Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблемы и особенности механизированного внесения средств химизации при дождевании сельскохозяйственных культур 9
1.1. Эффективность внесения средств химизации с поливной водой 9
1.2. Влияние метеорологических факторов на равномерность распределения средств химизации 15
1.3. Факторы, способствующие проникновению удобрительных растворов в растения при внекорневых подкормках 20
1.4. Обзор методов и результатов исследований кинематических характеристик капель жидкости в факеле распыла 22
ГЛАВА 2. Вопросы теории растекания и осаждения капель растворов удобрений и химических средств защиты растений на поверхности сельскохозяйственных культур 27
2.1. Динамика полета капель распыленной жидкости с учетом их размера и скорости ветра 27
2.2. Гидромеханика смачивания растений 66
2.3. Основные факторы, способствующие проникновению удобрительных растворов в растения 76
ГЛАВА 3. Методика экспериментальных и теоретических исследований и обработка опытных данных 83
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных и теоретических исследований 100
ГЛАВА 5. Экономическая эффективность использования результатов исследований 120
Выводы 124
Список литературы 126
Приложения 139
- Влияние метеорологических факторов на равномерность распределения средств химизации
- Обзор методов и результатов исследований кинематических характеристик капель жидкости в факеле распыла
- Динамика полета капель распыленной жидкости с учетом их размера и скорости ветра
- Основные факторы, способствующие проникновению удобрительных растворов в растения
Введение к работе
В настоящее время достаточно изучен и успешно применяется на практике способ внесения минеральных удобрений при дождевании (фертигация).
На современных дождевальных машинах, таких как «Фрегат», «Кубань» имеется возможность использовать энергию поливной воды для внесения минеральных удобрений и химических средств защиты растений. Внесение жидких комплексных удобрений и их смесей с малыми объёмами поливной воды имеет преимущества перед другими способами, поскольку значительно снижает потери удобрений в нижние слои почвы, способствует увеличению коэффициента их использования, более равномерному питанию растений на протяжении всей вегетации, увеличивает урожайность, улучшает качество получаемой продукции.
Сроки и доза питательных веществ устанавливаются в зависимости от биологических особенностей культур и почвенных условий. Расчётная норма удобрений вносится частями в виде подкормок в те фазы развития растений, когда они в наибольшей степени нуждаются в элементах питания и влаге. Применение вегетационных подкормок, гербицидов и пестицидов наиболее эффективно при их внекорневом внесении. Внесение растворов удобрений для подкормок при малообъёмном дождевании и использование малообъёмного опрыскивания может дать значительный экономический и экологический эффект при рациональном сочетании параметров режима с целью образовать капли оптимальных размеров и с достаточной густотой и равномерностью нанести их на обрабатываемую поверхность с минимальными потерями средств химизации. В практическом отношении наибольший интерес представляет внесение удобрений и средств защиты растений с поливной водой при малообъёмном дождевании, т.е. при норме полива, соизмеримой с объёмом влаги, удерживаемой растениями при смачивании (аккумулирующая способность). Это составляет до 2 м3/га в зависимости от фазы вегетации и типа культуры [57,58,59,101,104]. При существующих поливных нормах 500-
600 м3/га внекорневое усвоение несущественно, так как основная часть химических компонентов попадает в почву и выносится в нижние корненеоби-таемые почвенные горизонты и теряется. Большие потери удобрений происходят и из-за стока капель [86,87].
Такие существенные недостатки характерны для практикуемого в настоящее время полнообъёмного орошения и малообъёмного опрыскивания. При использовании гидравлических распылителей не обеспечивается диспергирование рабочей жидкости на капли одной величины в спектре распыла: всегда имеются капли разных размеров от мелких до крупных. Вследствие этого происходит снос мелких капель (20-60мкм) и стекание крупных (350-880мкм) с обработанных растений на почву. Поэтому в зоне обработки удаётся осадить лишь 20-70% распыляемых препаратов. Неравномерность распределения капель на обрабатываемой поверхности как правило составляет 25-30%, что также приводит к перерасходу растворов и загрязнению окружающей среды [34,45,48,53,86,93,121].
