植物保护作为农业生产的重要组成部分，在确保农作物高产、稳产方面发挥着重大作用。而植保机械作为实现这一目标必不可少的生产工具，在农、林、果、牧业中居于相当重要的地位。喷头是植保机械和喷雾系统的基础部件之一，其性能优劣直接影响喷雾过程中的施药量、雾滴大小和雾滴粒径均匀度等衡量喷雾质量的关键性指标，关系到整个植保机械和全系统运行的可靠性、经济性(董福龙等，2018；翟恩昱，2012)。良好、均匀的靶标覆盖率一般由雾滴大小均匀度决定，提高雾滴在靶标植物上的沉积率通常采用减小雾滴粒谱、增大雾滴速度的方法，其中提高雾滴粒径均匀度尤为重要(Tuck et al.，1997)，喷头喷雾的雾滴粒径均匀度在很大程度上决定着植保机械的喷雾质量。

喷雾系统装置通过喷头使药液雾化成雾滴并将其输送分布至目标物表面，雾滴的大小、速度、分布状况等在很大程度上取决于喷头类型和制造质量，喷雾质量的好坏通常由喷头类型和喷雾参数决定(谢晨等，2013)。国内外学者在喷头选择和提高喷雾质量方面做了许多研究(Robert et al., 2004；吕晓兰等，2007；时玲等，2011)。邓巍等(2011)研究指出，药物有效成分利用率在很大程度上取决于雾滴大小和粒径范围。茹煜等(2014)设计了用于无人机航空喷雾系统的低量离心式喷嘴，该喷嘴具有较窄的雾滴谱，但结构较复杂、制造成本高，作业时容易损坏。Huang等(2006)对压力式喷嘴和喷雾干燥旋转盘进行研究，得到二者流场的速度矢量、温度场和雾滴粒径分布等数据，发现喷雾的雾滴谱分布较窄，雾滴粒径较小。Andsaler等(2017)对喷雾贯穿和喷雾破碎长度的细节行为进行可视化研究，发现液滴直径受高压影响较小，渗透长度随压力升高而增大。Nuyttens等(2007)研究不同类型喷头的喷嘴大小和压力变化与雾化性能的关系，发现喷嘴类型和喷嘴大小对雾滴粒径和雾滴谱有重要影响。Miller等(1996)对平面扇形雾喷头的雾滴速度和雾滴体积中径进行研究，建立了液体流速、雾滴粒径和喷雾量之间的模型，并比较了预测结果与试验结果。

不同类型喷头因结构和雾化原理不同，具有各自不同的雾滴谱。植保喷头主要有圆锥雾化喷头和扇形雾化喷头：圆锥雾化喷头雾滴粒谱较窄，横向沉积分布型呈马鞍形，其雾化均匀性较好；扇形雾化喷头雾滴粒谱相对较宽，横向沉积分布型呈正态分布，雾滴分布范围较宽。由于扇形喷头可实现雾滴粒径从小到中等范围，防飘性较好，能产生高冲击力的液柱流或扇形喷雾，在农林业生产中应用广泛(张慧春等，2012)，因此，研究改善扇形喷头喷雾时的雾滴粒径均匀性，对提高农药利用率和植保机械工作效率具有重要意义。

研究(Ashgriz et al., 1987；伍沅，2006)发现，两流体发生撞击在一定程度上能均化雾滴群粒径，使雾滴粒径分布变窄，且撞击越强烈越有利于粒径的均化。鉴于此，基于射流和撞击流耦合作用原理, 本研究提出一种能够控制雾滴粒径均匀度的新型喷头结构方案，以改善喷头雾滴粒径均匀性和雾滴谱。

1 新型对冲喷头设计 1.1 喷头定义和工作原理

随着社会科技发展进步，人们对产品的精神功能需求不断提高，产品设计命名不仅要表述功能性目的，还应透过其语义特征来传达文化内涵(金颖磊等，2017)。根据新型喷头结构方案，结合产品语义学，本研究将该喷头定义为自激对冲喷头，从听觉和感官认知层面，人们可以认为该喷头能够自我实现射流相互撞击，通过某种工作方式满足或达到某一特定的目的性要求。该喷头可使2股或多股流体在喷头终端出水口附近以一定夹角相向高速流动，并在撞击面上强烈撞击，从而使雾滴粒径因撞击而发生能量剧变，以实现药液雾化均匀，改善雾滴粒径均匀度。喷头撞击原理如图 1a所示，喷头终端喷孔出水口处两射流撞击如图 1b所示，撞击后会形成扇形喷雾面。这种方法也称为碰撞式喷雾方法(齐晓霓，2008)，源于撞击流理论。撞击流是一种较新颖的技术方法，目前在化学工程领域应用广泛。

