氣流霧滴脅迫和冠層孔隙變化對沉積性能影響解耦研究

劉雪美 宋來其 崔慧媛 劉一沖 劉興華,3 武民慶

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室, 泰安 271018；3.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 泰安 271018)

0 引言

在氣流輔助噴霧過程中，由輔助氣流導(dǎo)致的冠層孔隙變化和對霧滴脅迫作用的影響是耦合的[1]。面對不同施藥對象，在最佳工況下脅迫霧滴需要的輔助氣流風(fēng)速和擾動冠層孔隙需要的風(fēng)速是不同的[2-3]，兩者對輔助氣流風(fēng)速需求的不一致導(dǎo)致施藥效果下降和額外風(fēng)量浪費(fèi)。此外，輔助氣流導(dǎo)致的冠層孔隙變化和對霧滴脅迫作用影響間的耦合強(qiáng)度可以改變，進(jìn)而冠層內(nèi)霧滴沉積性能也存在差異。通過改變輔助氣流的作用形式可減弱兩者間的耦合強(qiáng)度，或者通過增加機(jī)械撥桿、改變冠層孔隙可減弱氣流對冠層的作用[4-5]。目前，輔助氣流作用下兩者間耦合比例對沉積性能的影響機(jī)理尚未明確，明晰兩者的耦合比例對沉積性能的影響可為風(fēng)送參數(shù)優(yōu)化和噴霧模式改進(jìn)提供指導(dǎo)。

高郁閉度作物施藥時，輔助氣流對氣流霧滴脅迫和冠層孔隙改變的差異性導(dǎo)致施藥效果不佳。一方面，輔助氣流對冠層孔隙空間改變有限，為達(dá)到較好的施藥效果，需要提高施藥機(jī)具的風(fēng)速和風(fēng)量，導(dǎo)致動力消耗成本相應(yīng)增加[6]；另一方面，輔助氣流風(fēng)速增大會脅迫霧滴造成地面流失，從而引起環(huán)境污染。因此，輔助氣流導(dǎo)致的霧滴氣流脅迫和冠層孔隙改變對提升高郁閉度作物的施藥效果有限，輔助氣流風(fēng)速不足以改變高郁閉度冠層內(nèi)枝葉間的遮蔽，冠層外層稠密葉幕阻礙了霧滴在冠層內(nèi)的運(yùn)移[7-8]。國內(nèi)外研究人員針對氣流輔助噴霧過程中輔助氣流、冠層特性和沉積性能等進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[9-14]。

上述研究均表明，風(fēng)速對冠層內(nèi)部的均勻沉積貢獻(xiàn)較大。目前，關(guān)于輔助氣流導(dǎo)致的冠層孔隙變化和對霧滴脅迫作用的分析以及兩者對沉積性能的影響尚未見報道。深入研究氣流輔助噴霧工況下氣流霧滴脅迫和冠層孔隙變化對霧滴沉積性能的影響，對于優(yōu)化氣流輸送形式、提高農(nóng)藥利用率、減少農(nóng)藥施用量具有重要意義。基于此，本文在前人研究基礎(chǔ)上，以高郁閉度盛花期棉花為研究對象，通過設(shè)計(jì)解耦試驗(yàn)方案，解析氣流輔助施藥過程中氣流霧滴脅迫和冠層孔隙變化對棉花冠層整體沉積行為的不同影響。

1 氣流輔助噴霧沉積過程與解耦試驗(yàn)方案

1.1 風(fēng)送噴霧冠層內(nèi)霧滴沉積過程分析

冠層內(nèi)部沉積階段是關(guān)系到霧滴沉積是否均勻的關(guān)鍵過程。由于強(qiáng)制氣流不是導(dǎo)致冠層孔隙變化的唯一原因，例如機(jī)械式擾動，因此本文將冠層孔隙變化視為一種影響霧滴沉積性能的獨(dú)立因素加以考慮。在風(fēng)送噴霧中，冠層孔隙變化和氣流霧滴脅迫共同作用于霧滴冠層穿透、霧滴分配、霧滴沉積分布，氣流霧滴脅迫強(qiáng)弱由氣流風(fēng)速決定并影響冠層孔隙變化，而冠層孔隙變化影響冠層內(nèi)氣流分布，進(jìn)而影響氣流霧滴脅迫作用。因此，兩者對霧滴沉積性能的影響是耦合的。

