实验系统与相关结构如图 1-图 3所示，实验材料为乳状液与清水。如图 1所示，实验设备主要包括：压力储液罐(ESS XT，斯普瑞喷雾系统上海有限公司)、空气压缩机(OTS-550×2-50L，奥突斯工贸有限公司)、调压阀(SMC AR-3000，SMC中国有限公司)、高速相机(i-SPEED TR，奥林巴斯公司)、微距镜头(Tokina Macro 100 F2.8 D，奥林巴斯公司)、背景光源(OSRAM64575，欧司朗公司)、激光粒度分析仪(DP-02，欧美克仪器有限公司)。

在图 1所示的可视化实验系统中，将压力储液罐与空气压缩机相连接，通过调压阀调控喷雾压力。同时采用高速相机搭配微距镜头，对吸气式喷头内部的流动状态及喷雾液膜的瞬时形态进行图像采集。此外，为获取清晰图像，在吸气式喷头另一侧设置背景光源，所采集的数据通过手持电脑显示仪进行图像参数设置与存储操作。

本研究以商用吸气扇形喷头为设计基础，在其结构上进行适当优化，依托课题组现有平台，自主设计了如图 2所示的可视化有机玻璃喷头。为更好地观测实时喷雾运动状态，喷头选用透光性良好且易于加工的有机玻璃进行制作。实验中使用的喷头整体参数包括：液体流道长度为80.75 mm，进气通道宽度为34 mm；喷头上部分结构参数包括：进气口直径为0.82 mm，进气口位置位于喉管的下部，扩散角为30°；喷头下部分结构参数包括：混合腔直径为12 mm，喷孔直径为6 mm，喷孔处V型槽角度为25°。

在图 3所示的粒径测量系统中，将压力储液罐与空气压缩机连接，通过调压阀调节喷雾压力；利用激光粒度分析仪对不同浓度乳状液及清水的粒径进行测定。另外，为得到准确的实验数据，通过Spray Sizer System软件对粒度分析仪进行校准与数据测量时，应将喷头放置于粒度分析仪轴向对称轴的垂直中心线上。

为确保连续捕捉图像并避免动态模糊，同时保证进光量，将高速相机帧率设置为2 000 fps，曝光时间设置为2.16 μs，光圈系数调节为f/2.8。基于此得到的相邻2张图像的时间间隔为0.5 ms，所捕获的图像分辨率为1 280×1 024像素。本研究将实验中的喷雾压力设定为0.1 MPa，主要基于以下考虑：①该压力条件下乳状液喷雾形成的视野清晰明亮，便于观测；②较低的进气量和液体流速更有利于吸气式喷头内外流动过程的细致研究。基于此，在进行可视化实验时，将实验系统调整至合适位置并设置相关的摄像参数，待喷雾稳定后进行拍摄并储存。在测量不同实验条件下的数据时，为保证所观测的图像更加准确，同一条件下图像数据需采集3次。

本研究主要对吸气式喷头内部气液混合流动状态和吸气式喷头外部喷雾运动进行分析。基于上述实验方法获得相应的图像后，使用PyCharm、Adobe Photoshop CC等图像处理软件对目标图像进行优化处理。为避免喷头内部和喷雾液膜上的气泡分布重叠和重复统计等问题，图像采集需满足以下条件：①帧间隔不少于20帧；②连续采集不少于50张内流及液膜图像。对于内流气泡图像的处理步骤如下：①采用区域选择方法选取局部特征图像，调用PyCharm中的OpenCV库对特征图像进行灰度化处理；②应用threshold函数对特征图像进行阈值处理得到二值化图像；③利用Adobe Photoshop CC中的色彩选择工具对图像进行覆色填充。对于喷雾液膜图像的处理步骤如下：①提取特征区域；②鉴于喷雾图像内容相对单一，调用OpenCV进行gamma变换，对特征图像实施增强处理；③通过局部-全局对比分析，将增强后的局部图像与原始整体图像进行空间配准和多尺度融合，实现目标区域可视化特征的强化。

