面向喷头雾化性能测试的风洞设计
摘要：风洞是测试与空气有相对运动物体性能的重要试验设备，它能提供不同环境下的各种情况，因此它在研究航空航天器及交通车辆空气动力特性、地面建筑物的风载性能以及大气环境控制、植保等领域中被广泛应用。现如今农药喷洒作业中雾滴飘移与非靶标沉积引起的环境污染问题比较严重，运用计算机模型来分析和预测喷头雾化性能和雾滴飘移沉积情况已成为施药决策和处理相关纠纷的重要手段。对此，利用风洞的特性，模拟出各个环境，测试不同情况下各类喷头喷出的雾滴尺寸及其效果，对所测得的数据进行处理，以此来测试喷头的雾化性能。
关键词：喷头；雾化性能；风洞；雾滴尺寸
- 研究的目的和意义
风洞是测试与空气有相对运动物体性能的重要试验设备，它在研究航空航天器及交通车辆空气动力特性、地面建筑物的风载性能以及大气环境控制、植保等领域中被广泛应用。农药雾滴的飘移问题一直是农业工程领域重点关注的问题之一。
农药雾滴飘移在农药施用技术中占有非常重要的地位，减少雾滴飘移、提高农药在靶标上的沉积已成为中国植保机械与施药技术领域的研究重点。影响农药雾滴飘移的因素有很多，如雾滴在空气中的运动特性、喷洒流量、喷头类型、驱动压力、环境因素等。为了解决这些问题，美国环保部提出了飘移减少技术的草案，其中重要组成部分就是测量出实际作业中喷头的雾滴粒径分布，并建立相应的数据库。测试实际操作过程中的喷头雾滴粒径分布和喷雾飘移沉积，其研究手段主要有仿真模拟、田间试验和风洞试验等方法。田间飘移试验可以真实的反映雾滴飘移特性，但由于其影响因素如风速、风向等在实际作业过程中是无法控制的，使得试验重复差异性大；仿真模拟很难对气流参数、外界环境等因素进行综合考虑评价，导致其只能进行定性分析，并不能指导实际生产；风洞试验通过模拟田间实际作业条件，可准确控制风速、风向等作业参数，避免外界条件对试验重复性的影响，具有很好的可控性并可指导植保机具在生产实际中的应用。目前我国小型风洞实验台大部分从国外进口，价格昂贵。风洞可以用来模拟自然界的流场，创造真实的环境，准确控制风速风向等参数，试验重复性好，对建立喷头雾滴粒径分布数据库十分有利。因此，设计制作满足使用需求的小型低速风洞实验台具有现实意义。国内外学者利用风洞进行研究，在农药沉积、飘失规律研究、产品检测、产品优化中做出了重要贡献。
- 国内外研究现状
2.1喷头及其雾化性能
喷雾质量的好坏主要是由雾滴分布的均匀性、雾滴的飘移性和雾滴对目标的覆盖率决定的。所以说，喷头对喷雾质量的好坏起着至关重要的作用。雾滴的大小、密度、分布状况等在很大程度上都决定于喷头的类型、大小和质量。它也是喷雾装置中最为重要的部件之一[1]。总结前人的成果，国内外喷头已经有了跨越性的发展，喷头的设计理念也基本趋于成熟，与各种喷雾技术相得益彰，大大促进了农林业发展，带来了巨大的经济效益和社会效益。但这并不意味着喷头就没有发展空间了，随着喷雾技术的发展以及应用场合的不同，必然会对喷头有新的要求[2]。
国外十分重视农药喷洒作业中雾滴飘移与非靶标沉积引起的环境污染问题，运用计算机模型来分析和预测喷头雾化性能和雾滴飘移沉积情况已成为施药决策和处理相关纠纷的重要手段[3]。Czaczyk[4]对气吸型喷头和非气吸型喷头在不同风速下的雾滴粒径进行了测试，结果表明喷头结构不同雾化出的雾滴粒径不同，且测试环境的风速也能影响雾滴粒径测量值；Hermansky[5]与A. Hewitt[6]研究表明药液动态表而张力的降低有利于扇形雾喷头及圆锥雾喷头产生更多细雾。态表面张力发生变化，雾滴的人小和液膜的厚度也均有一显著变化；Mille[7]针对常用液力式喷头、防飘喷头等研究农药剂型如何影响喷头雾化进行相关研究，分析了液膜结构及液膜长度变化所带来雾滴粒径及雾滴速度及雾滴谱变化，同时对不同农药剂烈药液雾化后飘失情况进行比对。
国内很多学者都开展了喷头雾化性能和雾滴沉积飘移的研究。宋坚利与张京等[8,9]在2011年就喷头类型对雾滴粒径、速度、液膜区夹带气流、雾滴空间分布与雾滴速度空间分布进行了研究，通过分析揭示了雾滴特性对雾滴沉积飘失的影响；罗瑶[10]对切向离心式喷头、涡流片式喷头和涡流芯式喷头的内部流场进行了数值模拟，结果表明喷头类型和喷口大小都会影响到喷头内部的流场分布，进而影响喷头雾化出的雾滴粒径和速度；谢晨[11]等人于2013年就国内常用的两类液力式喷头雾化液膜与喷头类刑、喷雾压力关系进行研究，以及其对雾滴粒径的影响提供量化分析数据。
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