在風(fēng)送噴霧中的冠層內(nèi)部沉積階段，由于不同強(qiáng)制氣流風(fēng)速和不同冠層特性作物影響冠層孔隙變化，進(jìn)而導(dǎo)致霧滴沉積行為存在差異。冠層孔隙的改變主要表現(xiàn)為氣流對莖葉的擾動變形：若枝葉剛度較大或葉面積較小，受風(fēng)載擾動后冠層孔隙變化較小，氣流霧滴脅迫是霧滴沉積行為的主要因素；若莖葉剛度較小或葉面積較大，受風(fēng)后冠層孔隙變形較大，冠層孔隙增大形成霧滴運(yùn)移通道，冠層孔隙變化成為霧滴冠層中下層沉積行為的主要因素。同時，氣流對霧滴的脅迫作用還受霧滴粒徑譜的影響：對于到達(dá)冠層霧滴群中粒徑較大的霧滴，由于動能較大，在氣流脅迫下會向下加速移動，因此大霧滴向冠層中下部運(yùn)移主要依靠冠層孔隙改變形成的霧滴運(yùn)輸通道；對于粒徑較小的霧滴，由于其動能不大，容易受層流或紊流脅迫，繞過莖葉進(jìn)入冠層中下部或沉積在葉片背面，因此在冠層內(nèi)部的沉積行為中，氣流霧滴脅迫影響較大[15-18]。

然而在實(shí)際噴霧作業(yè)過程中，提高噴霧效率主要依靠改變噴嘴流量、壓力、氣流速度等方式，未充分考慮到作物冠層特性對霧滴沉積行為的影響存在差異。若針對不同冠層特性作物，量化氣流輔助噴霧中氣流霧滴脅迫與冠層孔隙改變對霧滴沉積性能的影響，則可根據(jù)實(shí)際情況選擇增大輔助氣流或者額外通過機(jī)械手段增大作物冠層孔隙空間，提高霧滴沉積質(zhì)量的同時又可以減少風(fēng)機(jī)動力消耗。將能實(shí)現(xiàn)以較低的成本、較快的速度促進(jìn)氣流輔助噴霧施藥質(zhì)量的提升，可為針對不同作物冠層孔隙變化特性的新型噴霧模式設(shè)計(jì)提供借鑒。

綜上所述，氣流輔助噴霧在冠層內(nèi)沉積行為主要受冠層內(nèi)氣流霧滴脅迫與冠層孔隙變化的影響，氣流霧滴脅迫強(qiáng)弱由氣流風(fēng)速決定并影響冠層孔隙變化，而冠層孔隙變化影響冠層內(nèi)氣流分布，進(jìn)而影響氣流霧滴脅迫作用，兩者在氣流輔助噴霧過程中耦合發(fā)生，在不同冠層特性作物內(nèi)沉積行為也存在差異。因此，研究行之有效的解耦方案對不同冠層特性作物內(nèi)沉積行為改善尤為重要。

1.2 氣流輔助噴霧解耦試驗(yàn)方案

一般而言，在作物群體的生長周期中存在冠層孔隙分布的差異；冠層孔隙也可以通過氣流或物理方式加以改變。對于郁閉度較高作物，用于改變孔隙的輔助氣流風(fēng)速較大，功率消耗較多。只有當(dāng)作物冠層孔隙率小于某個閾值，即郁閉度足夠大時，才需要改變冠層孔隙，使之增強(qiáng)霧滴冠層內(nèi)部運(yùn)輸能力，反之當(dāng)孔隙率大于該閾值時，即郁閉度不大時，則不需要改變冠層孔隙。因此，本文討論的解耦研究，其噴霧應(yīng)用范圍僅限于作物或作物群體達(dá)到一定的郁閉度。