Гидромеханика процессов смачивания и растекания применительно к сельскохозяйственным растениям изучена мало, особенно с учётом молекулярного взаимодействия капель растворов с поверхностями растений. В связи с этим процесс смачивания микрообъёмами требует теоретического и экспериментального изучения, применительно к внесению малых доз удобрительных растворов, средств химической защиты растений.
Вопросам генерации, распространения и осаждения аэрозолей посвящены работы В.Ф. Дунского, Н.В. Никитина, М.С. Соколова [45-56].
Результаты многолетних исследований и производственных испытаний наземного малообъёмного и ультрамалообъёмного опрыскивания плодовых садов, виноградников, полевых культур и хлопчатника обобщены в работах В.А. Санина, Я.А. Мейсаховича, С.Ф. Прокопенко и других учёных [33,93,108,111,112,121,127,151-157].
Анализ работ этих учёных показал, что исследования воздушно-жидкостных струй наземных опрыскивателей до настоящего времени прово- дились, главным образом, в области взаимодействия их с обрабатываемыми растениями и взаимодействия распыливаемой жидкости с воздушным потоком в струеобразующем устройстве (для вентиляторных опрыскивателей). В меньшей степени исследованы законы распространения различных капельных струй в свободном пространстве, в попутном, встречном потоках воздуха, поведение капель (их дополнительное дробление, испарение), в частности динамика полёта капель с учётом их размера и метеорологических условий (направление и скорость ветра) и параметров рабочих органов дождевальных машин. Можно отметить, что практически не уделялось внимание вопросам гидромеханики смачивания и высыхания растворов удобрений с учётом свойств поверхностей сельскохозяйственных растений и равномерности распределения распылённой жидкости. Также недостаточно исследован вопрос об оптимальной концентрации питательных веществ при дождевании. Согласно известным рекомендациям [113] концентрация удобрений не должна быть выше допустимой (0,06%) по коррозийному воздействию на металлоконструкции. Такая концентрация требует значительных поливных норм (N >200-300м7га) и большего времени на подкормки. Но с другой стороны верхний предел концентрации ограничивается возможностью химического ожога растений (12-16%). Внекорневое усвоение происходит, когда концентрация вносимого раствора больше концентрации растворённых веществ в клеточном соке растений [24,28,39,78,80,81,105,120,135].
Оптимальный диапазон концентрации в зависимости от удобрительного химического соединения, вида растений и фазы его развития, климатических условий, можно найти опытным путём [58-60,101,104].
В целях эффективного и рационального использования удобрений и средств защиты растений, необходимо уделить большое внимание разработке теории и методов конструирования рабочих органов дождевальных машин и опрыскивателей, обеспечивающих снижение расхода жидких препаратов, уменьшение сноса струи ветром и одновременно более точное попадание её на обрабатываемые растения. Важное значение имеет оценка равномерности распределения растворов и соответственно экономический эффект применения удобрений [22,45,100,102,103].
Снижение потерь и одновременно уменьшение расхода удобрительных растворов возможно при минимально допустимых по гидротехническим характеристикам машин поливных нормах и увеличении концентрации жидких удобрений в поливной воде. Для серийных дождевальных машин выдавать необходимые для внекорневой подкормки поливные нормы, которые намного меньше минимально-допустимых затруднительно или невозможно. Поэтому для повышения эффективности необходимо обоснование режима малообъёмного дождевания и усовершенствование рабочих органов дождевальных машин.
Цель исследований: Усовершенствование технологии внесения удобрений при малообъемном дождевании и методики расчёта оптимального с эколого-экономической точки зрения режима поверхностного внекорневого внесения растворов удобрений и других средств химизации для сельскохозяйственных культур с учётом состояния воздушной среды, физических свойств поверхностей растений и распыляемых жидкостей.
