植 保 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 與 前 景 劉 興 華 1,2 , 劉 雪 美 1,2 , 苑 進(jìn) 1,2 , 趙 新 學(xué) 1,2 (1. 山 東 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 械 與 電 子 工 程 學(xué) 院, 山 東 泰 安 271018; 2. 山 東 省 園 藝 機(jī) 械 與 裝 備 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室, 山 東 泰 安 271018) 摘 要: 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 作 為 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 的 先 進(jìn) 植 保 技 術(shù), 相 比 于 普 通 噴 霧 施 藥 技 術(shù) 在 霧 滴 沉 積 率、 分 布 均 勻 性 和 藥 液 利 用 率 等 方 面 體 現(xiàn) 出 較 好 的 改 善 效 果, 是 未 來 農(nóng) 業(yè) 可 持 續(xù) 發(fā) 展 過 程 中 實(shí) 現(xiàn) 節(jié) 能 減 藥、 降 本 增 效 的 重 要 技 術(shù) 手 段。 為 此, 對 植 保 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 的 發(fā) 展 進(jìn) 程 進(jìn) 行 了 詳 細(xì) 梳 理, 對 比 介 紹 和 分 析 了 靜 電 噴 霧3 種 荷 電 方 式 的 基 本 電 工 學(xué) 原 理 及 其 技 術(shù) 優(yōu) 缺 點(diǎn); 追 溯 和 介 紹 了 國 內(nèi) 外 學(xué) 者 在 藥 液 荷 電 霧 化、 荷 電 霧 滴 輸 運(yùn)、 荷 電 霧 滴 與 靶 標(biāo) 的 交 互 沉 積3 個 方 面 的 研 究 進(jìn) 展, 并 簡 要 介 紹 了 國 內(nèi) 外 已 有 的 植 保 靜 電 噴 霧 商 業(yè) 化 產(chǎn) 品 和 各 式 靜 電 噴 霧 樣 機(jī); 同 時, 深 入 剖 析 了 植 保 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 研 究 和 應(yīng) 用 中 存 在 的 問 題, 探 討 了 后 續(xù) 研 究 中 亟 需 解 決 的 難 點(diǎn) 和 未 來 可 行 的 應(yīng) 用 模 式, 以 期 為 植 保 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 的 后 續(xù) 研 究 和 應(yīng) 用 提 供 借 鑒 與 參 考。 關(guān) 鍵 詞: 植 物 保 護(hù); 靜 電 噴 霧; 霧 滴 荷 電; 航 空 植 保 中 圖 分 類 號: S233.3 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼: A 文 章 編 號:1003-188X(2019)02-0008-07 0 引 言 在 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 過 程 中, 化 學(xué) 農(nóng) 藥 防 治 仍 是 有 效 防 治 各 類 病 蟲 害、 確 保 農(nóng) 業(yè) 穩(wěn) 產(chǎn) 增 產(chǎn) 的 必 要 手 段。 然 而, 由 于 國 內(nèi) 植 保 施 藥 技 術(shù) 及 機(jī) 具 的 相 對 落 后, 噴 施 農(nóng) 藥 的 有 效 利 用 率 只 有20%30%, 遠(yuǎn) 低 于 發(fā) 達(dá) 國 家 60%70% 1 。 農(nóng) 藥 使 用 量 大、 施 藥 方 法 不 科 學(xué)、 利 用 率 低 的 問 題 日 益 嚴(yán) 重, 造 成 農(nóng) 業(yè) 面 源 污 染, 影 響 農(nóng) 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 安 全, 危 害 人 體 健 康, 威 脅 農(nóng) 業(yè) 可 持 續(xù) 發(fā) 展 2-4 。 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 利 用 不 同 的 荷 電 方 式 實(shí) 現(xiàn) 霧 滴 的 有 效 荷 電, 荷 電 霧 滴 在 風(fēng) 力、 靜 電 場 力 及 重 力 等 因 素 的 共 同 作 用 下 向 靶 標(biāo) 作 物 運(yùn) 動。 根 據(jù) 靜 電 感 應(yīng) 原 理, 荷 電 霧 滴 與 靶 標(biāo) 作 物 相 互 靠 近 過 程 中, 作 物 葉 片 表 面 會 感 應(yīng) 出 與 荷 電 霧 滴 等 量 的 異 號 電 荷, 荷 電 霧 滴 在 電 場 力 作 用 下 不 但 可 以 實(shí) 現(xiàn) 在 靶 標(biāo) 作 物 葉 片 正 面 的 沉 積, 也 會 在“ 環(huán) 繞 吸 附” 作 用 下 在 葉 片 背 面 及 植 株 中 下 層 的 沉 積。 據(jù) 國 內(nèi) 外 試 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 統(tǒng) 計(jì), 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 能 夠 提 高 藥 液 沉 積 密 度2 倍 以 上, 防 治 效 果 提 升1.52 倍, 施 藥 用 量 節(jié) 約50% 以 上。 