1.2 喷头结构设计

根据新型对冲喷头工作原理，结合试验测试设备，本研究设计了单孔扇形喷头和双孔结构的新型对冲喷头，两喷头的外形尺寸和终端喷孔出水口形状尺寸相同。单孔扇形喷头具体设计参数如图 2所示，双孔新型对冲喷头的设计结构如图 3所示，采用快速成型制造技术的光敏液相固化成型(SLA)工艺，并选用C-UV9400立体光造型树脂材料制造出2种喷头样件。

研究(李旭等，2002)表明，扇形喷头的雾滴粒径分布状态取决于喷头的终端喷孔出水口形状，而喷头加工质量(如表面粗糙度、垂直度、平行度、对称度等)只对喷雾量大小有影响。喷头基本尺寸D₀、D₁、d₀、H₀、H₁、H₂、h₀根据试验测试装置确定，确保喷头能正确安装在测试设备上，因此在设计时主要对喷头终端喷孔出水口形状参数进行确定。

根据扇形喷头终端喷孔出水口形状设计要求，运用CREO2.0软件在三维模型建模环境下确定喷头终端喷孔出水口投影形状窄缝最宽处尺寸B=0.55 mm(快速成型制造技术的光敏液相固化成型工艺要求B不小于0.5 mm，B太小制造时容易引起出水口堵塞)，如图 2所示，确定喷头终端喷孔出水口形状参数孔径d₁=1 mm，切槽角α=30°，h₁=0.5 mm，h₂=1 mm，h₃=1.43 mm。

新型对冲喷头终端2个喷孔出水口形状和单孔扇形喷头终端喷孔出水口形状是相同的，两喷孔间的距离L₀根据d₀和制造装配空间要求确定，要求d₁+1≤d₀-L₀；当射流冲击角β(射流与垂直方向的夹角)大于30°时，喷雾射流受空气阻力和流体重力的作用影响较大，而小于30°(如30°、20°、15°)时，喷雾射流与垂直射流性能相近(董志勇，2005；Sande et al., 1973)，因而确定两射流相互撞击时的冲击角度为30°，即β=15°。

综上，确定所设计的2种喷头的具体结构尺寸参数分别为：D₀=15 mm，D₁=12.7 mm，d₀=9 mm，d₁=1 mm，H₀=13 mm，H₁=2 mm，H₂=10 mm，h₀=10 mm，h₁=0.5 mm，h₂=1 mm，h₃=1.43 mm，α=30°，L₀=7 mm，L₁=1.2 mm，β=15°。

2 试验研究 2.1 试验装置

试验在常温、无风的室内条件下进行，试验介质采用清水，使用的喷头雾化性能测试系统(图 4)按试验要求设计搭建，其主要由药液雾化系统和雾滴粒径测试系统2部分组成。药液雾化系统由试验喷头和药液供给系统组成，药液供给系统由水箱、水泵、调节阀、压力表、流量计及连接管等组成；雾滴粒径测试系统由计算机、WX5-RODOS软件和德国新帕泰克有限公司生产的HELOS/QUTXEL激光粒度记录仪等组成。

2.2 试验设计 2.2.1 测试方法

试验前，将喷头安装在试验台架上，如图 5所示，喷头终端出水方向轴线垂直向下，单孔扇形喷头以喷头终端喷孔出水口处为原点，双孔新型对冲喷头以喷头终端两喷孔出水口中点的连接线中点为原点，以喷雾垂直射流方向和水平方向为坐标。

试验严格按照仪器操作规程以及雾滴粒径测试方法进行，通过调节出水调节阀控制喷施压力，调整喷施压力同时观测压力表数值，确定压力表数值稳定后，操作计算机通过激光粒度仪测试，激光粒度仪发射端发出激光信号照射到喷雾面后抵达激光粒度仪接收端，将信号反馈到计算机WX5-RODOS软件，经处理分析获得测试喷头的雾滴粒径及雾滴分布图。

