國內(nèi)外農(nóng)業(yè)風(fēng)洞應(yīng)用現(xiàn)狀及展望*

張騰文 ，喬國然 ，劉旭陽 ，牛智鋒 ，李威漢 ，王國賓

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，農(nóng)業(yè)施藥機(jī)械化迅速發(fā)展。航空植保具有作業(yè)效率高、應(yīng)對(duì)突發(fā)災(zāi)害能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)成本低并且可以適應(yīng)復(fù)雜條件的大面積農(nóng)林病蟲害防治的優(yōu)勢，在中國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)施藥中占據(jù)重要地位并有巨大的發(fā)展?jié)摿1]。其中，航空植保無人機(jī)在航空植保中處于核心位置。植保無人飛機(jī)在進(jìn)行作業(yè)過程中所噴灑的農(nóng)藥霧滴會(huì)隨著空氣氣流流動(dòng)，從而出現(xiàn)向非預(yù)定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的霧滴飄移現(xiàn)象。

在植保無人飛機(jī)施藥過程中，霧滴飄移始終是影響施藥效果和造成環(huán)境污染的重要因素之一。大面積的飛機(jī)噴灑或地面機(jī)械噴霧都會(huì)不可避免地因一定比例的霧滴不能到達(dá)目標(biāo)而造成對(duì)環(huán)境的污染[2]。在影響霧滴飄移的因素之中，霧滴原始尺寸是重要因素之一，加之霧化過程中常常伴有二次破裂現(xiàn)象，所以對(duì)霧滴飄移特性的測定顯得尤為重要。

目前，測定飄移特性所采用的方法主要有田間試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)。但田間試驗(yàn)的各種參數(shù)無法實(shí)時(shí)控制，并且測試費(fèi)用較高，而風(fēng)洞試驗(yàn)可模擬外界實(shí)際條件，其優(yōu)越性在于能夠方便地控制風(fēng)速和風(fēng)向，準(zhǔn)確地測定諸如噴霧壓力、噴頭移動(dòng)速度以及噴頭與噴霧目標(biāo)之間的垂直距離等變量，避免因外界條件的不確定造成評(píng)估比較的困難[2]。因此，風(fēng)洞試驗(yàn)在噴霧特性研究中備受青睞。

風(fēng)洞是進(jìn)行空氣動(dòng)力試驗(yàn)最常用、最有效的工具。農(nóng)業(yè)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可以有效地體現(xiàn)出植保機(jī)械在工作過程中所發(fā)生的霧滴飄移等現(xiàn)象，為今后的植保機(jī)械改進(jìn)提供參考依據(jù)。筆者從農(nóng)業(yè)風(fēng)洞總體概述、國內(nèi)外農(nóng)業(yè)風(fēng)洞研究現(xiàn)狀、未來展望等方面進(jìn)行研究分析，綜合分析了農(nóng)業(yè)風(fēng)洞在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，系統(tǒng)闡述了各種農(nóng)業(yè)風(fēng)洞的優(yōu)缺點(diǎn)，為我國今后的農(nóng)業(yè)風(fēng)洞發(fā)展提供參考。

1 農(nóng)業(yè)風(fēng)洞概述

風(fēng)洞試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)飛行器模擬試驗(yàn)中廣泛使用，通過模擬飛行器在空中的飛行狀態(tài)研究其與氣流之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提供各種設(shè)計(jì)需要的數(shù)據(jù)等。風(fēng)洞試驗(yàn)早在20世紀(jì)中葉就已出現(xiàn)，但其應(yīng)用在農(nóng)業(yè)之中相對(duì)較晚。近年來，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國農(nóng)業(yè)風(fēng)洞也正在快速發(fā)展并應(yīng)用，發(fā)揮著搭配激光粒度儀測定霧滴粒徑和測定霧滴飄移的作用。

從國內(nèi)外農(nóng)業(yè)航空噴灑技術(shù)的實(shí)際情況來看，田間試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)工程中應(yīng)用廣泛。但是，農(nóng)田試驗(yàn)不能完全了解航空植保噴霧系統(tǒng)并準(zhǔn)確預(yù)測農(nóng)藥霧滴的飄移特性[3]。反觀風(fēng)洞試驗(yàn)，因其測試方法具有穩(wěn)定性、可控性、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)研究中，尤其是霧滴飄移的研究中被廣泛應(yīng)用。目前，主要采用的農(nóng)業(yè)風(fēng)洞類型有高速風(fēng)洞、高低速復(fù)合風(fēng)洞和低速風(fēng)洞三種。

