果園風場與霧場測量建模方法

張燕妮,翟長遠,趙 娟

(1.西北農(nóng)林科技大學 機械與電子工程學院,陜西 楊凌 712100;2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點實驗室,陜西 楊凌 712100;3.陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務重點實驗室,陜西 楊凌 712100)

0 引言

果園病蟲害農(nóng)藥防治是一個復雜的過程,過量的農(nóng)藥噴灑和果樹外的農(nóng)藥沉積會造成食品安全問題,以及土壤、地下水、地表水、空氣等環(huán)境污染問題。精準噴霧技術(shù)是根據(jù)作物或雜草的冠層特征實時改變噴霧參數(shù)(如調(diào)節(jié)噴頭流量和送風風量[1-2]),改變噴霧位置[3-4]、風箱角度[5],從而達到按需施藥的目的。該技術(shù)不僅提高了農(nóng)藥有效利用率,也起到了保護生態(tài)環(huán)境的作用,近年來得到了較快發(fā)展。

果園風送噴霧風力控制需要準確的方向、恰當?shù)娘L速和適當?shù)娘L量。風力按需調(diào)控需要在線探測計算果樹風速風量需求,實時控制風送執(zhí)行機構(gòu)供給合適的風力,使其經(jīng)過輸送空間損失以后以恰當?shù)娘L力大小貫入果樹冠層中[6]。國內(nèi)外學者針對風送噴霧風力調(diào)控需要,進行大量風場霧場測量建模方法研究,取得了豐碩的成果。通過手動測量和CFD建模的方法,國內(nèi)外科研人員對風量、風速、風向、噴霧量、霧滴運動、霧滴蒸發(fā)、噴霧機移動速度及果樹幾何特征等變量對噴霧沉積的影響進行深入分析研究。目前研究進展顯示:風霧場的測量與建模不夠成熟,離實用化和產(chǎn)品化仍有較大的差距,還需要深入研究,探索更多完善及與實際契合度高的建模方法,為精準噴霧提供數(shù)據(jù)與模型支撐。

1 風場的測量與建模方法

果園風送噴霧風場分布直接影響霧滴沉積和利用率。氣流速度過低,農(nóng)藥無法貫入樹冠堂內(nèi);氣流速度過高,農(nóng)藥會穿過果樹而飄失;風場中渦旋的存在也會影響霧滴的運動。關于風送式噴霧機外部風場分布的測量,宋淑然通過試驗測定寬噴幅風送式噴霧機空間氣流速度分布符合三維自由紊動射流縱向中心速度冪函數(shù)衰減規(guī)律,經(jīng)數(shù)據(jù)分析得知風量與風機轉(zhuǎn)速呈二次多項式的關系[7]。陳建澤自制定位網(wǎng)架測量遠射程風送式噴霧機氣流場分布和噴幅特性,得出遠射程風送式噴霧機的送風量與風機電源頻率成正比的結(jié)論,為遠射程風送式噴霧機的生產(chǎn)和使用提供理論基礎與技術(shù)指導[8]。關于無人機旋翼風場的分布的測量,汪沛設置風速傳感器無線測量節(jié)點(WWSS),建立了風場無線傳感器網(wǎng)絡測量系統(tǒng)(WWSSN),重點研究了平行于飛行方向X風力的風場分布情況,獲得無人機過頂時風場分布情況等值線圖[9]。李繼宇用3向線陣風場測量方法采集數(shù)據(jù),形成平行于飛行方向X向風場二維曲面模型,揭示了旋翼風場分布的內(nèi)在規(guī)律[10]。

