摘要
背景
液滴大小分布、液滴速度、喷射角度和流量是影响农药效果和环境影响的关键因素。然而，这些参数如何受到脉冲宽度调制（PWM）、喷嘴类型以及特别是喷雾助剂相互作用的影响仍知之甚少。本研究使用了四种平扇喷嘴类型（标准喷嘴，喷射角度分别为80°和110°，以及预孔喷嘴和空气诱导喷嘴）来探讨这些因素。实验中使用了水和两种商业助剂配方[一种非离子表面活性剂（NIS）和一种抗漂移剂（DCA），并在五种PWM占空比（20%、40%、60%、80%和100%）下进行了测试。
结果
PWM占空比主要决定了流量，而喷射溶液对流量的影响较小。相比之下，液滴大小分布受到助剂类型、占空比和喷嘴类型的显著影响。总体而言，对于所有喷嘴类型，随着占空比的降低，液滴大小会增加。助剂在每个占空比下进一步改变了液滴大小：DCA显著增加了液滴大小并减少了细小液滴的数量，而NIS与水相比仅产生了适度的增加。这两种助剂都倾向于产生更均匀的液滴大小分布，从而减轻了PWM在低占空比下增加相对跨度指数的趋势。降低占空比会一致地缩小喷射角度，其中空气诱导喷嘴由于阀门开启时间短导致液膜形成不完全，表现出最大的敏感性。
结论
这些发现表明，优化PWM控制的喷雾性能不仅需要选择合适的占空比，还需要使用针对每种喷嘴类型定制的助剂配方。© 2026 作者。本文由John Wiley & Sons Ltd代表化学工业协会出版。
1 引言
施用农用化学品对于控制昆虫、疾病和杂草以提高作物产量至关重要。尽管传统的液压喷雾器效果显著，但在各种操作条件下保持一致的液滴大小方面常常面临挑战。例如，田间作业时拖拉机速度的变化会导致操作压力的波动，进而影响液滴的形成。
脉冲宽度调制（PWM）技术作为一种有前景的解决方案，可以通过改变喷嘴流量来提高施用精度，而无需改变系统压力。这使得可以根据行驶速度的变化实时调整喷雾输出，从而提高施用均匀性并减少环境影响，同时实现精确的、针对特定地点的农用化学品输送。目前，这是全球范围内最广泛使用的变量率喷雾系统技术。
尽管具有这些优势，但PWM快速调节流量可能会影响液滴形成动态，从而可能影响液滴的大小和速度。此外，PWM控制喷嘴与各种喷雾罐混合物（包括助剂）之间的相互作用尚未得到充分记录。助剂，如表面活性剂和抗漂移剂，通常被加入喷雾溶液中以改变混合物的物理性质，如表面张力和粘度，这些性质又会影响雾化和液滴大小特性。
目前市场上有各种类型的喷雾喷嘴，每种喷嘴都有独特的液滴形成过程，这增加了它们与PWM系统相互作用的复杂性。PWM控制喷嘴的性能可能会因喷嘴设计而显著不同。标准平扇喷嘴通过破坏喷雾溶液通过孔口时形成的液膜来产生液滴。相比之下，预孔喷嘴在主喷嘴孔口上游设有内部腔室或孔口，这降低了出口速度并破坏了液流，产生了较大的液滴并减少了漂移的可能性。然而，空气诱导喷嘴在腔室上游设有小空气入口和相对较大的出口孔口，产生的液滴较大，且漂移倾向较小的液滴比例也较小。
鉴于这些差异，了解PWM控制喷嘴与不同喷雾罐混合物（特别是含有助剂的混合物）结合时的行为至关重要。喷嘴类型、PWM占空比和喷雾溶液之间的相互作用会影响液滴形成，从而影响施用质量。尽管一些研究已经探讨了PWM技术对液滴特性的影响，但大多数研究使用的喷雾溶液是水。这种方法可能忽略了农业应用中常用的农用化学品和助剂所带来的复杂性。因此，尽管PWM系统的采用率不断提高，但对于喷雾配方（特别是助剂）如何与不同喷嘴类型的PWM占空比相互作用的理解仍然有限。为了填补这一知识空白，本研究的目的是探讨它们对液滴特性的综合影响。具体来说，评估了在不同助剂和PWM占空比下不同平扇喷嘴模型的液滴速度、液滴大小分布、喷射角度和流量。
2 材料与方法
2.1 实验设置
