近日，機(jī)械與電子工程學(xué)院劉雪美教授團(tuán)隊在《Computers and Electronics in Agriculture》在線發(fā)表了題為“Dynamic Simulation of Fluid-Structure Interactions between Leaves and Airflow during Air-assisted Spraying: A Case Study of Cotton”的研究論文。崔慧媛博士為該論文的第一作者，劉雪美教授為該論文的通訊作者。

在輔助氣流施藥過程中，氣流可拓寬液滴輸送通道，增加液滴在冠層內(nèi)沉積均勻性。不同于單片葉片，冠層內(nèi)多葉片與輔助氣流會相互影響。特別是冠層內(nèi)復(fù)雜的葉片三維空間分布對冠層內(nèi)噴霧霧滴流動和氣流流場分布的影響尚不完全清楚。因此，解釋冠層內(nèi)多葉片與噴霧氣流相互作用引起的流-固耦合現(xiàn)象和氣流流場分布對于進(jìn)一步明晰輔助氣流施藥時冠層內(nèi)霧滴沉積分布具有重要意義。

棉花是我國主要經(jīng)濟(jì)作物、紡織工業(yè)原料、重要戰(zhàn)略物資，棉花整個生育期內(nèi)涉及植保、化控、封頂、脫落葉劑噴施等施藥的精量化、高效率和高防效作業(yè)問題。本文以棉花為例，基于結(jié)構(gòu)顯式有限元求解器和Lattice-Boltzmann (LB)求解器，團(tuán)隊創(chuàng)新地提出了一種雙向流-固耦合數(shù)值模擬方法，分析了輔助氣流作用下葉片的空氣動力學(xué)特性和冠層內(nèi)流場分布，首次揭示了葉片尺度的冠層內(nèi)雙向流-固耦合現(xiàn)象。

針對冠層內(nèi)部葉片與輔助氣流交互難以直觀性觀察和準(zhǔn)確性測量的難題，通過流-固耦合數(shù)值模擬結(jié)果可以直觀地展示冠層內(nèi)部任意位置的流場分布和多葉的變形情況。并且可以直接導(dǎo)出冠層內(nèi)部的氣流分布和渦量分布情況，避免了實際實驗測量過程中造成的測量結(jié)果誤差。 這對于理解冠層內(nèi)部流-固耦合行為提供了重要理論依據(jù)數(shù)據(jù)支撐。

圖1.冠層內(nèi)流-固耦合數(shù)值模擬結(jié)果分析

該研究對棉花植株進(jìn)行了室內(nèi)實驗，對于數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證。實驗結(jié)果驗證了流-固耦合數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，突破葉尺度下的冠層內(nèi)部氣流流場分布難以數(shù)字化分析的問題，為研究冠層內(nèi)部氣流分布并進(jìn)一步分析冠層內(nèi)霧滴沉積機(jī)理提供了思路和研究方向。本研究對于揭示葉片與冠層內(nèi)部及周圍輔助氣流之間的非線性流固相互作用具有重要學(xué)術(shù)意義。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金、“十四五”國家重點研發(fā)計劃和山東省棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團(tuán)隊機(jī)械崗位專家項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.107817

編      輯：萬    千 

審      核：賈    波