研究背景

随着植保无人飞机的迅速发展，高效、精准的喷雾技术成为现代农业病虫害防治与作物管理的关键。喷头作为无人机喷雾器的核心组件，其雾化性能直接影响农药雾滴的沉积效果与飘移潜力。传统液力式喷头易堵塞且雾滴谱宽，难以满足复杂场景需求。离心喷头凭借雾滴粒径可调、雾滴谱窄等优势逐渐代替液力式喷头成为植保无人飞机常用雾化器，但其结构参数与性能关系尚不明确，缺乏标准化设计指导。近期，中国农业大学理学院、农业无人机系统研究院、药械与施药技术研究中心王昌陵副教授团队在 Agronomy 期刊发表文章，针对植保无人飞机设计了一款多层离心喷头 (Multi-Disc Centrifugal Nozzle, MCN)，通过结构优化与雾化性能测试，显著提升了喷头的雾化效果与无人机田间作业效率。

研究过程与结果

研究团队设计了一种栅格式雾化盘多层离心喷头，采用中心供液方式，减少液流分布不均导致的雾滴分布不均的问题。雾化盘设计为“上窄下宽”锥形结构，导液槽分布在雾化盘外侧，赋予液滴水平与垂直初速度，加速沉降并减少飘移。为适应高流量需求，喷头支持1~6层雾化盘叠加，药液通过空心轴分流至各层雾化盘。

具有不同层数雾化盘的离心喷头

研究团队系统测试了导液槽形状 (直槽、曲槽、无槽)、雾化盘角度 (120°、135°、150°)、雾化盘直径 (52、66、77 mm) 及雾化盘重叠层数 (1~6层) 对离心喷头雾化性能的影响。结果表明：曲线槽喷头的雾滴谱宽度 (RS) 显著低于直线槽与无槽喷头，液滴分布更集中 (RS=1.0~1.3)。雾化盘角度为120°时MCN的RS分布最稳定，优于135°与150°。77 mm直径雾化盘的体积中值粒径 (Dv₅₀) 最小，约125 um，RS最低。雾化盘层数为6层时，喷头的RS最小且分布最均匀。优化后的MCN (曲线槽、120°盘角、77 mm直径、6层) 在6000~12000 rpm喷头转速与0.6~1.6 L/min流量范围内表现出优异性能：Dv₅₀在95~155 um之间可控，满足精细雾化需求；当流量低于1.2 L/min时，雾滴谱宽度稳定在1.0~1.3，液滴分布集中；室内沉积测试显示，当喷头高度在1.0~2.0 m时，该喷头的沉积均匀性较好，喷幅达2.1 m，沉积分布呈中空圆锥台分布。

不同高度下离心喷嘴的液滴沉积分布

将该喷头安装在植保无人飞机上进行田间沉积测试。与传统液力式喷头 (TR80-0067) 相比，MCN表现出显著优势：无人机飞行高度1.0 m，飞行速度3.0 m/s时，安装MCN能使无人机喷幅从2.5~3.0 m提升至4.0~4.5 m，MCN平均沉积量较液力式喷头提升132.4%，作业效率提高了4~5倍。

配备两种型号喷头的多旋翼无人机的液滴沉积分布

研究总结

本研究通过系统优化离心喷头的结构参数，成功开发出一种无人机专用的多层离心雾化喷头。该多层离心喷头雾滴谱窄，雾滴粒径可调，相较于传统液力式喷头，显著提高了农药沉积均匀性与作业效率，尤其在较高流量施药场景下优势明显。研究提出的液滴尺寸预测模型 (Dv₅₀ = -0.00697ω + 20.23q + 164.60，R²=0.965) 为田间施药参数调节提供了理论支持。未来研究将聚焦于更高流量下的雾化性能优化，以适应果树等经济作物的植保需求。此项成果为植保无人机离心喷头的标准化设计与应用提供了重要参考，推动了精准农业技术的进一步发展。

原文信息：https://www.mdpi.com/3075740

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/agronomy

 Agronomy 期刊介绍

主编：Leslie A. Weston, Charles Sturt University, Australia

文章类型包括农学及农业生态学领域的研究型文章及综述，目前已被SCIE (Web of Science)、Scopus等多个数据库收录。

2023 Impact Factor：3.3

2023 CiteScore：6.2

Time to First Decision：17.6 Days

Acceptance to Publication：2.4 Days