Для достижения намеченной цели решались следующие задачи: — теоретически и экспериментально изучить гидромеханику смачива ния и высыхания с учётом свойств поверхностей сельскохозяйственных рас тений (кормовых культур, плодовых деревьев). Выявить факторы, влияющие на распределение распылённой жидкости по обрабатываемой поверхности; определить оптимальный диапазон концентрации удобрительных растворов при малообъёмном дождевании; исследовать динамику полета капель с учётом их размера и метеорологических условий (направления и скорости ветра) и параметров рабочих органов дождевальных машин, оценить осаждение капель за пределами обрабатываемой площади; — определить расчетные параметры технологического процесса внесения жидких растворов с учётом их потерь при обработке растений малообъёмными дождевателями и наземными опрыскивателями.
Объекты исследования. Процесс распределения капель растворов сельскохозяйственного назначения и процесс их растекания на листовой поверхности растений при механизированном внесении средств химизации, сельскохозяйственные растения.
Научная новизна. Предложена технология внесения удобрений при малообъемном дождевании в режиме «смачивание-высыхание». Получена уточненная математическая модель расчёта параметров движения капель растворов удобрений с учётом частотного распределения спектра их размеров. Выведены уравнения, связывающие кинематические параметры движения капельного распыла с конструктивными размерами рабочего органа и давления. Даны математические уравнения и детально проанализирован механизм смачивания и растекания капель по поверхности листьев с учетом молекулярных свойств удобрительных растворов, геометрических характеристик и аккумулирующей способности сельскохозяйственных растений (кормовых культур, плодовых деревьев). Обоснован диапазон оптимальной концентрации и число циклов режима внесения удобрений с поливной водой при малообъёмном дождевании в технологическом процессе вегетативных подкормок на примере кормовых культур.
Практическая значимость. Показана возможность расчёта и дана методика учёта потерь растворов удобрений и средств химизации сельского хозяйства за счёт сноса капель за пределы обрабатываемой растворами площади и стока с поверхности листьев (для стационарного режима внесения) с учетом скорости, направления ветра и других метеоусловий. Обоснованы оптимальная концентрация удобрений в растворах при вегетативных подкормках и режим их внесения при малообъёмном дождевании. Это позволяет существенно повысить эколого-экономический эффект за счёт значительного увеличения коэффициента использования удобрений и снижения их потерь.
Реализация работы. Методика расчёта режима распыления растворов сельскохозяйственного назначения с учётом метеоусловий принята Поволжским научно-исследовательским институтом эколого-мелиоративных технологий к использованию. Для хозяйств Волгоградской области разработаны рекомендации по внесению удобрений. «Рекомендации по применению усовершенствованных технологий и средств механизации для внесения удобрительных растворов в орошаемом земледелии» выполнены по региональному плану НИР №32.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава (1996-1998гг.) и научной конференции молодых учёных и специалистов (2000г.) в Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 147 страницах машинописного текста, в том числе 125 страниц основного текста (введение, 5 глав, выводы, 38 рисунков, 12 таблиц), 13 страниц - список использованной литературы (158 наименований, в том числе 7 иностранных авторов) и 2 приложения.
Влияние метеорологических факторов на равномерность распределения средств химизации
Гербициды в виде смачивающихся порошков требуют дополнительного перемешивания в процессе дозирования в поливной поток, а их применение ограничивается только дождевальными системами [38,62,82,125,132].
Большинство случаев неэффективности гербигации связано с неправильным выбором препаратов, несвоевременным проведением, а также завышенными или заниженными нормами полива. В опытах, проведённых рядом научно-исследовательских институтов (ВНПО «Радуга», ВНИИ кукурузы, Укр НИОЗ, ВНИИОЗ и др.), установлены особенности внесения гербицидов с поливной водой, исследована равномерность распределения гербицидов по площади и точность дозирования их дождевальной машиной «Фрегат», определена агроэкономическая эффективность внесения гербицидов в сравнении с традиционными способами - опрыскиванием наземной аппаратурой и при помощи сельскохозяйственной авиации. Внесение гербицидов с поливной водой испытывалось на посевах кукурузы, люцерны, сои. На посевах кукурузы применялись гербициды эрадикан, лассо (атразин) и зеазин; на посевах люцерны - 2,4-ДМ и эптам; на посевах сои - трефлан и зенкор [132]. Как показали опыты, равномерность распределения по орошаемой площади слоя осадков и гербицида почти одинакова. Разность коэффициентов эффективного распределения осадков и гербицидов не превысила 0,01... 0,06, коэффициенты вариации слоя осадков и дозы гербицида так же близки по значениям и находятся в пределах точности измерений.