以处理后的气泡图像为例(图 4)，基于上述处理结果，对气泡尺寸数据进行测量统计：①根据喷头像素长度和实际长度的关系，计算出图像上的比例尺。由图 2可知，混合腔直径为12 mm，通过Image-Pro Plus 6.0软件的Measurements工具得到混合腔宽度为550像素。基于该测量结果，可计算出像素与实际尺寸的换算关系为1像素等于21.8 μm。②使用Image-Pro Plus 6.0软件，运用count/size工具并选择Measurements中的Diamater(mean)对气泡平均直径进行测量。③运用式(1)将像素单位下的气泡尺寸换算为实际尺寸，同时运用count/size工具对混合腔整体气泡数量进行统计。

式中：D_i为第i个气泡的实际尺寸；L_p为混合腔像素单位下的宽度；L_h为混合腔实际宽度；d_p为像素单位下的气泡尺寸。

为获取准确的粒径分布数据，采用自动校准与手动校准相结合的方法对粒度分析仪进行校准操作。通过放置标准件进行校准，并将粒度分析仪与计算机连接，使校准数据实时显示在计算机界面上。实验规定，标准件的中值粒径Dv50在22~23 μm为校准成功。为保证检测数据的准确性，在测量前对仪器进行校准，并在测量过程中，将激光线束调整至与喷头中心线垂直并共面。本研究针对不同浓度的乳状液与清水样品开展测量工作，每种样品在相同实验条件下重复测量10次。

图 5显示了不同浓度乳状液与清水的表面张力随时间的变化曲线，实验测得清水的表面张力为71.5 mN/m。由图 5可知，乳状液的加入显著改变了表面张力，随着乳状液浓度的提升，表面张力的曲线斜率绝对值在逐渐增加。曲线斜率表现为表面张力与界面形成时间的比值，其绝对值即为表面张力的变化速率。表面张力曲线斜率绝对值的增加表明，随着乳状液浓度的提高，表面张力的变化速率加快。浓度为0.10%和0.02%的乳状液的表面张力最终分别在320 s和500 s后趋于稳定。

由于乳状液的加入，局部表面张力梯度增大，基于Marangoni效应，这种梯度会产生分子拉力作用，即表面张力高的区域对表面张力低的区域存在拉力作用。在Marangoni效应的影响下，乳状液微粒扩散，表面张力随乳状液微粒的扩散逐渐下降^[20]。乳状液浓度越高，表面张力梯度越显著，表现为表面张力下降更迅速，达到稳定所需的时间更短。另外，由图 5可知，浓度为0.10%的乳状液在320 s时已达到稳定，而浓度为0.02%的乳状液尚未达到稳定，若继续使用浓度为0.02%的乳状液，由于不清楚其表面张力在何时达到稳定，在喷雾时其表面张力仍可能发生动态变化，进而导致实验数据不可靠，影响后续喷雾特性的分析。为了统一变量，确保在喷雾时表面张力已达到稳定，将浓度为0.02%的乳状液剔除。在此基础上，本研究对内流特性(包括气泡演变过程、气泡直径分布及数量变化)和外部喷雾液膜特征(包括气泡直径分布、穿孔演变规律及穿孔数量分布)进行了系统分析。

在乳状液与清水的喷雾高速摄像过程中，截取混合腔的局部特征图片。为确保样本的均匀分布并提高量化统计的准确性，采用系统抽样的方法，每隔20帧选取1张图像。从混合腔的动态过程中选取50张具有代表性的图像，对气泡直径进行统计处理，据此绘制出气泡直径分布统计图，如图 6所示。本研究对气泡直径的定义如下：微气泡为(0，100) μm，小气泡为[100，200) μm，中气泡为[200，300] μm，大气泡为(300，900] μm。