1.1 高速風(fēng)洞

高速風(fēng)洞一般是指試驗(yàn)段氣流速度馬赫數(shù)范圍在0.4～4.5之間的風(fēng)洞。唐青等在國外風(fēng)洞設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了流場品質(zhì)改良，設(shè)計(jì)了IEA-I型高速風(fēng)洞，以用于農(nóng)業(yè)航空噴頭霧滴粒徑、速度分布規(guī)律等方面的研究[4]。該高速風(fēng)洞為施藥無人機(jī)的噴頭參數(shù)優(yōu)化提供了良好的平臺(tái)。

1.2 高低速復(fù)合風(fēng)洞

國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心于2018年建成了國內(nèi)首個(gè)農(nóng)業(yè)航空高低速復(fù)合風(fēng)洞。2018年6月，眾多國內(nèi)外專家在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心對(duì)高低速復(fù)合風(fēng)洞進(jìn)行了調(diào)試檢測。該高低速復(fù)合風(fēng)洞可以用于農(nóng)用無人機(jī)的各項(xiàng)性能檢測，如飛行能力、噴灑能力、抗風(fēng)性能等。在該高低速復(fù)合風(fēng)洞中進(jìn)行了無人機(jī)離心式噴頭在風(fēng)洞內(nèi)的噴施效果測試，為今后的模擬試驗(yàn)積累了寶貴的測試經(jīng)驗(yàn)。

1.3 低速風(fēng)洞

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，低速風(fēng)洞試驗(yàn)的領(lǐng)域越來越大[5]，而在眾多類型的風(fēng)洞之中，農(nóng)業(yè)工程中主要采用低速風(fēng)洞。伴隨著低速風(fēng)洞的發(fā)展，其基本形式已經(jīng)趨于集中并統(tǒng)一為直流式與回流式。直流式風(fēng)洞基本原理主要是通過風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)外界大氣連續(xù)地通過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)洞內(nèi)部，并且通過排氣口排出大氣；回流式風(fēng)洞基本原理主要是通過風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使外界大氣在風(fēng)洞系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。直流式風(fēng)洞結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，體積較小，費(fèi)用較低[6]?；亓魇斤L(fēng)洞實(shí)質(zhì)是直流式風(fēng)洞首尾相接，風(fēng)洞內(nèi)氣流可以在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，在一定程度上減輕了外界環(huán)境因素的影響。可以在農(nóng)機(jī)吹風(fēng)模型實(shí)驗(yàn)、流態(tài)觀察、測速、測壓、測氣動(dòng)力性能等科學(xué)研究項(xiàng)目中發(fā)揮作用[7]。

2 國內(nèi)農(nóng)業(yè)風(fēng)洞研究現(xiàn)狀

國內(nèi)農(nóng)業(yè)風(fēng)洞發(fā)展起步較晚，建設(shè)中或者已經(jīng)投入使用的農(nóng)業(yè)用風(fēng)洞相對(duì)較少，但其發(fā)展快速，可以用于農(nóng)作物在大風(fēng)環(huán)境下的模擬以及航空植保無人飛機(jī)的各種性能測試等。鄭劉等研制了國內(nèi)首個(gè)用于農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域的自由射流風(fēng)洞，以用于農(nóng)作物抗倒伏能力的測定分析等。結(jié)果表明：1）作物抗倒伏吹風(fēng)測試裝置的測試結(jié)果均滿足技術(shù)指標(biāo)要求；2）裝置的流場在國標(biāo)有效區(qū)域內(nèi)空間、時(shí)間范圍內(nèi)風(fēng)速測量誤差均不大于5%；3）裝置最高風(fēng)速遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)指標(biāo)，并且連續(xù)可調(diào)，有很大裕度[8]。張惠春等利用開路式風(fēng)洞，測試了由風(fēng)洞地面所布置的聚乙烯收集線所收集的含熒光示蹤劑的霧滴，由熒光分析儀測定收集線上的熒光劑含量，分析了不同位置處的霧滴沉積和飄移，建立了非線性霧滴飄移特性模型，為霧滴沉積區(qū)的預(yù)測、隔離緩沖區(qū)的確定以及防飄技術(shù)的研究等提供了技術(shù)指導(dǎo)[9]，為進(jìn)一步研究植保風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和飄移試驗(yàn)的參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。丁素明等針對(duì)農(nóng)藥霧滴飄移特性研究的需要，設(shè)計(jì)了NJS-1型植保低速風(fēng)洞，其主要用于農(nóng)藥沉積、飄失規(guī)律及產(chǎn)品檢測等方面的研究[10]。張建桃等在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室針對(duì)極飛公司P20離心噴嘴進(jìn)行噴幅、霧滴粒徑分布以及霧滴譜相對(duì)寬度分析，探究各種條件下霧滴粒徑大小變化的規(guī)律[11]。