采用物理解耦方式將氣流影響霧滴沉積性能的二者作用形式剝離，設(shè)計(jì)2組解耦試驗(yàn)和1組對照試驗(yàn)。其中，方案1為對照組，方案2、3作為解耦試驗(yàn)組，方案1分別與方案2、3相互對照，兩組對照之間試驗(yàn)變量不同。方案1試驗(yàn)對象是冠層孔隙可風(fēng)載變形的棉花模型；方案2試驗(yàn)對象是風(fēng)載變形后冠層孔隙固定的棉花模型，用于開展有風(fēng)載孔隙變形的無風(fēng)沉積試驗(yàn)，剝離氣流霧滴脅迫對冠層沉積行為的影響；方案3試驗(yàn)對象是自然狀態(tài)下風(fēng)載冠層孔隙不變的棉花模型，用于開展氣流輔助噴霧下冠層孔隙不變的沉積試驗(yàn)，剝離風(fēng)速對冠層孔隙改變的影響。忽略3組試驗(yàn)方案中冠層動態(tài)孔隙變化和靜態(tài)孔隙保持不變的差異。如圖1所示，方案1與方案2比較試驗(yàn)變量為是否存在氣流霧滴脅迫影響，方案1與方案3比較試驗(yàn)變量為是否存在冠層孔隙變形影響。因此，分別分析方案1相對于方案2、3的沉積表現(xiàn)，可定量分析氣流霧滴脅迫和冠層孔隙變化對冠層沉積性能的影響。

2 風(fēng)載作用下棉花單枝葉變形測量

氣流輔助噴霧中，棉花孔隙變化主要指葉枝彎曲變形與葉片擾動變形。由于葉枝在風(fēng)載荷作用下變形量相對葉片擾動變形較小，將葉枝受風(fēng)載變形過程簡化，采樣實(shí)測不同風(fēng)速下葉枝變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，作為棉花模型葉枝變形參數(shù)[19-20]。葉片擾動變形采用試驗(yàn)方法得到不同風(fēng)速作用下回歸關(guān)系，用以對比仿真葉片與真實(shí)棉花葉片風(fēng)載特性差異。

2.1 棉花葉片風(fēng)載變形試驗(yàn)

2.1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)取樣棉花為盛花期表面無明顯損傷、莖葉茂盛植株，樣本取自山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)棉花試驗(yàn)田。取樣葉片分布于棉花冠層不同部位，最終選取10組樣本并進(jìn)行編號，其葉面積分別為：14.2、29.6、37.4、47.1、61.4、77.8、81.6、91.4、102.8、113.96 cm2。取樣過程中直接帶根移栽樣本棉花，提供充足水分。葉片帶柄取下后立即進(jìn)行風(fēng)載試驗(yàn)，保證葉片風(fēng)載特性不受影響。測量設(shè)備包括CR1000x3型高速相機(jī)(德國Optronis)、離心風(fēng)機(jī)、無級變頻調(diào)速器、熱線風(fēng)速儀、導(dǎo)流風(fēng)筒、標(biāo)尺、三腳架、補(bǔ)光燈等。

2.1.2試驗(yàn)方案

(1)導(dǎo)流風(fēng)筒下方固定標(biāo)尺，將離心風(fēng)機(jī)作為風(fēng)源，調(diào)節(jié)變頻器改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使用熱線風(fēng)速儀測量出風(fēng)口風(fēng)速(V)與下方葉片位置處風(fēng)速(U)，得到變頻器頻率與出風(fēng)口風(fēng)速(V)對應(yīng)關(guān)系。

(2)導(dǎo)流風(fēng)筒下方30 cm處固定棉花葉片，調(diào)整三腳架高度和位置，使高速相機(jī)拍攝位置正對葉片區(qū)域，調(diào)整補(bǔ)光燈位置、亮度，調(diào)整相機(jī)焦距和拍攝角度確保葉片輪廓清楚，刻度清晰。同時拍攝葉片靜止?fàn)顟B(tài)位置圖像，記錄靜態(tài)葉片位置。

(3)通過改變變頻器頻率，將出風(fēng)口風(fēng)速(V)分別調(diào)節(jié)為5、7、9、13、17、19、21 m/s，拍攝風(fēng)載下葉片高速變形過程，通過高速相機(jī)軟件TimeBench獲取葉片動態(tài)變形過程。試驗(yàn)過程和裝置如圖2所示。

(4)分析靜態(tài)葉片與風(fēng)載下高速變形葉片，以靜態(tài)葉片位置為參考，獲取葉片位置處風(fēng)速(U)下葉片最大變形時位移。

2.2 棉花葉片變形量標(biāo)定與統(tǒng)計(jì)

