农药雾滴雾化沉积飘失理论与实践

农药是防治农业上病、虫、草、鼠害不可缺少的重要物资，为保障农业生产丰收做出了巨大的贡献。农药雾滴雾化沉积飘失理论研究与高效植保装备创制一直是我国科技发展中面临的重大科学技术问题，研究具有自主知识产权的新型雾化装置与高效施药装备、提高农药利用率及其环境友好性与科学安全新型施药技术，一直是我国植保装备生产者、农药研究者与使用者努力奋斗的目标。为促进我国新型植保装备与高效施药技术的创制研究，推动我国农业机械与农药工业的科技进步，系统总结我国多年来在新型植保装备与高效施药技术创制中所取得的新成果、新技术、新方法与新思路，本书在笔者科研团队多年来在新植保装备与新农药创制中所取得的大量研究成果的基础上（特别是笔者首创性提出的“自动对靶仿形喷雾技术”及其研究应用成果），分20章详细介绍了农药雾滴雾化、雾滴沉积、雾滴飘失与防飘技术应用等内容。

本书系统阐述了“农药雾滴雾化沉积飘失理论与高效植保装备创制”及其研究应用成果，重点介绍农药雾滴雾化沉积飘失、农药高效利用、高效植保装备创制的途径和方法。部分“农药雾滴雾化”，包括农药雾滴雾化可视化与新型雾化喷头研制等8章内容。第二部分“农药雾滴沉积”，包括农药雾滴沉积模型、农药雾滴沉积聚并行为、作物冠层与内外气象因子对农药雾滴沉积的影响、自动对靶仿形喷雾技术与装备创制等6章内容。第三部分“农药雾滴飘移与防飘技术”，包括雾滴飘移与防飘模型、防飘喷头、导流防飘技术与装备研发应用、植保无人机的农药雾滴沉积飘失控制技术等共5章内容。希望本书能够为推动国内外新植保装备、新农药的创制和发展贡献绵薄之力，为我国自2015年开始至2025年实施的“农药减量计划”与“农药负增长计划”的实施提供新思路和理论指导。另外，本书不仅适用于新型植保装备与高效施药技术创制，还适用于新农药、新材料、环境与毒理学等的创新研究，兼具学术价值与应用价值。

本书还从农药使用全过程出发，以提高农药利用率与高效、科学合理使用农药为目标，如从农药雾滴雾化过程开始，通过研究雾化参数与喷头结构相互关系特性、制剂与助剂对雾化雾滴谱特性曲线的影响等来实现减少特粗雾滴与特细雾滴的产生；通过靶标冠层特征、靶标叶面特性与雾滴大小、雾滴理化特性相结合来研究提高农药雾滴在靶标上的沉积与湿润；通过防飘喷雾技术的研究研发出两相流雾化与静电雾化喷头与防飘装备；通过对靶标特性的研究开发出自动对靶喷雾机与植保无人机等新型高效植保装备，使喷雾效率与农药利用率实现质的飞跃。

本书充分反映了当前我国新型植保装备与高效施药技术创制的前沿技术和研究水平，对国内外新型植保装备与高效施药技术研究具有一定的指导价值。既可作为药械与施药技术创制的参考书，也可作为农业机械学、农药学、植物保护、应用化学、环境化学与毒理学、农学与园艺专业的教学参考书。在多个国家基金项目的支持下，“十五”至“十三五”期间，笔者研究团队在本研究领域共发表核心期刊文章152篇，其中SCI与EI文章82篇，申请发明专利35项，获得国家发明专利授权20项。因此，本书也是“十五”至“十三五”期间中国农业大学药械与施药技术研究中心主要研究工作的系统总结，系统分析了农药雾化、沉积与飘失各个环节的关键问题，讨论了高效植保装备与施药技术的若干问题，并在我国主要粮食与经济作物各产区进行了试验示范。

特别感谢宋宝安院士、陈学庚院士为本书作序。本书在编写过程中还得到了众多专家、同事、朋友的鼓励与帮助，宋坚利、李煊、赵辉、谢晨、张文君、杨西娃、周继中、王双双、王潇楠、王昌陵、王士林等专家与学者提供了部分素材，在此一并表示衷心的感谢。