实验在位于美国俄亥俄州伍斯特市俄亥俄州立大学食品、农业和环境科学学院（CFAES）内的USDA-ARS ATRU的受控实验室条件下进行。采用了两因素因子设计，包括三种喷雾溶液和五种PWM占空比，每种喷嘴类型每种处理重复三次。评估了四种平扇喷嘴，均由TeeJet Technologies（Spraying Systems Co., Wheaton, IL, USA）制造：XR11004和XR8004（标准平扇喷嘴）、AIXR11004（空气诱导平扇喷嘴）和DG8004（防漂移平扇喷嘴）。选择这些喷嘴类型是因为它们在农业喷雾应用中广泛使用。根据ISO 10625标准，所有喷嘴在276 kPa压力下的标称流量均为1.58 L/min。根据制造商的信息，XR11004（喷射角度110°）和XR8004（喷射角度80°）是标准扩展范围平扇喷嘴，根据压力生成细至中等大小的液滴；DG8004（喷射角度80°）具有内部预孔，生成中至粗大的液滴；AIXR11004（喷射角度110°）采用双孔系统，将空气引入液流中，生成中至极粗大的液滴。
测试了三种喷雾溶液：当地自来水（对照组）和当地自来水与两种助剂之一混合——Preference®（非离子表面活性剂）和Weather Gard Complete®（抗漂移剂）（表1）。每种溶液在测试前都新鲜配制，以确保助剂充分混合。表1. 喷雾助剂的详细信息
2.2 喷雾溶液的物理性质
测量了喷雾溶液的表面张力、粘度和密度，以研究它们通过影响喷雾雾化对测量参数的潜在影响。表面张力使用CSC Precision Tensiometer（CSC Scientific Company, Fairfax, VA, USA）根据Du Noüy环方法进行测量。粘度使用Viscolite 700®粘度计（Hydramotion, Malton, York, UK）测量，该粘度计基于共振振动原理工作。密度通过测量置于容量瓶中的0.1 L溶液的质量来确定，使用数字天平（XS205; Mettler Toledo, Greifensee, Switzerland），分辨率为0.1 mg。所有测量均在20°C的液体温度下进行。
2.3 脉冲宽度调制喷雾系统
每个喷嘴通过PWM电磁阀（55295–1-12; Spraying Systems Co., Wheaton, IL, USA）和喷雾控制器（EVO Spray; Capstan AG, Topeka, KS, USA）进行电控开关，控制器根据施加到阀门的电信号占空比调节流量。阀门通过内部活塞机构操作，该机构由电磁力和机械力驱动。电磁线圈产生打开阀门所需的力，而弹簧提供关闭阀门的恢复力。控制器由14.5 VDC的供电电压驱动。液体通过空气加压输送系统从不锈钢罐中供应。这种配置提供了稳定的恒压供应，最小化了操作过程中的压力波动。需要注意的是，这种设置可能与一些在现场应用中使用的泵驱动系统不同，在那些系统中可能会发生压力脉动。四个喷嘴中的一个连接到阀门上，以276 kPa（40 psi）的操作压力连续喷雾（100%占空比），使用压力调节器。控制器以10 Hz的频率操作阀门，并将PWM占空比（DUC）从20%变化到100%，每次增加20%。选择10 Hz的PWM频率是因为它代表了农业PWM系统中常用的典型操作条件。此外，该频率下的脉冲周期远长于液膜破裂的特征时间尺度，表明雾化发生在每个脉冲内。商用PWM阀门的操作频率通常在10到40 Hz之间，其中10 Hz是最常用的频率，因为高于20 Hz的频率可能无法准确调节喷嘴流量。因此，制造商大多建议使用10 Hz来操作农药喷雾系统的PWM。
所有测试都在实验室条件下进行，平均环境温度为20°C，相对湿度（RH）为59%。
2.4 液滴大小测量
