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Controlling Liquid Atomization using Dilute Emulsions: Mitigation of Pesticide Spray Drift

Opfer, Lars :
Controlling Liquid Atomization using Dilute Emulsions: Mitigation of Pesticide Spray Drift.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Controlling Liquid Atomization using Dilute Emulsions: Mitigation of Pesticide Spray Drift
Language: English
Abstract:

Spray transport is mainly influenced by the velocity of the surrounding gas flow and by the distribution of drop sizes. In many applications, like spray painting, coating and crop protection, the exact location of spray deposition plays a very important role. In modern agriculture, misdirected pesticide spray is a major problem, which causes severe damages to surrounding ecosystems. This phenomenon is called spray drift. The susceptibility of a spray to drift is mainly influenced by its drop size distribution, since the trajectories of smaller drops can heavily be affected by the airflow. On the other hand, large drops have a negative effect on the coverage with pesticide. The present work aims towards controlling drop sizes during atomization with dilute emulsions.

Aerodynamic fragmentation of a single drop at relatively low Weber numbers, corresponding to the drop bag breakup, is employed as a model system to evaluate the ability of various adjuvants to control the atomization process. For this purpose, a compact, open-circuit wind-tunnel is designed. The process of aerodynamic fragmentation is then recorded by a high-speed video system. It is observed that drop breakup is heavily promoted even at very small quantities of emulsion. A theoretical model is presented which describes the film thickness evolution during the aerodynamic fragmentation process. It is shown that a polyethersiloxane emulsion can considerably increase the film thickness at the instant of rupture as well as the mean child drop sizes. Next, the breakup morphology of liquid sheets originating from agricultural flat fan nozzles is analyzed and discussed qualitatively and quantitatively using a high-speed video system and appropriate image processing algorithms. It is demonstrated that the polyethersiloxane drops cause the nucleation of a large number of holes in the liquid films. This effect leads to a much more regular breakup and reduces the length of the intact sheet. It is shown that the additives influence the breakup of a single drop and the atomization in agricultural sprays in the same manner.

Then, the effect of emulsion particles on final spray characteristics is quantified by image based drop size measurements. Compared to pure water, the volume fraction contained in drift-prone drops can be reduced substantially by the addition of small amounts of polyethersiloxane. Additionally, the more regular breakup induced by the emulsion decreases the polydispersity of drop sizes and thereby improves the coverage characteristics of the spray.

Finally, it is shown that the addition of certain additives is very beneficial to the overall pesticide spray quality. The reduction of liquid contained in small and in large drops decreases the hazards caused by off-target pesticide deposition and improves the coverage characteristics. The crop protection process can thus be made more efficient and less precarious.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Transport von Sprays wird hauptsächlich durch die Bewegung des umgebenden Gases und die Verteilung von Tropfengrößen beeinflusst. In vielen Anwendungen, wie beispielsweise der Sprühlackierung, der Beschichtung von Oberflächen und dem Pflanzenschutz, spielt der zielgerichtete Auftrag des Sprays eine sehr wichtige Rolle. In der modernen Landwirtschaft rufen fehlgeleitete Pestizide schwere Schäden an umliegenden Ökosystemen hervor und stellen daher ein großes Problem dar. Dieses Phänomen wird als Spray Drift bezeichnet. Die Anfälligkeit eines Sprays für diesen Prozess wird hauptsächlich durch seine Tropfengrößenverteilung beeinflusst, da die Trajektorien kleinerer Tropfen stark durch den Wind bestimmt werden. Andererseits haben größere Tropfen eine negative Auswirkung auf die Bedeckungseigenschaften. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist die Kontrolle von Tropfengrößen während der Zerstäubung mit wässrigen Emulsionen. Der aerodynamische Zerfall einzelner Tropfen bei kleinen Weber Zahlen wird auch als Taschenzerfall bezeichnet. Dieses Phänomen wird als Modellsystem verwendet um die Wirksamkeit verschiedener Additive zur Kontrolle des Zerstäubungsprozesses zu evaluieren. Hierfür wurde ein kompakter Windkanal entwickelt. Der Tropfenzerfall wurde mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen. Es wurde beobachtet, dass der Zerfall selbst bei geringen Emulsionsmengen sehr viel früher auftritt als bei reinem Wasser. Ein theoretisches Modell für die Entwicklung der Filmdicke während des aerodynamischen Tropfenzerfalls wird präsentiert. Weiterhin wird gezeigt, dass eine Polyethersiloxan-Emulsion die Filmdicke im Moment des Aufbruchs und die typische Größe der entstehenden Fragmente deutlich erhöht. Daraufhin wird die Zerfallsmorphologie von flüssigen Schichten in landwirtschaftlichen Sprays qualitativ und quantitativ untersucht und diskutiert. Hierfür wird wieder eine Hochgeschwindigkeitskamera sowie geeignete Bildverabeitungsalgorithmen verwendet. Es wird demonstriert, dass das Polyethersiloxan die Nukleation einer großen Zahl von Löchern in den Filmen hervorruft. Dieser Effekt führt zu einem gleichmäßigeren Aufbruchsverhalten und reduziert die Länge des flüssigen Filmes deutlich. Es wird weiterhin gezeigt, dass der Einzeltropfenzerfall und die Zerstäubung in landwirtschaftlichen Sprays auf die gleiche Art und Weise beeinflusst wird. Der durch die Emulsion hervorgerufene Effekt auf die Eigenschaften des entstehenden Sprays wird durch bildbasierte Tropfengrößenmessungen quantifiziert. Im Vergleich zu reinem Wasser kann der Anteil der driftanfälligen Tropfen durch die Zugabe von Polyethersiloxan deutlich reduziert werden. Zusätzlich wird die Polydispersität des Sprays durch den gleichmäßigeren Aufbruch verringert und die Benetzungseigenschaften des Sprays damit verbessert. Schließlich wird gezeigt, dass sich die Zugabe bestimmter Additive sehr positiv auf die Gesamtqualität des Sprays auswirkt. Die Verminderung des Flüssigkeitsanteils in kleinen sowie in großen Tropfen verringert die Gefahren durch fehlgeleitete Pestizide und verbessert gleichzeitig die Benetzungseigenschaften. Die Ausbringung von Pflanzenschutzmitteln kann somit effektiver und weniger gefährdend für die Umgebung erfolgen. German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 19 Aug 2014 11:57
Last Modified: 19 Aug 2014 11:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-40807
Referees: Tropea, Prof. Cameron and Brenn, Prof. Günter and Roisman, Dr. Ilia
Refereed: 20 June 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4080
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