我國果園風送式噴霧裝備與技術(shù)研究進展

徐陶 呂曉蘭 祁雁楠 曾錦 雷嘵暉 袁全春

摘要：風送式噴霧機是目前我國果園噴霧裝備的主流，針對我國現(xiàn)階段果園風送式噴霧裝備起步晚、裝備落后，存在用藥量大、霧滴飄失嚴重等施藥現(xiàn)狀，從施藥原理、作業(yè)特點等分別介紹不同機型風送式噴霧裝備研究現(xiàn)狀，并結(jié)合當前先進靜電噴霧技術(shù)、循環(huán)噴霧技術(shù)、精準變量施藥技術(shù)及CFD流體仿真模擬技術(shù)，重點闡述目前我國風送式噴霧裝備與先進施藥技術(shù)融合的最新研究進展，分析不同作業(yè)方式下風送式噴霧機在果園噴藥應用中存在的問題，提出未來我國風送式噴霧機械裝備發(fā)展的幾點建議：深化推進平原及丘陵山地的標準化、宜機化建園；融合先進施藥技術(shù)及智能探測手段，實現(xiàn)果園風送式噴霧機智能化、精準化施藥；針對丘陵山地，研發(fā)推廣具有體積小、適用性強的適用于丘陵等地小型果園噴霧機型。

關(guān)鍵詞：風送噴霧；果園；施藥技術(shù)；靶標探測；精準施藥；CFD仿真

中圖分類號：S491+.2

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 070069

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Research status on equipment and technology of orchard air-assisted sprayer in China

Xu Tao1， Lü Xiaolan1， 2， Qi Yannan1， Zeng Jin1， Lei Xiaohui1， Yuan Quanchun1

（1. Institute of Agricultural Facilities and Equipment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences，

Nanjing， 210014， China; 2. Key Laboratory of Horticultural Equipment， Ministry of Agriculture and

Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract： Air-assisted sprayer is the main orchard sprayer equipment in China. Given the late start and outdated air-delivered spray equipment in orchards， excessive use of pesticides， and serious droplet loss， the research status of different types of air-delivered spray equipment was introduced， focusing on the principle of application and operation characteristics. In addition， the latest research progress on the integration of air-delivered spray equipment and advanced spray technology in China， including the current advanced electrostatic spray technology， circulating spray technology， precision variable spray technology， and CFD fluid simulation technology was emphasized. The existing problems in the application of air-assisted sprayers in orchard spraying were analyzed. Suggestions for the development of air-delivered sprayers in China in the future were put forward， including promoting the standardization and mechanization of the orchard construction in plains and hilly areas， integrating advanced application technology and intelligent detection means to achieve intelligent and precise application of the air-assisted sprayer in orchards， and developing small-sized orchard sprayer models for hilly and mountainous regions.

Keywords： air-assisted spray; orchard; applying pesticide technology; target detection; precise spray; CFD simulation

0 引言

果樹病蟲害可導致水果落果、次果及劣果等，嚴重影響果品的質(zhì)量［1］。根據(jù)種植經(jīng)驗，果樹在一年的生長期內(nèi)施藥次數(shù)約8～15次［2］，而目前我國的農(nóng)藥利用率約30%左右，農(nóng)藥的過度使用不僅導致資源浪費，更易引起水土污染。為減少霧滴飄失，提高噴霧效果，在提高噴霧裝備工作性能的同時，研究學者紛紛致力于如靜電噴霧技術(shù)、靶標探測技術(shù)、變量施藥技術(shù)、在線混藥技術(shù)等先進施藥技術(shù)的研究，在基于果樹冠層的精準變量仿形施藥方面取得了一定成效。

目前，發(fā)達國家的果園風送噴霧技術(shù)較成熟，霧流穿透性強，作業(yè)效率高。一般來說，西方國家的風送噴霧裝備主要以大中型牽引、懸掛式為主，其特點是動力大、射程長、藥箱容積大，此類型適用于寬行高冠的標準化果園。日本、韓國為代表的東南亞國家則主要以中小型自走式噴霧裝備為主，具有功率小、結(jié)構(gòu)緊湊、通過性好等特點，此類型適用于果園同間距、低矮密植果園。