因 此, 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 作 為 一 種 高 效 的 植 保 噴 霧 技 術(shù), 能 夠 有 效 提 高 藥 液 霧 化 收 稿 日 期: 2017-12-05 基 金 項(xiàng) 目: 國 家 自 然 科 學(xué) 基 金 項(xiàng) 目(51475278) 作 者 簡 介: 劉 興 華(1988-), 男, 山 東 青 島 人, 碩 士,(E-mail)lxh9357 163.com。 通 訊 作 者: 劉 雪 美(1973-), 女, 山 東 泰 安 人, 教 授, 博 士 生 導(dǎo) 師, 博 士, (E-mail)lxmywj126.com。 水 平、 減 少 藥 液 的 飄 逸 損 失、 增 加 藥 液 在 靶 標(biāo) 作 物 上 的 沉 積 均 勻 性, 是 解 決 我 國 植 保 施 藥 諸 多 問 題 的 有 效 方 法, 是 實(shí) 現(xiàn) 國 家“ 十 三 五” 規(guī) 劃 中 對 全 國 農(nóng) 藥 用 量 逐 年 降 低 目 標(biāo) 的 重 要 手 段 4-6 。 由 于 具 備 上 述 諸 多 優(yōu) 勢, 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 的 開 發(fā) 和 應(yīng) 用 工 作 多 年 來 一 直 受 到 國 內(nèi) 外 學(xué) 者 的 廣 泛 關(guān) 注。 1 霧 滴 荷 電 基 本 原 理 對 于 植 保 靜 電 噴 霧 過 程, 藥 液 的 有 效 荷 電 是 后 續(xù) 環(huán) 節(jié) 的 前 提 和 基 礎(chǔ)。 其 荷 電 方 法 主 要 有3 種, 即 電 暈 荷 電、 接 觸 荷 電 和 感 應(yīng) 荷 電 7 。 1) 電 暈 荷 電 方 式 是 將 靜 電 高 壓 加 在 距 離 較 近 的 兩 電 極 上, 其 中 針 狀 電 極 處 會 發(fā) 生 電 暈 放 電 使 電 極 周 圍 空 氣 發(fā) 生 電 離, 從 而 在 尖 端 電 極 周 圍 形 成 帶 電 自 由 離 子 動 區(qū) 域。 從 噴 頭 處 噴 出 的 霧 滴 在 經(jīng) 過 上 述 帶 電 自 由 離 子 活 動 區(qū) 域 時 會 與 帶 電 自 由 離 子 相 結(jié) 合, 從 而 使 霧 滴 荷 電。 2) 接 觸 荷 電 方 式 是 將 霧 化 噴 頭 直 接 接 高 壓 電 源 的 正 極 或 負(fù) 極, 電 源 另 一 極 接 地, 藥 液 在 霧 化 形 成 霧 滴 時 從 噴 頭 處 帶 走 一 定 量 的 正 電 荷 或 負(fù) 電 荷, 從 而 完 成 荷 電 過 程。 3) 感 應(yīng) 荷 電 方 式 是 將 高 壓 電 接 在 霧 化 噴 頭 和 外 部 環(huán) 形 電 極 間, 根 據(jù) 靜 電 感 應(yīng) 原 理 在 霧 化 噴 頭 表 面 和 環(huán) 形 電 極 上 會 感 應(yīng) 出 等 量 的 異 號 電 荷, 霧 滴 在 脫 離 霧 化 噴 頭 時 會 帶 走 噴 頭 表 面 的 部 分 電 荷, 從 而 完 成 荷 電 過 程。 3 種 荷 電 方 式 中, 電 暈 荷 電 方 式 為 產(chǎn) 生 電 暈 放 電, 8 2019 年2 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第2 期 尖 端 電 極 的 電 壓 一 般 需20kV 及 以 上, 其 優(yōu) 勢 是 可 以 直 接 用 于 現(xiàn) 有 噴 頭 上, 劣 勢 是 電 暈 放 電 現(xiàn) 象 對 作 業(yè) 安 全 有 一 定 威 脅, 并 且 不 易 實(shí) 現(xiàn) 較 好 的 荷 電 效 果; 接 觸 荷 電 方 式 的 工 作 電 壓 一 般 在20kV 左 右, 并 且 要 求 藥 液 箱、 藥 業(yè) 管 路 及 霧 化 噴 頭 對 地 絕 緣, 設(shè) 備 的 絕 緣 成 本 較 高; 感 應(yīng) 荷 電 方 式 的 工 作 電 壓 較 低,12kV 電 壓 即 可 實(shí) 現(xiàn) 較 理 想 的 荷 電 效 果, 藥 液 箱、 噴 頭 等 設(shè) 備 無 需 對 地 絕 緣, 應(yīng) 用 范 圍 廣, 是 目 前 業(yè) 內(nèi) 學(xué) 者 的 研 究 重 點(diǎn)。 2 國 外 靜 電 噴 霧 理 論 研 究 現(xiàn) 狀 由 于 靜 電 霧 化 技 術(shù) 在 靜 電 噴 漆、 霧 化 燃 燒、 靜 電 印 刷 和 植 保 噴 霧 等 多 方 面 應(yīng) 用 中 所 體 現(xiàn) 出 的 優(yōu) 勢, 國 外 學(xué) 者 對 靜 電 霧 化 過 程 進(jìn) 行 了 廣 泛 研 究。 20 世 紀(jì)60 年 代 以 來, 國 外 學(xué) 者 對 植 保 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 進(jìn) 行 了 深 入 研 究, 研 究 范 圍 主 要 包 括 荷 電 霧 化 過 程、 荷 電 霧 滴 空 間 移 動 規(guī) 律 和 荷 電 霧 滴 與 植 株 交 互 行 為 分 析 等 方 面。 