果园风场与雾场测量建模方法

张燕妮,翟长远,赵 娟

(1.西北农林科技大学 机械与电子工程学院,陕西 杨凌 712100;2.农业部农业物联网重点实验室,陕西 杨凌 712100;3.陕西省农业信息感知与智能服务重点实验室,陕西 杨凌 712100)

0 引言

果园病虫害农药防治是一个复杂的过程,过量的农药喷洒和果树外的农药沉积会造成食品安全问题,以及土壤、地下水、地表水、空气等环境污染问题。精准喷雾技术是根据作物或杂草的冠层特征实时改变喷雾参数(如调节喷头流量和送风风量[1-2]),改变喷雾位置[3-4]、风箱角度[5],从而达到按需施药的目的。该技术不仅提高了农药有效利用率,也起到了保护生态环境的作用,近年来得到了较快发展。

果园风送喷雾风力控制需要准确的方向、恰当的风速和适当的风量。风力按需调控需要在线探测计算果树风速风量需求,实时控制风送执行机构供给合适的风力,使其经过输送空间损失以后以恰当的风力大小贯入果树冠层中[6]。国内外学者针对风送喷雾风力调控需要,进行大量风场雾场测量建模方法研究,取得了丰硕的成果。通过手动测量和CFD建模的方法,国内外科研人员对风量、风速、风向、喷雾量、雾滴运动、雾滴蒸发、喷雾机移动速度及果树几何特征等变量对喷雾沉积的影响进行深入分析研究。目前研究进展显示:风雾场的测量与建模不够成熟,离实用化和产品化仍有较大的差距,还需要深入研究,探索更多完善及与实际契合度高的建模方法,为精准喷雾提供数据与模型支撑。

1 风场的测量与建模方法

果园风送喷雾风场分布直接影响雾滴沉积和利用率。气流速度过低,农药无法贯入树冠堂内;气流速度过高,农药会穿过果树而飘失;风场中涡旋的存在也会影响雾滴的运动。关于风送式喷雾机外部风场分布的测量,宋淑然通过试验测定宽喷幅风送式喷雾机空间气流速度分布符合三维自由紊动射流纵向中心速度幂函数衰减规律,经数据分析得知风量与风机转速呈二次多项式的关系[7]。陈建泽自制定位网架测量远射程风送式喷雾机气流场分布和喷幅特性,得出远射程风送式喷雾机的送风量与风机电源频率成正比的结论,为远射程风送式喷雾机的生产和使用提供理论基础与技术指导[8]。关于无人机旋翼风场的分布的测量,汪沛设置风速传感器无线测量节点(WWSS),建立了风场无线传感器网络测量系统(WWSSN),重点研究了平行于飞行方向X风力的风场分布情况,获得无人机过顶时风场分布情况等值线图[9]。李继宇用3向线阵风场测量方法采集数据,形成平行于飞行方向X向风场二维曲面模型,揭示了旋翼风场分布的内在规律[10]。

风场手动测量难以控制一些环境因素(如自然风、空气温湿度等),且难以复制这些影响因素,采样点的数量限制和实际情况使得研究人员无法分析风场的空间分布形状。因此,采用CFD计数模拟喷雾风场已开始成为重要研究热点。傅泽田建立了风送式喷雾机气流速度场分布二维CFD模型,为飘移性能改进和雾滴沉积分布模型建立垫定了基础[11]。为了更全面分析风场,需对其进行三维模拟,陈发元建立了单双风扇三维CFD模型,且与试验结果很好地吻合[12]。针对不同风送式喷雾机结构,分析其风场分布特性,可用于喷雾机结构设计和优化。宋淑然通过CFD模拟及试验的方法研究导流器对风送式喷雾机功耗的影响,得到优化的导流器形式;用数值模拟和正交试验的方法,对风送式喷雾机的喷筒结构进行优化设计;选取3种不同类型的扩幅段喷筒仿真,比较流线的差异,以效率高为优化目标,选择优化的扩幅段喷筒类型[13-15]。丁天航通过观察Fluent模拟的内部风道流线图,比较单双风道内部流线的优劣;通过出风口截面速度矢量图,观察出风口处气流场分布规律,绘制风速曲线图,观察风速的走势;利用软件Golden Software Voxler绘制三维切片图,发现在不改变风机原有结构的前提下,采用双风机风场叠加的方法可以解决两侧风场不对称问题[16]。Dekeyser D模拟不同喷嘴、风扇速度、导流板的位置下的不同风场,观察风场和雾滴沉积在不同设置下的变化,如图1所示[17]。为探索更多的建模方法,Garcia-Ramos F试验数据和模拟数据之间的相关系数证明了以总体风量为主要参数建模,是一种分析喷雾气流速度分布的有效方法[18]。自然风对风场的影响不可忽略,在建模中还需考虑自然风的影响。Duga A在模拟风场时引入了梨树和苹果树的3D结构,并建立不同自然风速条件下风送喷雾的三维 CFD模型,发现自然风的大小和方向对风场分布和雾滴沉积有很大的影响[19]。精准喷雾校准需要基于喷雾沉积、雾场分布,调节喷雾机喷药量和气流量,再用雾滴沉积和质量平衡衡量靶标外农药沉积评估农药喷洒有效性。