棉花葉片在氣流作用下變形表現(xiàn)為振動變形，其振動模式和振幅受氣流速度影響。由于本次試驗(yàn)出風(fēng)口風(fēng)速(V)為5～21 m/s，葉片振動變形難以評估，葉片振幅可以表征葉片變形受風(fēng)速的影響。所以將葉片最大變形振幅作為變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過對高速相機(jī)中的連續(xù)幀分析，抓取葉片最大變形量位置進(jìn)行標(biāo)定，獲取其最大變形量。圖3為部分葉片不同風(fēng)速下變形量標(biāo)定。將不同葉片變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

表1 葉片最大變形量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，棉花葉片變形量受輔助氣流風(fēng)速與葉面積影響。隨著輔助氣流的增大與葉面積的增加，采樣葉片的最大變形量也隨之增大。為得到風(fēng)載作用下葉片位置處風(fēng)速(U)、葉面積(A)與葉片最大變形量(D)三者間的關(guān)系，對獲取的葉片變形量與風(fēng)速、葉面積進(jìn)行非線性擬合，得到圖4的擬合曲面，擬合后決定系數(shù)R2=0.969,具有較高的可靠性，其擬合關(guān)系為

D=-5.054+0.358A+1.807U+0.005A2-0.032U2+0.019AU

(1)

2.3 仿真葉片風(fēng)載變形試驗(yàn)

封偉建等[21]通過對比多種材料發(fā)現(xiàn)，一些人造樹葉能很好地反映真實(shí)樹葉的氣動特性，田間葉片受風(fēng)動態(tài)變形的過程可以在室內(nèi)模擬。利用人造樹模擬氣流輔助噴霧過程中冠層內(nèi)沉積分布使噴霧試驗(yàn)不再受限于田間試驗(yàn)。為接近棉花葉片風(fēng)載下真實(shí)變形，選擇相近尺寸、葉形呈三掌裂狀塑料葉片作為仿真棉花葉片。開展仿真葉片風(fēng)載變形試驗(yàn)，對比仿真葉片與真實(shí)葉片風(fēng)載變形量差異。重復(fù)上述真實(shí)葉片風(fēng)載變形試驗(yàn)步驟，對仿真葉片變形量與真實(shí)葉片受風(fēng)擬合得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，仿真葉片在風(fēng)載下變形量與擬合變形量相對誤差大部分在15%之內(nèi)，少數(shù)葉片變形量誤差在17%之內(nèi)。由于本文只是使用人造樹近似表示棉花高郁閉度狀態(tài)，該誤差一定程度上反映了真實(shí)葉片風(fēng)送噴霧下變形狀態(tài)。所以，確定仿真枝葉應(yīng)用于風(fēng)送噴霧試驗(yàn)的可行性并作為棉花模型葉片材料開展沉積試驗(yàn)。

表2 仿真葉片風(fēng)載變形量與擬合值對比

2.4 棉花單果枝風(fēng)載變形量測量

按照上述棉花葉片風(fēng)載變形量測量步驟，對采樣的新鮮帶葉果枝進(jìn)行風(fēng)載變形試驗(yàn)。由于果枝變形量相對于葉片變形量較小，為簡化冠層孔隙變化模型，對采樣棉花植株果枝變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以上、中、下3層采樣均值分別作為棉花模型果枝變形量，通過高速相機(jī)提取采樣果枝變形連續(xù)幀，標(biāo)定果枝風(fēng)載變形量。棉花果枝風(fēng)載變形量如表3所示。

表3 棉花枝葉風(fēng)載變形量采樣統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 解耦試驗(yàn)方案的棉花植株模型搭建

真實(shí)植株移入室內(nèi)試驗(yàn)會破壞植株原有枝葉特性，冠層葉片會因脫水而自然下垂，試驗(yàn)成本較高且試驗(yàn)效果不理想。因此，結(jié)合DEKEYSER等[22]采用人造仿真樹木代替真實(shí)樹木進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的方式。將盛花期棉花植株作為試驗(yàn)對象，搭建3種方案棉花模型開展噴霧沉積試驗(yàn)。

本組20例患者，男8例，女13例，年齡55～65歲，平均59歲，有慢性關(guān)節(jié)疼痛或腫脹6個月以上，均經(jīng)X線片或MRI檢查提示有膝關(guān)節(jié)退行性變、關(guān)節(jié)軟骨破壞的表現(xiàn)。排除糖尿病、血液系統(tǒng)疾病、免疫疾病等影響骨質(zhì)的基礎(chǔ)疾病。

