研制了用于灭蝗的风送静电 喷雾机.2002年,中国农业大学研制的果园自动对 靶静电喷雾机,与普通的风送式果园喷雾机相比,节 省农药50%,70%,目标沉积增加两倍多.2005 年,南京林业大学研制了高射程风送静电喷雾机.这 些风送静电喷雾机多数是利用轴流风机射程远,风速 大,效率高,风速均匀,衰减慢的特点将雾化后的带电 雾滴二次雾化后吹向远处目标.本文就轴流式风送 静电喷雾系统的雾化装置进行了设计,并对轴流风机 产生的流场对荷电雾滴的运动影响进行了试验分析, 为更深入研究风送静电喷雾技术奠定了基础. 1雾化装置的设计 风送静电喷雾系统如图1所示.风送静电喷雾 系统主要由轴流风机,静电喷头,高压电源,药箱, 收稿日期:2010—05—06 基金项目:国家公益性项目(200904051);南京林业大学创新基金项 目(163040043) 作者简介:茹煜(1973一),女,南京人,副教授,博士,(E—mail)sn— perchry@163.corn. 泵,支撑架等主要部件组成.静电喷头通过铜管固定 在风筒的内壁,并安装在风机的轴线上,喷头的外边 缘与风筒边缘对齐.由静电喷头产生的雾滴在喷雾 区域内被充电后,风送系统对雾滴进行二次雾化.这 样,荷电雾滴在电场和气流的作用下作定向运动飞向 地面靶标植物,受植物表面异性电荷的吸引,雾滴很 容易被植物表面所俘获.这样,雾滴在植物表面各个 部位的沉积率就会显着提高,尤其是植物叶片背面和 冠体内叶片;而且由于雾滴所带电荷相同,在到达植 物表面后不会产生聚集效应,从而其分布的均匀性大 为改善,达到提高有效用药量,降低成本和减少环境 污染的目的. ? l04? l2 1.药箱2.高压电源3.底座4.风机支架5.轴流风机 6.静电喷头7.筒管8.液管9.高压导线 l0.液泵11.电机12.液泵支架 图1风送静电喷雾系统 Fig.1Air—assistedelectrostaticspraying 2011年3月农机化研究第3期 该系统中的静电喷头是主要部件,其结构设计是 否合理直接影响到雾滴的荷电效果.该静电喷头采 用圆管状电极内嵌式安装,对雾滴形成感应充电.在 感应静电充电过程中,异性电荷相吸,同性电荷相斥 是感应充电的基本原理.如果要使雾滴荷上负电,静 电喷雾系统应使安装在喷嘴电极加上正电压,当雾滴 穿过电极时,电极与锥形液膜之间的电场使雾滴的负 电荷会暂时多于正电荷,也就是说,雾滴被感应上负 电.相反,如果要使雾滴荷上正电,静电喷雾系统应 该使喷嘴电极加上负电压.静电喷头如图2所示. 电极内嵌式静电喷头是由圆管状电极与电极支撑架, 喷嘴,过滤器,喷嘴体,压力调节阀组成.喷嘴通过外 螺纹安装在管形电极支撑架的轴心管内,而轴心管与 电极支撑架内壁之间有3个适当宽度的筋在圆周 120.均布,从而使喷嘴,电极,电极支撑架组装成为一 个轮状整体,这个轮式整体与喷嘴体采用螺纹连接. 喷嘴体前端安装有1枚过滤器和后端有11个封液 杆.封液杆后座安装有阀座弹簧,通过手动旋转压力 调节阀起到调节喷嘴喷雾压力和防上滴漏的作用. 工作时,液体在一定工作压力下来自药箱的液体通过 连接管进入喷头的伸出管,再由横向供液管进入供液 体内腔,经过滤器过滤后进人喷嘴而呈空心锥形雾体 喷出. 1.电极接线柱2.电极3.喷嘴4.过滤器5.供液体 6.供液管7.调节阀8.弹簧9.封液杆1O.伸出管 11.连接管12.电极支撑架 图2静电喷头 Fig.2Electrostaticnozzle 喷嘴内部的旋流器为一个圆锥形结构,与导流槽 可以提供一个空心锥的喷雾模式.雾体空心锥的内 角是在60.一90.之间,可使高速气流流过喷头时对雾 滴实现剪切和雾化,高速气流可以通过轴流风机产生 的向前运动的气流获得,这个内角随着所喷药液的黏 度和空气流速的不同而不同.该喷头的喷雾内角为 70.,80.,主要考虑角度太小容易导致雾滴不能充分 雾化,角度太大容易导致喷雾流体与电极接触. 喷嘴,供液体,压力调节阀,电极支撑架的材料是 绝缘性能良好的高强度硬质 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 塑料.电极是圆管 状的,材料为不锈钢,电极支撑架也是圆管状的,电极 嵌装在管状的电极支撑架的内壁,电极将喷嘴包含在 内并与喷嘴外周缘之间有足够的径向间隙,可以允许 空气层流通过电极.