我國的噴霧施藥技術(shù)研發(fā)起步較晚，現(xiàn)階段果園的農(nóng)藥噴施設備仍以背負式電動噴霧機為主，存在農(nóng)藥施用量大，霧滴在冠層中飄失、分布不均等問題［3］，植保機械的發(fā)展對果園機械全程化及水果生產(chǎn)水平產(chǎn)生重要影響。果園風送噴霧技術(shù)自80年代引進中國，經(jīng)過科研人員多年研究改進，已取得突破性進展，目前已成為果園植保方面應用最廣泛的技術(shù)。果園風送式噴霧技術(shù)是利用風機產(chǎn)生強氣流，通過氣流流動，帶動被噴頭霧化的細小霧滴送達果樹冠層表面及內(nèi)部，有效附著于葉面正反面，進而實現(xiàn)果樹病蟲害防治的效果［4］。

本文針對不同機型的果園風送式噴霧裝備工作原理及特點，介紹了不同類型風送式噴霧裝備在我國的發(fā)展現(xiàn)狀；同時結(jié)合當前先進果園植保施藥技術(shù)與理論基礎，對我國果園風送式噴霧裝備與先進施藥技術(shù)融合的研究進展進行介紹，并針對當前不同風送式噴霧裝備存在的問題，提出果園風送式噴霧機發(fā)展建議，分析未來裝備研發(fā)趨勢，以期為科研人員提供參考。

1 國內(nèi)果園風送式噴霧裝備研究進展

經(jīng)過多年技術(shù)研發(fā)，我國市面上風送噴霧裝備機型多樣，功能特點各異。按照噴霧機氣流輸出方式，風送式噴霧機可分為圓盤式風送噴霧機、塔式風送噴霧機、隧道式風送噴霧機和多風管噴霧機等。

1.1 圓盤式風送噴霧機

圓盤式風送噴霧機的噴頭呈圓環(huán)狀布置在風機出風口處，工作時霧滴呈放射狀分散于靶標，該噴霧機型一般適用于普通噴霧作業(yè)的傳統(tǒng)果園。風送式噴霧機是應用較早的植保噴霧機型，因此又稱為傳統(tǒng)風送式噴霧機。

圓盤式風送噴霧機的風機為軸流式，在導流板的導向下，將高速氣流在吹至噴霧機各出風口，實現(xiàn)氣流流動。有研究表明導流結(jié)構(gòu)對氣流流動及空間分布規(guī)律影響差異較大，因此導流板及其安裝角度對氣流分布有重要影響。

針對上述問題，呂曉蘭等［5］通過設置導流板角度，對空間氣流場分布特性進行研究，探究導流板對氣流場分布的影響規(guī)律，得出當導流板角度調(diào)整到最佳位置時，風場分布與果樹冠形吻合度較高。周良富等［6］設計的組合圓盤式果園風送噴霧機，具有一定的仿形功能，噴霧位置可根據(jù)果樹冠層分布來實現(xiàn)調(diào)節(jié)，霧滴有效沉積到果樹冠層內(nèi)部；邱威等［7］針對低矮密植果園，設計了一種圓環(huán)雙流道風送霧化裝置，有效提高了霧滴在樹堂內(nèi)部葉面正反面的附著率。

在實際作業(yè)過程中，與背負式電動噴霧機相比，圓盤式果園風送噴霧機有效提高了作業(yè)效率及霧滴在靶標上的覆蓋密度和均勻度，但霧滴飄移現(xiàn)象仍較嚴重。

1.2 塔式風送噴霧機

塔式風送噴霧機是在傳統(tǒng)圓盤式風送噴霧機的基礎上增加導風裝置，改變氣流的流向，噴頭在風機兩側(cè)直列排布，外形類似塔狀。與傳統(tǒng)風送噴霧機相比，塔式風送噴霧機可以有效降低噴霧高度，減少霧滴流失及漂移。

