近日，機(jī)械與電子工程學(xué)院劉雪美教授團(tuán)隊(duì)在《Computers and Electronics in Agriculture》在線發(fā)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(nóng)藥噴灑過程中，由于自然風(fēng)等因素，霧滴隨空氣從噴嘴流向目標(biāo)作物，容易漂移到非目標(biāo)區(qū)，造成環(huán)境污染和農(nóng)藥利用率低。霧滴在作物中的沉積受到噴霧參數(shù)(噴嘴類型、噴霧流量、噴霧角度、霧滴大小等)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)速和風(fēng)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(biāo)作物上的沉積率、減少霧滴漂移和提高農(nóng)藥利用率已成為迫切關(guān)注的問題。然而，在靶標(biāo)冠層動(dòng)態(tài)變化過程中分析霧滴沉積行為目前還是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。由于霧滴在變形冠層中的沉積行為復(fù)雜，且對(duì)其霧滴沉積機(jī)理不明晰，因此研究變形冠層內(nèi)部霧滴沉積特征對(duì)實(shí)現(xiàn)霧滴有效沉積，促進(jìn)害蟲防治具有重要意義。

圖1.兩階段數(shù)值模擬過程流程圖

棉花是我國(guó)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(gè)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。以棉花為例，本團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出了一種稱為兩階段模擬的方法，其中一個(gè)階段涉及輔助氣流與植株多葉片的流-固相互作用，另一個(gè)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(nèi)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(nèi)霧滴的運(yùn)動(dòng)和沉積行為。

圖2. 不同噴霧流量下整個(gè)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(duì)難以直觀性觀察和準(zhǔn)確性量化變形植株冠層內(nèi)部霧滴沉積動(dòng)態(tài)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(nèi)液滴的運(yùn)動(dòng)和沉積行為，并且可以直接導(dǎo)出變形冠層內(nèi)部的霧滴沉積和漂移情況。這項(xiàng)工作對(duì)于理解變形植株冠層內(nèi)部霧滴沉積行為提供了重要理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

該研究對(duì)棉花植株進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了兩階段數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，突破變形植株冠層內(nèi)部多葉片上霧滴沉積難以數(shù)字化分析的問題，為研究變形植株冠層內(nèi)部霧滴沉積分布并進(jìn)一步分析變形植株冠層內(nèi)霧滴沉積飄移提供了研究思路和研究方向。本研究對(duì)于揭示變形冠層內(nèi)部霧滴沉積特征對(duì)實(shí)現(xiàn)霧滴有效沉積，促進(jìn)害蟲防治具有重要意義。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和山東省棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)機(jī)械崗位專家項(xiàng)目的資助。

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

編      輯：萬(wàn)    千 

審      核：賈    波