气泡雾化喷嘴及其在农业施药中应用的展望

气泡雾化喷嘴及其在农业施药中应用的展望1

战强，曾爱军，何雄奎，宋坚利，周继中

中国农业大学药械与施药技术中心，北京（100094）

摘要：介绍了气泡雾化喷头的雾化原理、结构特点和主要特点，总结了气泡雾化喷嘴试验研究的成果。研究表明，气泡雾化喷嘴可以在较低的压力和较小的气液质量比下获得很好的雾化效果，但喷嘴的结构参数和工况强烈影响其雾化性能。结合农业施药作业要求，分析得出气泡雾化喷头完全可以在农药施用技术上应用。

关键词：气泡雾化喷头施药

1 引言

气泡雾化是A. H. Lefebvre等人于1988 年首先提出的一种新的雾化方法，最开始被称作充气液力雾化(Aerated-liquid Atomization)。当时主要是为解决航空发动机喷嘴喷口由于燃油氧化生成难分解的物质堵塞喷嘴喷口的问题，但气泡雾化由于需要一个高压源限制了它在航空上的应用。然而，由于气泡雾化能够造成液体的二次雾化从而产生非常细的雾滴，从而使其在高粘度的重油、渣油燃烧器上得到了很大的发展。

20世纪90年代起我国一些学者对气泡雾化喷头进行了一些研究。研究表明，气泡雾化喷嘴相具有明显的优点：其雾化颗粒的索太尔平均直径SMD≤40µm，尺寸分布指数N> 2；喷嘴对液体粘度不敏感；雾化介质需要的压力低而耗量少；流量系数比较低，相对出口比其它型式喷雾器大等。

2 雾化机理

气泡雾化喷嘴的雾化机理完全不同于压力和气动雾化，它是把压缩空气以一定的方式混合到液体中，并使两者在喷嘴混合室内形成稳定的泡状两相流动。其机理在于气、液两相在混合室内形成气泡流动,气体的介入增加了出口处液体的流动速度,有助于液体的雾化,气体在喷嘴出口处对液体的挤压作用使液体形成液线,并且气泡因内外压力差的变化在出口处急剧膨胀直至爆炸,将液线炸成更小的颗粒[1, 2, 3]。

Lefebvre 等认为影响气泡雾化喷嘴雾化性能的主要因素有：①均匀泡状流的形成；②高速膨胀过程中气泡是否聚结；③气泡的大小和数量。这些因素不仅与流体的性质有关，还与喷嘴的结构形式、出口大小、工作参数以及空气的供给方式等因素密切相关。图1是气泡雾化喷嘴雾化过程图，图2是出口附近的压降情况[4, 5, 6]。

1基金项目：国家十五攻关项目(2004BA516A02，2001BA504B-05)；国家自然科学基金(301001130)

曾爱军*：博士，副教授，硕士生导师，北京市圆明园西路2号中国农业大学理学院，100094

Email：aijunz@。

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3 国内外研究现状

国内外学者对气泡雾化进行了广泛的研究，并已在很多领域得到了应用。国外的研究始于20世纪80年代，以A.H.Lefebvre 为代表的学者对其各个方面包括雾化性能及雾化机理进行了大量研究，国内对气泡雾化的研究主要是在北京航空航天大学和天津大学，研究得领域集中在航空、发动机、重油雾化等。从这些研究可看出，国内外研究者研究最多的是雾化颗粒的大小、速度分布、喷雾角、流量特性[7]。

3.1 雾化粒径的研究

雾化的粒径大小是评价喷嘴质量的重要指标，影响粒径大小的主要参数有注入压力、气液质量流量比、雾化液体性质和喷嘴内部结构等。

3.1.1 注入压力的影响

Lefebvre 的试验采用水作为雾化液体，较低的气体注入压力下进行试验，表明增大雾化压力雾化平均粒径会减小。在此压力下雾化压力对SMD （索太尔平均直径）的影响见图3[8]。

在高压下压力对粒径的影响，Satapathy.Wade 等人的试验和测量也得出了相似的结论，见图

4。但是对于高粘度的流体却有些不同，Buckner et al.等对水煤浆进行气泡雾化,发现对于高粘度流体SMD 明显不受雾化压力的影响。Sojka 、Geckler 等人也有类似的发现[9]。

