国内外农业风洞应用现状及展望*

2023-01-03张腾文乔国然刘旭阳牛智锋李威汉王国宾

南方农机 2022年11期

张腾文，乔国然，刘旭阳，牛智锋，李威汉，王国宾

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255049）

0 引言

随着社会的发展和科学技术的进步，农业施药机械化迅速发展。航空植保具有作业效率高、应对突发灾害能力强、经济成本低并且可以适应复杂条件的大面积农林病虫害防治的优势，在中国现代化农业施药中占据重要地位并有巨大的发展潜力[1]。其中，航空植保无人机在航空植保中处于核心位置。植保无人飞机在进行作业过程中所喷洒的农药雾滴会随着空气气流流动，从而出现向非预定目标运动的雾滴飘移现象。

在植保无人飞机施药过程中，雾滴飘移始终是影响施药效果和造成环境污染的重要因素之一。大面积的飞机喷洒或地面机械喷雾都会不可避免地因一定比例的雾滴不能到达目标而造成对环境的污染[2]。在影响雾滴飘移的因素之中，雾滴原始尺寸是重要因素之一，加之雾化过程中常常伴有二次破裂现象，所以对雾滴飘移特性的测定显得尤为重要。

目前，测定飘移特性所采用的方法主要有田间试验和风洞试验。但田间试验的各种参数无法实时控制，并且测试费用较高，而风洞试验可模拟外界实际条件，其优越性在于能够方便地控制风速和风向，准确地测定诸如喷雾压力、喷头移动速度以及喷头与喷雾目标之间的垂直距离等变量，避免因外界条件的不确定造成评估比较的困难[2]。因此，风洞试验在喷雾特性研究中备受青睐。

风洞是进行空气动力试验最常用、最有效的工具。农业风洞实验可以有效地体现出植保机械在工作过程中所发生的雾滴飘移等现象，为今后的植保机械改进提供参考依据。笔者从农业风洞总体概述、国内外农业风洞研究现状、未来展望等方面进行研究分析，综合分析了农业风洞在农业中的应用，系统阐述了各种农业风洞的优缺点，为我国今后的农业风洞发展提供参考。

1 农业风洞概述

风洞试验在农业飞行器模拟试验中广泛使用，通过模拟飞行器在空中的飞行状态研究其与气流之间的运动规律，提供各种设计需要的数据等。风洞试验早在20世纪中叶就已出现，但其应用在农业之中相对较晚。近年来，随着农业现代化进程的不断推进，我国农业风洞也正在快速发展并应用，发挥着搭配激光粒度仪测定雾滴粒径和测定雾滴飘移的作用。

从国内外农业航空喷洒技术的实际情况来看，田间试验在农业工程中应用广泛。但是，农田试验不能完全了解航空植保喷雾系统并准确预测农药雾滴的飘移特性[3]。反观风洞试验，因其测试方法具有稳定性、可控性、可重复性等优点，在农业研究中，尤其是雾滴飘移的研究中被广泛应用。目前，主要采用的农业风洞类型有高速风洞、高低速复合风洞和低速风洞三种。

1.1 高速风洞

高速风洞一般是指试验段气流速度马赫数范围在0.4～4.5之间的风洞。唐青等在国外风洞设计方案的基础上进行了流场品质改良，设计了IEA-I型高速风洞，以用于农业航空喷头雾滴粒径、速度分布规律等方面的研究[4]。该高速风洞为施药无人机的喷头参数优化提供了良好的平台。

1.2 高低速复合风洞

国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心于2018年建成了国内首个农业航空高低速复合风洞。2018年6月，众多国内外专家在华南农业大学国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心对高低速复合风洞进行了调试检测。该高低速复合风洞可以用于农用无人机的各项性能检测，如飞行能力、喷洒能力、抗风性能等。在该高低速复合风洞中进行了无人机离心式喷头在风洞内的喷施效果测试，为今后的模拟试验积累了宝贵的测试经验。

1.3 低速风洞

随着科学技术的进步，低速风洞试验的领域越来越大[5]，而在众多类型的风洞之中，农业工程中主要采用低速风洞。伴随着低速风洞的发展，其基本形式已经趋于集中并统一为直流式与回流式。直流式风洞基本原理主要是通过风机驱动外界大气连续地通过进风口进入风洞内部，并且通过排气口排出大气；回流式风洞基本原理主要是通过风机驱动使外界大气在风洞系统内部进行循环流动。直流式风洞结构相对简单，体积较小，费用较低[6]。回流式风洞实质是直流式风洞首尾相接，风洞内气流可以在系统内循环，在一定程度上减轻了外界环境因素的影响。可以在农机吹风模型实验、流态观察、测速、测压、测气动力性能等科学研究项目中发挥作用[7]。

