脈動燃燒器研究進展及其在病蟲害防治中的應用

許林云 張愛琪 金晶 余兵

摘要：目前，Helmholtz型脈動燃燒器被廣泛應用且前景良好。其具有環保節能、燃燒效率高、傳熱特性佳、熱效率高以及排放污染少等諸多優點。將Helmholtz型脈動燃燒器應用于病蟲害防治裝備的研制，對穩定作物生產、提高作物品質、增加種植效益以及發展科學植保和綠色植保具有重要意義，有助于保障生態可持續。概述Helmholtz型脈動燃燒器的工作原理，梳理脈動燃燒器的研究發展現狀，總結Helmholtz型脈動燃燒器在病蟲害防治方面的應用研究。目前便攜式脈動燃燒病蟲害防治裝備存在人機工程學缺陷、土壤蒸汽消毒機熱動力源耦合關系不明確、脈動燃燒機理研究不夠深入且脈動燃燒器結構簡單、裝備智能化程度低等問題。提出應用現代化技術研究脈動燃燒機理，研制脈動燃燒病蟲害防治裝備新型結構與機型，運用智能化、現代化技術開發大型車載式病蟲害防治機械，發展脈動燃燒病蟲害防治機械智能控制模塊的發展對策。

關鍵詞：脈動燃燒器；綠色植保；病蟲害防治；新型裝備

中圖分類號：S49? 文獻標識碼：A? 文章編號：2095-5553 （2024） 03-0051-07

Research progress of pulsation burner and its application in pest control

Xu Linyun1， 2， Zhang Aiqi2， Jin Jing2， Yu Bing2

（1. Collaborative Innovation Center for Efficient Processing and Utilization of Forestry Resources，Nanjing Forestry University， Nanjing， 210037， China; 2. School of Mechanical and Electronic Engineering，Nanjing Forestry University， Nanjing， 210037， China）

Abstract：

The Helmholtz-type pulsating burner is widely applied and has a good prospect at present. It offers numerous advantages， including environmental protection and energy saving， high combustion efficiency， excellent heat transfer characteristics， high thermal efficiency， and minimal pollutant emissions. The application of? the Helmholtz-type pulsating burner? in the development of pest control equipment is of great significant importance for stabilizing crop production， enhancing crop quality， increasing planting benefits， and advancing scientific and environmentally friendly plant protection， which is contributing to ecological sustainability. This article outlines the working principle of the Helmholtz-type pulsating combustor， reviews the current research and development status of pulsating combustors， and summarizes its application in pest control. However， current portable pulsating combustion pest control equipment faces ergonomic deficiencies， unclear coupling relationships in the thermal power source of soil steam sterilizers， insufficient research into pulsating combustion mechanisms， and a low level of intelligence in equipment structure. It is proposed to apply modern technology to study pulsating combustion mechanisms， develop new structures and models for pulsating combustion pest control equipment， utilize intelligent and modern technologies to develop large-scale， vehicle-mounted pest control machinery， and advance the development of intelligent control modules for pulsating combustion pest control machinery.

Keywords：pulsation burner ; green plant protection; pest control; new equipment working principle

0 引言

脈動燃燒是一種存在一定規律的周期性燃燒。1933年Reynst申請的“CombustionPot”專利是脈動燃燒技術最早的研究成果，實質是一種脈動狀態下的燃煤爐。而后脈動燃燒逐漸應用于工業領域，20世紀60年代，脈動燃燒技術在工業干燥領域得到了較好的應用。到了20世紀80年代，脈動燃燒技術在鍋爐技術中得到了很好的應用。20世紀末至21世紀初脈動燃燒技術推動了農林業病蟲害防治的發展，以脈動燃燒器為熱源的一系列產品，如脈沖煙霧機、土壤蒸汽消毒機等應運而生。目前對應用于病蟲害防治機具的脈動燃燒器的理論研究仍具有局限性，對脈動燃燒機理的研究鮮少。研究者們對脈動燃燒器的聲學條件、加熱條件以及工作特性等進行了許多試驗研究。設計開發了較多款防治效率高且綠色環保的病蟲害防治機具?；诿}動燃燒器的病蟲害防治裝備的研制對發展科學植保、綠色植保、保障生態可持續具有重要意義。