風場手動測量難以控制一些環(huán)境因素(如自然風、空氣溫濕度等),且難以復制這些影響因素,采樣點的數(shù)量限制和實際情況使得研究人員無法分析風場的空間分布形狀。因此,采用CFD計數(shù)模擬噴霧風場已開始成為重要研究熱點。傅澤田建立了風送式噴霧機氣流速度場分布二維CFD模型,為飄移性能改進和霧滴沉積分布模型建立墊定了基礎[11]。為了更全面分析風場,需對其進行三維模擬,陳發(fā)元建立了單雙風扇三維CFD模型,且與試驗結(jié)果很好地吻合[12]。針對不同風送式噴霧機結(jié)構(gòu),分析其風場分布特性,可用于噴霧機結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)化。宋淑然通過CFD模擬及試驗的方法研究導流器對風送式噴霧機功耗的影響,得到優(yōu)化的導流器形式;用數(shù)值模擬和正交試驗的方法,對風送式噴霧機的噴筒結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計;選取3種不同類型的擴幅段噴筒仿真,比較流線的差異,以效率高為優(yōu)化目標,選擇優(yōu)化的擴幅段噴筒類型[13-15]。丁天航通過觀察Fluent模擬的內(nèi)部風道流線圖,比較單雙風道內(nèi)部流線的優(yōu)劣;通過出風口截面速度矢量圖,觀察出風口處氣流場分布規(guī)律,繪制風速曲線圖,觀察風速的走勢;利用軟件Golden Software Voxler繪制三維切片圖,發(fā)現(xiàn)在不改變風機原有結(jié)構(gòu)的前提下,采用雙風機風場疊加的方法可以解決兩側(cè)風場不對稱問題[16]。Dekeyser D模擬不同噴嘴、風扇速度、導流板的位置下的不同風場,觀察風場和霧滴沉積在不同設置下的變化,如圖1所示[17]。為探索更多的建模方法,Garcia-Ramos F試驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)之間的相關系數(shù)證明了以總體風量為主要參數(shù)建模,是一種分析噴霧氣流速度分布的有效方法[18]。自然風對風場的影響不可忽略,在建模中還需考慮自然風的影響。Duga A在模擬風場時引入了梨樹和蘋果樹的3D結(jié)構(gòu),并建立不同自然風速條件下風送噴霧的三維 CFD模型,發(fā)現(xiàn)自然風的大小和方向?qū)︼L場分布和霧滴沉積有很大的影響[19]。精準噴霧校準需要基于噴霧沉積、霧場分布,調(diào)節(jié)噴霧機噴藥量和氣流量,再用霧滴沉積和質(zhì)量平衡衡量靶標外農(nóng)藥沉積評估農(nóng)藥噴灑有效性。

圖1 軸向式噴霧機風場分布Fig.1 Air flow of axial sprayer

2 霧場的測量與建模方法

為得到更好的噴霧覆蓋率和沉積率,需要研究在湍流風場中噴霧霧滴的運動軌跡和輸送(霧場)。宋淑然用熒光分光光度計測定載玻片熒光強度,計算出霧滴在某一采樣點的沉積量,并利用EXCEL 繪制軸向上的霧滴沉積,采用三維曲面圖繪制霧滴沉積量在噴幅范圍內(nèi)的分布。為分析霧場中霧滴粒徑特性,其進一步通過霧滴譜指標計算分析遠射程風送式噴霧機無送風狀態(tài)下的霧滴分布和原因,以及噴幅內(nèi)、射程內(nèi)霧滴特性[20-21],如圖2所示。不同氣流量、噴嘴類型等參量對霧場分布有較大影響。Qiu W設置樹冠中沉積采樣點、飄移采樣點和地面沉積采樣點,進行噴霧沉積試驗[22]。Khot L通過設置垂直分布試驗臺,研究和校準噴霧分布模式,結(jié)果表明:針對體積較小的果樹,最佳參數(shù)應設置為2～4個噴嘴及60%的全氣流量(通過調(diào)整擋風板的開放程度獲得所需氣流量)[23]。Miranda-Fuentes A對小中大3類果樹,針對藥液量和氣流量設計試驗,利用水敏紙測量不同情況下的霧滴分布,結(jié)果表明:不是藥液量和氣流量值越大,噴霧效果最好,選擇合適的藥液量和氣流量可減少農(nóng)藥殘留和藥液飄移[24]。

在建筑工程施工中需要依靠大量的人力、財力與物力作為支撐，因此在建筑工程結(jié)構(gòu)設計過程中，不僅要充分考慮建筑工程的實用性、用戶需求等影響因素，還需要考慮當?shù)氐氖┕l件與施工技術(shù)，才能夠建設出質(zhì)量最好、功能最完善的建筑工程。要盡量避免結(jié)構(gòu)設計無用功情況的存在，因此需有機統(tǒng)一理論與實際，以保障建筑工程結(jié)構(gòu)設計的可實行性。

通過范文芳對語氣隱喻的定義我們了解到句子的類型和其所表達的語義并非是對應的關系，即陳述句可表達祈使和疑問的意思，而疑問句可表達陳述和祈使的含義。本文將通過對希拉里敗選演講中語句的分析來研究語氣隱喻在演講中的使用。

田間試驗通常花費較大,在不同自然環(huán)境、不同生長階段進行試驗存在很多困難。最近幾年,廣泛采用CFD建模作為補充以克服田間試驗的困難和限制。CFD可模擬不同工作條件下的霧滴分布。孫國祥基于CFD離散相模型霧滴沉積特性的模擬分析,采用CFD離散相模型的粒子跟蹤技術(shù),建立三維模擬空間,初步建立了噴霧沉積模型,可實現(xiàn)根據(jù)風速和噴霧高度預測霧滴沉積分布情況[25]。苑進采用CFD模型研究霧滴在自然風影響、輔助氣流、自身重力作用下連續(xù)相和霧滴粒子群離散相耦合的交互作用,建模精度滿足工程要求[26]。針對實際中存在不同的噴霧形式,研究學者還分析了旋翼風場和霧場。楊風波模擬SLK-5型旋翼植保無人飛機的風場和霧場,并通過試驗驗證其有效性,結(jié)合風場分析霧場研究了不同粒徑的霧滴在風場中的分布規(guī)律,如圖3所示[27]。靜態(tài)的霧場無法體現(xiàn)霧場隨時間的推移而產(chǎn)生的變化,整個霧場的動態(tài)變化相關研究也初步得以開展。Salcedo R建立歐拉-拉格朗日二維CFD噴霧模型,考慮自然風及周圍空氣對霧場的影響,描述霧滴群的運動,預測噴霧霧滴的跡線,評估整個噴霧過程中霧滴的質(zhì)量平衡和噴霧效率[28]。霧場受果樹冠層影響很大,霧場模擬還需更多考慮霧滴與果樹冠層的交互影響。