由于参考资料较少，同时限于笔者水平与编写时间，疏漏与不当之处在所难免，敬请各位专家、同行批评指正，望广大读者阅后，提出宝贵意见。

何雄奎       

2021年12月  

本书首次系统阐述农药施用过程中的雾滴雾化沉积飘失理论及其相关应用实践，包括按此理论生产的高效农药喷施机具及其相应的施药技术等，紧紧围绕农药施用环节中农药雾滴雾化沉积中雾滴飘失的理论，以及根据此理论而相继开发的一些列新农药助剂产品。另外，还专门强调了当前热门的“植保无人机”施药技术，以及相关适合植保无人机“飞防”的助剂产品的选择与应用等，具有较高的学术价值和创新价值。 本书适合广大从事农药创制、农药应用、植物害虫防治、农药学的研究和设计人员、工程技术人员、运行管理人员特别是农药植保器械研究与应用人员使用，相关专业院校师生阅读。

本书首次系统阐述农药施用过程中的雾滴雾化沉积飘失理论及其相关应用实践，包括按此理论生产的高效农药喷施机具及其相应的施药技术等，紧紧围绕农药施用环节中农药雾滴雾化沉积中雾滴飘失的理论，以及根据此理论而相继开发的一些列新农药助剂产品。另外，还专门强调了当前热门的“植保无人机”施药技术，以及相关适合植保无人机“飞防”的助剂产品的选择与应用等，具有较高的学术价值和创新价值。 本书适合广大从事农药创制、农药应用、植物害虫防治、农药学的研究和设计人员、工程技术人员、运行管理人员特别是农药植保器械研究与应用人员使用，相关专业院校师生阅读。