1982 年, 美 國 學(xué) 者S.E.Law 等 人 根 據(jù) 前 人 研 究 基 礎(chǔ) 首 次 提 出 了 一 種 氣 力 式 感 應(yīng) 靜 電 霧 化 噴 頭 結(jié) 構(gòu), 從 理 論 和 技 術(shù) 兩 個 層 面 對 霧 化 機(jī) 理、 荷 電 極 限、 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)、 電 路 設(shè) 計(jì) 和 空 氣 動 力 學(xué) 設(shè) 計(jì) 等 內(nèi) 容 進(jìn) 行 了 論 述, 在 荷 電 性 能 試 驗(yàn) 中 荷 質(zhì) 比 達(dá) 到4.8mC/kg, 荷 電 性 能 達(dá) 到 電 暈 荷 電 方 式 的2.4 倍 7 。 沉 積 試 驗(yàn) 表 明: 荷 電 霧 滴 具 有 更 容 易 在 靶 標(biāo) 背 面 沉 積, 沉 積 均 勻 性 提 高 明 顯; 但 靜 電 噴 頭 存 在 可 靠 性 差, 容 易 發(fā) 生 反 向 電 離 等 問 題。 Law 等 繼 續(xù) 研 究 了 荷 電 霧 滴 云 的 空 間 電 位 分 布, 并 以 荷 電 霧 滴 云 電 荷 密 度 為 主 要 參 數(shù) 分 析 了 荷 電 霧 滴 云 對 荷 電 效 果 的 影 響, 在 考 慮 了 反 向 電 離、 霧 滴 云 空 間 電 位 及 大 田 惡 劣 作 業(yè) 環(huán) 境 等 因 素 的 基 礎(chǔ) 上 于 1988 年 申 請 了 氣 力 式 靜 電 霧 化 噴 頭 專 利, 在1.4kV 電 壓 下 霧 滴 的 平 均 荷 質(zhì) 比 達(dá) 到10mC/kg 8-9 , 基 本 滿 足 了 靜 電 噴 霧 的 荷 質(zhì) 比 需 求。 Patel 等 通 過 對 比 試 驗(yàn) 研 究 了 感 應(yīng) 電 極 材 質(zhì) 對 荷 電 效 果 的 影 響, 發(fā) 現(xiàn) 鍍 鎳 銅 電 極 相 比 于 純 銅、 黃 銅( 銅70%, 鋅30%) 和 鋁 等 材 料 有 更 好 的 荷 電 效 果, 其 荷 質(zhì) 比 在3kV 電 壓 下 達(dá) 到 了1.2 mC/kg 10 , 在 業(yè) 界 首 次 表 明 了 電 極 材 料 對 荷 電 效 果 存 在 影 響, 遺 憾 的 是 其 內(nèi) 在 機(jī) 理 并 沒 有 詳 細(xì) 闡 述。 隨 后, 結(jié) 合 印 度 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 特 點(diǎn) 和 農(nóng) 藝 需 求,Patel 又 設(shè) 計(jì) 了 一 種 氣 力 式 靜 電 感 應(yīng) 霧 化 噴 頭, 經(jīng) 合 理 選 取 結(jié) 構(gòu) 和 作 業(yè) 參 數(shù) 后 荷 質(zhì) 比 也 達(dá) 到10mC/kg 11-12 。 后 續(xù) 試 驗(yàn) 進(jìn) 一 步 表 明: 輔 助 氣 流 壓 力、 噴 霧 距 離 等 參 數(shù) 對 荷 質(zhì) 比 存 在 顯 著 影 響, 為 靜 電 噴 霧 施 藥 參 數(shù) 選 取 提 供 重 要 參 考。 針 對 氣 力 式 靜 電 噴 頭 工 作 過 程 中 易 出 現(xiàn) 的 反 向 電 離 問 題,Jae-DukMoon 等 韓 國 學(xué) 者 設(shè) 計(jì) 了 一 種 新 型 氣 力 式 靜 電 感 應(yīng) 噴 頭 結(jié) 構(gòu), 將 高 壓 電 極 環(huán) 安 裝 在 噴 體 框 架 外 側(cè), 框 架 筒 壁 可 以 有 效 避 免 荷 電 霧 滴 在 電 極 環(huán) 上 的 沉 積 及 其 引 發(fā) 的 反 向 電 離 難 題 13 ; 然 而, 筒 壁 亦 導(dǎo) 致 夾 層 極 化 現(xiàn) 象 產(chǎn) 生, 不 利 于 霧 滴 的 有 效 荷 電, 該 結(jié) 構(gòu) 實(shí) 用 性 有 待 驗(yàn) 證。 荷 電 霧 滴 形 成 后, 在 向 靶 標(biāo) 作 物 運(yùn) 移 過 程 中 受 自 然 環(huán) 境 條 件 影 響, 會 出 現(xiàn) 電 荷 損 耗 現(xiàn) 象, 對 霧 滴 的 最 終 附 著 和 沉 積 影 響 較 大。 Law 等 分 析 了 霧 滴 蒸 發(fā)、 空 間 自 由 離 子 中 和、 霧 滴 瑞 利 極 限 和 霧 滴 云 對 接 地 尖 端 氣 隙 放 電 等 因 素, 得 出 荷 電 霧 滴 云 形 成 的 空 間 電 場 作 用 下 荷 電 霧 滴 對 植 株 尖 端 等 物 體 的 放 電 現(xiàn) 象 是 導(dǎo) 致 霧 滴 電 荷 量 損 耗 高 達(dá)80% 的 主 要 原 因, 并 嘗 試 了 抑 制 尖 端 放 電 的 不 同 措 施, 然 而 效 果 并 不 顯 著 14-17 。 因 此, 上 述 由 于 尖 端 放 電 導(dǎo) 致 的 荷 電 霧 滴 電 荷 損 耗 問 題 還 需 要 植 保 科 研 人 員 繼 續(xù) 進(jìn) 行 研 究 和 探 索。 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 使 得 藥 液 霧 化 效 果 較 好, 霧 滴 粒 徑 較 小, 有 利 于 均 勻 沉 積, 然 而 其 霧 滴 漂 移 問 題 應(yīng) 引 起 重 視。 