图1 轴向式喷雾机风场分布Fig.1 Air flow of axial sprayer

2 雾场的测量与建模方法

为得到更好的喷雾覆盖率和沉积率,需要研究在湍流风场中喷雾雾滴的运动轨迹和输送(雾场)。宋淑然用荧光分光光度计测定载玻片荧光强度,计算出雾滴在某一采样点的沉积量,并利用EXCEL 绘制轴向上的雾滴沉积,采用三维曲面图绘制雾滴沉积量在喷幅范围内的分布。为分析雾场中雾滴粒径特性,其进一步通过雾滴谱指标计算分析远射程风送式喷雾机无送风状态下的雾滴分布和原因,以及喷幅内、射程内雾滴特性[20-21],如图2所示。不同气流量、喷嘴类型等参量对雾场分布有较大影响。Qiu W设置树冠中沉积采样点、飘移采样点和地面沉积采样点,进行喷雾沉积试验[22]。Khot L通过设置垂直分布试验台,研究和校准喷雾分布模式,结果表明:针对体积较小的果树,最佳参数应设置为2～4个喷嘴及60%的全气流量(通过调整挡风板的开放程度获得所需气流量)[23]。Miranda-Fuentes A对小中大3类果树,针对药液量和气流量设计试验,利用水敏纸测量不同情况下的雾滴分布,结果表明:不是药液量和气流量值越大,喷雾效果最好,选择合适的药液量和气流量可减少农药残留和药液飘移[24]。

在建筑工程施工中需要依靠大量的人力、财力与物力作为支撑，因此在建筑工程结构设计过程中，不仅要充分考虑建筑工程的实用性、用户需求等影响因素，还需要考虑当地的施工条件与施工技术，才能够建设出质量最好、功能最完善的建筑工程。要尽量避免结构设计无用功情况的存在，因此需有机统一理论与实际，以保障建筑工程结构设计的可实行性。

通过范文芳对语气隐喻的定义我们了解到句子的类型和其所表达的语义并非是对应的关系，即陈述句可表达祈使和疑问的意思，而疑问句可表达陈述和祈使的含义。本文将通过对希拉里败选演讲中语句的分析来研究语气隐喻在演讲中的使用。

田间试验通常花费较大,在不同自然环境、不同生长阶段进行试验存在很多困难。最近几年,广泛采用CFD建模作为补充以克服田间试验的困难和限制。CFD可模拟不同工作条件下的雾滴分布。孙国祥基于CFD离散相模型雾滴沉积特性的模拟分析,采用CFD离散相模型的粒子跟踪技术,建立三维模拟空间,初步建立了喷雾沉积模型,可实现根据风速和喷雾高度预测雾滴沉积分布情况[25]。苑进采用CFD模型研究雾滴在自然风影响、辅助气流、自身重力作用下连续相和雾滴粒子群离散相耦合的交互作用,建模精度满足工程要求[26]。针对实际中存在不同的喷雾形式,研究学者还分析了旋翼风场和雾场。杨风波模拟SLK-5型旋翼植保无人飞机的风场和雾场,并通过试验验证其有效性,结合风场分析雾场研究了不同粒径的雾滴在风场中的分布规律,如图3所示[27]。静态的雾场无法体现雾场随时间的推移而产生的变化,整个雾场的动态变化相关研究也初步得以开展。Salcedo R建立欧拉-拉格朗日二维CFD喷雾模型,考虑自然风及周围空气对雾场的影响,描述雾滴群的运动,预测喷雾雾滴的迹线,评估整个喷雾过程中雾滴的质量平衡和喷雾效率[28]。雾场受果树冠层影响很大,雾场模拟还需更多考虑雾滴与果树冠层的交互影响。