При гербигации равномерность внесения слоя осадков той или иной дождевальной машиной зависит от таких факторов, как ветер и величина испарения капель. Дозирование рабочих растворов гербицидов гидроподкорм-щиком при поливе с помощью ДМ «Фрегат» позволяет достаточно равномерно распределять его по площади внесения. При этом варьирование дозы гербицида не превышает 19,7% при коэффициенте эффективного его внесения 0,8 [132]. По сравнению с гербигацией, полнообъёмное и малообъёмное опрыскивание штанговыми опрыскивателями имеет ряд существенных недостатков. Это, прежде всего то, что в зоне обработки удаётся осадить лишь 20-70% распыливаемых препаратов, неравномерность распределения капель составляет 25-40%, что приводит к необоснованному перерасходу препаратов и загрязнению окружающей среды [34, 38, 53, 86, 87, 112, 121, 142].
Внесение жидких комплексных удобрений и их смесей с поливной водой имеет преимущества перед другими способами. Простота средств механизации и возможность подкормки высокостебельных культур определяют большой практический интерес к данной технологии в орошаемом земледелии. Применение нашли следующие схемы внесения ЖКУ с поливной водой: 1) ЖКУ подают во всасывающую линию насосной станции, обслуживающей несколько дождевальных машин (групповой полив). 2) ЖКУ подают специальным насосом-дозатором в напорный ороси тельный трубопровод, обслуживающий, как правило, одну дождевальную машину. В этом случае возможно дифференцированное внесение ЖКУ с учё том типа сельскохозяйственных культур и их вегетативных фаз. При удобрительном орошении дождеванием для исключения токсичности необходимо учитывать допустимую концентрацию растворов удобрений, и особенно во время вегетационных подкормок, так как растворы контактируют с надземной частью растений. Величина предельно допустимых концентраций удобрительных растворов варьирует в широком диапазоне и определяется рядом факторов. Она зависит от форм и видов применяемых туков, чувствительности надземных органов сельскохозяйственных культур и их разновидности, фазы роста и развития, а также от погодных условий и технологии фертигации (внесение удобрений с полной поливной нормой или только с её частью). При внесении удобрений с частью поливной нормы они поступают на предварительно увлажнённые растения и смываются последними порциями чистой воды. В этом случае продолжительность взаимодействия удобрений с листьями незначительна и допускается применение растворов относительно высокой концентрации. По данным [3,62] удобрительное орошение положительно влияло на зерновые колосовые культуры. Внесение с водой мочевины Nis в фазу конец цветения - начало налива зерна обеспечило увеличение урожая с 52,5 до 61,2 ц/га, a N3o - до 66,4ц/га. Повышение дозы азота не привело к существенной прибавке урожая. Фертигация посевов кукурузы на силос показала, что увеличение доз аммиачной селитры с 60 до 180кг/га д.в. при трёхкратном поливе нормой от 600 до 800 м /га способствует значительному приросту зелёной массы. Наибольшая урожайность получена при внесении Ngo с тремя поливами в фазу выбрасывания метелок - молочно-восковой спелости. У люцерны удобрительное орошение N30 Рзо после первого укоса обеспечило прибавку урожая сухого сена второго укоса 17ц/га или 8,3ц/га корм. ед. Опытные данные М. М. Лазарева показали, что увеличение рекомендуемых доз внесения азотных удобрений в 1,5-2 раза в шлейфовых зонах, а также на прилегающих к ним участках с высоким содержанием грунтовых вод, где от весеннего переувлажнения почвы процессы нитрификации ослабевают и часть нитратов вымывается в подпочвенные горизонты, способствовало повышению урожайности яровых зерновых культур в системе лесных полос на обыкновенных черноземах Поволжья на 2,5-9 ц/га [75].