Patel 針 對 這 一 問 題 設(shè) 計(jì) 了 一 種 可 安 裝 在 靜 電 感 應(yīng) 噴 頭 外 部 的 附 加 氣 流 噴 射 裝 置, 其 氣 流 入 射 錐 角 在025 范 圍 可 調(diào), 從 而 加 快 荷 電 霧 滴 云 向 目 標(biāo) 作 物 的 運(yùn) 輸, 并 可 控 制 霧 滴 的 覆 蓋 范 圍, 提 高 了 荷 電 霧 滴 云 的 防 漂 移 能 力 18 。 荷 電 霧 滴 云 經(jīng) 過 輸 運(yùn) 后 到 達(dá) 靶 標(biāo) 位 置, 其 與 靶 標(biāo) 作 物 相 互 作 用, 從 而 實(shí) 現(xiàn) 各 部 位 的 均 勻 沉 積 是 靜 電 噴 霧 的 最 終 目 標(biāo)。 Law 總 結(jié) 多 年 的 靜 電 噴 霧 研 究 工 作, 于2001 年 提 出 大 田 植 保 作 業(yè) 過 程 中 靜 電 噴 霧 方 式 應(yīng) 與 氣 流 輔 助 方 式 相 結(jié) 合, 利 用 輔 助 氣 流 將 荷 電 霧 滴 輸 運(yùn) 到 植 株 冠 層, 然 后 在 靜 電 場 力 作 用 下 實(shí) 現(xiàn) 荷 電 霧 滴 在 冠 層 各 部 位 的 均 勻 沉 積。 大 量 的 靜 電 噴 霧 試 驗(yàn) 表 明: 霧 滴 粒 徑 在3050m、 剩 余 荷 質(zhì) 比 大 于2mC/kg 時, 荷 電 霧 滴 能 夠 實(shí) 現(xiàn) 較 好 的 沉 積 效 果 19-20 。 Maski 等 印 度 學(xué) 者 試 驗(yàn) 研 究 了 電 極 電 壓、 藥 液 物 化 特 性、 施 藥 速 度、 施 藥 作 物 高 度 及 方 位 對 作 物 葉 片 正 面、 背 面 的 沉 積 效 果 的 影 響, 結(jié) 果 表 明: 電 極 電 壓、 藥 液 流 量、 藥 液 物 化 特 性 等 參 數(shù) 顯 著 影 響 霧 滴 荷 質(zhì) 比, 施 藥 速 度、 作 物 高 度 及 方 位 亦 給 霧 滴 沉 積 帶 來 明 顯 影 響 21-22 。 上 述 研 究 結(jié) 果 為 靜 電 噴 霧 作 業(yè) 時 不 同 作 業(yè) 環(huán) 境 下 工 況 參 數(shù) 的 合 理 選 取 提 供 重 要 依 據(jù)。 除 對 上 述 靜 電 噴 霧3 個 階 段 外, 國 外 學(xué) 者 亦 對 靜 電 噴 霧 數(shù) 值 仿 真、 靜 電 高 壓 發(fā) 生 裝 置 等 方 面 進(jìn) 行 了 研 究。 西 班 牙 學(xué) 者Grifoll 等 將 荷 電 霧 滴 云 視 為 一 連 續(xù) 體, 提 出 采 用 平 均 靜 電 場 的 思 想 進(jìn) 行 荷 電 霧 滴 運(yùn) 動 路 徑 的 仿 真 分 析, 以 克 服 傳 統(tǒng) 拉 格 朗 日 離 散 相 模 型 在 仿 真 荷 電 霧 滴 間 交 互 影 響 過 程 中 計(jì) 算 量 過 大、 計(jì) 算 用 時 過 長 的 弊 端 23 , 為 靜 電 噴 霧 仿 真 研 究 提 供 了 新 的 解 9 2019 年2 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第2 期 決 方 案, 可 以 為 靜 電 噴 霧 理 論 的 研 究 節(jié) 約 大 量 仿 真 用 時 和 計(jì) 算 資 源。 Patel 等 設(shè) 計(jì) 了 一 種 適 用 于 感 應(yīng) 靜 電 噴 霧 的 高 壓 電 發(fā) 生 裝 置, 其 輸 出 電 壓 能 在 較 高 的 頻 率 范 圍 內(nèi) 保 持 穩(wěn) 定, 帶 負(fù) 荷 運(yùn) 行 時 其 電 壓 紋 波 和 電 壓 損 失 滿 足 系 統(tǒng) 要 求 24 。 3 國 內(nèi) 植 保 靜 電 噴 霧 理 論 研 究 現(xiàn) 狀 我 國 對 植 保 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 的 研 究 起 步 較 晚。 20 世 紀(jì)70 年 代 末, 國 內(nèi) 學(xué) 者 開 始 涉 足 該 領(lǐng) 域, 從 霧 滴 粒 徑、 荷 質(zhì) 比、 沉 積 分 布 規(guī) 律 等 方 面 對 植 保 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 開 展 研 究, 并 針 對 不 同 靶 標(biāo) 作 物 進(jìn) 行 了 靜 電 噴 霧 性 能 和 病 蟲 害 防 治 效 果 測 試 及 參 數(shù) 測 定。 于 水 等 對 荷 電 霧 滴 的 二 次 霧 化 破 碎 機(jī) 理 進(jìn) 行 了 建 模 分 析, 并 得 出 了 臨 界 荷 質(zhì) 比 和 霧 滴 粒 徑 的 關(guān) 系 25 , 為 霧 滴 粒 徑 譜 與 荷 質(zhì) 比 的 合 理 選 取 和 確 定 提 供 依 據(jù)。 霍 元 平 等 進(jìn) 行 了 荷 電 液 滴 的 破 碎 機(jī) 理 及 電 流 體 動 力 學(xué) 特 性 的 研 究, 利 用 顯 微 高 速 攝 像 和PIV 技 術(shù) 捕 捉 微 射 流 演 變 過 程 及 荷 電 霧 滴 形 成 過 程 26 ; 研 究 過 程 中, 顯 微 高 速 攝 像 技 術(shù) 和PIV 技 術(shù) 的 成 功 運(yùn) 用 對 后 續(xù) 靜 電 霧 化 過 程 和 霧 滴 流 場 研 究 具 有 重 要 參 考 價 值。 