基于ANSYSMaxwell的高壓脈沖電場(chǎng)仿真研究

張 萃

（1.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068；2.湖北省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430068）

0 緒論

土壤病蟲(chóng)害嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)、發(fā)育以及收成。傳統(tǒng)意義上的害蟲(chóng)防治技術(shù)，不但不足以有效殺死害蟲(chóng)，而且過(guò)分依賴和過(guò)度使用化學(xué)藥品，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境以及人類身體健康造成不利影響[1]。除了傳統(tǒng)的化學(xué)防治手段外，還可以通過(guò)物理方式進(jìn)行病蟲(chóng)害防治。高壓電脈沖處理就是一種常見(jiàn)的物理防治方法?；谏锏碾姶盘匦院碗姶判?yīng)現(xiàn)象，利用土壤的電導(dǎo)特性等基本原理，高壓電脈沖土壤消毒技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)高效地殺滅土壤中的土傳害蟲(chóng)、病菌等，做到廣譜殺滅，并且不會(huì)產(chǎn)生耐藥性和土壤污染，是一種十分理想的害蟲(chóng)防治新手段[2]。

1958年，我國(guó)學(xué)者開(kāi)始在電磁生物方面展開(kāi)研究，北京大學(xué)利用電磁場(chǎng)對(duì)農(nóng)業(yè)生物活體進(jìn)行處理；80年代后，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向?qū)ΨN子的處理，研究獲得了成熟的技術(shù)用于提高作物產(chǎn)量[3]；鄧元修等[4]利用脈沖電場(chǎng)處理酵母菌和大腸桿菌；趙武奇等[5]發(fā)現(xiàn)脈沖電場(chǎng)可用于發(fā)酵乳中乳酸菌的殺滅，影響因素是場(chǎng)強(qiáng)大?。桓督B軍、郭康權(quán)[6]對(duì)電致生物效應(yīng)與電場(chǎng)殺蟲(chóng)技術(shù)進(jìn)行了初步研究，認(rèn)為殺蟲(chóng)效果與電脈沖、土壤電傳導(dǎo)特性及地下害蟲(chóng)三個(gè)因素均有關(guān)系；祖國(guó)仁等[7]發(fā)現(xiàn)不同波形脈沖的殺滅效果也有區(qū)別，其中方波脈沖的效果最佳。

使用一定量的脈沖電場(chǎng)進(jìn)行蟲(chóng)害處理，不僅不會(huì)傷害農(nóng)作物，甚至對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)有一定程度的促進(jìn)作用[8]。利用高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)土壤進(jìn)行處理，在鹽堿土壤的改良上也運(yùn)用廣泛。

由于具體耕種環(huán)境的不同，以及殺滅土傳害蟲(chóng)的要求各有差異，所以在利用高壓脈沖電場(chǎng)進(jìn)行土壤的消毒時(shí)，電極的布置方案往往對(duì)實(shí)際殺蟲(chóng)效果有著極大的影響。優(yōu)選的電極布置方案可以提高殺蟲(chóng)的效率，降低能耗，從而降低成本，有著十分重要的實(shí)踐意義。

筆者采用ANSYSMaxwell電磁場(chǎng)有限元分析軟件，對(duì)不同策略下的電極分布進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真，分析土壤電場(chǎng)的分布情況，討論不同電極分布適合的實(shí)際耕種環(huán)境。

1 高壓脈沖電場(chǎng)土壤消毒原理及電極布置方案

1.1 高壓電脈沖土壤消毒原理

生物體的電特性主要有兩個(gè)方面：生物電現(xiàn)象和電致生物效應(yīng)。即生物體的細(xì)胞和組織在生命活動(dòng)的過(guò)程中能夠產(chǎn)生電能，以及在外加電擊力信號(hào)的作用下，內(nèi)部組織或形狀會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)外加電磁場(chǎng)作用到生物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種不同的生物效應(yīng)：生物熱效應(yīng)和生物非熱效應(yīng)[9]。前者是利用溫度的升高對(duì)生物所引發(fā)生理或病理上的作用，后者則是利用生物作為極性體特有的極化轉(zhuǎn)動(dòng)以及搭橋現(xiàn)象使細(xì)胞等發(fā)生擊穿。

高壓電脈沖的殺蟲(chóng)原理則主要表現(xiàn)在場(chǎng)的作用和電離作用。外加電場(chǎng)作用于細(xì)胞膜時(shí)，使細(xì)胞膜內(nèi)外的電位增大，膜的通透性增加，直至發(fā)生不可逆的擊穿。細(xì)胞膜被擊穿后，其正常生理功能無(wú)法進(jìn)行，以至于細(xì)胞凋亡。與此同時(shí)，高壓脈沖電場(chǎng)致使生物體液發(fā)生電離，破壞生物內(nèi)的蛋白質(zhì)、RNA、DNA等生命物質(zhì)，使細(xì)胞死亡。