电极接线柱与直流高压电源的 正高压输出端连接,附加?2000,20O00V的高压,工 作时,在电极内壁与喷嘴外周之间的空间范围形成均 匀的静电高压电场,使空气分子电离产生游离电子, 这样使喷嘴喷出的雾滴瞬间带上电荷成为荷电雾滴. 2流场测试试验 2.1试验系统的确定 曾经有学者采用激光多谱勒测速系统进行了荷 电雾滴的流场测定,指出雾滴速度随距离的增加而逐 渐衰减,另外雾滴与气流的跟随性良好,绝大多数测 点的气流速度与雾滴速度非常接近J.本文是在前 人研究的基础上通过测量气流分布特性进一步获得 荷电雾滴的输运特性_6.试验系统如图3所示. 图3气流流场测试系统图 Fig.3Testsystemofairflowfield 多点风速仪显示值范围为35.0m/s,精度为 0.001m/s.轴流风机喷简中心离地高度为1.25m. 为调试方便,试验前在室内地面画线与风机轴线的投 影重合布置. 2.2射流风速分布 在试验条件下,研究静电喷头在高速气流作用下 产生的雾滴射流规律可以应用自由紊动射流理论规 律作为指导,来进一步改进喷雾性能,提高效率.为 了表示射流各段的风速分布特征,将距离风筒外边缘 不同位置处的风速分布绘制成实际射流特征示意图, 如图4所示. 从图4中可以看出,在主体段时,气流中心速度随 着距风口轴向距离的增加逐渐减小,射流截面直径则 随着距风口轴向距离越来越大. ? l05? 2011年3月农机化研究第3期 置,/Cfiq 图4射流主体段速度分布 Fig.4Airvelocitydistributionformain扣tsection 3荷电雾滴相对气流的跟随性运动分析 根据气体流场主体段速度分布图(如图4所示) 可以发现,气流的轴向速度占主要优势,对雾滴运动 速度的影响较大,因此本文着重分析轴向的气流速 度,雾滴速度,电场强度,荷质比和时间的关系.这里 设雾滴直径为d,雾滴质量m,雾滴密度P,雾滴的 轴向速度v,空气密度p,气流速度,,气体动力粘性 系数,,阻力系数C,雾滴荷电量q,沿轴向的电场强 度,则静电喷雾流场中荷电雾滴的运动方程为 = ?盯cI—vf---I(一vs-.一)+g (1) 该雾滴运动方程是非线性的常微分方程,这里采 用简便的局部近似解法卜”,解析式可写成 =一 (‰一.)e一半+警(1警)(2)— 式中一动量驰豫时间; ?,一时间步长. 其中,动量驰豫时间是常量,可表示为 一一盟一 18p~ICdR一3/.*iCdR 式中R一雾滴在气流中运动的雷诺数. ?为时间步长,即将雾滴粒子的飞行时间分成若 干个时间间隔,是定值.计算时可以对每个时间步长 内的粒子运动进行一定的简化,认为可以根据步初粒 子的运动状态确定步末粒子的运动状态. 这里初步选定以下参数后,进行分析:dp=8Om, P.:998.2×9.8N?s2/m, g:9.8N/kg,R:320,: 1.81×10,N?82/m, C=0.58.V=10kV. 荷质比q/m可以通过荷质比实验获得的回归公 式(4)计算出,即 q/m.=10.×e..?(4) 经计算后r=24ppd~=...248. 将初始条件代入式(3)可得 雎 :+6.74×10_’eIoo4E(5) 从而可以得到雾滴速度与气流速度,电场强度,距 离的显式表达式. 由式(5)可以看出,雾滴介入气流后,就能很快地 沿电场和流场的综合作用方向运动,即跟随性良好. 另外,电极产生的电场强度可根据沿轴向电场强度的 计算公式卜H计算出,当=0.1m,E=31356.24V/ m,则 6.74×10-5e一.?E一 :2.11m/s =18.61m/s 而当=2m,E:=20.462V/m,则 6.74×10-5e一.?叫E:1.37×10一m/s 这说明电场强度在轴线方向上衰减很快,即在 较远距离处,带电雾滴和不带电雾滴的轴线速度无明 显差别,并随着z的增大,雾滴速度接近气流速度.在 风送静电喷雾系统中,如果风机出口风速超过本设计 用轴流风机的风速,那么雾滴与气流的跟随性运动会 更加明显,采用研究气流速度分布规律近似看作雾滴 速度分布是合理的. 4结论 本文在设计风送静电喷雾机以及雾化装置的基 础上,开展了轴流风机流场分布的试验研究,探讨了 荷电雾滴相对气流的跟随性运动的特性.主要的研 究结论有: 1)本文中设计的雾化装置为电极内嵌式静电喷 头,采用感应充电模式可以使雾滴达到比较好的充电 效果. 2)通过多点风速仪对轴流风机流场分布进行了 测试,获得了气流轴向的速度分布以及不同输送距离 处的气流速度分布.