Пропашные и овощные культуры более чувствительны к повышенным концентрациям, чем зерновые злаки, а крупные капли при прочих равных условиях обжигают листья сильнее, чем мелкие. В то же время чувствительность растений снижается от ранних стадий роста и развития к более поздним [44]. Очень чувствительны даже к невысоким концентрациям удобрений плодовые деревья во время цветения [149]. В сухую и жаркую погоду содержание питательных веществ в поливной воде должно быть примерно вдвое меньше, чем во влажную и прохладную. Согласно «Рекомендациям по внесению минеральных удобрений с поливной водой при дождевании» для полевых культур предельно допустимые концентрации удобрений в воде при дождевании составляют (%): азотные -0,5; фосфорные - 2; калийные - 3; сложные растворы - 0,5. Указанные концентрации удобрений в поливной воде значительно выше допустимой (0,06%) по коррозийному воздействию на металлоконструкции.
Безопасными для большинства сельскохозяйственных культур являются растворы удобрений (кроме аммиака) в интервале концентраций до 0,2 -0,3%о. По современной классификации концентрации растворов 0,3 - 0,6% считаются допустимыми, а выше 0,6% - недопустимыми. Предельно допустимой концентрацией аммиака в поливной воде для зерновых и кормовых культур является 0,1%о, а для различных двудольных растений - 0,02%.
По данным исследований, проведённых ВНПО «Радуга» мочевина может безопасно применяться с поливной водой при дождевании в виде более концентрированных растворов: при выращивании огурцов - 0,3-0,4% , томатов, кукурузы, перца, салата - 0,4-0,6%, табака - 0,3-1,2%, яблони, сливы и вишни - 0,6-1,0%), моркови - 1,2-3,0%, лука - 1,6-2,5%), свеклы столовой - 1,5-2,0%), зерновых культур - 5,0-10,0%, хлопка и хмеля - 2,4-6%), люцерны и сахарной свеклы - 2,4% [3]. При удобрительном орошении дождеванием для зерновых и овощных севооборотов предельная концентрация минеральных удобрений в поливной воде не превышает сотых долей процента.
Обзор методов и результатов исследований кинематических характеристик капель жидкости в факеле распыла
Механизм нанесения капель на листья растений многообразен и сложен. Крупные капли при слабом ветре оседают на листья в основном под действием силы тяжести, сверху вниз, главным образом на верхнюю сторону листьев. Более мелкие капли осаждаются на листья под действием сил инерции при увлечении их ветром, главным образом на наветренную сторону листьев. В обоих случаях осаждение происходит преимущественно на листья верхней или наружной наветренной части стеблестоя (кроны). При этом важную и ещё недостаточно исследованную роль играют метеорологические условия (скорость и направление ветра, температура и влажность воздуха), влияющие на величину потерь и равномерность распределения средств химизации на листьях растений. Не менее важную роль играют и технические недостатки рабочих органов машин для внесения удобрительных растворов и средств защиты растений с поливной водой, т.к. в факелах распыла обычно содержатся капли в широком диапазоне размеров: от микрометров до миллиметров [48-50,52,53].