由图 6所示的气泡直径分布统计结果，拟合出概率密度分布曲线的R²分别为0.97(清水)和0.99(乳状液)，符合对数正态分布。其中，乳状液中有58%的气泡属于微气泡，而清水中这一比例仅为11.7%；清水中有67%的气泡直径分布于[100, 300] μm，乳状液中有83%的气泡直径分布于(0，200) μm，且清水中300 μm以上的大气泡分布比例较多。观测发现，乳状液喷雾条件下随着直径的增大，气泡分布比例逐渐减小；清水喷雾条件下随着直径的增大，气泡分布比例先增大后减小。此外，经计算，清水条件下气泡的总体平均直径为211.46 μm，乳状液条件下气泡的总体平均直径为118.46 μm，说明乳状液气泡尺寸较清水更小，以较小尺寸气泡为主要分布；清水条件下气泡直径的标准差为136 μm，乳状液条件下气泡直径的标准差为104 μm，说明乳状液的加入使气泡直径分布的离散程度更低，相较于清水，乳状液气泡分布更加集中。分析结果表明：乳状液喷雾气泡分布较窄，以微小气泡为主；清水喷雾气泡分布较宽，以中小气泡分布为主。

乳状液气泡流产生差异的原因可归结为以下几个方面：①喉管内液体的初始动能较高，足以将通过进气孔吸入的气流剪切成尺寸较小的气泡，气泡通过扩散段进入混合腔。②混合腔内的液体在高速流场下形成湍流，将较大气泡扭转变形；湍流产生较高的黏性剪切力，将扭转变形的气泡撕裂成较小气泡。③乳状液的加入使表面张力发生了改变，喉管内破碎进入混合腔的较小气泡以及混合腔湍流作用下破碎产生的较小气泡因表面膜上乳状液浓度的不均衡性^[21]，从而产生表面张力梯度，这种表面张力梯度形成不稳定气泡膜，同样促使气泡的破裂。上述多重原因造成乳状液条件下的气泡以微小气泡为主，在此影响下，形成的气泡数量必然增多。

乳状液的加入使气泡的数量显著增加，对每隔5.0 ms选取的图像中存在的气泡数量求平均数，得到如表 1所示的结果，即乳状液与清水混合腔气泡数量的比例约为2.09∶1。

图 7为清水与乳状液内流的演变过程，该演变过程的共同点是清水和乳状液均出现气泡分裂现象，而差异在于两者演变过程的复杂程度明显不同。由图 7可知，清水中参与分裂的气泡数量明显少于乳状液中参与分裂的气泡数量，且清水的分裂机制被认为是在剪切力和湍流推动作用下，气泡被拉伸变形至分裂，清水分裂未出现二次分裂与再合并现象。

图 7b为乳状液气泡的分裂过程，气泡在0~5.0 ms的时间内完成分裂。在此分裂过程中，单个气泡经过二次分裂最终分裂为3个椭球形气泡。同时观察到，气泡在分裂前后产生较大的径向移动距离，推测该现象由腔内外压力差所致。在0~0.5 ms的时间内，气泡旋转约180°并被拉伸变形，这归因于涡流使气泡发生翻转；同时，在速度梯度产生的黏性剪切力以及旋转产生的离心力作用下，气泡进一步扭转变形^[22]。在0.5~1.5 ms的时间内，该区域的气泡在涡流的作用下发生分裂，由单个大尺度气泡旋转并破碎成小尺度气泡^[23]。在t=1.5 ms时，下方气泡拉长变形并于t=2.0 ms再次分裂为6个小气泡。乳状液中乳油微粒的浓度必然高于清水，乳油浓度越高，所形成的表面张力梯度越大，表面张力较高的液体对表面张力较低的液体产生的拉力越强。在该拉力作用下，乳油微粒的扩散速度也更快^[24]，从而使表面张力下降并达到稳定的速度更快。表面张力的降低带来气泡稳定性的降低，进而使黏性剪切力对气泡的变形扭曲影响增强。另外，受惯性影响，气泡被拉伸变形；气泡表面积增大，气泡膜变薄。因此，乳油微粒更易进入气泡的气液界面膜，该过程可能涉及多个油滴，油滴的扩散过程可能会在膜上多点发生，致使气泡膜发生多点破裂，进而在表面张力的作用下形成多个气泡。在t=2.5 ms时小气泡重新合并为1个大气泡，分析认为，乳油的加入使表面张力降低，从而减弱气泡稳定性，在湍流的作用下，这些不稳定小气泡再次合并。最终，在t=5.0 ms时，气泡分裂并稳定为椭球形气泡，表明气泡分裂过程结束。