脈動燃燒器主要有Helmholtz型、Schimidit型和Rijke型三種不同類型［1］，本文將針對目前應用最廣的Helmholtz型脈動燃燒器（除特殊說明外，以下將Helmholtz型脈動燃燒器簡稱為脈動燃燒器）的研究現狀以及其在病蟲害防治中的應用研究進行綜述與分析。

1 脈動燃燒器工作原理

1945年瑞利準則中提出各種類型的脈動燃燒器的燃燒放熱過程和氣體壓力脈動之間都存在某種反饋關系，只有在一定條件下才能自發地激勵起脈動。

Helmholtz型脈動燃燒器結構如圖1所示，主要由燃燒室、相當長度的尾管組成，由單向閥門控制燃料和空氣進入量的燃料和空氣入口，用于燃料及空氣預先混合的混合室，用于啟動時點火的火花塞，并安裝于混合室上。

Helmholtz型脈動燃燒器的工作原理如圖2所示，初始時刻，燃料與空氣進入混合室被火花塞點燃產生火焰（過程a），火焰快速蔓延至燃燒室（過程b），燃燒室內壓力上升。當燃燒室壓力大于燃料供給壓力或大氣壓時，燃料和空氣閥門均關閉，切斷了燃料和空氣進入燃燒室，燃燒產物不斷增加膨脹，且只能從尾管向外排出（過程c）。經排氣燃燒室內壓力不斷下降，直到降至低于燃料進口閥前壓力時，進口閥再次開啟，新鮮空氣與燃料吸入燃燒室（過程d），隨著燃燒室內壓力不斷下降，噴管內氣流由排放轉化為向吸入（過程e），壓縮混合燃氣再次被上一循環的余火點燃（回到過程b），形成不斷循環的自激自吸周期性燃燒過程。因燃料與空氣閥門完全依靠燃燒室內氣流的周期性波動實現自動開啟，使燃燒室與尾管內的氣流實現自動進燃料（空氣）—燃燒—排放的自動振蕩循環過程。

脈動燃燒器要能實現脈動燃燒，必須使聲學條件與加熱條件產生耦合作用，才能使脈動燃燒器內部氣流發生振蕩脈動工作。聲學條件是指由一定尺寸參數的燃燒室（燃燒室體積V）和噴管（噴管長度L和內徑d）所構成，加熱條件是指由一定量的燃料（q1）與空氣（q2）混合形成的可燃混合氣。因脈動燃燒的許多工作機理至今還不清楚，一定的聲學結構有一定的聲學諧振頻率，但并不一定能與加熱條件相匹配，甚至與任何加熱條件均無法形成有效的耦合作用，即無法形成脈動燃燒振蕩關系。因此，只有某些特定結構尺寸的聲學條件與某一范圍內的加熱條件才能匹配，產生耦合效應，即脈動燃燒器內部的氣流以一定的耦合振蕩頻率f脈動燃燒工作。如果耦合關系存在時，不僅改變聲學條件中的尺寸參數V、L、d會改變振蕩頻率f，同時在聲學條件不變時，改變加熱條件中的q1和/或q2，也會改變耦合關系，即改變振蕩頻率f，形成新的脈動振蕩系統，如圖3所示。