撞击流理论(伍沅，2006)认为，两射流距离撞击中心越近，则撞击越强烈，在对敞开式水平同轴两液滴-空气悬浮体流进行试验时，载玻片放在远离撞击中心150 mm处进行采样。为评价对冲喷头两射流撞击后雾滴粒径的均匀性状况，拟在距离喷头终端出水口100 mm处(图 6)，即距离撞击中心较近处测试，来分析射流撞击后雾滴粒径均匀性。由于射流冲击角度β比较小且撞击中心距喷头终端出水口距离很近，空气阻力和流体重力的作用对射流影响很小，可忽略不计，若两射流撞击中心距离喷头终端喷孔出水口的距离用C表示，则可由下式估算，即：

$ C = \frac{{{L_0}}}{{2\tan \beta }} - {h_3} \times \cos \beta 。$

(1)

式中：L₀表示双孔新型对冲喷头终端两喷射孔轴线与喷头内底面交点之间的距离(图 3)；β为射流冲击角；h₃表示单孔扇形喷头终端喷孔轴线与喷头内底面交点至原点O(喷孔出水口)的距离(图 2)。

将设计参数代入上式计算，可知本研究设计的新型对冲喷头两射流撞击中心距离喷头终端喷孔出水口的距离约11.7 mm，则可知撞击中心距测试点的距离约88.3 mm。对冲喷头撞击中心及试验情况如图 7所示，图 7a(近景)可以清晰看到两射流撞击情况，图 7b(全景)可以看到射流喷雾全景状况。

农林作物矮化目前已成为国内外发展趋势，其病虫害防治需要与之相匹配的喷头。实际生产中，对装有扇形喷头的喷杆式喷雾机在喷雾作业时，喷头与作物要保持约300 mm的距离(李秉礼，1984)。因此本试验测试距离喷头终端喷孔出水口100、200、300和400 mm共4个测试点的雾滴粒径情况，每种喷头在测试点重复测试3次，最终数据取其平均值。

2.2.2 评价方法

为精确说明喷雾雾滴粒径分布的均匀程度，便于将喷雾均匀性的质量指标进行数值化标定，国际上常采用分布跨度S(或称相对粒谱宽度)来衡量其喷雾质量：

$ S = \frac{{{D_{{\rm{v}}90}} - {D_{{\rm{v}}10}}}}{{{D_{{\rm{v}}50}}}}。$

(2)

式中：D_v90、D_v50、D_v10分别表示将取样雾滴的体积按雾滴从小到大的顺序累积，当累积值等于取样雾滴体积总和的90%、50%、10%时所对应的雾滴直径；D_v50常称为体积中径(也用VMD表示)，通常作为衡量雾滴直径大小的评价指标；分布跨度S是雾滴粒径分布宽度的一种度量，S越小，说明雾滴谱越窄，雾滴均匀性越好，反之则越差，最理想的状态为0。

3 结果与分析

喷施压力在0.3~0.8 MPa范围内变化时，在距喷头终端喷孔出水口100 mm测得单孔扇形喷头和双孔新型对冲喷头的雾滴粒径分布参数如表 1示。单孔扇形喷头和双孔新型对冲喷头的分布跨度(S)分别在1.65~1.82和1.07~1.23之间，双孔新型对冲喷头的分布跨度比单孔扇形喷头的分布跨度小，说明通过喷射流撞击能够改善喷雾雾滴粒径均匀性，此种植保喷头设计方案是可行的。

喷施压力在0.3~0.8 MPa范围内变化时，在距离喷头终端喷孔出水口4个测试点处测得单孔扇形喷头和双孔新型对冲喷头的雾滴粒径D_v50如表 2示。当喷施压力大于0.6 MPa时，单孔扇形喷头的雾滴粒径D_v50在4个测试点的变化区间分别在135~144、125~128、119~124和109~119 μm，雾滴粒径变化小且趋向稳定，而双孔新型对冲喷头的雾滴粒径D_v50在4个测试点的变化区间分别在246~298、204~257、173~245和165~216 μm，随着压力增大雾滴粒径还能不断减小，变化趋势明显，表明其具有调压范围宽的良好调压特性，但撞击后新型对冲喷头的雾滴粒径D_v50比终端喷孔出水口相同的扇形喷头的雾滴粒径大，是因为双孔新型对冲喷头两射流撞击后，克服黏性力和表面张力等各种力共同作用下造成的小雾滴会相互结合成大一些的雾滴，但射流撞击总体上会使雾滴粒径趋向一致。