3.1 棉花表型數(shù)據(jù)及枝葉構(gòu)型規(guī)律

棉花作為大株作物，具有根深、葉茂、分枝多的表型特征，器官種類多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但器官生長和發(fā)

育存在同伸關(guān)系并具有較為明顯的規(guī)律性。本文搭建的植株模型為盛花期棉花植株，只考慮棉花冠層內(nèi)枝葉部分，忽略花蕾等其他器官的影響。棉花表型生長參數(shù)通過查閱文獻(xiàn)以及實(shí)際測量的方式確定。被測棉花品種為魯研棉21號，位于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)試驗(yàn)田。根據(jù)棉花農(nóng)藝要求，營養(yǎng)枝在田間管理時大多被去除，因此棉花葉片主要考慮主莖葉和果枝葉。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，盛花期棉花植株在打頂栽培條件下平均株高為1～1.2 m，具有直立生長的主莖和螺旋有序生長的葉片，其主莖上節(jié)位間可以分化出葉枝和果枝。將棉花模型主莖節(jié)位按照20層搭建，每層節(jié)位上分布有主莖葉。由于棉花主莖下部無節(jié)生果枝，將5～20層設(shè)置為果枝位置。具體果枝表型參數(shù)如表4所示,盛花期主莖葉表型參數(shù)如表5所示。

表4 盛花期棉花果枝表型參數(shù)

表5 盛花期棉花主莖葉表型參數(shù)

根據(jù)倪萬潮等[23]的研究，陸地棉主莖生長的主莖葉和果枝螺旋有序分布，符合“3/8”分布規(guī)律。如圖5所示，第1至第8臺果枝(主莖葉)旋繞主莖3周，第9臺果枝(主莖葉)位于第1臺果枝(主莖葉)正上方，果枝上真葉交互排列成兩行。對取樣試驗(yàn)田內(nèi)棉花冠層果枝與主莖葉排列進(jìn)行測量，其生長排列基本符合“3/8”枝葉構(gòu)型規(guī)律，因此，選擇 “3/8”枝葉構(gòu)型規(guī)律作為搭建棉花模型的枝葉排列依據(jù)。

3.2 棉花植株模型搭建與葉片位置坐標(biāo)建模

3.2.1棉花植株模型搭建

根據(jù)上述盛花期棉花表型數(shù)據(jù)并結(jié)合“3/8”枝葉構(gòu)型規(guī)律對棉花模型進(jìn)行搭建。主莖稈材料選擇PVC塑料管并在主莖各節(jié)位置打孔預(yù)留安裝位置，選擇剛度合適的鐵絲作為果枝材料。為方便棉花模型搭建，不考慮果枝的“之”字型結(jié)構(gòu)，簡化為單軸形式。將果枝葉與果枝間的夾角統(tǒng)一設(shè)置為45°，相鄰果枝螺旋角為135°，果枝與同節(jié)主莖葉水平夾角為45°。為便于分析棉花冠層內(nèi)沉積分布規(guī)律，對冠層分層： 1～7層為下層，果枝傾角為65°；8～14層為中層，果枝傾角為60°；15～20層為上層，果枝傾角為55°。

按照氣流輔助噴霧中棉花模型解耦方案，分別搭建方案1與方案3棉花模型：方案1棉花冠層孔隙可風(fēng)載變形；方案3棉花冠層為保持自然狀態(tài)下風(fēng)載孔隙不變。圖6為搭建完成的部分棉花模型。

3.2.2棉花葉片位置笛卡爾坐標(biāo)系

根據(jù)上述棉花生長發(fā)育的表型參數(shù)與枝葉構(gòu)型規(guī)律，結(jié)合簡化棉花模型方法，構(gòu)建描述棉花葉片空間分布的笛卡爾坐標(biāo)系。以地面主莖中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，第一主莖葉朝向?yàn)閤軸方向，與其垂直的方向?yàn)閥軸，垂直于地面的棉花主莖設(shè)置為z坐標(biāo)軸。以棉花葉片長度方向中點(diǎn)作為葉片中心位置，根據(jù)幾何關(guān)系得出所有葉片位置坐標(biāo)分布，如圖7所示。