第1章　绪论 001

1.1　国内外植保机械的发展历史 001

1.2　喷雾药液雾化理论 004

1.2.1　液力式雾化 004

1.2.2　离心式雾化 004

1.3　雾滴沉积理论 005

1.3.1　润湿模型 005

1.3.2　雾滴碰撞模型 006

1.3.3　雾滴铺展动力学 007

1.3.4　雾滴聚并机理 007

1.4　农药雾滴飘移及防飘方法 008

1.4.1　农药雾滴飘移的影响因素 009

1.4.2　减少雾滴飘移的研究 010

参考文献 012

第2章　农药雾滴雾化沉积飘移特性 015

2.1　农药雾滴雾化与喷雾方法 015

2.1.1　雾化的基本原理 015

2.1.2　雾滴雾化 015

2.1.3　喷雾方法 018

2.1.4　喷头的雾化特性曲线 019

2.1.5　雾滴分布特性曲线 020

2.2　农药雾滴沉积特性 023

2.2.1　雾滴的运行 023

2.2.2　雾滴在作物冠层中的穿透特性 025

2.2.3　农药雾滴在喷雾靶标上的沉积 029

2.2.4　农药的使用剂量与喷施部位对沉积的影响 033

2.3　农药雾滴的飘移特性 034

参考文献 037

第3章　农药雾滴雾化过程 038

3.1　农药雾滴雾化研究背景与现状 038

3.1.1　农药雾滴雾化影响评价参数 038

3.1.2　国内外雾化过程研究现状 039

3.2　雾滴雾化力学模型 041

3.2.1　液膜破碎机理 041

3.2.2　雾滴分布规律 045

3.3　雾滴雾化参数 049

3.3.1　雾滴雾化的粒径分布 050

3.3.2　雾滴的雾化过程 057

3.4　不同影响因子对药液雾化特性的影响 064

3.4.1　农药剂型对雾化过程的影响 064

3.4.2　喷雾助剂对雾化过程的影响 068

3.4.3　雾化压力对雾化过程的影响 072

3.5　综合研究结论 076

参考文献 077

第4章　农药雾滴雾化可视化 082

4.1　雾化过程分析方法 084

4.1.1　雾滴图像分析技术—PDIA 084

4.1.2　数码成像技术—DIA 086

4.1.3　高速摄影图像分析技术—HSCIA 087

4.2　雾化过程可视化 090

4.2.1　PDIA雾滴粒径可视化 090

4.2.2　DIA可视化 093

4.2.3　HSCIA可视化 093

4.2.4　研究结论 095

4.2.5　扇形雾喷头雾化特性 096

4.3　综合研究结论 102

参考文献 102

第5章　双扇面喷雾施药雾化特征 105

5.1　国内外研究现状 105

5.1.1　技术发展状况 105

5.1.2　喷头的研究进展 106

5.1.3　雾滴雾化的研究 107

5.2　双扇面组合喷头雾化特征 108

5.2.1　新型双扇面组合喷头 108

5.2.2　双扇面组合喷头雾滴雾化过程 108

5.2.3　雾滴雾化分布特性 111

5.2.4　研究结果 112

5.3　雾滴雾化粒径 113

5.3.1　雾滴雾化粒径研究平台构建 113

5.3.2　研究结果 114

5.4　综合研究结论 116

参考文献 117

第6章　防飘喷头雾化 119

6.1　防飘IDK喷头与标准ST喷头雾化特性曲线 120

6.1.1　雾化特性曲线研究平台构建 120

6.1.2　雾化特性曲线研究方法 120

6.1.3　研究结果与分析 120

6.2　IDK喷头与ST喷头雾化特征 124

6.2.1　雾化特征研究平台构建 124

6.2.2　雾化模型建立 125

6.2.3　研究结果 126

6.2.4　研究结论 132

6.3　综合研究结论 134

参考文献 134

第7章　气液两相流雾化 137

7.1　气液两相流喷头的结构设计 137

7.2　气助式感应荷电喷头 138

7.2.1　气助式感应荷电喷头原理 138

7.2.2　气助式感应荷电喷头的建模与分析 140

7.3　气液两相流喷头的雾化特征 141

7.3.1　气液两相流喷头的雾化特性曲线 141

7.3.2　气液两相流喷头的雾锥角 142

7.3.3　气液两相流喷头的气液比 143

7.3.4　雾滴雾化粒径 144

参考文献 147

第8章　静电雾化 148

8.1　静电喷头的研发与雾化效果 148

8.2　静电喷雾雾化理论分析 155

8.2.1　静电雾化方式 155

8.2.2　雾滴荷电量 155

8.2.3　雾滴荷电机理 156

8.2.4　荷电雾滴的输运过程 163

8.3　静电雾化喷头静电电场模拟 170

8.3.1　基于JMAG对感应式静电喷头静电电场的模拟 170

8.3.2　其他的模拟条件 176

8.3.3　计算域 177

8.3.4　模拟结果 178

8.3.5　雾化模拟结果 180

8.4　感应式静电雾化系统设计 182

8.4.1　雾化系统的组成 182

8.4.2　荷质比测量装置 182

8.4.3　高压电源的设计 185

8.4.4　感应式静电喷头的研制 186

8.4.5　感应静电喷头的荷电性能测试 187

8.5　静电喷头雾化性能研究 189

8.5.1　感应环 190

8.5.2　电导率对感应荷电喷雾的影响 190

8.5.3　流量对荷电效果的影响 193

8.5.4　气压对荷电效果的影响 194

8.5.5　喷头与靶标距离对荷质比的影响 194

8.6　综合研究结论 195

参考文献 195

第9章　药液理化特性对雾化的影响 200

9.1　理化参数对农药雾化特性影响 200

9.1.1　药液的动态表面张力 200

9.1.2　喷液表面张力对雾化的影响 203