Несмотря на многолетнюю предысторию, разработки технологий внесения средств химизации с поливной водой, расчёты кинематических характеристик дисперсной среды носят преимущественно эмпирический характер, так как построение теоретических методик сопряжено со значительными трудностями, которые будут упомянуты далее, а достоверность использования упрощённых моделей обычно вызывает сомнения. Теоретические работы по изучению устойчивости и распада струй, плёнок и капель развиваются в основном на использовании метода малых возмущений с последующим определением диаметров капель, образующихся в результате распада [12,13,27,29,50-54,69,79,88]. Как правило, теоретическая модель процесса распада включает уравнения сохранения энергии, количества движения и ряд других соотношений, определяющих интенсивность взаимодействия капель жидкости.При этом одним из основных является уравнение движения капли, интегрирование которого даёт возможность получать такие кинематические характеристики, как скорость, время пребывания в воздухе, а также геометрические параметры траектории. Анализ уравнений движения капли в работах [12,13,15-17,76] показывает, что достоверность результатов, полученных при их решении определяется в основном тремя условиями: выбором аппроксимирующего выражения для коэффициента лобового сопротивления С, оптимальным назначением величин, связанных с процедурой численного метода интегрирования, точностью задания начальных условий. Работы, в которых было бы рассмотрено комплексно влияние указанных условий на точность результатов расчёта основных кинематических характеристик капли и их совокупности, отсутствуют.
Как известно, движение капель в воздушном потоке в значительной мере определяется гидродинамической силой, зависящей от относительной скорости движения капель и коэффициента аэродинамического сопротивления С, который, в свою очередь, также является функцией относительной скорости, т.к С = f (Re). График этой функции имеет сложный характер, обусловленный природой сил в различных диапазонах числа Рейнольдса Re .
В работах Э.Г. Братуты, И.Е. Идельчика дан обзор уравнений, описывающих зависимость С = f (Re) в весьма широком диапазоне числа Рейнольдса, вплоть до кризиса сопротивления движению. На наш взгляд формула, предложенная И.А.Вахрушевым [19] более приемлема, так как учитывает коэффициент несферичности обтекаемых частиц и даёт хорошее согласование с опытными данными в большом диапазоне числа Рейнольдса 0 Re .
Исследованиями M.C. Волынского [26] также установлена возможность учёта влияния деформации капли на коэффициент сопротивления введением критерия Вебера. Полученные в указанной работе экспериментальные результаты хорошо аппроксимируются при 7 102 Re 18 102.
Теоретические исследования по определению кинематических характеристик дисперсной среды проведены в работах Г.Н. Абрамовича, В.А. Бородина, В.И. Дитяткина, Л.А. Клячко, Э.Г. Братуты, Н.С. Волынского, В.Ф. Дунского, В.В. Никитина и др. учёных. В работах В.Ф. Дунского, В.В. Никитина [45-51], М.С.Волынского [26], Б.М.Лебедева [76,77] исследуется случай движения одиночной капли, имевшей заранее известный диаметр, при вертикальном движении в атмосфере, однако коэффициент лобового сопротивления в течение полёта капель остаётся постоянным, соответствующим стартовой скорости капли VQ. Работы В. А. Бородина, В. И. Дитяткина, Л. А. Клячко, В. Ф. Дунского, А. С. Лышевского и др. посвящены изучению распада струй, плёнок и капель, содержат исследования распределения распылённой жидкости в факеле вращающегося распылителя, эмпирические формулы, связывающие безразмерные критерии подобия и свойства газовой среды и распыливаемой жидкости [12,13,27,30,31,45-54,88].
Особого внимания заслуживает работа Э. Г. Братуты [15], в которой на основании исследований М. С. Волынского составлены уравнения первого порядка трёхмерного движения капель для форсунок камер орошения кондиционеров. Система этих дифференциальных уравнений представлена в проекциях на оси координат X,Y,Z и решалась классическим методом Рунге-Кутта. Однако при траекторных расчётах движения капель установлено расхождение до 50% между значениями дальнобойности капель в зависимости от выбора длины шага интегрирования и определена зависимость устойчивости решения от диаметра капель. Дифференциальное уравнение становится неустойчивым для капель размерами меньше 0,25мм. Следует отметить, что наиболее «чувствительна» к погрешностям при задании начальных условий высота подъёма капли. Кроме того, наибольшие требования следует предъявлять к стартовому углу а, оказывающему максимальное влияние на точность расчёта траекторных характеристик капли.