雖然我國在農(nóng)業(yè)工程試驗(yàn)中運(yùn)用著多種農(nóng)業(yè)風(fēng)洞，但是較國外發(fā)達(dá)國家仍有著差距。就農(nóng)業(yè)航空噴施技術(shù)而言，要追趕世界先進(jìn)技術(shù)，特別需要關(guān)注以下幾點(diǎn)內(nèi)容：1）推廣應(yīng)用農(nóng)業(yè)航空系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和飄移模型；2）推廣小型無人機(jī)噴施技術(shù)；3）應(yīng)用航空靜電噴施技術(shù)。隨著各種相關(guān)政策的扶持以及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國的農(nóng)業(yè)風(fēng)洞將會(huì)迅猛發(fā)展并且應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，在支撐或補(bǔ)充農(nóng)田數(shù)據(jù)、模擬調(diào)控植保機(jī)器的各種參數(shù)方面將發(fā)揮越來越重要的作用。

3 國外農(nóng)業(yè)風(fēng)洞研究現(xiàn)狀

國外一些發(fā)達(dá)國家對(duì)農(nóng)業(yè)風(fēng)洞的研究開始時(shí)間相對(duì)較早。20世紀(jì)70年代末，Teske等用近10年的田間試驗(yàn)測試結(jié)果研發(fā)了AGDISP（agricultural dispersion）和AGDRIFT（agricultural drift）模型[12-13]。使用者可以通過輸入天氣因素、農(nóng)藥藥液、植保無人機(jī)類型、噴嘴等，通過調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，對(duì)可能產(chǎn)生的飄移進(jìn)行分析預(yù)測，有效預(yù)測范圍可達(dá)到20 km[14]。在測定霧滴漂移方面，英國Silsoe研究所曾多次在風(fēng)洞進(jìn)行測量試驗(yàn)，德國Julius Kuhn研究所利用回流式風(fēng)洞也進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著風(fēng)速的增加，霧滴飄移量明顯增加，重心飄移量增大，飄移損失風(fēng)險(xiǎn)增大；當(dāng)噴霧高度不高時(shí)，增大噴霧壓力會(huì)減小飄移，且隨著噴霧高度的增加，飄移減小的程度逐漸減弱，之后飄移達(dá)到一定程度后增大[3]。

4 未來展望

4.1 政策扶持助力快速發(fā)展

當(dāng)前，我國為促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展實(shí)施了一系列強(qiáng)農(nóng)惠農(nóng)政策，使得新機(jī)械、新技術(shù)等在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了前所未有的推廣與應(yīng)用，極大地助推了農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展[15]。2018年12月，國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的指導(dǎo)意見》，提出加快推動(dòng)農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，推進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。2021年4月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部召開農(nóng)業(yè)機(jī)械化工作會(huì)議，謀劃“十四五”農(nóng)業(yè)機(jī)械化重點(diǎn)任務(wù)，提出農(nóng)業(yè)機(jī)械化是建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容。這些政策證明實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化與智能化已經(jīng)是必然趨勢，各種相關(guān)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備及技術(shù)也會(huì)隨之發(fā)展。農(nóng)業(yè)風(fēng)洞技術(shù)將會(huì)迎來新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，并在航空噴霧技術(shù)及其他各類相關(guān)試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用。

4.2 全球化引領(lǐng)前進(jìn)方向

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展以及我國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國農(nóng)業(yè)必然會(huì)走向全球化[16]。在此大背景下，農(nóng)業(yè)風(fēng)洞因性能優(yōu)越、條件可控、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展將呈井噴之勢。但目前來看，我國現(xiàn)在通常直接引進(jìn)國外的成熟設(shè)備，缺乏實(shí)際試驗(yàn)參數(shù)，因此在農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)等方面我國需投入更多人力物力，加大研發(fā)力度，提升自身的科技水平和核心競爭力[3]。

4.3 基于現(xiàn)實(shí)需求革新風(fēng)洞技術(shù)

世界上很多國家都進(jìn)行了大量的農(nóng)業(yè)風(fēng)洞相關(guān)試驗(yàn)，并取得一定的研究成果。目前，國內(nèi)有關(guān)農(nóng)業(yè)風(fēng)洞的研究相對(duì)比較缺乏，比如在航空噴灑技術(shù)的研究中，我國與世界發(fā)達(dá)國家相比仍然存在一定技術(shù)差距[3]。技術(shù)相對(duì)落后和起步時(shí)間相對(duì)較晚意味著我國必須進(jìn)行農(nóng)業(yè)風(fēng)洞技術(shù)的革新與發(fā)展，不斷縮小與發(fā)達(dá)國家的差距，趕上世界先進(jìn)水平。

5 結(jié)論

筆者綜述了農(nóng)業(yè)風(fēng)洞的具體類型、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對(duì)處于當(dāng)前政策紅利和時(shí)代背景下的我國農(nóng)業(yè)風(fēng)洞的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，指出了我國對(duì)農(nóng)業(yè)風(fēng)洞的迫切需求，為風(fēng)洞在我國農(nóng)業(yè)工程中的廣泛應(yīng)用提供參考。