使用颗粒/液滴图像分析（PDIA）系统（VisiSize N60; Oxford Lasers, Didcot, UK）测量了四种喷嘴的液滴大小，该系统的使用方法之前已由Wei等人13和Salcedo等人14描述。这里提供了一些关于测量的简要信息。该系统包括一个激光发射器、一个高分辨率数字相机和专用图像分析软件（图1）。发射器和相机安装在导轨系统上，彼此相对，测量区域位于它们之间。喷嘴位于测量区域上方0.5 m处，喷射液滴穿过该区域以测量其大小。安装在PDIA系统上方的电动导轨系统以2 mm/s的速度横向移动喷嘴，以测量整个喷雾扇的液滴大小。图1显示了液滴大小测量装置。测量开始后，发射器的激光束照亮测量区域，相机以≤30 fps的帧率捕获液滴图像。光学系统校准后的像素分辨率为7.6 μm，视场为6065 × 4548 μm，可以准确测量约20至4500 μm范围内的液滴直径。对于每种处理组合，测量持续进行，直到记录到≥10,000个液滴。记录了以下参数：Dv10、Dv50和Dv90（分别表示10%、50%和90%的喷雾体积由较小液滴组成的体积直径）；V145（<145 μm的液滴体积百分比）；以及相对跨度指数（液滴大小均匀性的度量），计算公式为（Dv90 – Dv10）/ Dv50。选择V145参数是基于测量系统提供的离散尺寸类别，并且与常用的V150阈值（<150 μm的液滴体积百分比）密切相关，V150阈值被广泛用作漂移倾向液滴的指标。液滴大小分布参数（Dv10、Dv50、Dv90和相对跨度指数）也在支持信息表S1中提供，以提供更完整的液滴谱表征。
2.5 流量
根据Wei等人的描述，测量了每种DUC-助剂组合的喷嘴流量。因此，这里提供了流量测量的简要描述。使用数字天平（分辨率1 g, IS 150 IGG-S0CE; Sartorius Goettingen, Germany）连续测量装有喷雾溶液的不锈钢罐的重量，并以10 Hz的频率将重量数据传输到计算机，持续60秒。记录的重量数据用于计算每种DUC的液体流量。对于相应的液体流量计算，假设喷雾溶液的密度等于室温下的水密度，因为各溶液之间没有观察到显著差异（见表2）。表2。喷雾溶液的表面张力、粘度和密度
喷雾溶液
表面张力（mN/m）
粘度（mPa·s）
密度（g/cm³）
| 喷雾溶液 | 表面张力 | 粘度 | 密度 |
|---------|---------|------|------|对于XR喷嘴，两种助剂都倾向于增加液滴大小，与水相比，漂移控制剂（DCA）的效果更为明显。这可能是由于其较高的粘度和聚合物组成，有助于保持液膜的完整性，并增加了对液滴破碎的抵抗力，从而减少了细小液滴的形成。对于40%到60%范围内的DUCs，特别是XR8004，水和非离子表面活性剂（NIS）之间没有观察到显著差异。它们的Dv50值与100% DUC时的值相似，表明在全DUC下观察到的助剂效应在较低DUC下仍然存在。对于空气诱导喷嘴，在较低DUC下观察到了不同的助剂效应。在80%和100% DUC时，两种助剂都增加了液滴大小；然而，在20% DUC时，DCA产生的Dv50值略小于其他处理方式，而在60% DUC时没有检测到差异。对于预孔喷嘴（DG8004），助剂效应不那么明显，只有在40%和60% DUC时才出现显著差异。总体而言，这些发现表明助剂影响了液滴大小分布；然而，这种效应显然取决于喷嘴类型，并且在标准平扇喷嘴上最为明显。从实际角度来看，这些液滴大小的变化可能会影响喷雾漂移和覆盖范围，特别是在细小液滴比例对应用效率至关重要的情况下。先前的研究表明，助剂可以显著改变喷雾溶液的物理性质，如表面张力和粘度，直接影响喷雾喷嘴的液滴形成和大小分布。基于表面活性剂的助剂倾向于降低表面张力，促进液膜破碎成更细小的液滴，而基于聚合物的助剂可以增加粘度和弹性，导致液滴变大。因此，选择合适的喷嘴类型和助剂组合对于优化喷雾效率和最小化漂移及环境影响至关重要。为了更好地解释PWM操作下流体性质的作用，比较脉冲和液膜破碎的特征时间尺度是有用的。