2010 年, 陳 匯 龍 等 利 用FLUENT 軟 件 對 感 應(yīng) 荷 電 噴 霧 中 噴 嘴 與 環(huán) 形 電 極 間 的 靜 電 場 進(jìn) 行 了 數(shù) 值 模 擬 27 , 利 用FLUENT 軟 件 仿 真 分 析 數(shù) 據(jù) 豐 富、 可 信 度 高 的 優(yōu) 勢 分 析 了 靜 電 場 的 分 布 特 性, 仿 真 結(jié) 果 表 明: 改 變 靜 電 場 的 分 布 特 性 改 善 荷 電 效 果, 為 噴 頭 電 極 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 的 設(shè) 定 提 供 依 據(jù)。 王 曉 英 等 則 利 用Ansoft Maxwell 專 業(yè) 電 磁 場 分 析 軟 件 對 噴 頭 的 靜 電 場 進(jìn) 行 了 數(shù) 值 模 擬, 仿 真 結(jié) 果 明 確 了 電 極 布 置 情 況 對 靜 電 場 分 布 的 影 響, 試 驗(yàn) 結(jié) 果 證 明 了 不 同 電 極 布 置 情 況 下 電 場 強(qiáng) 度 的 變 化 過 程 及 其 對 荷 質(zhì) 比 的 影 響 28 。 茹 煜 等 也 利 用AnsoftMaxwell 軟 件 對 提 出 的 圓 錐 管 狀 電 極 結(jié) 構(gòu) 的 電 場 分 布 特 性 進(jìn) 行 了 仿 真 分 析, 并 結(jié) 合 試 驗(yàn) 手 段 得 出 了 最 佳 感 應(yīng) 荷 電 區(qū) 域, 試 驗(yàn) 中10kV 電 壓 下 荷 質(zhì) 比 達(dá) 到2.13mC/kg 29 。 賈 首 星、 高 雄 等 人 分 別 研 究 了 液 壓、 氣 壓、 荷 電 電 壓、 氣 候 等 因 素 對 霧 化 效 果 及 荷 電 效 果 的 影 響, 并 得 出 了 最 佳 的 工 作 參 數(shù) 組 合 30-32 。 試 驗(yàn) 中 最 佳 工 作 參 數(shù) 的 獲 得 對 國 內(nèi) 靜 電 植 保 作 業(yè) 具 有 重 要 實(shí) 用 價 值。 先 進(jìn) 試 驗(yàn) 測 試 技 術(shù) 和 工 具 的 運(yùn) 用 為 研 究 荷 電 霧 滴 云 的 運(yùn) 移 規(guī) 律、 飄 移 特 點(diǎn) 等 工 作 提 供 了 有 力 工 具。 王 貞 濤 等 利 用PDPA 技 術(shù) 分 析 了 雙 流 體 荷 電 噴 霧 過 程 中 不 同 荷 電 電 壓 下 噴 霧 流 場 中 霧 滴 粒 徑、 霧 滴 速 度 的 分 布 規(guī) 律, 并 研 究 了 輔 助 氣 流 和 靜 電 場 對 霧 滴 運(yùn) 動 的 影 響 33 。 顧 萬 玉 等 研 究 了 接 觸 式 荷 電 方 式 下 靜 電 噴 霧 流 場 特 性 和 沉 積 特 性, 開 發(fā) 了 集 中 接 觸 式 荷 電 裝 置, 并 利 用PIV 系 統(tǒng) 和 激 光 粒 度 分 析 儀 分 析 了 充 電 電 壓、 噴 霧 壓 力 等 變 量 對 粒 徑 分 布、 霧 化 角、 霧 滴 速 度 場 等 參 數(shù) 的 影 響 34 。 楊 洲 等 考 慮 自 然 風(fēng) 對 霧 滴 飄 移 的 影 響, 研 究 不 同 側(cè) 風(fēng) 風(fēng) 速 和 靜 電 電 壓 對 噴 桿 式 靜 電 噴 霧 模 式 下 霧 滴 漂 移 的 影 響 規(guī) 律, 試 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明: 靜 電 電 壓 的 提 高 可 以 減 小 霧 滴 粒 徑, 并 提 高 霧 滴 荷 質(zhì) 比, 不 同 側(cè) 風(fēng) 風(fēng) 速 下 靜 電 噴 霧 的 霧 滴 飄 移 中 心 距 和 飄 失 率 較 非 靜 電 噴 霧 有 增 大 的 趨 勢 35 。 在 荷 電 霧 滴 與 靶 標(biāo) 作 物 交 互 沉 積 方 面, 國 內(nèi) 學(xué) 者 利 用 試 驗(yàn) 手 段 探 究 了 各 種 作 業(yè) 參 數(shù)、 環(huán) 境 參 數(shù) 對 霧 滴 沉 積 率、 沉 積 均 勻 性 的 影 響。 王 軍 鋒 等 試 驗(yàn) 分 析 了 風(fēng) 幕 式 氣 流 輔 助 下 荷 電 噴 霧 與 非 荷 電 噴 霧 的 沉 積 效 果, 試 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明: 輔 助 氣 流 對 荷 電 霧 滴 有 更 好 的 橫 向 防 漂 效 果, 荷 電 霧 滴 在 目 標(biāo) 物 正 反 面 的 沉 積 效 果 更 佳 36-37 。 顧 萬 玉、 邱 白 晶 等 具 體 研 究 了 噴 霧 距 離、 沉 積 靶 標(biāo) 空 間 分 布 等 因 素 對 荷 電 霧 滴 沉 積 效 果 的 影 響 38 。 試 驗(yàn) 表 明: 隨 著 噴 霧 距 離 增 加, 霧 滴 沉 積 率 體 現(xiàn) 先 增 大 后 平 緩 下 降 的 趨 勢; 模 擬 靶 標(biāo) 等 效 面 積 過 大 或 過 小 均 不 利 于 沉 積 效 果 的 提 升。 這 一 結(jié) 果 說 明, 靜 電 噴 霧 施 藥 時 應(yīng) 根 據(jù) 靶 標(biāo) 作 物 葉 面 積 系 數(shù)、 孔 隙 率 等 合 理 選 取 噴 霧 距 離。 賈 衛(wèi) 東 等 針 對 扇 形 噴 頭 設(shè) 計(jì) 了 一 種 雙 平 板 感 應(yīng) 式 荷 電 裝 置, 在6kV 電 壓 及 合 適 的 噴 霧 壓 力 下 荷 質(zhì) 比 達(dá) 到1.4mC/kg, 試 驗(yàn) 證 明 風(fēng) 幕 和 靜 電 作 用 有 利 于 改 善 霧 滴 沉 積 效 果, 靜 電 噴 霧 的 沉 積 變 異 系 數(shù) 減 小 了50.2% 39 , 相 比 于 非 靜 電 噴 霧 體 現(xiàn) 出 明 顯 優(yōu) 勢。 