圖3 XOZ、YOZ截面霧滴粒徑分布Fig.3 Droplet size distribution of xoz、yoz plane

3 風霧場與果樹交互作用研究

在很多CFD建模中并沒有模擬果樹,或者為了節(jié)約計算時間和花費進行了簡化模擬。王景旭從實際的應用問題出發(fā),通過研究靶標周圍流動的壓力場和速度場,從機理上揭示流場對噴霧霧滴沉積的影響。在霧滴粒徑為50μm的情況下,增大噴霧角度有助于獲得較高的霧滴沉積率,但有效幅寬卻降低了;當噴霧角度大于45°時,靶標的遮擋長度受噴霧角度的影響較小[29]。少量研究學者建立了復雜的CFD模型,研究移動的噴霧機與果樹的交互作用。Duga A T基于3種噴霧機類型和4種果樹系統(tǒng)建立一個完整的CFD模型,提供了噴霧機設計、自然風、樹的形狀之間的復雜交互作用的定量分析,為實現(xiàn)噴霧過程的最優(yōu)化提供模型基礎;同時建立完整的3D CFD模型,模擬樹的特征和樹葉的表面,使用動態(tài)的模型去解決在穿過一排果樹時果園風送噴霧機的移動。其基于3種噴嘴類型及高低風機速度,研究移動的風場霧場與果樹的交互作用,結(jié)果表明:通過模擬樹的特征和樹葉的表面,風場速度在穿過樹的時候改變,在到達飄移區(qū)前霧滴被捕捉,霧滴跡線改變[30-31]。Hong S W建立了一個CFD模型預測不同維度、密度、形狀的樹冠的氣流分布,結(jié)果表明:隨著深度、高度、密度增加,樹冠中氣流速度大多下降了,并通過試驗驗證了模擬的有效性;同時模擬了有樹枝的樹冠模型對氣流場分布影響(該模擬的有效性未被驗證),如圖4所示[32]。為更加接近實際情況,學者還模擬了果園級霧場分布,初步分析了不同自然環(huán)境對噴霧效率的影響。Hong S W建立果樹不同生長階段、不同自然環(huán)境條件時的復雜CFD模擬,模擬多行果樹樹冠內(nèi)和樹冠外的霧場,并通過試驗驗證模擬的有效性[33]。為了更好地研究風霧場與果園果樹的交互作用,建立更加真實、完整、經(jīng)濟的果園風送噴霧CFD模型是未來的趨勢。

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

圖4 有樹枝的樹冠內(nèi)的氣流速度分布Fig.4 Distribution of airflow velocity in tree crown with branches

4 結(jié)論與展望

分析了國內(nèi)外果園噴藥風場與霧場測量與建模方法的研究現(xiàn)狀,可以看出:國內(nèi)外風霧場測量與建模領域的研究均取得了長足進步。國內(nèi)外研究學者模擬了自然風、噴霧機類型、噴霧機行進速度等參量對風霧場的影響,并通過風霧場測量驗證其有效性;果樹果園CFD模型逐步完善;少量學者初步模擬了風霧場的動態(tài)移動。國內(nèi)CFD建模水平與國際仍有一定差距,整體處于起步階段,CFD模型單一。國外的風霧場CFD建模整體水平較高,但離實際使用存在差距:果樹模型與其實體之間存在差異,不能完全反映風霧場與果樹交互作用的真實情況,果園種植模式對風霧場的影響還需進一步研究分析;環(huán)境、噴霧機類型對噴霧模型的影響還處于定性的觀察驗證階段,模擬可靠性需要提升。未來可以從以下幾個方面開展研究:①針對實際中不同的果樹類型、果園模式和復雜的外部影響因素,開發(fā)既完整準確又經(jīng)濟快速的CFD建模方法仍是研究熱點;②構(gòu)建完整的CFD模型,模擬風霧場分布模式,分析自然環(huán)境和噴霧機類型等影響因子與風場分布參數(shù)之間的定量關系,為果園風送噴霧技術(shù)風力調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐,是未來重要的研究方向;③隨著CFD建模技術(shù)的逐步完善和發(fā)展,其將為研發(fā)果園風送噴霧機提供強有力的支持,最終促進果園風送精準風霧機實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和實用化。