使用10 Hz PWM阀门控制的喷嘴，其开启时间可以从0到100 ms，占空比可以从0%到100%。相比之下，平扇喷嘴中液膜破碎的特征时间尺度在毫秒级别（约2 ms），正如在液膜雾化研究中报道的那样。这种行为主要由空气动力学不稳定性（如Kelvin-Helmholtz波）驱动，这些不稳定性促进了主要的破碎过程。这表明在低PWM占空比下，液膜的形成和破碎可能无法正常完成。这可能是液滴大小随占空比降低而增加的主要原因。此外，喷雾溶液的表面张力和粘度主要通过改变不稳定性的生长率和液滴形成过程来影响液滴形成，而不是直接与脉冲频率相互作用。因此，观察到的液滴大小分布的差异可以根据经典的喷雾雾化机制来解释，其中较低的表面张力通常促进液膜分解，而较高的粘度则延迟了喷雾液膜的破碎。Dv50与DUC之间的关系使用二次方程描述，主要是由于在20% DUC时获得的值阻碍了线性关系的建立。Gu等人31以及Butts等人2也对添加了助剂的溶液观察到了这种行为。对于某些喷嘴，该模型未能准确预测不同DUC下的Dv50，显示出更不规则的模式，这一趋势在当前工作中也有观察到。在低占空比（例如20%）下，这种不规则性增加，这与在高间歇流条件下喷雾形成的不稳定性有关，可能导致液滴大小测量的更大变异性。从实际角度来看，这样的低占空比通常不代表典型的现场操作条件，可能会导致喷雾均匀性降低。因此，尽管这些结果提供了关于PWM系统在极端调制下的行为的有用见解，但其实际应用性有限，应谨慎解释。尽管如此，它们强调了适当系统设置的重要性，以确保喷雾性能的一致性。相对跨度指数（图6）通常随着DUC的增加而减小，表明在较高PWM信号下液滴大小分布更窄，雾化更稳定。对于DG8004喷嘴，这一趋势不太明显，其相对跨度指数在不同DUC下相对稳定。总体而言，较高的DUC倾向于产生更均匀的液滴，且大小分布更接近100% DUC的分布，这突显了低DUC对此关系的强烈影响，这可能是由于液膜形成不稳定所致。Salcedo等人14描述了指数与DUC之间的这种趋势可以用二次关系来解释。
图6显示了四种喷嘴（a）XR11004、（b）XR8004、（c）AIXR11004和（d）DG8004在20%到100%的占空比（276 kPa）下连接到PWM电磁阀时的相对跨度指数（Span），使用了不同的喷雾溶液（水、水+非离子表面活性剂-NIS和水+漂移控制剂-DCA）。同一占空比下的点如果字母相同，则没有显著差异（Tukey's HSD，P > 0.05）。误差条代表标准误差（SE）。显然，添加助剂到喷雾溶液中缩小了液滴大小分布，尤其是DCA的效果更为明显。这一发现值得注意，因为它表明两种助剂都可以减轻PWM操作增加相对跨度指数的趋势，特别是在低DUC下。DCA可能通过增加溶液粘度来促进这一行为，从而在雾化过程中增强了液膜的稳定性。更粘稠的混合液可以减弱扰动并增加液体的内聚力，导致更稳定和可重复的液滴破碎过程。
V145数据（图7）证实了随着DUC增加，细小液滴数量增加的趋势，特别是对于水喷雾。例如，随着Dv50的减小，细小液滴的体积趋于增加。然而，对于含有助剂的喷雾，这一趋势不那么明显。当与DCA结合使用时，V145在不同DUC下保持相对稳定。除了DG8004喷嘴外，DCA产生了最低的V145值，突显了其在现场应用中减少漂移的潜力，这对于提高环境安全和实际喷洒条件下的沉积效率特别相关。在100% DUC时，没有观察到助剂对V145的显著影响，且其效果在所有DUC下都不一致。