2 脈動燃燒器研究進展

2.1 脈動燃燒器理論研究

計算機技術在脈動燃燒的理論研究中起著舉足輕重的作用。許多研究者應用計算機技術來研究模擬熱聲脈動現象。早期對脈動燃燒器的數值模擬是從零維、一維模型開始研究的，AKT、BDB、RMS［2］模型是其中早期最具代表性的數值模型。AKT模型是一個零維數學模型，原始AKT模型用于預測不同的參數變化和壓力振蕩的關系［3， 4］。Barr等開發的BDB模型對脈動燃燒器的研究也有著重要貢獻，BDB模型是一維數學模型，其與AKT模型都研究燃燒器幾何形狀和物理參數對脈動燃燒的影響，但只有BDB模型能夠為脈動燃燒器找到可選的工作頻率［58］。RMS［9］和AKT與BDB數學模型的不同在于，RMS模型主要集中研究供油、供氣閥門對脈動燃燒器影響的理論研究。以上三種為較基礎的數值模型，在此基礎上許多學者對其進行了改進以解決現有模型的不足。除此之外，Bloom等［10］通過構建脈動燃燒集總參數模型并結合AKT模型方程，研究各種物理和幾何參數的變化，所引起的擾動擴展的數值，產生了關于脈動燃燒器工作特性的重要信息，同時發現尾管的摩擦在實際中無法被觀測到但是對工作特性存在較大的影響關系。Kilicarslan［11］開發了Helmholtz型脈動燃燒器的數學模型，通過改變尾管長度和直徑，燃燒器容積和氣體供應壓力來理論的研究脈動燃燒器的工作頻率。許林云等［12］用傳遞矩陣建模方法構建脈動燃燒發動機燃燒室噴管—工作頻率的聲學諧振計算公式。Neumeier等［13］對機械閥控的Helmholtz型脈沖燃燒室的極限循環特性進行了理論研究，建立了新的脈動燃燒器模型，預測驅動燃燒室近共振振蕩所需的能量遠遠小于燃燒過程所提供的能量。Tsujimoto等［14］采用特性分析方法對一種Helmholtz型脈沖燃燒器進行了數值分析。研究發現恒定燃燒延遲時間模型可以模擬燃燒器系統的大部分重要特性，為了完全達到解耦效果，解耦室的體積至少要比燃燒室的體積大10倍。隨著計算流體力學的不斷興起與發展，將CFD應用至脈動燃燒器的研究也不斷成熟，CFD能夠構建許多復雜模型進行模擬研究［1520］，進一步推進脈動燃燒的研究與發展。

總體來看，雖然脈動燃燒的理論研究從20世紀就拉開序幕，但由于脈動燃燒是一種復雜的系統，涉及多學科交叉，理論模型仍不是十分成熟，對脈動燃燒機理的解釋研究也有待深入。未來CFD商業軟件應用于研究脈動燃燒技術仍會是主流趨勢，CFD的應用能夠耦合脈動燃燒的各影響因素，縮短研究周期。

2.2 脈動燃燒器試驗研究

燃燒室、噴管以及單向閥的設計參數為脈動燃燒器的主要結構參數，結構參數直接影響脈動燃燒器工作的聲學條件。脈動燃燒器的燃油消耗率屬于脈動燃燒器的加熱條件。當聲熱較好的耦合便形成脈動振蕩，脈動燃燒器能夠成功被驅動，若不能耦合即無法脈動振蕩。許多學者對脈動燃燒器的聲學條件及加熱條件、工作特性、煙氣特性及噪聲進行試驗研究。周宏平等［21， 22］研究了不同聲學條件和3種不同加熱條件對Helmholtz型有閥自激式脈沖發動機工作頻率的影響，聲學條件對發動機工作頻率的影響較小，加熱條件的改變能顯著改變發動機的工作頻率。徐艷英等［2327］研究了彎尾管Helmholtz型無閥自激脈動燃燒器的傳熱特性與壓力特性。余兵等［28］通過對不同油門開度下的燃燒室內氣流壓力、溫度以及燃油消耗率等工作特性進行研究，得到了油耗與油門開度、溫度與頻率和油門及溫度與壓力脈動幅值的關系。陳輝等［29］通過對不同化油器膜片厚度下脈動燃燒器的壓力特性進行分析試驗以研究脈動燃燒器的工作性能發現化油器膜片厚度為0.2～0.3mm時燃燒范圍大，燃燒最穩定。杜志平等［30］分析了Helmholtz型脈沖噴氣發動機的噪聲源，設計了消音器控制脈沖發動機的噪聲。許林云等［31］對Helmholtz型脈沖發動機的聲學結構進行分析，建立與之對應的聲學模型。

