近日，機械與電子工程學院劉雪美教授團隊在《Computers and Electronics in Agriculture》在線發表了題為“Two-stage CFD Simulation of Droplet Deposition on Deformed Leaves of Cotton Canopy in Air-assisted Spraying” 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。

在農藥噴灑過程中，由于自然風等因素，霧滴隨空氣從噴嘴流向目標作物，容易漂移到非目標區，造成環境污染和農藥利用率低。霧滴在作物中的沉積受到噴霧參數(噴嘴類型、噴霧流量、噴霧角度、霧滴大小等)、風場(風速和風向)和氣象因子(溫度和濕度)等多種因素的影響。因此，增加霧滴在目標作物上的沉積率、減少霧滴漂移和提高農藥利用率已成為迫切關注的問題。然而，在靶標冠層動態變化過程中分析霧滴沉積行為目前還是一項具有挑戰性的工作。由于霧滴在變形冠層中的沉積行為復雜，且對其霧滴沉積機理不明晰，因此研究變形冠層內部霧滴沉積特征對實現霧滴有效沉積，促進害蟲防治具有重要意義。

圖1.兩階段數值模擬過程流程圖

棉花是我國主要經濟作物、紡織工業原料、重要戰略物資，棉花整個生育期內涉及植保、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問題。以棉花為例，本團隊創新地提出了一種稱為兩階段模擬的方法，其中一個階段涉及輔助氣流與植株多葉片的流-固相互作用，另一個階段涉及在輔助氣流和霧滴的氣-液相互作用下變形植物冠層內霧滴沉積的離散粒子跟蹤模擬。首次揭示了氣流輔助施藥柔性多葉片變形過程中冠層內霧滴的運動和沉積行為。

圖2. 不同噴霧流量下整個冠層(a、b、c)、冠層頂部(d、e、f)、上層(g、h、i)、中層(j、k、l)、下層(m、n、o)液滴沉積濃度分布云圖

針對難以直觀性觀察和準確性量化變形植株冠層內部霧滴沉積動態過程的難題，本文通過兩階段CFD模型——“氣流-霧滴-變形冠層”的新型多相流CFD模型，模擬氣流輔助施藥過程中柔性多葉片變形過程中冠層內液滴的運動和沉積行為，并且可以直接導出變形冠層內部的霧滴沉積和漂移情況。這項工作對于理解變形植株冠層內部霧滴沉積行為提供了重要理論依據和數據支撐。

該研究對棉花植株進行了室內實驗，對于數值模擬結果進行了驗證。實驗結果驗證了兩階段數值模擬結果的準確性，突破變形植株冠層內部多葉片上霧滴沉積難以數字化分析的問題，為研究變形植株冠層內部霧滴沉積分布并進一步分析變形植株冠層內霧滴沉積飄移提供了研究思路和研究方向。本研究對于揭示變形冠層內部霧滴沉積特征對實現霧滴有效沉積，促進害蟲防治具有重要意義。

該研究得到了國家自然科學基金、“十四五”國家重點研發計劃和山東省棉花產業技術體系創新團隊機械崗位專家項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compag.2024.109228

編      輯：萬    千 

審      核：賈    波