塔式風送噴霧機在作業(yè)時，為實現(xiàn)噴霧高度隨果樹高度變化的需求，徐莎等［8］設計了一種角度可調(diào)的牽引式塔式果園風送噴霧機，改進后的噴霧機噴霧效果良好，可以滿足噴霧高度可調(diào)的作業(yè)要求，噴霧效果得到有效提高。翟長遠等［9］針對此機型風向角度不能精準控制的問題，對風箱固定方式、傳動方案等結(jié)構(gòu)進行改進優(yōu)化，并建立霧滴沉積分布高度、噴霧寬度和風箱角度之間的數(shù)學模型，試驗結(jié)果顯示改進后的噴霧高度實現(xiàn)了精確調(diào)節(jié)，有效提高了噴霧效果。

目前果園風送式噴霧機仿形噴霧適應性較差，樹堂內(nèi)霧滴覆蓋率低，且分布不均。宋雷潔等［10］針對此問題，對塔式風送式噴霧機的導流結(jié)構(gòu)、風機風速等因素進行優(yōu)化，通過試驗驗證，風機吹出的高速氣流在導向板的作用下，可均勻地導向至各出風口，有效提高了不同高度果樹冠層的著藥覆蓋效率。

1.3 多導管式風送噴霧機

多導管式噴霧機是通過離心風機產(chǎn)生的氣流，經(jīng)安裝有一個或一組噴頭的各個導管導向吹出，柔性導管的位置可根據(jù)冠層高度、形狀、密度等進行調(diào)整，達到定向仿形噴霧的目的。

為提高多導管式風送噴霧機的仿形施藥作業(yè)效果，邱威等［11］針對不規(guī)則冠層霧滴沉積不均的情況，通過調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速和導流板安裝位置，設計了一種多通道氣流仿形施藥方法，施藥角度可調(diào)，達到仿形施藥效果。為探究果園多通道風送噴霧機的氣流分布規(guī)律，李昕昊等［12］對風機內(nèi)部氣流場進行模擬，并對風機主體部分的氣流場分布特性進行分析，并得出多通道風送噴霧機最佳送作業(yè)參數(shù)。

上述對果樹冠層仿形施藥的控制多基于風速調(diào)整或?qū)Ч芙孛娣e風量調(diào)節(jié)，姜紅花等［13］基于單風機多風管噴霧機，提出一種基于果樹冠層特征實時調(diào)整風量的噴霧技術(shù)，試驗結(jié)果表明較自動對靶風送噴霧，該技術(shù)的霧滴在冠層的沉積量提高了17.3%；相比于普通風送噴霧，飄移量降低了69.9%，相比于自動對靶變量噴霧，飄移量降低了50.9%。

多導管式噴霧機能基于冠層分布特性實現(xiàn)仿形噴霧，但該機型一般體積較大，不適用于低矮密植型果園。

1.4 隧道式風送噴霧機

針對籬架式果園植保作業(yè)過程中施藥工作效率低、農(nóng)藥流失和霧滴飄失嚴重的現(xiàn)象［14］，國內(nèi)外研究學者開始研發(fā)藥液可回收利用的隧道式噴霧機，隧道式循環(huán)噴霧機設有隧道型的罩蓋，噴霧作業(yè)過程將冠層置于近似的封閉環(huán)境內(nèi)，此作業(yè)方式可有效減少霧滴飄失節(jié)約農(nóng)藥資源，減輕環(huán)境污染。

目前隧道式循環(huán)噴霧機主要適用于果樹冠層高度較低的矮化果園，如籬架式葡萄園等［15］，朱松等［16］設計了一種隧道式霧滴回收施藥車，該裝置通過將作物置于一個半封閉空間，在風送氣流的帶動下使霧滴撞擊作物冠層表面，從而提高霧滴沉積比例。氣流邊緣的霧滴隨機撞擊到封閉擋板后積累并回收再利用，使得風送噴霧機農(nóng)藥使用率低大大提高，克服了農(nóng)藥流失及飄失的缺點。宋堅利等［17］設計了針對籬壁式種植葡萄的“Π”型循環(huán)噴霧機，并對循環(huán)噴霧機的霧滴回收率與農(nóng)藥在冠層中沉積分布進行測試分析，得出不同噴霧方式下的最佳藥液回收率及藥液沉積量。