图7显示了四种喷嘴（a）XR11004、（b）XR8004、（c）AIXR11004和（d）DG8004在20%到100%的占空比（276 kPa）下连接到PWM电磁阀时的体积百分比小于145 μm的液滴（V145），使用了不同的喷雾溶液（水、水+非离子表面活性剂-NIS和水+漂移控制剂-DCA）。同一占空比下的点如果字母相同，则没有显著差异（Tukey's HSD，P > 0.05）。这些发现表明，助剂可能有助于减少易漂移的细小液滴的体积，特别是在低DUC下，此时喷雾变异性较高。然而，必须考虑喷嘴设计和溶液性质，以最小化易漂移的细小液滴，因为它们的效果取决于喷嘴类型和助剂的类型。总体而言，本研究的结果与之前的PWM喷雾研究结果一致，2, 13, 14，确认了液滴大小通常随着DUC的降低而增加。这可能是因为随着DUC的降低，喷嘴孔口开启时间减少，从而干扰了液滴生成过程。尽管Zwertvaegher等人3报告了相反的结果，但这可能是由于使用了更高的驱动频率或压力补偿系统。这些结果表明，PWM操作和助剂选择可以策略性地用于调整液滴大小谱，对优化喷雾性能和最小化现场条件下的漂移具有潜在影响。
3.4 液滴速度
所有喷嘴的平均液滴速度显示在图8中。喷雾溶液与DUC之间的相互作用在所有喷嘴类型中都是显著的。总体而言，DUC的降低导致液滴速度降低，对于标准平扇喷嘴来说，这种降低更为明显，因为它们通常表现出更高的速度。例如，对于XR11004喷嘴，使用水时，当DUC为100%和20%时，平均速度分别为4.2 m s^-1和1.1 m s^-1。然而，并非在所有条件下都观察到这一趋势。例如，对于使用水的DG8004喷嘴，当DUC为60%和20%时，速度分别为1.9 m s^-1和2.0 m s^-1。正如液滴大小所示，20% DUC对不同喷嘴的液滴形成行为产生了不同的影响，由于该DUC下液滴速度数据的较高变异性，无法进行可靠的概括。Butts等人33也报告了类似的结果。
图8显示了四种喷嘴（a）XR11004、（b）XR8004、（c）AIXR11004和（d）DG8004在20%到100%的占空比（276 kPa）下连接到PWM电磁阀时的平均液滴速度，使用了不同的喷雾溶液（水、水+非离子表面活性剂-NIS和水+漂移控制剂-DCA）。同一占空比下的点如果字母相同，则没有显著差异（Tukey's HSD，P > 0.05）。PWM控制系统中液膜的周期性中断阻止了喷射能量的连续传递，导致每个脉冲结束时动量的损失。这种脉冲流动还可能引起额外的湍流，产生涡旋，降低了平均液滴速度。正如Giles和Ben-Salem所建议的，34喷雾液滴速度的降低可能与将间歇性液体流排放到空气中有关。因为喷嘴将液体排放到静止的空气中，排放的液体遇到了空气阻力，形成了喷雾液扇。对于间歇性喷雾，喷雾液体在每个脉冲后克服了空气阻力，从而减弱了液体流动并增加了液滴阻力，因此降低了液滴速度。实际上，液滴速度的降低可能会影响冠层穿透和喷雾沉积，特别是在密集作物中。然而，这些结果是在受控实验室条件下获得的，没有考虑冠层相互作用、风和大气湍流等因素。因此，这些发现直接应用于现场条件的适用性可能有限，需要在实际应用场景下进行进一步研究。分析不同喷雾溶液的DUC函数下的速度显示出类似的趋势。含有DCA的溶液与其他溶液相比产生了更高的速度，特别是在使用标准喷嘴时。这一趋势在空气诱导和预孔喷嘴中不那么明显，这可能是由于液滴大小谱的差异所致。含有增粘助剂的喷雾溶液倾向于稳定液膜，从而减轻了PWM调制对液滴速度的影响。由于这些助剂还修改了液滴大小谱（图5），并且考虑到液滴大小与速度之间的强关联，35可以得出结论，喷雾溶液本身影响了液滴速度。Nuyttens等人35指出，液滴速度与液滴大小有关，较大的液滴通常显示出更高的速度。正如本研究观察到的，DUC的降低导致液滴大小增加。然而，这种增加并没有导致液滴速度的提高。这可能是PWM效果的结果，因为文献中报告的液滴大小与速度之间的关系在PWM控制系统中尚未建立。此外，如前所述，该系统在PWM阀的上游和下游之间造成了压力降，可能会影响液滴速度。压力的降低可能会减少排放液体的动能，导致产生较大且速度较低的液滴。