2 国内农业风洞研究现状

国内农业风洞发展起步较晚，建设中或者已经投入使用的农业用风洞相对较少，但其发展快速，可以用于农作物在大风环境下的模拟以及航空植保无人飞机的各种性能测试等。郑刘等研制了国内首个用于农业科研领域的自由射流风洞，以用于农作物抗倒伏能力的测定分析等。结果表明：1）作物抗倒伏吹风测试装置的测试结果均满足技术指标要求；2）装置的流场在国标有效区域内空间、时间范围内风速测量误差均不大于5%；3）装置最高风速远超设计指标，并且连续可调，有很大裕度[8]。张惠春等利用开路式风洞，测试了由风洞地面所布置的聚乙烯收集线所收集的含荧光示踪剂的雾滴，由荧光分析仪测定收集线上的荧光剂含量，分析了不同位置处的雾滴沉积和飘移，建立了非线性雾滴飘移特性模型，为雾滴沉积区的预测、隔离缓冲区的确定以及防飘技术的研究等提供了技术指导[9]，为进一步研究植保风洞的结构设计和飘移试验的参数优化提供依据。丁素明等针对农药雾滴飘移特性研究的需要，设计了NJS-1型植保低速风洞，其主要用于农药沉积、飘失规律及产品检测等方面的研究[10]。张建桃等在华南农业大学的风洞实验室针对极飞公司P20离心喷嘴进行喷幅、雾滴粒径分布以及雾滴谱相对宽度分析，探究各种条件下雾滴粒径大小变化的规律[11]。

虽然我国在农业工程试验中运用着多种农业风洞，但是较国外发达国家仍有着差距。就农业航空喷施技术而言，要追赶世界先进技术，特别需要关注以下几点内容：1）推广应用农业航空系统标准和飘移模型；2）推广小型无人机喷施技术；3）应用航空静电喷施技术。随着各种相关政策的扶持以及科学技术的快速发展，我国的农业风洞将会迅猛发展并且应用会越来越广泛，在支撑或补充农田数据、模拟调控植保机器的各种参数方面将发挥越来越重要的作用。

3 国外农业风洞研究现状

国外一些发达国家对农业风洞的研究开始时间相对较早。20世纪70年代末，Teske等用近10年的田间试验测试结果研发了AGDISP（agricultural dispersion）和AGDRIFT（agricultural drift）模型[12-13]。使用者可以通过输入天气因素、农药药液、植保无人机类型、喷嘴等，通过调用内部数据库，对可能产生的飘移进行分析预测，有效预测范围可达到20 km[14]。在测定雾滴漂移方面，英国Silsoe研究所曾多次在风洞进行测量试验，德国Julius Kuhn研究所利用回流式风洞也进行了相关试验，试验结果表明：随着风速的增加，雾滴飘移量明显增加，重心飘移量增大，飘移损失风险增大；当喷雾高度不高时，增大喷雾压力会减小飘移，且随着喷雾高度的增加，飘移减小的程度逐渐减弱，之后飘移达到一定程度后增大[3]。

4 未来展望

4.1 政策扶持助力快速发展

当前，我国为促进农业机械化发展实施了一系列强农惠农政策，使得新机械、新技术等在农业生产中得到了前所未有的推广与应用，极大地助推了农业机械化的发展[15]。2018年12月，国务院印发《关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》，提出加快推动农机装备产业高质量发展，推进农机装备全产业链协同发展。2021年4月，农业农村部召开农业机械化工作会议，谋划“十四五”农业机械化重点任务，提出农业机械化是建设现代农业的重要内容。这些政策证明实现农业机械现代化与智能化已经是必然趋势，各种相关的农业机械设备及技术也会随之发展。农业风洞技术将会迎来新的挑战和机遇，并在航空喷雾技术及其他各类相关试验中得到广泛应用。

4.2 全球化引领前进方向

随着经济全球化的发展以及我国农业科学技术的进步，我国农业必然会走向全球化[16]。在此大背景下，农业风洞因性能优越、条件可控、操作便捷等优点，其发展将呈井喷之势。但目前来看，我国现在通常直接引进国外的成熟设备，缺乏实际试验参数，因此在农业机械研究设计等方面我国需投入更多人力物力，加大研发力度，提升自身的科技水平和核心竞争力[3]。

4.3 基于现实需求革新风洞技术

世界上很多国家都进行了大量的农业风洞相关试验，并取得一定的研究成果。目前，国内有关农业风洞的研究相对比较缺乏，比如在航空喷洒技术的研究中，我国与世界发达国家相比仍然存在一定技术差距[3]。技术相对落后和起步时间相对较晚意味着我国必须进行农业风洞技术的革新与发展，不断缩小与发达国家的差距，赶上世界先进水平。