周 良 富 等 研 究 了 果 園 冠 層 施 藥 場 景 中 風(fēng) 送 靜 電 噴 霧 方 式 下 充 電 電 壓、 風(fēng) 機(jī) 頻 率、 噴 霧 距 離 和 噴 霧 壓 力 等 因 素 對 霧 滴 覆 蓋 率 影 響 的 顯 著 性 水 平, 通 過 試 驗(yàn) 手 段 得 出 葉 片 正 面 覆 蓋 率、 反 面 覆 蓋 率 和 正 反 面 覆 蓋 率 比 值 等3 種 響 應(yīng) 下 的 影 響 因 素 的 顯 著 性 排 序 40 。 試 驗(yàn) 得 出 的 影 響 因 素 顯 著 性 排 序 為 果 園 植 保 過 程 中 針 對 不 同 病 蟲 害 的 空 間 分 布 選 取 合 理 的 作 業(yè) 參 數(shù) 組 合 提 供 了 理 論 參 考。 上 述 研 究 進(jìn) 程 也 體 現(xiàn) 出FLUENT、AnsoftMaxwell 等 先 進(jìn) 數(shù) 值 分 析 軟 件 和 激 光 粒 度 儀、PDPA 技 術(shù)、PIV 技 術(shù)、 顯 微 高 速 攝 像 等 高 端 試 驗(yàn) 工 具 在 靜 電 噴 霧 理 論 研 究 和 試 驗(yàn) 分 析 中 所 發(fā) 揮 的 重 要 作 用, 為 研 究 人 員 分 析 參 數(shù) 變 化、 獲 取 試 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 提 供 了 極 大 便 利, 也 為 后 續(xù) 研 究 人 員 開 展 靜 電 噴 霧 研 究 工 作 提 供 了 有 力 的 技 術(shù) 支 持。 此 外, 隨 著 無 人 機(jī) 植 保 作 業(yè) 技 術(shù) 的 不 斷 發(fā) 展, 無 人 機(jī) 植 保 技 術(shù) 與 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 相 結(jié) 合 的 新 型 植 保 作 業(yè) 模 式 也 引 起 國 內(nèi) 學(xué) 者 的 重 視。 茹 煜、 廉 琦 等 分 別 進(jìn) 0 1 2019 年2 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第2 期 行 了 無 人 機(jī) 靜 電 噴 霧 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 及 研 究 工 作, 從 無 人 機(jī) 整 體 結(jié) 構(gòu)、 靜 電 噴 頭 設(shè) 計(jì) 及 高 壓 靜 電 供 給 方 式 等 方 面 對 無 人 機(jī) 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 進(jìn) 行 了 探 究, 試 驗(yàn) 總 結(jié) 了 最 佳 作 業(yè) 參 數(shù) 組 合 41-42 。 周 宏 平 等 從 實(shí) 用 角 度 出 發(fā), 在 靜 電 電 極、 噴 頭 材 料 及 噴 頭 加 工 工 藝 等 多 方 面 對 航 空 靜 電 噴 霧 裝 置 進(jìn) 行 改 進(jìn) 設(shè) 計(jì), 在 優(yōu) 化 選 取 的 作 業(yè) 參 數(shù) 下 荷 質(zhì) 比 達(dá) 到2.26mC/kg, 防 治 效 率 提 升33.8% 43 。 研 究 結(jié) 果 初 步 表 明: 無 人 機(jī) 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 作 業(yè) 效 率 高、 人 力 需 求 小、 藥 液 用 量 少 等 優(yōu) 勢, 是 未 來 農(nóng) 業(yè) 植 保 作 業(yè) 的 重 要 發(fā) 展 方 向; 同 時, 作 為 一 種 新 型 作 業(yè) 模 式, 無 人 機(jī) 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 還 存 在 一 些 技 術(shù) 問 題 需 要 解 決 和 完 善, 其 作 業(yè) 適 用 范 圍 和 作 業(yè) 參 數(shù) 組 合 還 有 待 進(jìn) 一 步 測 定。 4 國 內(nèi) 外 靜 電 噴 霧 植 保 機(jī) 具 國 內(nèi) 外 學(xué) 者 不 斷 探 究 靜 電 噴 霧 相 關(guān) 理 論 問 題 的 同 時, 利 用 理 論 成 果 研 制 了 各 具 特 色 的 多 種 試 驗(yàn) 樣 機(jī), 美、 英、 德 等 國 還 推 出 了 各 自 的 商 業(yè) 化 產(chǎn) 品。 Law 等 學(xué) 者 成 功 設(shè) 計(jì) 了 氣 力 式 靜 電 感 應(yīng) 噴 頭, ESS(ElectrostaticSprayingSystemInc.) 公 司 購 買 其 專 利 后 經(jīng) 改 進(jìn), 推 出 了 適 用 于 不 同 作 業(yè) 場 合 的 多 款 商 業(yè) 化 產(chǎn) 品, 如 圖1 所 示。 其 主 要 用 于 地 面 植 保 作 業(yè), 適 用 于 大 田、 果 園 和 溫 室 大 棚 等 作 業(yè) 環(huán) 境。 