В реальном воздушном потоке условия движения капель могут существенно отличаться от условий, для которых был произведён расчёт. Рассмотренные в работе Э. Г. Братуты величины (диаметр капли, её стартовая скорость, угол а), влияющие на достоверность математической модели, можно отнести к числу обязательных элементов при расчёте кинематических характеристик капельного потока.
Для рабочих органов машин сельскохозяйственного назначения (дождевальные машины, опрыскиватели, опыливатели) условия и режим их использования во многом определяются также свойствами листовой поверхности, почвенного покрова и метеоусловиями. Поэтому требуются существен ные уточнения в применении известных уравнений и их детальный анализ с учетом вышесказанного.
Динамика полета капель распыленной жидкости с учетом их размера и скорости ветра
Любой процесс обработки начинается с диспергирования препарата с помощью различных агрегатов. В результате создается облако дисперсных частиц с некоторой объемной массовой концентрацией. По мере распространения капель, их объемная концентрация будет зависеть от варьирования размеров капель и изменения соотношения скоростей струи и воздушной среды.
При расчете кинематических характеристик дисперсной среды, продуцируемой дождевальным аппаратом, необходимо учесть, что траектории движения капель начинаются на некотором расстоянии от сопла и стартовые скорости капель в сечении, удаленном на этом же расстоянии от сопла, существенно отличаются от скорости струи на выходе из него. Как показали экспериментальные данные в работах [15-17], для форсунок с диаметром сопла 25 ... 50 мм, при перепаде давления 0,04 ... ОД МПа, длина нераспавшейся части струи жидкости в факеле достигает от 300 до 400 мм. Следовательно, при решении дифференциальных уравнений движения капли задание необходимых начальных условий требует учета отмеченных особенностей.
Струя жидкости, вытекающая из насадки, разбивается на три характерные части: компактную, частично-раздробленную и распыленную (рис. 2.1).
В пределах частично раздробленной части струи сплошность потока жидкости нарушается, струя постепенно расширяется, а в распыленной части происходит окончательный распад потока на отдельные капли [77, 89]. Поскольку образование капель начинается в начале частично раздробленной части и заканчивается в распыленной части струи, то определить теоретически координаты начала движения и стартовые скорости тех или иных капель невозможно. Известно достаточно большое количество исследований, посвященных экспериментальному определению скорости капель, обзор которых выполнен в работах [12, 15, 16, 25, 49, 53, 84, 88, 131]. В связи с развитием лазерной анемометрии и дальнейшим совершенствованием оптических методов, основанных на голографии, фото- и кинотехнике, а также на методах спектрального анализа, возможности экспериментального исследования кинематики капель заметно расширились. Однако практически для всех известных методов свойственна высокая сложность и стоимость используемых средств.
Анализ движения раздробленной части струи осложняется рядом основных факторов. Так, наименее изучен закон изменения дисперсной характеристики дождевального аппарата от скорости потока воздуха. Также сложно учесть скорость изменения массы движущейся капли в зависимости от внешних условий, так как процесс испарения существенно меняет концен трацию капли рабочего раствора за период между моментами образования и осаждения ее на листьях растений. Следующая особенность состоит в том, что кинематические характеристики в общем случае трехмерного потока атмосферного воздуха носят статистический характер изменения во времени и в пространстве с плохо предсказуемым уровнем амплитуд отклонения скорости ветра по модулю и по направлению. Принимая во внимание указанные факторы и ограниченность знаний о них, при расчете кинематических характеристик дисперсной среды приняты следующие допущения: 1. Скорость ветра в пределах до 4 м/с не влияет на дисперсный состав капель. 2. Движение воздуха в пространстве факела капель остается одномерным и стационарным. Вертикальная составляющая скорости ветра равна нулю, т.е. влиянием конвективных течений и турбулентных пульсации пренебрегаем. 3. Температура капель отличается от температуры окружающего воздуха не более чем на 2 ... 3 С, капли в полете не изменяют свою массу и не взаимодействуют, т.е. влиянием испарения капель пренебрегаем. Все капли образуются в начале частично раздробленной части струи, вылетают под углом а к горизонту с одинаковыми стартовыми скоростями Vo, равными скорости жидкости в частично раздробленной части струи, вытекающей из насадки.