綜上，脈動燃燒器的試驗研究以較為全面，能夠得到工作特性較佳的脈動燃燒器結構參數與加熱條件。但試驗研究比較基礎，多數試驗啟動方式仍為手動啟動。脈動燃燒器的試驗研究為基于脈動燃燒器的病蟲害防治機具的設計與發展奠定了基礎。

3 脈動燃燒器在病蟲害防治中的應用研究

3.1 土壤蒸汽消毒機

脈動燃燒器具有結構簡單、燃燒強度大、產熱系數高及尾氣排放量小等特點，如果將其作為熱動力源構成蒸汽發生裝置應用于土壤蒸汽消毒，能有效解決設施園藝病蟲害、環境污染與食品安全等問題。

設施園藝在我國迅速發展，設施栽培連作連茬頻繁的土地利用方式具有作物高收益性，但連作連茬加上設施內高溫高濕的環境條件，導致土壤中產生各類病原菌與多種害蟲。目前，化學防治是土壤病蟲害防治快速高效的主要防治方法。但設施作物主要以蔬菜瓜果為主，傳統化學防治方法不僅對土壤環境有污染，更易產生較多農殘問題影響食品安全以致對人體健康造成危害。如果采用蒸汽消毒這種物理消毒方法，則最為實用、安全、可靠。因設施園藝內部空間小，地塊分散，如果能設計一種小型移動式土壤蒸汽消毒機，具有體積小、移動方便、就地消毒等特點，則較適合于設施園藝的土壤消毒。

潘四普等［32］設計了一款基于脈動燃燒器的土壤蒸汽消毒機，其基本原理如圖4所示，將脈動燃燒器完全浸沒在水筒體中，脈動燃燒器產生的熱能傳遞給水，使水沸騰產生熱蒸汽，熱蒸汽通過蒸汽輸送裝置輸送至土壤中進行消毒作業。Helmholtz型脈動燃燒器與傳統燃燒器相比燃燒強度大、熱效率高（總的熱效率可達95%或更高），由脈動燃燒器產生的振蕩氣流為紊態脈動氣流，其脈動氣流的傳熱系數是非脈動氣流傳熱系數的2.5～3.2倍。蔣雪松等在脈沖式土壤蒸汽消毒機總體機構的基礎上重點對蒸汽輸送裝置的關鍵結構參數進行了設計并利用Fluent對土壤傳熱模型進行了數值模擬，通過分析針頭附近溫度云圖驗證了蒸汽輸送裝置結構合理性。

3.2 脈沖煙霧、水霧機

20世紀50年代美國的一些公司主要生產脈沖式煙霧、水霧機，已形成一個較完整體系，如Dyna FOG系列。德國的脈沖式煙霧、水霧機的研發使用也比較早，如TF-35型熱煙霧機等，Swing FOG系列煙霧機，Pulse FOG系列煙霧機［33］。絕大多數產品均銷往衛生防疫部門。

我國從20世紀50年代末開始研究煙霧、水霧機技術，上海農業藥械廠是國內最早研制脈沖式煙霧、水霧機的單位。20世紀70年代浙江省林業科學研究院為林業防治松毛蟲也研制了3Y-10型煙霧機，后又于農業農村部南京農業機械化研究所參照西德K2G、K10G型煙霧機研制了3Y-35型手提式煙霧機和3YD-8型背負式煙霧機。侯秀梅等研制了一種新型脈沖煙霧、水霧機能將油溶劑完全煙化以及將水基型藥液完全霧化。此類產品大都應用于農業低矮作物的病蟲害防治。

經濟林一直以來都深受病蟲害困擾，經濟林主要有高大林木與果木，故應用于林業病蟲害防治的脈沖煙霧機需要有較好的彌漫性與較遠的噴射距離。20世紀90年代，南京林業大學基于對脈沖噴氣式發動機的理論和性能進行深入研究，研制出新型6HY-25型系列脈沖煙霧機，該煙霧機具有結構簡單、重量輕、啟動容易、操作簡單、熱效率高、可靠性高等顯著優點，適合高大林木林業行業應用。