由于射流撞击越强烈越有利于粒径的均化，以喷施压力在0.7 MPa时且距离喷头终端喷孔出水口100 mm处测得的雾滴分布为例，如图 8所示。图 8a、图 8b分别为所测得的单孔扇形喷头和双孔新型对冲喷头的雾滴分布情况，图中曲线1和2分别表示频率分布曲线和累积分布曲线。从图中明显可以发现单孔扇形喷头的雾滴频率分布较宽，双孔新型对冲喷头雾滴频率分布较窄，说明双孔新型对冲喷头的雾滴分布比较集中，雾滴粒谱较窄，这是由于在撞击面上射流会产生强烈的动量传递导致能量剧变，流团间可能发生碰撞、剪切、挤压作用，致使流团变形并发生分裂，撞击使得大雾滴破碎，较小雾滴相互结合成大一些的雾滴，会使雾滴群粒径趋向一致，达到均化，喷施压力越大，撞击越激烈则雾滴粒径均化越明显。

不同病虫害的生物靶标所捕获的雾滴粒径范围不同，建立回归模型可指导生产作业，方便精准施药以达到最佳的病虫害防治效果。喷施压力是影响喷头雾滴粒径大小的主要因素之一，采用回归分析方法对双孔新型对冲喷头在距离喷头终端喷孔出水口4个测试点的雾滴粒径D_v50与喷施压力P进行分析。设雾滴粒径D_v50为因变量，喷施压力P为自变量，估计二者之间的多项式回归模型为D_v50=a₀+a₁P+a₂P²，对此回归模型进行拟合度检验，如表 3所示，得出4个测试点的预测方程的判定系数R²分别为0.990 2、0.980 5、0.993 7和0.986 3，说明回归方程拟合程度较高。图 9为双孔新型对冲喷头的雾滴粒径和拟合数值比较图。

4 讨论

目前，植保喷雾机械的创新与研究重点大都集中在提高喷雾机械工作效率和喷雾试剂的有效利用率方面，即在保证药效的前提下，使用最少量的喷雾试剂以减少对环境和人类的危害，精准施药技术已经成为降低农林业生产作业成本、减轻环境污染和保持可持续发展的重要途径(张辉等，2018；王永生等，2016)。基于射流和撞击流耦合作用的对冲喷头具有雾滴粒径均匀性较好、雾滴谱较窄、调压范围宽的特点，雾滴粒径均匀和雾滴谱较窄的喷头有利于对靶标进行精准施药，提高了雾滴在靶标上的沉积行为和防治效果，而调压范围宽则使喷头具备较强的适应性，可适用于多种复杂条件下不同农林作物的防护需求。两射流撞击的对冲喷头显然比单孔扇形喷头的工作效率要高，虽然在撞击后会形成较大一些的雾滴，但是可通过压力调节使雾滴粒径变小，同时雾滴粒径较大并具有一定速度，就具备更好的抗飘性能，也使雾滴具备一定的穿透能力。该喷头的研制符合当前新形势需要，对提高施药过程中农药利用率、病虫害防控能力和农林业综合生产能力都有一定研究意义，也对开发智能化精准喷雾机械装备提供了有益的技术支持和服务。

5 结论

1) 将撞击流理论应用于喷头设计中，提出一种切实可行的新型植保喷头结构设计方案，为精准施药植保机械装备提供有益的技术支持。

2) 对冲喷头的雾滴粒径均匀性较好、雾滴谱较窄。喷施压力在0.3~0.8 MPa范围内变化时，单孔扇形喷头和双孔新型对冲喷头在距离喷头终端喷孔出水口100 mm处的分布跨度分别在1.65~1.82和1.07~1.23之间，说明通过射流撞击能够改善雾滴粒径的均匀性，使雾滴谱变窄，此种新型植保喷头设计方案是可行的。

3) 对冲喷头具有调压范围宽的良好调压特性。当喷施压力大于0.6 MPa时，单孔扇形喷头雾滴粒径变化小并趋于稳定，而双孔对冲喷头雾滴粒径随喷施压力增大还能不断减小，具有调压范围宽的特点。但撞击后在黏性力和表面张力等各种力共同作用下会造成雾滴结合成大一些的雾滴，较大的雾滴并有一定速度，就会使雾滴具备较好的穿透能力和抗飘移能力。

4) 建立了喷头雾滴粒径多项式回归模型，进行拟合度检验，得出4个测试点的预测方程的判定系数R²分别为0.990 2、0.980 5、0.993 7和0.986 3，为喷头选用提供参考。