Carlton 等 長 期 從 事 航 空 靜 電 植 保 噴 霧 技 術(shù) 的 研 究, 并 于1999 年 獲 得 系 統(tǒng) 專 利, 其 噴 頭 結(jié) 構(gòu) 和 實(shí) 際 作 業(yè) 圖 如 圖2 所 示 44 。 美 國 休 斯 頓 市SES 公 司(SpectrumElectrostatic SprayersInc.) 收 購 了 其 專 利 后 進(jìn) 行 商 品 化 生 產(chǎn), 將 其 推 向 市 場。 Kirk、Carlton 等 繼 續(xù) 進(jìn) 行 的 大 田 試 驗(yàn) 表 明: 其 沉 積 率 和 霧 滴 沉 積 速 度 明 顯 提 升, 藥 液 使 用 量 大 幅 下 降。 圖1 ESS 氣 力 式 靜 電 噴 霧 產(chǎn) 品 Fig.1 Air-assistedElectrostaticSprayersofESSInc 圖2 航 空 靜 電 噴 霧 系 統(tǒng) Fig.2 AirElectrostaticSprayerSystem 我 國 植 保 領(lǐng) 域 工 作 者 也 不 斷 將 研 究 成 果 轉(zhuǎn) 化 為 各 種 類 型 樣 機(jī), 進(jìn) 行 了 大 量 的 室 內(nèi) 和 大 田 試 驗(yàn)。 邱 白 晶 等 研 制 了 集 中 接 觸 式 荷 電 噴 霧 樣 機(jī)( 見 圖3), 并 進(jìn) 行 了 噴 霧 速 度 場、 霧 錐 角、 霧 滴 粒 徑 和 沉 積 效 果 等 方 面 的 試 驗(yàn) 研 究 30 。 新 疆 農(nóng) 墾 科 學(xué) 院 的 賈 首 星 等 吸 收 國 外 先 進(jìn) 技 術(shù), 結(jié) 合 新 疆 棉 花 大 規(guī) 模 種 植 特 點(diǎn), 研 制 了 寬 噴 幅 氣 力 式 靜 電 噴 霧 機(jī) 具( 見 圖4), 取 得 較 好 的 實(shí) 用 效 果。 圖3 集 中 接 觸 式 荷 電 噴 霧 裝 置 Fig.3 CentralizedContact-ChargingSprayerSystem 圖4 氣 力 式 靜 電 噴 霧 樣 機(jī) Fig.4 Air-assistedElectrostaticSprayerProtype 1 1 2019 年2 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第2 期 5 研 究 方 向 和 應(yīng) 用 前 景 探 討 雖 然 國 外 內(nèi) 學(xué) 者 對 植 保 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 進(jìn) 行 了 大 量 有 意 義 的 研 究, 并 且 已 有 實(shí) 用 化 商 業(yè) 產(chǎn) 品 推 入 市 場, 但 目 前 靜 電 噴 霧 機(jī) 具 的 使 用 和 普 及 范 圍 有 限, 尤 其 是 在 國 內(nèi) 植 保 噴 霧 領(lǐng) 域。 究 其 原 因, 荷 電 效 果 不 理 想、 施 藥 效 果 隨 機(jī) 性 大、 藥 械 成 本 高 及 可 靠 性 低 等 因 素 是 影 響 推 廣 使 用 的 主 要 原 因。 為 解 決 上 述 問 題, 應(yīng) 酌 情 開 展 以 下 工 作: 1) 霧 滴 荷 質(zhì) 比 的 量 化 分 析 與 控 制。 荷 質(zhì) 比 是 靜 電 噴 霧 施 藥 過 程 的 核 心 參 數(shù), 其 高 低 會 顯 著 影 響 施 藥 效 果。 目 前 的 研 究 大 多 以 試 驗(yàn) 研 究 和 定 性 分 析 為 主, 對 影 響 荷 質(zhì) 比 的 諸 多 參 數(shù) 缺 乏 定 量 分 析。 國 內(nèi) 外 已 有 研 究 數(shù) 據(jù) 體 現(xiàn) 出 各 試 驗(yàn) 之 間 荷 質(zhì) 比 的 波 動 較 大, 商 用 化 產(chǎn) 品 大 田 作 業(yè) 時 也 出 現(xiàn) 受 環(huán) 境 影 響 較 大, 施 藥 效 果 明 顯 下 降 的 狀 況。 同 時, 國 外 學(xué) 者 試 驗(yàn) 中 荷 質(zhì) 比 達(dá) 到10mC/kg 及 以 上, 而 國 內(nèi) 研 究 中 還 處 于23mC/kg 荷 電 水 平, 與 國 外 研 究 尚 存 差 距。 因 此, 有 必 要 從 電 流 體 動 力 學(xué) 理 論 角 度 深 入 分 析 影 響 荷 質(zhì) 比 的 諸 多 參 數(shù), 量 化 各 參 數(shù) 與 荷 質(zhì) 比 的 關(guān) 系, 為 田 間 工 況 參 數(shù) 的 合 理 化 選 擇 提 供 明 確 理 論 依 據(jù)。 2) 植 保 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 相 關(guān) 標(biāo) 準(zhǔn)、 規(guī) 范 亟 需 建 立 和 完 善。 目 前, 國 內(nèi) 關(guān) 于 植 保 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 的 相 關(guān) 標(biāo) 準(zhǔn) 和 規(guī) 范 非 常 缺 乏, 無 法 為 植 保 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 的 研 究 和 推 廣 提 供 明 確 的 依 據(jù) 和 指 導(dǎo), 也 不 利 于 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 產(chǎn) 業(yè) 的 持 續(xù) 健 康 發(fā) 展。 