9.2　综合研究结论 209

参考文献 210

第10章　农药雾滴沉积 212

10.1　农药雾滴沉积行为研究 212

10.1.1　雾滴在靶标表面的碰撞状态 212

10.1.2　雾滴沉积行为影响因素 213

10.1.3　雾滴特性对药液沉积分布影响 213

10.2　雾滴沉积模型 214

10.2.1　润湿模型 214

10.2.2　力学模型 216

10.2.3　能量模型 222

10.2.4　数学模型 224

10.3　影响雾滴撞击固体表面行为的因素 224

参考文献 225

第11章　农药雾滴沉积聚并行为 227

11.1　雾滴聚并行为可视化研究 229

11.1.1　雾滴聚并行为可视化研究平台构建 229

11.1.2　聚并行为可视化研究方法 229

11.1.3　研究结果与分析 230

11.1.4　研究结论 232

11.2　不同因子对雾滴聚并流失的影响 232

11.2.1　靶标表面特性以及喷雾助剂对雾滴聚并流失行为的影响 232

11.2.2　施药液量、靶标倾角对雾滴聚并行为的影响 238

11.2.3　喷头种类对雾滴聚并行为的影响 240

11.2.4　研究结论 242

11.3　雾滴聚并行为对药效的影响 242

11.3.1　雾滴聚并行为对沉积量的影响 242

11.3.2　雾滴聚并行为对农药吸收的影响 245

11.3.3　研究结论 248

11.4　综合研究结论 248

参考文献 249

第12章　农药理化特性对雾滴沉积的影响 251

12.1　雾滴在靶标上的沉积特性 251

12.1.1　沉积特性研究平台构建 251

12.1.2　沉积测试方法 252

12.1.3　研究结果与分析 252

12.2　模拟喷雾条件下雾滴的沉积规律 256

12.2.1　雾滴沉积规律研究平台构建 256

12.2.2　雾滴沉积规律研究方法 256

12.2.3　研究结果与分析 257

参考文献 261

第13章　气象因子对农药雾滴沉积的影响 263

13.1　气象因子对农药雾滴沉积影响研究 263

13.1.1　影响农药沉积的主要气象因素 263

13.1.2　国内外关于环境条件对雾滴沉积影响的研究 264

13.2　温度、湿度对雾滴沉积影响 265

13.2.1　温湿度对雾滴沉积影响研究 265

13.2.2　研究结果与数据分析 266

13.2.3　研究结论 270

13.3　风速对雾滴沉积影响 270

13.3.1　风速对雾滴沉积影响研究 271

13.3.2　研究结果与分析 271

13.3.3　研究结论 273

13.4　棉花冠层温度变化规律及其对雾滴沉积影响 274

13.4.1　冠层温度对沉积影响研究 275

13.4.2　研究结果与数据分析 275

13.4.3　研究结论 278

13.5　综合研究结论 278

参考文献 278

第14章　作物冠层与叶片表面结构特征对雾滴沉积的影响 280

14.1　典型作物冠层及叶片表面特性研究 280

14.1.1　作物冠层特性 280

14.1.2　冠层特性研究 282

14.1.3　叶片表面微结构形态及描述 283

14.2　农药雾滴在典型作物叶片上的沉积 292

14.2.1　雾滴在水稻、小麦与棉花叶片上的沉积 292

14.2.2　玉米叶片上的农药雾滴沉积 294

参考文献 296

第15章　静电喷雾沉积特性 298

15.1　静电喷雾雾滴沉积特性 298

15.1.1　高压电场 298

15.1.2　响应面方法 300

15.1.3　人工神经网络模型 302

15.2　静电喷雾系统及评价 304

15.2.1　静电喷雾装置 304

15.2.2　雾化性能评价 307

15.2.3　荷电性能评价 311

15.2.4　沉积效果评价 313

15.2.5　研究结论 313

15.3　基于响应面方法的荷电雾滴沉积回归模型 315

15.3.1　响应面回归模型研究 315

15.3.2　结果与分析 316

15.3.3　回归模型的建立与验证 320

15.3.4　研究结论 322

15.4　基于ANN模型的荷电雾滴沉积函数模型 322

15.4.1　基于BP算法的ANN模型设计 322

15.4.2　荷电雾滴靶标背部沉积函数ANN模型 326

15.4.3　ANN模型与回归模型的比较 328

15.4.4　基于BP算法的荷电雾滴靶标背部沉积函数ANN模型简评 329

15.4.5　研究结论 330

15.5　综合研究结论 330

参考文献 331

第16章　农药雾滴飘移与防飘技术 334

16.1　雾滴飘移与防飘模型 334

16.1.1　雾滴在流场中的受力与分布 334

16.1.2　雾滴飘移潜在指数与能量模型建立 340

16.1.3　雾滴飘移能量模型验证 342

16.2　大型喷杆喷雾机田间作业过程中农药雾滴飘移 343

16.2.1　喷杆喷雾机雾滴飘移测试系统 344

16.2.2　雾滴飘移测试系统评估6种喷头飘移潜力 346

16.2.3　雾滴飘移测试系统评估双喷头组合雾滴飘移潜力 349

16.2.4　喷杆喷雾机小麦田间雾滴沉积与飘移 351

16.2.5　研究结论 354

16.3　综合研究结论 354

参考文献 355

第17章　防飘喷头防飘性能研究与应用 360

17.1　飘移及防飘技术研究进展 360

17.1.1　影响飘移的因素 360

17.1.2　防飘喷头 360

17.2　防飘扇形雾喷头雾化 361

17.2.1　射流扇形雾喷头雾化过程分析 362

17.2.2　喷头雾化研究平台构建 362