1.5 不同風送噴霧裝備對比分析

針對上述不同風送噴霧裝備介紹，對我國幾種相關(guān)產(chǎn)品及技術(shù)參數(shù)分別介紹，如表1所示?？梢钥闯瞿壳皣鴥?nèi)風送式噴霧裝備仍以中小型為主，多適用于行距株距基本一致的標準化果園。

2 施藥技術(shù)在風送式噴霧裝備上的應用研究進展

2.1 靜電噴霧技術(shù)

國內(nèi)外對靜電噴霧技術(shù)研究起步較晚，我國從70年代末開始了靜電噴霧技術(shù)的研究，其原理是在電場力的作用下，帶電霧滴命中率及沉降速度可得到明顯提高，從而降低霧滴漂移，減少農(nóng)藥對環(huán)境的污染，實現(xiàn)節(jié)約資源及病蟲害防治的效果。目前靜電噴霧技術(shù)已成為國內(nèi)外學者研究的熱點［18］。

研究表明靜電噴霧技術(shù)在果園風送式噴霧機上的應用，可減少農(nóng)藥損失30%以上。何雄奎等［2］結(jié)合靜電噴霧及紅外傳感探測技術(shù)，對傳統(tǒng)風送式噴霧機改進，研發(fā)了針對果園的自動對靶靜電噴霧機，試驗表明該噴霧機可節(jié)省藥液50%～75%以上。周良富等［19］針對帶電霧滴荷電量快速衰退的問題，設計出雙氣流輔助系統(tǒng)與靜電噴霧系統(tǒng)相結(jié)合的果園噴霧機，試驗結(jié)果表明，霧滴覆蓋密度比非靜電噴霧分別提高了20%和7.2%，農(nóng)藥霧滴難以沉積到葉片背面的問題得到改善。為闡明感應電壓、風機頻率、噴霧距離和噴霧壓力對霧滴覆蓋率的影響，周良富等［20］對各影響因子建立二次回歸模型，得出對葉面正反面覆蓋率的影響顯著性順序，為合理匹配風送式靜電噴霧工作參數(shù)，提高霧滴覆蓋率提高了理論指導。

盡管利用靜電噴霧技術(shù)對提高霧滴附著率有顯著影響，但此技術(shù)仍存在電量消耗大、易漏電、工作性能不穩(wěn)定等問題，且風送靜電噴霧受環(huán)境（溫濕度）、冠層特征和果樹修剪方式等影響較大，因此目前我國風送式靜電噴霧技術(shù)仍處于研發(fā)階段。

2.2 循環(huán)噴霧技術(shù)

循環(huán)噴霧技術(shù)始于20世紀70年代，針對果園施藥過程中農(nóng)藥流失、飄失嚴重的現(xiàn)狀，研究學者就果園中流失農(nóng)藥開展了回收利用的研究［1416］。其工作原理是利用封閉裝置實現(xiàn)藥液回收、攔截并收集未附著的藥液，將其回收再利用［21］。為確定循環(huán)噴霧機的防漂性能，張京等［22］以傳統(tǒng)果園風送噴霧機為對照，對宋堅利設計的“Π”型循環(huán)噴霧機的防飄性能進行試驗驗證，結(jié)果表明，在空中飄失和地面飄失的藥液中，“Π”型循環(huán)噴霧機比傳統(tǒng)果園風送噴霧機分別減少了97.9%和99.3%。牛萌萌等［21］設計的高地隙隧道式循環(huán)噴霧機，增加控制系統(tǒng)，可對對噴霧量和藥液回收流量實時檢測，并在操作屏上實現(xiàn)控制和操作。試驗表明該循環(huán)噴霧機可提高冠層正反面霧滴沉積量，并具有良好的回收循環(huán)效果。