图3 XOZ、YOZ截面雾滴粒径分布Fig.3 Droplet size distribution of xoz、yoz plane

3 风雾场与果树交互作用研究

在很多CFD建模中并没有模拟果树,或者为了节约计算时间和花费进行了简化模拟。王景旭从实际的应用问题出发,通过研究靶标周围流动的压力场和速度场,从机理上揭示流场对喷雾雾滴沉积的影响。在雾滴粒径为50μm的情况下,增大喷雾角度有助于获得较高的雾滴沉积率,但有效幅宽却降低了;当喷雾角度大于45°时,靶标的遮挡长度受喷雾角度的影响较小[29]。少量研究学者建立了复杂的CFD模型,研究移动的喷雾机与果树的交互作用。Duga A T基于3种喷雾机类型和4种果树系统建立一个完整的CFD模型,提供了喷雾机设计、自然风、树的形状之间的复杂交互作用的定量分析,为实现喷雾过程的最优化提供模型基础;同时建立完整的3D CFD模型,模拟树的特征和树叶的表面,使用动态的模型去解决在穿过一排果树时果园风送喷雾机的移动。其基于3种喷嘴类型及高低风机速度,研究移动的风场雾场与果树的交互作用,结果表明:通过模拟树的特征和树叶的表面,风场速度在穿过树的时候改变,在到达飘移区前雾滴被捕捉,雾滴迹线改变[30-31]。Hong S W建立了一个CFD模型预测不同维度、密度、形状的树冠的气流分布,结果表明:随着深度、高度、密度增加,树冠中气流速度大多下降了,并通过试验验证了模拟的有效性;同时模拟了有树枝的树冠模型对气流场分布影响(该模拟的有效性未被验证),如图4所示[32]。为更加接近实际情况,学者还模拟了果园级雾场分布,初步分析了不同自然环境对喷雾效率的影响。Hong S W建立果树不同生长阶段、不同自然环境条件时的复杂CFD模拟,模拟多行果树树冠内和树冠外的雾场,并通过试验验证模拟的有效性[33]。为了更好地研究风雾场与果园果树的交互作用,建立更加真实、完整、经济的果园风送喷雾CFD模型是未来的趋势。

Translator's Notes（译者注释）:“Two ladies in the Han Dynasty noted for their scholarship”.

图4 有树枝的树冠内的气流速度分布Fig.4 Distribution of airflow velocity in tree crown with branches

4 结论与展望

分析了国内外果园喷药风场与雾场测量与建模方法的研究现状,可以看出:国内外风雾场测量与建模领域的研究均取得了长足进步。国内外研究学者模拟了自然风、喷雾机类型、喷雾机行进速度等参量对风雾场的影响,并通过风雾场测量验证其有效性;果树果园CFD模型逐步完善;少量学者初步模拟了风雾场的动态移动。国内CFD建模水平与国际仍有一定差距,整体处于起步阶段,CFD模型单一。国外的风雾场CFD建模整体水平较高,但离实际使用存在差距:果树模型与其实体之间存在差异,不能完全反映风雾场与果树交互作用的真实情况,果园种植模式对风雾场的影响还需进一步研究分析;环境、喷雾机类型对喷雾模型的影响还处于定性的观察验证阶段,模拟可靠性需要提升。未来可以从以下几个方面开展研究:①针对实际中不同的果树类型、果园模式和复杂的外部影响因素,开发既完整准确又经济快速的CFD建模方法仍是研究热点;②构建完整的CFD模型,模拟风雾场分布模式,分析自然环境和喷雾机类型等影响因子与风场分布参数之间的定量关系,为果园风送喷雾技术风力调控提供数据支撑,是未来重要的研究方向;③随着CFD建模技术的逐步完善和发展,其将为研发果园风送喷雾机提供强有力的支持,最终促进果园风送精准风雾机实现产业化和实用化。