1.2 電極布置方案

據(jù)Cameselle等[10]推測(cè)，應(yīng)用軟電場(chǎng)可以改善植物的發(fā)育和生長(zhǎng)，以及其補(bǔ)救能力。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，電場(chǎng)對(duì)植物的影響是負(fù)面的。遺憾的是，目前還沒(méi)有對(duì)軟電場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)之間界限的定義。是否需要增強(qiáng)病害殺滅的電場(chǎng)強(qiáng)度（或電動(dòng)勢(shì)梯度），可能取決于土壤的物理化學(xué)特性、蟲(chóng)害的種類和數(shù)量、土壤濕度和植物種類?？傊镜淖兞坎皇鞘┘釉陔姌O上的電位梯度，而是電場(chǎng)在土壤團(tuán)中的分布。

使用一個(gè)長(zhǎng)方形的絕緣容器，裝入體積為80 cm×60 cm×50 cm的土壤，土壤容重1.45 g/cm3。表層土壤受紫外線以及空氣流通導(dǎo)致的缺水干燥對(duì)生物的影響較少。表層下5 cm～20 cm土壤層的生物數(shù)量最多，尤其主要集中在植物根系附近。這是因?yàn)樵搶訝I(yíng)養(yǎng)成分豐富，土壤的持水性、有機(jī)質(zhì)、微量元素等提供了生物最適合的生長(zhǎng)條件。20 cm以下的土壤中，生物數(shù)量隨土層深度增加而減少。并且，土傳蟲(chóng)害的幼蟲(chóng)一般生活在土壤中40 cm~60 cm的深度中，因種類的不同而略有差異[11]。另外，用于改善輪作障礙的深翻機(jī)的一般翻土深度為35 cm~60 cm，所以仿真時(shí)將土壤深度設(shè)定為60 cm。

如圖1所示，為本研究考慮的6種電極布置。其中A、B、C、D四種情況下采用5 mm厚的片狀電極，E、F兩種情況采用直徑為10 mm的棒狀電極。分別仿真分析電場(chǎng)分布情況。

圖1 電極布置示意圖

運(yùn)用ANSYSMaxwell軟件，根據(jù)電極的配置和空間分布來(lái)研究電場(chǎng)在土壤中的分布，其目的是選擇最合適的電極分布來(lái)實(shí)現(xiàn)土壤中電場(chǎng)的均勻。仿真時(shí)不考慮溫度的變化，即不考慮受溫度影響電導(dǎo)率、介電常數(shù)等電特性的變化。

2 有限元模型與材料參數(shù)的設(shè)定

在軟件中的直流靜電場(chǎng)模式下，根據(jù)前文中所提到的參數(shù)，在簡(jiǎn)化模型計(jì)算難度的基礎(chǔ)上，分別建立電極布置的二維、三維模型，A、B、C、D型是對(duì)其縱截面進(jìn)行二維建模，E、F型為三維建模。

研究發(fā)現(xiàn)，在100 MHz的檢測(cè)頻率下測(cè)得的土壤介電特性最佳。故采用25℃下、含水率為21.26%的黃土在100 MHz的頻率下測(cè)定的參數(shù)，其介電常數(shù)為22，介質(zhì)損耗因素為10.7[12]。土壤的電導(dǎo)率設(shè)定為232 s/cm，以此作為材料屬性定義的依據(jù)，添加材料如圖2所示，并將電極材料設(shè)定為鋁。

圖2 黃土材料參數(shù)設(shè)置

模型建立完成后，對(duì)其施加載荷，仿真分析的電場(chǎng)模型是50 kV的正向電場(chǎng)。故在正極施加50 kV的電壓，對(duì)負(fù)極施加的電壓載荷為0。邊界條件設(shè)定在土壤與絕緣箱交界處。

設(shè)定求解器，由于模型尺寸大，設(shè)定最大計(jì)算次數(shù)為1 000次，誤差百分比設(shè)定為1。用ANSYSMaxwell自帶的自由網(wǎng)格劃分工具對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在電極與土壤交界區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格，網(wǎng)格類型選擇自由剖分三角形網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 模型單元網(wǎng)格劃分

求解即是對(duì)模型施加載荷后進(jìn)行分析運(yùn)算，得到電場(chǎng)強(qiáng)度及電壓分布情況。

3 仿真結(jié)果分析

圖4分別是土壤深度為5 cm、20 cm、40 cm、60 cm處的電壓分布情況。由圖可知，A方案電壓由陽(yáng)極到陰極呈線性下降，即從陽(yáng)極到陰極的整個(gè)土壤中電場(chǎng)均勻分布。由于電場(chǎng)分布均勻，非常適合土壤消毒。整個(gè)土壤模型縱向截面上電場(chǎng)強(qiáng)度高于50 kV/m的部分占總面積的97.53%，最大電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到63 kV/m。而方案A的主要局限性是在大面積的田間中實(shí)施起來(lái)較為困難。

圖4 不同電極布置方案下電場(chǎng)強(qiáng)度分布

方案B可以克服這個(gè)問(wèn)題，它只需要在土壤表面安裝陽(yáng)極和陰極。如圖5所示，方案B傾向于將電場(chǎng)集中在電極周?chē)?、土壤深度?0 cm以內(nèi)的部分，所以這種方案非常適合大規(guī)模應(yīng)用的情況。另外在20 cm～60 cm的區(qū)間內(nèi)，B方案的電壓浮動(dòng)不大，相對(duì)穩(wěn)定。B方案適用于蟲(chóng)害主要集中在土壤上層的情況，對(duì)于土壤深層以及植物根部蟲(chóng)害的殺消意義不大。