我國對循環(huán)噴霧技術(shù)研究起步較晚，以上研究均基于噴桿式噴霧機，適用于低矮籬笆式各類果蔬園的施藥作業(yè)，針對果園的風送式循環(huán)噴霧相關(guān)研究較少。邱威等［23］設計的環(huán)流式循環(huán)風送噴霧機，改變傳統(tǒng)風機放置方式，將風機頂置，通過改變氣流運動方向，實現(xiàn)霧滴由外及內(nèi)、由下而上的運動，從而實現(xiàn)霧滴在果樹冠層內(nèi)的環(huán)流。試驗結(jié)果表明霧滴沉積量得到有效提高，改善了傳統(tǒng)噴霧機氣流經(jīng)過冠層時霧滴穿透難、葉片正反面沉積分布不均等問題。

以上研究均表明循環(huán)噴霧技術(shù)可有效提高霧滴沉積，降低漂移，由于此技術(shù)僅適用于低矮的標準化果園［24］，目前尚未普及，但在節(jié)能增效方面未來仍有很大發(fā)展前景。

2.3 精準施藥技術(shù)

傳統(tǒng)果園風送噴霧機連續(xù)噴霧作業(yè)時，農(nóng)藥過度使用及無效附著問題嚴重，因此實現(xiàn)果樹的精準對靶變量施藥技術(shù)是解決這一問題的有效途徑，研究表明精準施藥技術(shù)至少可節(jié)省農(nóng)藥50%以上［25］，因此果園精準變量噴霧成為廣大科研學者的研究熱點。

果園精準施藥的有效輔助手段是傳感器探測技術(shù)，如基于紅外傳感器、超聲波傳感器、激光雷達傳感器、立體視覺等方法的探測技術(shù)已得到廣泛應用。何雄奎［26］應用紅外傳感器探測噴霧靶標，實現(xiàn)了果樹的自動對靶噴霧功能；翟長遠等［27］基于超聲波傳感器對果樹外形輪廓進行探測，結(jié)果表明該方法探測精度較高。李秋潔等［28］基于激光雷達，對樹冠距離進行分析計算，試驗結(jié)果表明基于激光雷達的探測方法性能穩(wěn)定，在樹冠連續(xù)和不連續(xù)情況下均能實現(xiàn)樹冠體積在線測量。李龍龍等［29］以激光傳感器為探測源，基于冠層特點建立冠層分割模型，設計了一種可根據(jù)探測信息實現(xiàn)風量、噴霧量可調(diào)的果園自動仿形噴霧機，噴霧試驗表明該噴霧機可以滿足果園病蟲害防治要求。

2.4 變量施藥技術(shù)

變量施藥是在已有的噴霧機基礎上融合傳感器探測技術(shù)及變量噴霧技術(shù)，目前國內(nèi)科研人員已對變量施藥技術(shù)開展了大量研究。束義平［30］設計了一種基于激光傳感器的多通道變量噴霧機，開發(fā)的對靶噴霧控制系統(tǒng)利用激光傳感器實現(xiàn)離散化植株體積的精度計算并驗證，最后根據(jù)果樹冠層實時體積實現(xiàn)噴霧調(diào)控方法。試驗結(jié)果表明，該變量噴霧控制方法可精確地檢測樹干距離，冠層體積的計算相對誤差小于10%。董祥等［31］結(jié)合超聲波靶標探測、多柔性出風管風送與風送噴霧技術(shù)等核心施藥技術(shù)，設計了3WPZ-4型風送式葡萄噴霧機，該噴霧機使用超聲波傳感器對地面位置、冠層高度、噴桿高度等信息采集并輸出到PLC控制系統(tǒng)，對噴霧流量、壓力、機架行走速度等參數(shù)采集處理，并通過各施藥執(zhí)行機構(gòu)控制變量噴霧。試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)精準對靶系統(tǒng)精度高，噴霧量平均誤差2.90%，霧滴流失率為13.40%，飄移率為20.84%。

為實現(xiàn)對不同高度位置噴頭藥量進行獨立調(diào)控，孫文峰等［32］基于變量施藥技術(shù)，設計的變量施藥控制系統(tǒng)，采用多傳感器對車速、流量、壓力等信息實時監(jiān)測，并將采集到的信息運用神經(jīng)網(wǎng)絡自學習能力修正PID參數(shù)，實現(xiàn)精準調(diào)控藥液回流量。試驗結(jié)果表明該控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實際施藥量與理論值相差1.3%，實現(xiàn)了變量施藥的目的。

