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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3.1.3 液体性质的影响
Buckner 和Sojka 研究发现牛顿流体的雾化SMD 比非牛顿流体的小；在较低压力（0.2-2.0MPa ）下，流体的粘性几乎不会影响雾滴大小。

Satapathy et al.发现在较高压力（11-13MPa ）下，雾滴直径会随液体粘度的增加而显著增加。

刘联胜、吴晋湘等对气泡雾化喷嘴在不同流体物性下的喷雾特性进行了研究，发现在相同气液质量流量比下, 随着液体动力粘度的增加, 液雾颗粒直径首先呈现逐渐增加的趋势, 在动力粘度达到一定值时, 液雾颗粒直径又有相对减小, 但是液雾颗粒平均直径的变化范围一般在10 µm 左右。

同时发现液体的表面张力是影响气泡雾化喷嘴雾化质量的重要因素之一, 液体的表面张力越大,液雾颗粒的直径越大[18]。

3.1.4 喷嘴结构的影响
气泡雾化喷嘴在结构上很明显的分为两类：内气外液式和外气内液式。

分别是气体通过小孔注入液体或者液体通过小孔注入气体中形成泡状流并在出口处雾化。

两者在雾化能力上没有太大的区别，但内气外液的形式更适于小流量。

大多数研究者认为出口直径与平均粒径无关，然而Wang 发现在最低的雾化压力下,小的直径能获得最好的雾化效果,而在较高的压力下,大的直径获得的雾化效果没有多大提高。

马培勇、仇性启也有类似发现[1, 19]。

J.S.Chin, A.H.Lefebvre 在已有研究成果的基础上对喷头结构对雾化性能的影响做了系统的研究。

指出喷嘴出口面积和空气注入口面积的最佳比值是气液质量比的6.3倍；内腔收敛角不大于120°，90°时可在获得较好流量特性的同时又可减小尺寸；出口长径比的减小会增强雾化效果，但建议不低于0.5。

Frederik Jacob Petersen 在内气外液型气泡雾化喷嘴的试验中还研究了空气注入口到喷嘴出口的距离对雾化性能的影响，发现对雾滴大小有一定影响但影响不大[20, 21]。

图5 环形出口喷嘴的液膜破碎过程
Fig 5 breakup of liquid-sheet of the annular-spout effervescent atomizer
刘联胜，傅茂林研究发现雾化器的结构尺寸对气泡雾化喷嘴的流量特性具有显著的影响,其中主要是空气注入截面积的影响,较大的空气注入截面积使喷嘴运行于较高的气液比下;而喷嘴注液孔截面积对喷嘴流量特性没有影响,但是较小的单孔截面积对混合室内泡状流的形成有利[22]。

刘联胜,吴晋湘对喷嘴混合室内的两相流型的研究发现，当混合室直径为30mm时,不论气液比如何调节都不能在混合室内形成稳定的泡状流。

当喷嘴采用直径为18mm的混合室时,雾化状况良好。

马培勇, 仇性启等将喷嘴内部气、液两相距离定为约110mm时,无论怎样匹配气、液参数不能在混合室内形成均匀的气泡流，将混合室的长度缩短至60mm,重新上述试验发现,在混合室内产生的气泡较前有明显增多,雾化效果得到明显改善。

这表明混合室的长度及直径对气泡喷嘴内的两相流态及其雾化特性有显著影响。

过大的混合室直径将导致气体和液体不能充分的混合，不均匀的泡状流导致了不好的雾化效果。

而如果混合室过长，特别是在水平喷射时，泡状流流动的距离过长，由于气泡的浮力导致气体在管路的上方积聚，泡状流会由均匀变得不均匀，同样雾化不好。

研究者还制作了小孔数目分别为60 和100 的气泡发生器,发现小孔数目为60的气泡发生器形成的气泡流优于小孔数目为100的气泡发生器，笔者认为过高的气流速度不利于气泡的产生所致[15, 19]。