3.3 棉花冠層內(nèi)流場分布測量與葉片變形量計(jì)算

輔助氣流作用下棉花冠層內(nèi)風(fēng)速分布可為冠層枝葉變形提供數(shù)據(jù)支撐。由于田間測量棉花冠層內(nèi)輔助氣流風(fēng)速分布較為困難且易受自然風(fēng)影響，所以本文方案1搭建的可風(fēng)載變形的仿真棉花植株為測量對象，借助熱線風(fēng)速儀(Testo 405i型)測量不同風(fēng)速下方案1冠層內(nèi)氣流分布，圖8為棉花冠層內(nèi)流場分布測量過程與裝置。測量過程中，每次測量同時使用3個熱線風(fēng)速儀分別對上、中、下3層不同部位測量，每個位置連續(xù)取樣30次，通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸至智能手機(jī)上的應(yīng)用程序，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel取平均值作為該位置速度測量值，每層內(nèi)多次測量不同位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)插值方法得到所有葉片位置風(fēng)速。根據(jù)公式(1)得到該風(fēng)速下所有葉片變形量。

4 氣流輔助噴霧棉花模型沉積解耦試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)置與步驟

4.1.1試驗(yàn)設(shè)置

依據(jù)實(shí)際噴霧工況，每次試驗(yàn)選取4株仿真棉花所圍成的立方體區(qū)域?yàn)閿?shù)據(jù)采集區(qū)，將棉花的行、株距設(shè)置為80 cm×30 cm。棉花放置于移動小車上，以0.65 m/s的速度通過試驗(yàn)臺噴霧區(qū)并施加輔助氣流。本文試驗(yàn)環(huán)境為室內(nèi)，忽略自然風(fēng)的影響。圖9為試驗(yàn)過程中的棉花模型采樣區(qū)域與試驗(yàn)圖像。

4.1.2試驗(yàn)步驟

(1)調(diào)整棉花模型行株距，在數(shù)據(jù)采集區(qū)內(nèi)布置水敏紙，上、中、下3層隨機(jī)選取8處葉片布置水敏紙，并保證每次試驗(yàn)布置水敏紙位置葉片不變。

(2)試驗(yàn)用噴嘴選擇單個TP11001不銹鋼高壓扇形噴嘴(TeeJet)，調(diào)整噴嘴距離冠層高度為30 cm，出風(fēng)孔距離噴嘴高度為20 cm，調(diào)整噴嘴壓力為0.26 MPa。方案1、3試驗(yàn)組調(diào)整出風(fēng)口風(fēng)速分別為9、13、17 m/s依次進(jìn)行試驗(yàn)，方案2試驗(yàn)組依次進(jìn)行風(fēng)速9、13、17 m/s下冠層孔隙改變的無風(fēng)沉積試驗(yàn)，每次試驗(yàn)重復(fù)3次。

(2)

(3)

其中

(4)

式中qi——每層各采樣點(diǎn)霧滴沉積量，μL/cm2

n——棉花冠層內(nèi)每層采樣點(diǎn)數(shù)

SD——Xi的標(biāo)準(zhǔn)差，μL/cm2

Xi——第i層采樣點(diǎn)平均霧滴沉積量，μL/cm2

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

評價田間噴霧效果的指標(biāo)主要有單位面積沉積量、沉積均勻性和霧滴飄移。一般而言，沉積量很大程度反映了噴霧效果。另外，對于高郁閉度作物，沉積均勻性是衡量噴霧效果的重要指標(biāo)。所以本文將從沉積量與沉積均勻性兩方面對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.2.1試驗(yàn)結(jié)果