結合了脈動燃燒技術與煙霧水霧載藥技術的病蟲害防治產品—脈沖煙霧、水霧機可靠、防治效率高，在病蟲害防治中有顯著效果。

脈沖煙霧、水霧機的工作原理如下：脈沖煙霧水霧機按下工作按鈕，脈動燃燒發動機開始工作，氣體經三通閥進入化油器和油箱，進入油箱的氣體將油箱中的油壓入化油器形成可燃混合氣流，可燃混合氣流經火花塞點火后燃燒并快速擴展到燃燒室，壓力增大，關閉進氣單向膜片，氣流經尾管噴出，燃燒室壓力逐漸降低，低于外界大氣壓，進氣單向膜片打開并且尾管由排氣變為進氣，燃燒室內自吸進入的可燃混合氣體進一步被壓縮，被燃燒室內余溫點燃，形成一種進氣—燃氣—排氣的周期性燃燒。脈動燃燒器工作過程中，當燃燒室內壓力大于大氣壓時，引壓管將高壓引入藥箱，打開藥開關，藥液受壓從藥噴嘴流向尾管，脈動燃燒器工作排出的高溫高速尾氣將流入尾管的藥液裂化、破碎并蒸發為霧滴。脈沖煙霧機工作原理如圖5所示。此種Helmholtz型脈動燃燒器能夠自激自吸供油燃燒，不再需要供油泵與供藥泵。

脈沖煙霧、水霧機噴施藥液分：油溶劑藥液、水基型藥液以及生物農藥。

1）? 油溶劑藥液與水基型藥液。衡量以油溶劑藥液與水基型藥液為噴施液體的脈沖煙霧、水霧機的工作的重要標準是：（煙霧、水霧）霧滴粒徑、彌漫特性以及升騰特性。脈沖煙霧、水霧機利用脈動燃燒產生的尾氣的熱能和動能，使藥液受熱迅速裂解揮發，煙化、霧化成細小霧滴從噴管噴出，隨自然氣流飄移滲透到施藥對象上。具有防止效率高、用藥省等顯著特點，在林業上應用廣泛。霧滴粒徑是衡量霧化效果的一個重要指標，越小粒徑的霧滴越能更好地懸浮、擴散，彌漫到防治空間，深入到一般噴霧的霧滴或噴粉的粉粒所不能到達的地方。脈沖式煙霧、水霧機工作產生的高溫高速尾氣使藥液煙化、霧化產生的霧滴粒徑大都小于50 μm，能夠很好地彌漫擴散，防治效率一般可達到同類常規噴霧或噴粉設備的10倍以上［33］。

2）? 生物農藥。衡量以生物農藥為噴施液體的脈沖煙霧、水霧機工作的重要標準是：生物農藥的生物活性。許林云等［34］配制了甘油與水體積比55∶45、65∶35、75∶25三種蘇云金芽孢桿菌熱霧劑制劑，研究儲存溫度與時間對生物藥劑的活性影響發現，存儲時間和溫度對制劑生物活性均會產生影響，存儲時間越長，蘇云金芽孢桿菌活菌數越少，溫度的影響更大，在50 ℃存儲條件下，活菌數在1～7天內出現了65.4%的顯著下降。3種制劑中65∶35制劑活性穩定性較好。柴油熱霧劑經過脈沖煙霧機熱力霧化后的出口煙霧溫度遠遠高于3種蘇云金芽孢桿菌制劑，說明柴油不能直接作為蘇云金芽孢桿菌熱霧劑的油溶劑。3種蘇云金芽孢桿菌制劑在經過煙霧機高溫熱力霧化后生物活性下降并不明顯。說明油水混合型作為生物農藥熱霧劑的溶劑是可行的。李璐［35］對白僵菌油煙劑與煙霧載藥技術進行研究，將劑型與施藥方式結合，主要測定了常規噴霧及煙霧霧化（如瞬時高溫）對菌體活力的影響。發現：制劑A1呈煙后制劑活力降幅稍大為1.7%，A2和A3兩種制劑活性略有降低，但并不顯著，降幅分別為1.4%和1.3%，可見煙霧劑呈煙后孢子仍然保持高活力，進一步說明甘油作為白僵菌油煙劑溶劑的可行性和可操作性。