Основные факторы, способствующие проникновению удобрительных растворов в растения
При малообъемном дождевании внесение, например, жидких удобрений может чередоваться с промывкой трубопроводов с последующим выли-вом необходимой поливной нормы [58, 59].
При внекорневой подкормке рекомендуемая доза удобрений обычно составляетNp=30- 60 кг/га (10-35 кг д.в.). Действующее вещество удобрительных растворов и средств защиты проникает в растения только в жидком состоянии, когда оно находится на поверхности растения в виде капель раствора. Проникновение растворов в растения через «полупроницаемые перегородки» - кутикулы происходит за счёт осмотического давления [78, 80, 83, 115]. С физико-химической точки зрения внекорневое усвоение происходит тогда, когда концентрация вносимого раствора Ср больше концентрации растворенных веществ в клеточном соке, то есть внутри листьев [66, 118]. Допустимая концентрация О ограничивается возможностью химожо-гов растений и зависит от вида химреагента. Например для люцерны, возделываемой на зеленую массу и семена, концентрация растворов должна быть не более 0,2% (т.е. віл воды следует растворять не более 2 г. железного купороса) [58]. Увеличение его содержания в 1,5-2 раза, особенно в условиях сильно засушливого лета, может привести к ожоговым повреждениям растений и снизить урожайность зеленой массы люцерны соответственно на 10% и более. Особенно чувствительны растения к концентрации раствора в период бутонизации и в меньшей степени в период отрастания после проведенного укоса. Эффективность внесения жидких удобрений (ЖУ) при дождевании тесно связана с параметрами и режимом дождевальных машин. Производи тельность существующих дождевальных машин не превышает 1 га/час, что растягивает срок внесения ЖУ независимо от их заданной дозы. При односменном поливе этот срок составляет 8-12 дней, это не соизмеримо с вегетационными фазами развития многих сельскохозяйственных культур. Концентрация удобрений в известных рекомендациях не должна превышать Сп = 0,06% по условиям коррозии металла [113]. Такая концентрация требует значительных поливных норм и, указанного выше, большего времени на подкормки. Например, при минимальной поливной норме 200 - 250 м3/га и площади полива на одну машину 40-50 га, время внесения для одной дождевальной машины типа ДКШ - 64 составляет 50 - 60 ч., для дождевальной машины "Днепр"-30-40 4. При снижении поливных норм в 1,5-2 раза можно проводить дифференцированную подкормку, т.е. поочередное внесение ЖУ по участкам и культурам с одинаковым видом удобрений, где доза удобрений выдается за разное время стоянки дождевальных машин. Опыты Заднепровского Р. П., Тимофеева К. М., Петрова Ю. И., Серебрякова В. В. показали, что при значительных нормах ЖУ (более 60 - 80 л/га) и необходимости сократить поливной период можно повысить концентрацию ЖКУ в поливной воде до 0,12 - 0,5% с обязательной промывкой оросительной системы после внесения удобрений [59]. Ввиду быстрого испарения капель, концентрация раствора, нанесенного на листья за цикл, через несколько минут повышается до величины достаточной для эффективного внекорневого усвоения. Эта идея открывает реальный путь применения растворов большей концентрации. Оптимальная концентрация раствора удобрений при малообъемном освежительном поливе (нормой 10-20 м3/га) найдена опытным путем. Для практических расчетов по полученным уравнениям поставлены следующие задачи экспериментов: - определить геометрию листовых поверхностей (типовых сельскохозяйственных культур); - определить скорость испарения капель с листовых поверхностей с учетом скорости ветра и температуры воздуха; - определить углы смачивания 9 листьев растений; - определить оптимальную концентрацию удобрительных растворов (ЖКУ) для внекорневых подкормок.