经分析,荷电雾滴相对气流的跟 随性运动的特性,可知轴流风送静电喷雾的雾滴速度 与气流的跟随性良好,荷电雾滴与不带电雾滴的速度 非常接近. 3)风送静电喷雾技术可以大大地提高雾滴的穿 透性,在农林病虫害防治时可提高防治效果. 参考文献: [1]S.E.Law,S.C.Cooper,W.B.Law.Bipolarspraychar- gingforenhanceddepositionontononconductiveandeleetri一 ? 106? 2011年3月农机化研究第3期 callyisolatedtargets[D].Proc.CambridgeUniversityConf. onElectrostatics.BritishInst.ofPhysics,Scr,l999:243— 248. 郑加强.风送静电喷雾研究及其在灭蝗中的应用[D].镇 江:江苏工学院,1992. 何雄奎,严苛荣,储金宇,等.果园自动对靶静电喷雾机设 计与试验研究[J].农业工程,2003,19(6):78—80. 周浩生,陆继东.静电场对气动喷头雾化性能的影响研究 [J].华中理工大学,1998,26(3):56—58. 伍悦滨,朱蒙生.工程流体力学泵与风机[M].北京:化学 工业出版社,2000. 张沂泉.背负式弥雾喷粉机射流规律和射程的研究[J]. 南京林产工业学院,t983(7):119—139. 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AtomizingDeviceDesignandFlowDistributionof Air——assistedElectrostaticSprayingSystem RuYu,JiaZhicheng,WuShengli,WuXiaowei,FanQiangni (NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China) assistedelectrostaticsprayingtechn Abstract:Itiswideforegroundlhatair— ologyisappliedforpreventionandcure pestsinagricultureandforestry.Beaimedataxialair—assistedelectrostatics prayingsystem,aninlaycylinderacicular electrostaticnozzleswasdesigned.Thecylinderacicularisinductionchargingdeviceofthenozzleswhichcanmakesspra— yingdropletsmoreuniformlyanddropletschargingmoreeffectivelyandfully.Byamulti—pointairflowvelocitytestingin- strumenl,theairflowfieldoftheaxialfanwasmeasured,andtheairaxialvelocitydistributionsandairvelocitydistribu? tionsondifferentdepositionsinthemainjetwereobtained.Theresultsofthestudiesshowedthatfollowingcharacterof dropletsinairisbetterandairvelocitydistributionscanbemadedropletsmovingvelocitydistributionsduringair—-assis—- tedelectrostaticspraying.Itwilllaythefoundationforresearchingchargeddropletsmovinganddepositionregularitydeep- ly. Keywords:air—assisted;electrostaticspraying;flowdistribution ? 107? ]j1j]j