图1 雾化机理

Fig 1 atomization mechanism 图 2 出口处的压力变化

Fig 2 Pressure jump at the nozzle exit

图3 SMD 随ALR 和压力的变化规律(低压)Fig3 variation of spray SMD with ALR and

pressure (low pressure) 图 4 SMD 随ALR 和压力的变化规律(高压) Fig 4 variation of spray SMD with ALR and pressure (high pressure)

刘联胜对小流量气泡雾化喷嘴进行了研究，得出了重要结论，他发现在气液注入压力差很小时就可以很好地雾化,雾滴直径均在80µm以下，只要气体能够进入液体并与之充分混合就可，高气液压差下的雾化粒径大于小压差时的粒径。原因是由于较高的气体流速尽管对液体的冲击和挤压强烈, 却不利于形成稳定的气液两相泡状流动, 未充分达到“气泡雾化”状态[10]。这些试验数据表明，用气泡雾化喷嘴在较低的压力（0.2～0.4MPa）下，就可以得到100µm以下的雾滴。

在冷态下，以压缩空气和动力粘性系数为250 Pa·s的调和机油为工质进行实验，刘联胜发现气压的增加会引起混合室压力升高，较高的混合室压力下的气泡具较高的膨胀能,即有较强的“爆炸”力,可将液膜或液滴炸得更加细微，另外, 混合室压力升高会使混合室内的两相流流速增加, 使气体在喷嘴出口处对液体的挤压、剪切作用加剧,加强了雾化效果[11]。

而安恩科用轻油和空气作为试验工质进行研究，发现当气体压力保持0.5MPa 时,随着液体压力从0.6MPa 增大到1.5MPa,雾化平均粒径SMD从77.49µm增大到94.49µm ,最大粒径从111µm 增大到158µm, 说明随液体压力增大,雾化粒径略有增加但变化不大。当油压保持不变时,随着气体压力的增大,平均粒径和最大粒径都减小[12]。

3.1.2 气液质量比的影响

气液质量比是一个重要的参数，因为在保证雾化粒径的情况下，它决定雾化气体的最少用量，气液质量比和雾化颗粒粒径有着非常密切的关系，见图3。可以看出，气泡雾化喷嘴的气液质量比到0.1～0.8时就可以很好的满足雾化要求。而一个传统型的小型气力雾化喷头要达到相同的雾化粒度需要的气液质量比须达到1.0～6.0，可见这种喷头的喷雾经济性是很明显[13]。

Roesler 、Lefebvre在0.001和Li等人在0.85的气液比下研究SMD的分布，试验表明SMD是气液比的非线性函数。一般都存在一个临界气液比值，小于这个值时，SMD随气液比的增加减小很快，超过这个值后，SMD随气液比的增加减小变慢。这个临界值随喷头的结构形式不同而有所不同。Frederik J. Petersen对水聚合物进行的气泡雾化试验中，得到了相似的结论[12, 14]。

当气液比较高时,刘联胜发现尽管在理论上混合室内的流型已经脱离泡状流区域, 但是雾化效果却很好。从照片上或通过连续放映底片均可以发现在混合室内存在大量微小气泡, 在喷嘴出口前部两相流体达到充分混合, 形成湍流度很强的泡状流体, 此时雾化状况良好。这说明两相流型图不能用来进行定量分析气泡雾化喷嘴混合室内气泡流型的形成条件[15]。

连捷, 俞刚的研究发现,气泡对液体射流的雾化具有较大的增强作用,而且存在一个临界气

液比,气液比过小,液雾会产生脉动振荡,且伴随有噪音,这是由于不连续的两相流态而造成液雾的不稳定;当气液比达到临界值后, 射流的雾化突然增强, 且运行稳定[16]。

刘联胜对环状出口气泡雾化喷嘴液膜破碎过程与喷雾特性进行的研究，得到了随着气液质量流量比从0增加到0. 072时膜壳破碎并最终雾化的图片，可以清楚地看到气液质量比的增加对雾化的巨大作用，见图5[17]。

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