常見的脈沖煙霧、水霧機主要是手持式和背負式。這兩種形式依靠人力進行操作，施藥效率有限，并且藥液對人體有一定的傷害。未來脈沖煙霧、水霧機將向不依靠人力的機具發展［36］。

4 存在問題

在眾多學者的研究下，脈動燃燒器已在農林病蟲害防治領域得到了較快發展。但是目前脈動燃燒器的研究側重于基礎應用性研究，缺少脈動燃燒機理研究，脈動燃燒技術仍處于發展初期。脈動燃燒病蟲害防治裝備也存在一些問題與不足。

1）? 便攜式脈動燃燒病蟲害防治裝備存在人機工程學缺陷。脈動燃燒病蟲害機械主要在林間進行作業，目前投入實踐使用的脈沖式煙霧、水霧機主要為便攜式機具。便攜式裝備載藥后重量較大，對操作人員背負壓力較大，且其工作時產生的水霧與煙霧易對操作人員健康產生一定的影響，存在人機工程學缺陷。

2）? 土壤蒸汽消毒機熱動力源耦合關系不明確。土壤蒸汽消毒機采用多脈動燃燒器為熱動力源，熱效率較高。但多脈動燃燒器間耦合關系不明確，易造成熄火。

3）? 脈動燃燒機理研究仍不夠深入。脈動燃燒技術是多學科交叉的復雜系統，涉及許多領域的理論知識。目前脈動燃燒技術主要以試驗研究為主，對脈動燃燒技術的機理性研究仍較基礎不夠深入。脈動燃燒器的開發仍以試驗為主，未形成可靠的經驗公式。

4）? 脈動燃燒器結構簡單，病蟲害防治裝備智能化程度低。投入病蟲害防治裝備生產使用的脈動燃燒器，結構較簡單且多手動泵氣啟動。進氣量對于脈動燃燒器的啟動與工作有很大影響。手動泵氣進氣量不夠精準，易降低啟動效率。隨著電子電氣技術的發展，定量遠程控制等將使脈動燃燒病蟲害防治裝備向著智能化的方向發展。

5 發展對策

針對上述脈動燃燒病蟲害防治裝備發展中存在的問題，結合現狀對未來脈動燃燒病蟲害防治機械提出以下可行性對策及建議。

1） 脈動燃燒器結構與裝備機型創新性突破?，F有脈動燃燒器多為傳統的單燃燒室單尾管結構形式，可在此基礎上創新研制傳熱效率更高的多脈動燃燒器并聯結構或單燃燒室多尾管結構。目前研發的脈動燃燒病蟲害防治裝備以便攜式裝備為主，未來將向中大型、車載式發展。開發大型車載式煙霧水霧機可以克服林地陡峭背負施藥重量大、對操作人員壓力較大的問題。大型車載式脈沖煙霧、水霧機防治速率有顯著提高，能夠高效防治大面積林地。

2）? 脈動燃燒病蟲害防治裝備智能化。脈動燃燒器目前的試驗研究中仍以手動啟動為主，在后續研究中可以研究遠程控制啟動系統及進氣流量精準控制的智能化裝置。中大型、車載式裝備無人化作業也將成為智能化發展趨勢，可避免病蟲害防治作業中脈沖煙霧、水霧機所噴施的藥液直接與人接觸對人體的傷害。

3）? 現代化技術的運用。復雜的脈動燃燒技術研究過程中將理論與基礎應用性研究并進，采用更先進的技術探究脈動燃燒的機理。應用CFD發展耦合燃燒、聲學以及傳熱等多因素的數值模擬，探究脈動燃燒深層機理，縮短研究周期，為提高脈動燃燒穩定性提供理論依據。高速攝影技術的運用也將推動脈動燃燒器工作過程燃燒機理的研究與闡釋。

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基金項目：江蘇省現代農機裝備與技術示范推廣項目（NJ2020—19）

第一作者：許林云，女，1965年生，江蘇南京人，博士，教授，博導；研究方向為植保機械裝備與技術。E-mail： lyxu@njfu.edu.cn