應(yīng) 該 借 鑒 國 外 進(jìn) 行 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 產(chǎn) 業(yè) 化 推 廣 和 應(yīng) 用 方 面 的 經(jīng) 驗(yàn), 建 立 涵 蓋 材 料 與 部 件、 制 造、 管 理、 使 用 和 維 護(hù) 等 環(huán) 節(jié) 的 完 善 標(biāo) 準(zhǔn) 體 系, 為 國 內(nèi) 植 保 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 產(chǎn) 業(yè) 的 發(fā) 展 提 供 制 度 約 束 和 保 障。 3) 無 人 機(jī) 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 的 研 究 應(yīng) 得 到 重 視。 無 人 機(jī) 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 具 有 防 治 效 果 好、 作 業(yè) 效 率 高、 藥 劑 消 耗 量 低 等 優(yōu) 勢, 是 未 來 高 效 超 低 量 植 保 作 業(yè) 的 發(fā) 展 方 向。 下 洗 氣 流 對 荷 電 霧 滴 云 運(yùn) 移 的 影 響、 荷 電 方 式 的 選 擇 及 荷 電 效 率、 荷 電 模 式 的 選 擇 及 機(jī) 體 電 位 的 動 態(tài) 保 持 等 問 題 應(yīng) 進(jìn) 行 重 點(diǎn) 研 究 和 分 析。 針 對 國 內(nèi) 各 種 不 同 作 物 及 其 病 蟲 害 特 點(diǎn), 無 人 機(jī) 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 的 適 用 范 圍 及 其 最 佳 作 業(yè) 參 數(shù) 組 合 還 需 要 通 過 大 量 試 驗(yàn) 研 究 予 以 測 定。 6 結(jié) 論 經(jīng) 過 國 內(nèi) 外 專 家 多 年 的 努 力 探 索 和 工 程 技 術(shù) 人 員 的 積 極 實(shí) 踐, 植 保 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 取 得 了 豐 富 的 理 論 成 果 并 研 發(fā) 了 多 款 靜 電 噴 霧 樣 機(jī) 及 商 業(yè) 化 產(chǎn) 品。 然 而, 由 于 其 本 身 所 具 有 的 多 學(xué) 科 交 叉 的 特 點(diǎn), 以 及 多 旋 翼 無 人 機(jī) 植 保 等 新 型 作 業(yè) 模 式 的 出 現(xiàn), 植 保 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 仍 然 存 在 諸 多 理 論 盲 點(diǎn) 和 技 術(shù) 難 關(guān) 有 待 研 究 和 克 服, 已 有 商 業(yè) 化 產(chǎn) 品 也 存 在 投 資 成 本 高、 可 靠 性 較 低、 防 治 效 果 受 環(huán) 境 影 響 大 等 問 題。 因 此, 繼 續(xù) 對 靜 電 噴 霧 多 參 數(shù) 相 互 影 響 機(jī) 理、 荷 質(zhì) 比 的 定 量 控 制、 霧 滴 荷 電 量 的 耗 散 與 保 持、 荷 電 霧 滴 與 靶 標(biāo) 作 物 的 交 互 作 用 及 有 效 沉 積 等 問 題 進(jìn) 行 系 統(tǒng) 深 入 研 究, 才 能 使 靜 電 噴 霧 技 術(shù) 的 大 規(guī) 模 推 廣 和 使 用 成 為 現(xiàn) 實(shí), 進(jìn) 而 減 少 環(huán) 境 污 染, 降 低 農(nóng) 業(yè) 成 本, 促 進(jìn) 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 和 農(nóng) 民 增 收。 參 考 文 獻(xiàn): 1 何 雄 奎. 改 變 我 國 植 保 機(jī) 械 和 施 藥 技 術(shù) 嚴(yán) 重 落 后 的 現(xiàn) 狀 J. 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報,2004,20(1):13-15. 2 沈 從 舉, 賈 首 星, 湯 智 輝, 等. 農(nóng) 藥 靜 電 噴 霧 研 究 現(xiàn) 狀 與 應(yīng) 用 前 景J. 農(nóng) 機(jī) 化 研 究,2010,32(4):10-13. 3 周 志 艷, 臧 英, 羅 錫 文, 等. 中 國 農(nóng) 業(yè) 航 空 植 保 產(chǎn) 業(yè) 技 術(shù) 創(chuàng) 新 發(fā) 展 戰(zhàn) 略J. 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報,2013,29(24):19-25. 4 范 小 博, 鄧 巍, 吳 桂 芳. 飄 移 控 制 噴 霧 施 藥 技 術(shù) 研 究 進(jìn) 展 J. 農(nóng) 機(jī) 化 研 究,2016,38(6):1-9. 5 張 東 彥, 蘭 玉 彬, 陳 立 平, 等. 中 國 農(nóng) 業(yè) 航 空 施 藥 技 術(shù) 研 究 進(jìn) 展 與 展 望J. 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報,2014,45(10):53-59. 6 董 祥, 楊 學(xué) 軍, 嚴(yán) 荷 榮,