按照上述試驗(yàn)方法，3個方案在風(fēng)速為0 m/s的靜態(tài)沉積試驗(yàn)條件相同，所以只需進(jìn)行1組沉積試驗(yàn)，并且將靜態(tài)沉積試驗(yàn)數(shù)據(jù)單獨(dú)與其他數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。將3種方案下所有試驗(yàn)重復(fù)3次取其平均值作為統(tǒng)計(jì)量，記錄不同試驗(yàn)方案在各層單位面積沉積數(shù)據(jù)和各層間的沉積量變異系數(shù)，如表6～8所示。表6顯示：方案1棉花冠層內(nèi)霧滴分布具有明顯的霧滴沉積衰減特征，隨著輔助氣流速度的增加，中下層沉積量得到改善，霧滴沉積均勻性有較小幅度改善。表7顯示：方案2試驗(yàn)組隨著輔助氣流速度的增大，更換孔隙增大的植株模型，導(dǎo)致上層霧滴承接面減少和冠層內(nèi)部空間增大，表現(xiàn)出上層霧滴相比其它組沉積量較少，中、下層霧滴沉積量有所增加，變異系數(shù)下降明顯。表8顯示：隨著輔助氣流速度的增加，冠層內(nèi)孔隙固定不變，上層由于承接面不變，輔助氣流作用下噴嘴扇形霧面向靶標(biāo)集中導(dǎo)致上層霧滴沉積增加明顯，中、下層沉積量的增加主要靠冠層內(nèi)的渦流帶動細(xì)小霧滴的靶標(biāo)撞擊。

表6 方案1各層沉積量與變異系數(shù)

表7 方案2各層沉積量與變異系數(shù)

表8 方案3各層沉積量與變異系數(shù)

4.2.2沉積性能對比

如圖10、11所示，棉花冠層在無風(fēng)噴霧時的靜態(tài)沉積量為0.136 μL/cm2,整體各層間分布的變異系數(shù)為83.13%。其中方案1在輔助氣流為9、13、17 m/s時霧滴沉積量提升比例分別為43.2%、52.2%、85.3%，霧滴分布變異系數(shù)降低比例分別為45.2%、42.4%、56.5%；方案2在輔助氣流風(fēng)速為9、13、17 m/s時霧滴沉積量提升比例分別為11.4%、16.9%、15.3%，霧滴分布變異系數(shù)分別降低27.7%、38.6%、65.8%；方案3在輔助氣流為9、13、17 m/s時霧滴沉積量提升比例分別為30.9%、45.5%、57.7%，霧滴分布變異系數(shù)降低比例分別為12.4%、10.3%、3.6%。綜上所述，3個試驗(yàn)方案的沉積量相較于靜態(tài)沉積量提升比例在11.4%～85.3%之間，霧滴沉積量變異系數(shù)降低比例在3.6%～65.8%之間，表明氣流輔助噴霧過程中的氣流霧滴脅迫與冠層空隙變化都能提高霧滴在棉花冠層內(nèi)的沉積量和上下均勻性。

4.2.3輔助氣流對沉積性能影響的解耦分析

按照上述棉花模型沉積解耦方案，方案1為對照組，方案2、3為解耦試驗(yàn)組。方案1與方案2比較試驗(yàn)變量為是否存在氣流霧滴脅迫影響，方案1與方案3比較試驗(yàn)變量為是否存在冠層孔隙變形影響。因此，忽略其它無關(guān)變量的影響，將不同變量組之間相互對照，得出氣流輔助噴霧中二者對沉積性能的影響。方案1相對于方案2在輔助氣流為9、13、17 m/s時，霧滴沉積量提升比例分別為28.6%、30.18%、60.66%，霧滴分布變異系數(shù)降低比例分別為24.28%、6.25%、-27.24%；方案1相對于方案3在輔助氣流為9、13、17 m/s時，霧滴沉積量提升比例分別為9.45%、4.60%、17.52%，霧滴分布變異系數(shù)降低比例分別為37.52%、35.80%、54.81%。其中，輔助氣流在風(fēng)速17 m/s時，方案1相較于方案2霧滴分布變異系數(shù)存在明顯差異，輔助氣流對霧滴脅迫的影響作用反而導(dǎo)致霧滴分布均勻性有所下降，可能是由于方案2較大輔助氣流引起上、中層霧滴承接葉片變形較大導(dǎo)致沉積量較少，形成方案2沉積變異系數(shù)相較于方案1低，方案1霧滴沉積量高于方案2。綜合以上數(shù)據(jù)，在9、13、17 m/s輔助氣流作用下，方案1比方案2的沉積量平均提升比例為39.81%，霧滴分布變異系數(shù)下降比例為1.10%。方案1比方案3的沉積量平均提升比例為10.52%，霧滴分布變異系數(shù)下降比例為42.71%。試驗(yàn)結(jié)果表明：在9、13、17 m/s輔助氣流作用下，氣流的霧滴脅迫作用相較于冠層內(nèi)的孔隙變化影響更有利于霧滴在冠層內(nèi)的沉積行為，兩者對于霧滴沉積量的提升比例分別為39.81%和10.52%；冠層孔隙增大形成的霧滴運(yùn)移通道相較于氣流對霧滴的脅迫作用更有利于霧滴在冠層內(nèi)的均勻分布，兩者對沉積均勻性的提升比例分別為42.71%和1.10%。