综合以上分析可以得到乳状液内流变化的3个规律。①在乳状液条件下，混合腔气泡直径分布呈现以下特征：58%的气泡直径分布于(0，100) μm，83%的气泡直径分布于(0，200) μm，且直径分布较窄；气泡分布受喉管内液体动能、湍流剪切以及乳状液浓度梯度的影响，气泡呈微小分布。②乳状液的加入使气泡总数发生变化，具体表现为：混合腔中乳状液气泡总数与清水气泡总数的比例为2.09∶1，表明乳状液的加入使气泡整体数量增加。③乳状液显著改变了气泡的分裂演变过程，其与清水条件下的气泡分裂演变存在明显差异：在乳状液中，气泡分裂受表面张力变化、涡流运动、乳状液浓度梯度及湍流剪切等因素影响，分裂产生的气泡数量通常超过3个，并伴随着二次分裂与再合并现象。

进一步探究吸气式喷头内形成的气液两相流，经V形狭缝射流至外界环境，形成喷雾液膜后发生的物理现象。本研究通过高速相机对特征进行可视化拍摄，实现对该物理现象的取证与分析。

图 8为清水和乳状液的喷雾液膜形态对照示意图。与清水喷雾液膜相比，乳状液喷雾液膜的面积从1 824.56 mm²减小到1 320.48 mm²，穿孔(红色箭头所示)的数量从1个增加到8个；乳状液喷雾液膜破碎的时间更早，其长度从55 mm缩短至45 mm。其次，由图 8还可观察到，清水液膜的局部特征显示出规则的扇形波纹，而乳状液液膜的局部特征显示出不规则的波状波纹。此外，由图 9可知，乳状液喷雾形成的气泡尺寸更小，且分布在液膜上的小黑点也均为气泡^[25]。显然，乳状液与清水的喷雾液膜形态特征存在较大差异。

在数据统计阶段，采用每隔20帧的系统抽样方法，分别从乳状液和清水的喷雾过程影像中选取100张液膜特征图像。利用Image-Pro Plus 6.0软件Measurements模块中的测量工具，对图像中的气泡直径进行定量测定。另外，在气泡直径分布统计过程中，为避免光折射造成的统计误差以及因气泡尺寸微小导致的统计疏漏，本研究采用5张特征图为1组的统计方式。

图 10为喷雾液膜气泡直径分布统计图，从图中可以看出，乳状液与清水在喷雾液膜上的气泡直径存在明显差异：乳状液喷雾液膜的气泡直径中，有76%分布于(0，100) μm，有24%分布于[100，200) μm，两者的比例大约为3∶1；清水喷雾液膜的气泡直径中，有35%分布于(0，100) μm，有36%分布于[100，200) μm，两者的比例大约为1∶1。另外，经测量，清水气泡的总体平均直径为179.19 μm，乳状液气泡的总体平均直径为75.89 μm，表明乳状液气泡直径小于清水气泡，且以较小尺寸气泡为主要分布；清水条件下气泡直径的标准差为136 μm，乳状液条件下气泡直径的标准差为74 μm，表明乳状液的加入使气泡分布的离散性更低，乳状液气泡分布相较于清水更加集中。

进一步分析发现，乳状液液膜中的气泡仍以微小气泡为主，气泡分布较窄，数量比例随直径的增大逐渐减小；而清水液膜中的气泡虽也以微小气泡为主，但气泡分布较宽，数量比例随直径的增大先增大后减小。乳状液喷雾液膜的气泡分布现象与喷头内流气泡的生成与分布密切相关。具体来说，表面张力下降导致黏性剪切力更易使气泡扭曲变形，同时，乳状液扩散造成的表面张力梯度^[25]会产生不稳定气泡，最终导致气泡尺寸发生变化。对喷雾液膜和内流气泡直径的统计表明，乳状液气泡流从混合腔流经喷孔至喷雾膜的过程中，始终保持类似的气泡分布，并呈现明显的稳定性与连续性。