3.2 雾滴速度及分布的研究
Panchagnula、Sojka与Sankar et al等研究了雾化压力对液滴速度的影响，发现增加雾化压力液滴速度会增加，他们还研究了气液比对速度的影响，发现随着气液比的增加速度稳步增加。

Panchagnula Sojka研究了外气内液型喷嘴的雾滴速度分布，发现雾滴速度随轴向距离和径向距离的增加速度逐渐减小，对内气外液型喷嘴的研究也有相似的结论[5]。

在喷嘴下方100mm处用激光衍射粒度仪测得的液雾颗粒沿径向的分布曲线,发现颗粒直径
沿径向呈现增大的趋势,。

对于水平喷射的喷嘴，除有上述特点外，喷嘴轴线下方的颗粒直径大于轴线上方的颗粒直径，小气液比时更明显。

岳连捷,俞刚还研究发现气泡雾化的液雾在轴线附近区域具有较小的尺度和较高的速度,但大部分液滴集中在接近液雾外围的低速区。

刘联胜、杨华等人的试验也有类似的发现[10, 16, 23, 24]。

3.3 喷雾锥角的研究
在中等压力下试验，Chen、Lefebvre发现气泡雾化角比压力雾化的大，这是因为气泡雾化器的出口气泡迅速膨胀的结果。

雾化角随着气液比的增加而增大，增到一定值后又开始减小。

Wade与Sovani等人在高压下进行了试验，观察到类似结果。

岳连捷采用的试验喷头当达到临界气液比时,在喷嘴出口处张角达到40°。

刘伟军等人[15]试验得到雾化角30°～55°，其流量密度分布均匀。

安恩科发现当气体压力大于0.5MPa以后,雾化角介于50°～60°,当气体压力小于等于0.4MPa 时,随着液体压力的增大,雾化角减小,这说明气体压
力和液体压力对喷雾雾化角都有一定的影响，但又不是单独的作用，该工况下,气体压力对雾化角的影响较明显。

气泡在出口处的爆炸是影响雾化角的重要因素，气泡蕴含的能量越大，由于爆炸作用会使雾化角越大，但如果液体的压力变大，液体的动量就变大，改变雾化角就需要更大的能量，所以雾化角是多种因素作用的结果[12, 25]。

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3.4 流量特性的研究
由于气体和液体在入口处容易造成封堵，气体和液体流量之间形成一个复杂的关系，不能单独控制其中的一个而不影响另一个。

液体流量主要受气液质量流量比和液体注入压力的影响。

气耗率随着气体压力的减小而减小,当气体压力保持不变时,液体流量随着液体压力的增大而增大,同时气耗率有所减小。

安恩科等试验中发现,当气体压力保持0.5MPa时,随着液体压力从
0.6MPa增大到1.5MPa,液体的流量增加近3倍,平均粒径和最大粒径都也有所增加但变化不大。

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。

这证明气泡雾化液体的推动力在于气液两相流中的气泡破裂,只要能形成气泡两相流,就可以得到较好的雾化效果,气泡雾化喷嘴具有良好的变负荷运行特性[10, 12]。

喷嘴出口流量系数也是评价一个喷头性能的重要指标，流量系数为实际流量与理论流量的比值。

理论流量可由伯努利方程求出，实际流量由试验测出。

研究证实气泡雾化喷嘴的出口流量系数比较低[12]。

4 气泡雾化喷头在施药技术中应用的可行性
目前，气泡雾化技术大多应用在诸如航空、发动机、重油雾化等领域，在农药喷施上还未见使用。

我国是一个农业大国，农药的施用情况在防治病虫害、增产丰收上的意义不言而喻。

根据气泡雾化喷嘴的工作原理，总结国内外研究者对气泡雾化喷嘴的雾化压力及颗粒粒径、雾化颗粒平均速度、喷雾角、流量特性等进行的研究，可以发现气泡雾化喷嘴是一种先进的喷头，能够高效雾化不同粘度的液体并且节约能源，笔者认为，完全可以将这种新型的喷头应用到农药施用上来，因为气泡雾化技术有着其他的雾化技术不可比拟的优点：
喷雾粒径小：雾滴可达几微米到几十微米。