这些结果与Zwertvaegher等人的发现一致，3他们报告说增加喷雾喷嘴的脉冲频率会降低液滴速度，可能增加漂移风险并降低冠层穿透。还应该注意的是，当前分析考虑了整个喷雾，而没有明确评估喷雾扇内的空间变化。在PWM操作下，流动的脉冲性质可能导致喷雾模式中的局部液滴大小和速度变化，以及每个脉冲周期内的时间波动。本研究中的测量值代表时间平均值，并未能够分辨出PWM周期开启和关闭阶段中的瞬态变化。因此，未来应采用更高空间分辨率和时间分辨测量技术进行研究，以更好地表征这些微观尺度变化及其对喷嘴排列和喷雾重叠的影响。
3.5 喷雾角度
图9展示了连接到PWM电磁阀的四种喷嘴类型的喷雾角度，这些喷嘴在20%到100%的不同占空比（DUC）下使用不同的喷雾溶液进行测量。DUC和喷雾溶液都会影响最终的喷雾角度。对于所有类型的喷嘴，降低DUC都会一致地减小喷雾角度，其中空气诱导喷嘴的这种效应最为明显。喷雾溶液也会影响角度。在每个DUC水平上，通常情况下，DCA助剂会增大喷雾角度，而NIS助剂也会影响角度，但程度较小。在100%的DUC下，两种助剂的效果在所有喷嘴类型中相似。
图9显示了连接到PWM电磁阀的四种喷嘴（a）XR11004、（b）XR8004、（c）AIXR11004和（d）DG8004在20%到100%的占空比（276 kPa）下，使用不同喷雾溶液（水、水+非离子表面活性剂-NIS和水+漂移控制剂-DCA）时的喷雾角度。在同一占空比下，带有相同字母的点之间没有显著差异（Tukey's HSD，P > 0.05）。误差条代表标准误差（SE）。随着DUC的降低，喷雾角度减小，这可以归因于阀门开启间隔缩短时产生的有效流速降低。由于压力和流速的减少，液体离开喷嘴时的动量减小，从而导致喷雾角度变窄。这种减小可能会影响喷雾覆盖范围和均匀性，尤其是在较低的占空比下。对于空气诱导喷嘴，这种效应更为明显，这可能是由于其设计特性导致的压力降所致。
此外，需要注意的是，制造商报告的喷雾角度通常是在稳态条件下、连续流动和恒定压力下测得的，这与PWM操作所施加的动态条件不同。即使在传统的（非PWM）条件下，如Çetin等人的研究也表明，在276 kPa的参考压力下，测得的喷雾角度可能会偏离标称值。在PWM控制下，由于阀门驱动引起的瞬态压力变化和间歇性流动，这些差异可能会进一步放大。喷雾溶液性质的影响与文献中的发现一致，特别是与表面张力相关的性质。改变粘度和表面张力的助剂（如DCA和NIS）会影响液膜的凝聚性和破裂动态；然而，Kooij等人指出，表面张力仍然是液滴形成的主导因素。Hu等人表明，表面活性剂聚集物的增加会由于带电链和聚集物的存在而减少链内相互作用的数量，从而导致喷嘴雾化过程中形成的液膜凝聚力降低，从而使得喷雾角度变宽。Butler Ellis等人报告称，增加表面张力会减小喷雾角度，并将液膜振荡的起始点以及破裂点向喷嘴下游移动。对于预孔喷嘴，部分流动能量在雾化前就在喷嘴内部损失，因此这一过程更多地受到内部几何形状的影响，而不是喷雾溶液的物理化学性质的小变化。
在图像分析中观察到的一个值得注意的点是AIXR空气诱导喷嘴的液滴形成行为。图10展示了这种喷嘴在20%和100%的DUC下使用水作为喷雾溶液时产生的液膜示例。根据平扇喷雾的一般雾化机制，从喷嘴中流出的液体最初形成一层薄液膜。随着波浪沿液膜传播，表面不稳定性发展，导致其分裂成细长条状，随后形成液滴。然而，根据喷雾溶液、DUC和喷嘴型号的不同，这一过程可能会有所不同，从而导致不同的液滴尺寸分布。