图 11为穿孔的数量分布情况。由于乳状液的加入，液体的表面张力降低，抵抗外力(如外部扰动产生的力以及重力等)的能力减弱；另外，乳状液的扩散产生了较大振幅和波长的表面波，几乎覆盖了整个膜表面，这些波最终导致观察到的气泡膜在较大的平均膜厚处破裂^[21]；同时，气泡破裂在一定程度上也导致了穿孔的产生^[26]。统计结果表明：清水液膜有28%形成穿孔，且单张喷雾图像中没有3个以上的穿孔存在；乳状液液膜有91%形成穿孔，其中3个以上的穿孔占比达到19%，约为总样本数的1/5。以上数据说明，乳状液产生的穿孔数量较多且概率较高，穿孔发生率占比达到91%，多穿孔(穿孔数3个以上)概率达19%，表明乳状液更易发生穿孔，且穿孔数量相对较多。

图 12为乳状液喷雾液膜穿孔的可视化演变过程。由图 12可知，乳状液喷雾的穿孔多发生于喷雾液膜中部近喷孔端。在t=0 ms时，喷雾液膜受到扰动隆起(图 12a中红色箭头所示)，局部液膜向外凸出。由于凸出部分的曲率半径减小，曲率增大，该区域受到的扰动力相对集中，从而形成应力集中现象。这种应力集中同时作用于液膜两侧，造成液膜内外力的失衡^[27]，最终导致喷雾液膜在t=0.5 ms和t=1.0 ms时先后发生破裂并形成穿孔(图 12b与图 12c中蓝色箭头所示)。在1.0~2.0 ms的时间内，由于重力及喷雾层扰动的作用，穿孔面积逐渐扩大；随后，在t=3.0 ms时，形成韧带结构(图 12e中橙色箭头所示)，3个穿孔通过韧带相互连接；接着，在t=6.0 ms时，随着韧带的撕裂，相邻穿孔贯通，穿孔面积急剧扩大，最终导致喷雾片的破裂。初始穿孔以及韧带出现在较接近喷孔的位置，穿孔下方的喷雾液膜面积较大。随着韧带断裂，喷雾片与喷雾液膜主体脱离，形成较大面积的喷雾破片(破片面积为661.51 mm²)，进而导致喷雾液膜主体面积减小。此外，通过对液膜穿孔概率的统计分析发现，乳状液喷雾液膜穿孔数量更多，随着穿孔的增多，导致更多的喷雾破片形成以及液滴的脱落，进而造成喷雾液膜面积的减小。

图 13为清水喷雾液膜穿孔的可视化演变过程。由图 13b可知，清水形成的穿孔(红色箭头所示)位于喷口远端的喷雾液膜边缘上。由于界面曲率引起的毛细管压力促进了喷雾液膜的排水，从而导致喷雾液膜厚度的减小^[26]。当喷雾液膜足够薄时，在随机扰动的作用下喷雾液膜发生破裂，形成的喷雾破片面积较小(破片面积为143.1 mm²)。

基于上述现象分析，可对乳状液喷雾液膜形态的形成机制作如下解释：①乳状液液膜气泡以微小气泡为主，其中(0，100) μm的微气泡占比达76%，因此喷孔喷出的喷雾液膜上可见较小尺寸的气泡分布。②乳状液发生穿孔的概率为91%，其中多穿孔(3个以上)占比达19%，这说明乳状液喷雾液膜不仅穿孔发生率高，且多穿孔比例大，因而乳状液喷雾液膜的破碎更明显。③通过对清水与乳状液的穿孔演变分析发现，乳状液穿孔往往发生在喷雾液膜中部靠近喷孔的区域，导致形成较大面积的喷雾破片(从143.11 mm²增加到661.51 mm²)；且由于乳状液液膜穿孔数量较多，在这些穿孔的作用下，其破碎化程度变得更加显著。具体而言，较多的穿孔破坏了喷雾液膜的结构稳定性，进而导致更多喷雾破片的形成以及液滴的脱落，最终使得乳状液的喷雾液膜面积较清水明显减小。