生物最佳粒径理论(BQDS)认为,不同生物靶标捕获的雾滴粒径范围不同,只有在最佳粒径范围内,靶标捕获的雾滴数量最多,防治效果最佳,对于大多数生物靶标, 20～50um是最佳粒径范围。

雾滴直径小,就可以在作物表面得到很好的沉降和覆盖,并在作物丛中有较好的穿透性，防治效果好。

对于用触杀性农药防治害虫，必须击中害虫。

用小雾滴时因雾滴数量多，便有更多机会和害虫接触，如用大雾滴则情况相反，其防治效果就差。

喷施杀菌剂时也是如此，如是接触性杀菌剂，则应用细小雾滴，使雾滴分布均匀有很好的雾滴覆盖率，以取得更好的防治效果。

这种小雾滴不仅附着性能比较好，在喷洒时用水量也相对比较少。

雾炬可调：可以根据实际的需要调节气液比达到调节雾炬长度的目的，引入的气流对雾滴有一定的输送作用。

小雾滴虽然覆盖度大,靶标接触面大，但小雾滴有两个明显的弱点：一是相对表面积大，蒸发快。

直径小于100um的雾滴对相对湿度的降低敏感，蒸发很快。

二是受气流影响大,漂移严重,不易沉降,污染环境。

同时，包围在植株周围的静止空气的阻力使喷雾有向外扩张的趋势，要使雾滴穿透到作物的内部就需加大速度以加大穿透力，但光靠雾滴本身的能量和速度不行，小直径雾滴从喷嘴喷出时尽管初速度很高，但衰减很快，试验证明，使用扇形雾喷头喷雾时小于50um 的雾滴在沉积到靶标之前基本飘失，很难产生有效沉积。

解决上述问题的关键就是附加运载气流。

雾滴在气流输送下，能尽快达到目标物，减少蒸发。

小直径雾滴受风的影响大，运载气流可控制其喷施的方向，使用运载气流可维持其飞行速度，并改善小直径雾滴的穿透能力。

对于
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果树等冠状作物，辅助气流可以帮助药液穿透树冠，获得比没有运载气流更高的接触面积，增加药液在植物叶片背面和目标物上的沉降。

使用风机不仅能耗大，而且方向性差，气泡雾化喷头方向性好且调节容易。

雾化压力低：雾化所需要的气体和液体的压力范围在几十千帕到几十兆帕，很低的压力就可达到很好的雾化细度。

目前广泛应用的喷雾器的工作压力在0.2～0.5MPa之间，
因此没有工作压力上的限制；
耗气量少：由于雾化原理和结构形式的不同，使其耗气量明显低于传统的二相流喷头，喷雾经济性十分明显；
流体黏度影响小：气泡雾化是靠克服液体的表面张力雾化的，液体粘度几乎不影响其雾滴大小。

不同剂型的农药表面张力的差距不大，这将使得喷头有很大应用范围。

喷嘴出口大：由于流量系数比较低，使得出口比相同流量的其它型式喷雾器大，一个显而易见的优点是可以减轻堵塞；
综上所述，气泡雾化作为一种革新性的雾化技术，优点突出，同时满足农药施用上的工况和农艺要求，在精准施药、高效农业和农药残留备受关注的今天，气泡雾化技术必可在农业上得到应用。

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Effervescent Atomizers and the Prospect in Pesticide
Application
Zhan Qiang, Zeng Aijun, He Xiongkui, Song Jianli, Zhou Jizhon g
(Centre for Plant Protection Machiney and Application Technique of China Agriculture University)
Abstract
Introduced the working principle of effervescent atomizers, the structure, and the features, summarized the results of other people’s research work. The research indicates that effervescent atomizers may obtain the better atomization effect at low pressure and in small ALR situation compared with other twin-fluid nozzles, while its performance is strongly affected by the nozzle structure and the working condition. Combine the request of pesticide application, we analyze and draw the conclusion that this effervescent atomizer can be used in pesticide application.
Keywords：Effervescent Atomization; Nozzle; Pesticide Application
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