圖5 不同電極布置方案下的電壓分布（方案在土壤深度5 cm、20 cm、40 cm、60 cm處的電壓值比較）

圖4中B方案的電極位置布置已是多次調(diào)整陰陽(yáng)極距離、仿真后得到的最佳方案，陰陽(yáng)極板距離在40 cm時(shí)，整個(gè)土壤模型縱向截面上電場(chǎng)強(qiáng)度高于50 kV/m的部分占總面積的23.78%。其仿真得到的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值約為707 kV/m，比方案A高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。證明在淺層土壤中，在施加一樣的電場(chǎng)激勵(lì)的情況下，B方案布置方式的殺蟲(chóng)能力會(huì)優(yōu)于A方案。

方案C和方案D顯示出電場(chǎng)集中在電極的兩端，如圖4所示。從土壤的表層到植物的根部都有電場(chǎng)的分布，適用于垂直附著在植物根系周?chē)暮οx(chóng)的殺滅，從土壤淺層到根系層，可以根據(jù)需要?dú)绾οx(chóng)的深度選擇電極的接線方式。方案C的高電壓區(qū)域集中在土壤淺層，方案D的高電壓區(qū)域集中在植物根部以及土壤深層。

兩陽(yáng)極極板的距離為40 cm，整個(gè)土壤模型縱向截面上電場(chǎng)強(qiáng)度高于50 kV/m的部分占總面積的37.43%。其仿真得到的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值約為970 kV/m，這兩項(xiàng)數(shù)值均優(yōu)于方案B，即覆蓋面積更大，電場(chǎng)強(qiáng)度更高。這兩種方案的缺陷是需要耕地規(guī)劃時(shí)提前考慮后期土壤消毒問(wèn)題，在耕種前預(yù)埋電極，后期在需要對(duì)害蟲(chóng)進(jìn)行殺消時(shí)操作容易，效果好。

方案E和方案F顯示了中心電極周?chē)妶?chǎng)的環(huán)形分布。在這兩個(gè)方案中，最大的電位差位于陽(yáng)極附近，陰極周?chē)碾娢徊钶^小。仿真優(yōu)化時(shí)，將一個(gè)電極布置在箱體中間位置，另外四個(gè)電極布置在以60 cm×30 cm為邊長(zhǎng)的矩形的四個(gè)角（如圖6中方案E、F）。在這種布置下，絕緣箱體水平截面上的最大電場(chǎng)強(qiáng)度可高達(dá)1 790 kV/m，電場(chǎng)強(qiáng)度高于50 kV/m的部分占總面積的43.71%。

圖6 不同電極布置方案下的電壓分布（方案E、方案F）

優(yōu)于前面所有方案的超高的電場(chǎng)強(qiáng)度以及不錯(cuò)的電場(chǎng)分布，使方案E和方案F擁有十分廣泛的應(yīng)用空間，并且電極設(shè)置方便，隨裝隨用。這種安排似乎最適合于病蟲(chóng)害在一定區(qū)域的集中或單株病害植株在感染初期的治療與處理。使用一種或另一種方案將只取決于具體情況。

4 結(jié)論

本研究提出了6種電極布置方案，根據(jù)電極的配置和空間分布來(lái)研究電場(chǎng)在土壤中的分布，目的是達(dá)到最佳的高壓電脈沖土壤殺蟲(chóng)效果。

1）方案A中整個(gè)電場(chǎng)在土壤中均勻形成。雖然整體電場(chǎng)強(qiáng)度不大，但蟲(chóng)害殺滅面積大，適用于整片土壤的預(yù)防性電處理，缺點(diǎn)是在大規(guī)模田間中應(yīng)用稍有困難?？梢圆捎迷谇捌谝?guī)劃時(shí)就在一定深度處整體鋪設(shè)網(wǎng)狀電極來(lái)克服這一問(wèn)題，得到均勻的電場(chǎng)。

2）方案B可以很好地應(yīng)用于土壤淺層的害蟲(chóng)殺滅場(chǎng)景，并且電極布置十分便捷。

3）方案C、方案D的害蟲(chóng)殺滅面積更為廣泛，從土壤淺層一直延伸至根株部附近的區(qū)域，尤其適用于殺滅植株附近的蟲(chóng)害，但是前期規(guī)劃需要預(yù)埋極板。

4）方案E、方案F采用電極棒直接插入土壤中的方式，操作方便，沒(méi)有位置限制，電極的插入深度可以決定電處理的處理深度。并且可以達(dá)到最高的電場(chǎng)強(qiáng)度，適合有針對(duì)性的土壤害蟲(chóng)殺滅。

5）在實(shí)際耕種維護(hù)植株時(shí)，可以因地制宜，對(duì)于不同的害蟲(chóng)殺滅場(chǎng)景選擇合適的電極布置方案，以此來(lái)提高電處理效率。