空气的吸入在喷雾液膜上形成气泡，在喷雾压力的作用下，液膜上的气泡向下移动并发生演变，而穿孔的产生促使液膜进一步雾化发展，最终破碎形成雾滴^[26]。由此可见，气泡的尺寸及穿孔的形成与雾滴粒径联系紧密。

图 14为不同浓度的乳状液以及清水的中值粒径Dv50的分布图。Dv50为雾滴体积直径，表示某一测量工况下，雾滴尺寸按照从小到大，在体系中累积分布占比达到50%时对应的粒度，其直接影响农药雾滴的飘移、黏附和沉积，是衡量喷雾质量的重要指标^[28]。在清水喷雾(乳状液浓度为0%)条件下，粒径随着靶距增大而增大，不同靶距下的粒径差值达119 μm，且粒径主要分布于[500，600) μm。加入乳状液后，粒径尺寸发生显著变化：在相同靶距条件下，粒径尺寸随乳状液浓度的增加逐渐减小。特别地，当乳状液浓度为0.1%时，该浓度下不同靶距间的粒径差值达55 μm；当浓度增加至0.4%时，该差值仅为0.4 μm。粒径分布区间集中于[100，200) μm。此外，随着乳状液浓度的增加，粒径的标准差逐渐降低。其中，靶距为200 mm时，标准差从87.8 μm逐渐降低至2.9 μm；靶距为300 mm时，标准差从35.2 μm逐渐降低至2.25 μm，这表明乳状液浓度的升高与粒径分布离散性的降低呈正相关，同时同一浓度下不同靶距的粒径差值逐渐减小。

综合以上分析可以得到如下结论：①基于粒径差值变化的分析表明，相同靶距下的粒径尺寸差值逐渐减小(降幅达到99.7%)，表明粒径分布的均匀性得到显著提高。②基于标准差变化的分析表明，相同靶距下，粒径尺寸的标准差逐渐减小(200 mm靶距降幅达96.7%，300 mm靶距降幅达93.6%)，离散程度逐渐减小，表明粒径分布的集中性明显增强。因此，乳状液体系中的粒径分布及其变化特征呈现出明显的规律性。随着浓度的增加，粒径的尺寸差异逐渐减小，粒径尺寸趋于一致。这一现象为后续雾化机理的研究提供了重要的实验依据。

本研究采用高速相机捕捉喷雾过程的瞬态图像，并利用图像处理及统计软件对喷雾数据进行分析。通过设置清水对照组，运用高速成像技术对喷雾内外流动过程中的气泡运动进行特征提取；采用图像锐化、对比增强等图像处理方法对特征图像进行优化；借助粒径测量技术获取不同浓度乳状液的粒径数据。基于实验现象观测与数据分析，系统研究了乳状液条件下吸气式喷雾内外流动的作用规律，主要得出以下结论：

1) 气泡连续性演变分析表明，乳状液混合腔以及外部喷雾液膜气泡直径主要分布于(0，200) μm，具有气泡分布较窄、微小气泡为主的特征。乳状液气泡分布更加稳定，气泡直径分布趋于一致，且在喷雾运动过程中保持连续且稳定的分布状态。

2) 乳状液内流演变过程显示，其气泡总数与清水气泡总数之比约为2.09∶1，呈高密度微小气泡分布特征。混合腔内参与气泡分裂的气泡数量较多，气泡分裂过程中呈现二次分裂与再合并现象，其演变动力学行为更为复杂。

3) 喷雾形态分析发现，乳状液喷雾液膜以微小气泡分布为主，穿孔概率高达91%，多穿孔现象更加显著，具有喷雾液膜面积较小且破碎化程度较高的特征。

4) 雾滴粒径实验结果表明，乳状液粒径受靶距和浓度变化的影响较小，整体表现出良好的稳定性。

本研究成果对于提升农药利用效率、减少环境污染及生态风险具有重要价值，为农业生产的绿色转型升级提供了科学依据。