4.3 討論

依據(jù)上述解耦分析結(jié)論，可以看出氣流的霧滴脅迫能力和氣流對冠層孔隙改變，均能影響霧滴沉積但其貢獻(xiàn)存在差異。在此基礎(chǔ)上，分析并設(shè)計(jì)新施藥模式具有現(xiàn)實(shí)意義。高郁閉度作物是均勻沉積的難點(diǎn)，改變冠層孔隙增大藥液在靶標(biāo)上沉積均勻性更有利于病蟲害化學(xué)防治。結(jié)合本文研究對象，就高郁閉度作物施藥模式展開討論。目前高郁閉度作物施藥可采用3種施藥方式：①采用強(qiáng)制氣流改變冠層孔隙，打開霧滴輸送通道，增加霧滴在冠層內(nèi)的穿透性，若冠層枝葉剛度較大，需要?dú)饬黠L(fēng)速相對較大，但存在進(jìn)入冠層內(nèi)部風(fēng)速的末速度過大，導(dǎo)致藥液流失到地面、風(fēng)機(jī)功率消耗過大的問題。該方式的典型施藥方式為大負(fù)載的植保無人機(jī)。②自然狀態(tài)下田間植株群體的冠層孔隙分布有其內(nèi)在差異的特點(diǎn)，依據(jù)此差異進(jìn)行針對性霧滴輸送有利于冠層內(nèi)部沉積[24]。采用噴桿噴霧與吊桿噴霧組合施藥方式，吊桿式冠層上方采用由上而下的霧滴噴施，冠層中下部使用吊桿在行間冠層中下部孔隙處噴施細(xì)小霧滴，其典型施藥方式為吊桿式噴霧[25]或分行冠內(nèi)冠上組合氣流噴霧[5]。③采用機(jī)械方式[26]打開上層冠層空間，使藥液霧滴進(jìn)入冠層中下部提高施藥效果，代表施藥方式為罩蓋式施藥[27]和柔性罩蓋式氣流輔助施藥方式[28]，根據(jù)作物冠層特性，在不產(chǎn)生機(jī)械損傷的情況下打開植株冠層內(nèi)部藥液運(yùn)移通道，輔助氣流同時脅迫霧滴加速進(jìn)入冠層內(nèi)部，減少過大輔助氣流風(fēng)速的功率消耗，也有效減少相對風(fēng)速和自然風(fēng)速對霧滴產(chǎn)生的飄移影響。此種噴霧模式為新型施藥模式設(shè)計(jì)提供了思路借鑒。

5 結(jié)論

(1)3組不同風(fēng)速下風(fēng)送試驗(yàn)方案的沉積量相較于靜態(tài)沉積量提升比例在11.4%～85.3%之間，霧滴分布變異系數(shù)降低比例在3.6%～65.8%之間，表明氣流輔助噴霧過程中的氣流霧滴脅迫與冠層孔隙變化均可提高霧滴在棉花冠層內(nèi)的沉積量和上下均勻性。

(2)試驗(yàn)表明：方案2在輔助氣流風(fēng)速為9、13、17 m/s時霧滴沉積量提升比例分別為11.4%、16.9%、15.3%，霧滴分布變異系數(shù)降低比例分別為27.7%、38.6%、65.8%，在實(shí)際工作過程中機(jī)械式改變冠層孔隙可較好地提升中、下層霧滴的沉積分布。

(3)解耦分析表明：氣流輔助噴霧可以顯著提高霧滴在冠層內(nèi)的沉積量和均勻性，相較于冠層孔隙變化氣流對霧滴的脅迫作用更有利于霧滴在冠層內(nèi)的沉積行為，3種風(fēng)速下兩者對于霧滴沉積量的平均提升比例分別為39.81%和10.52%；相比于氣流對霧滴的脅迫作用冠層孔隙增大形成的霧滴運(yùn)移通道更有利于霧滴在冠層內(nèi)的均勻分布，兩者對沉積均勻性的平均提升比例分別為42.71%和1.10%。