高速照片显示了连接到PWM电磁阀的AIXR 11004喷嘴在100%（a）和20%（b）（276 kPa）的占空比下使用水作为喷雾溶液时产生的液膜。在低占空比（20%和40% DUC）下，通过PWM控制的电磁阀操作的AIXR11004喷嘴的高速图像显示液膜发育不完全，这可能是由于流体能量不足所致。这种行为与空气诱导喷嘴的特性压力降一致，这种压力降发生在喷雾 boom 和喷嘴孔口之间，是由于内部流动限制和文丘里空气诱导机制造成的。这导致液滴尺寸分布与100% DUC时的情况不同。喷雾呈现出更窄且更不规则的扇形图案，特征是可见的液体喷射脉冲和异质性的液滴谱[图10(b)中的红色箭头]。助剂也会导致这种变形。相比之下，传统的平扇喷嘴（无空气诱导）表现出更平滑和更一致的液滴形成，没有明显的流动或破裂行为不规则性。值得注意的是，这种射流变形并未反映在本研究中使用的VisiSize N60系统获得的液滴尺寸测量结果中，因为该仪器自动排除了未雾化的或不规则形状的射流部分。特别是，VisiSize软件中的形状排斥功能被启用，以去除重叠或形状不规则的液滴。实验是在恒定压力条件下进行的，这可能与某些泵驱动的现场系统不同，在那些系统中可能会发生压力波动。这种波动可能会增加喷雾特性的变异性，尤其是在低占空比下。然而，本研究观察到的主要趋势，包括占空比、喷嘴类型和喷雾溶液对流速、液滴尺寸和速度的影响，是由雾化机制决定的，预计在现场条件下仍然有效，尽管可能会有更大的变异性。还应该注意的是，只评估了两种商业助剂类型（NIS和DCA），这可能无法代表所有可用的商业配方。
4 结论
流速主要由PWM占空比（DUC）控制，并且在不同的喷雾溶液下基本保持一致。对于低表面张力混合物（如NIS），观察到的微小偏差通常很小（<10%），并且发生在DUC小于80%的情况下。这些发现表明PWM能够可靠地控制液体输送，而液滴特性则受到助剂和DUC在PWM驱动雾化过程中的相互作用的影响。降低DUC通常会增加所有类型喷嘴的液滴尺寸，而助剂在每个DUC下进一步影响液滴特性，其中DCA显著增加了液滴尺寸并减少了细小液滴的数量，而NIS则略微增加了液滴尺寸。使用助剂通过缩小液滴尺寸分布使液滴更加均匀，减轻了PWM在较低DUC下引起的相对跨度增加。这些结果表明，助剂在修改PWM下的雾化行为中起着关键作用，其效果取决于喷嘴设计。降低DUC通常会降低液滴速度，尤其是在标准平扇喷嘴中。在非常低的DUC（20%）下，这种效应由于高变异性和脉冲流动动态而不一致。提高粘度的助剂可以通过稳定液膜来部分增加速度，但仅液滴尺寸本身并不能决定PWM下的速度。降低DUC一致地缩小了喷雾角度，其中空气诱导喷嘴由于在阀门开启时间短时液膜发育不完全而表现出最大的敏感性。特别是那些降低表面张力的助剂，在所有DUC水平上都增加了喷雾角度。高速成像显示，AIXR11004空气诱导喷嘴在低DUC下表现出不规则的雾化，而传统的平扇喷嘴保持了更稳定的喷雾形成，突出了PWM下雾化机制的差异。总体而言，这项研究表明，PWM喷雾性能不仅受占空比调整的影响，还受到助剂和喷嘴类型之间相互作用的影响，这直接影响雾化动态。这些发现为PWM驱动的雾化提供了新的见解，并支持更有效地选择助剂和操作参数，以改善喷雾均匀性、降低漂移风险并提高农业喷雾的环境可持续性。
作者感谢USDA-ARS的技术人员Adam Clark、Andy Doklovic和Barry Nudd在实验室测试中的技术协助。提及公司或商标名称仅用于识别，并不意味着USDA或俄亥俄州立大学（OSU）的认可。USDA是一个提供平等机会的雇主。作者还感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）提供的部分财政支持（项目编号304383/2026-0）。本文的发表费用由巴西高级人员培训协调委员会（CAPES）（ROR标识符：00x0ma614）资助。
所有作者声明没有利益冲突。
支持本研究发现的数据可向相应作者索取，如有合理请求。
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