目前精準變量施藥的相關(guān)試驗研究均基于理想環(huán)境，由于田間作業(yè)復雜，果樹冠層參差不齊，交互重疊，精準施藥技術(shù)仍處于理論研究階段，目標探測可靠性、穩(wěn)定性等還有所欠缺，因此實現(xiàn)噴霧實時精準調(diào)節(jié)仍是科研人員攻克的難題。

2.5 不同施藥技術(shù)對比分析

不同先進施藥技術(shù)對比分析情況如表2所示。在風送噴霧裝備基礎上融合先進施藥技術(shù)，有效提高了霧滴穿透性及命中率，尤其在霧滴精準對靶仿形變量施藥方面取得突破性進展。智能化、精準化仍是我國風送噴霧裝備未來發(fā)展方向，但各先進施藥技術(shù)的工作性能穩(wěn)定性、適應性仍有待加強。

3 CFD仿真模擬技術(shù)應用

采用CFD仿真模擬技術(shù)建立風場、霧滴運動模型，可不受外部環(huán)境（冠層特性、溫度、濕度、風速等）的影響，可以有效節(jié)約試驗成本及時間［33］。CFD仿真模擬技術(shù)，主要通過改變作業(yè)參數(shù)，模擬噴霧機在不同環(huán)境中的氣流場及霧滴沉積分布，觀察不同工況下風場及霧滴運動的運動規(guī)律及趨勢，以調(diào)整作業(yè)參數(shù)適應不同作業(yè)環(huán)境，為進一步優(yōu)化風送式噴霧機提供理論支撐與數(shù)據(jù)參考，達到最佳噴霧效果。目前國內(nèi)外學者已基于CFD的流體仿真軟件對風送式噴霧的風場及霧滴分布特性展開了大量研究。

3.1 風場試驗模擬

近年來，研究學者進行了大量的風場建模方法研究，主要基于模型初始條件、模型選擇、計算域三方面研究。翟長遠等［34］以果園常用的塔式風送噴霧機為研究對象，基于CFD仿真模擬技術(shù)，通過設置邊界條件及作業(yè)參數(shù)，建立了噴霧機氣流場空間分布模型。陳發(fā)元等［35］利用CFD模擬技術(shù)對仿形風送噴霧機的氣流場進行三維模擬研究，并進行了驗證試驗，結(jié)果表明不同出風口位置的速度是影響風場分布的首要因素，且不同出風口的風場會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。噴頭是風送噴霧機中關(guān)鍵部件，在風機動力轉(zhuǎn)換、改變風場分布、提高霧滴穿透性等方面均發(fā)揮重要作用，基于此，楊風波等［36］針對新型氣助式噴頭建立了氣流場CFD模型。呂曉蘭等［5］為探究果園風送式噴霧機的上下導流板角度對三維風場分布的影響，利用CFD模擬建立三維風場模型。丁天航等［37］針對單風道果園噴霧機兩側(cè)氣流場不對稱、施藥不均勻的情況，設計了雙風道果園風送試驗臺，并利用CFD仿真模擬建立了單雙風道的氣流場模型。

以上研究對風送式噴霧機的設計及優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)參考，但在風場建模試驗中沒有考慮果樹冠層對風場的影響，對此，國內(nèi)外部分研究學者開展了基于冠層的風送噴霧機氣流場和霧滴分布模型［38］，為簡化計算過程，研究學者以多孔介質(zhì)代替果樹冠層。國外對果園風送式噴霧機多孔介質(zhì)數(shù)值模擬方面研究較多，國內(nèi)相關(guān)研究報導較少。張豪等［39］利用多孔介質(zhì)模型代替果樹冠層，構(gòu)建虛擬果園模型，建立了果樹在不同生長階段、不同風速等噴霧作業(yè)參數(shù)下氣流場分布模型，如圖1所示，并研究其氣流場分布規(guī)律，為果樹施藥的對靶噴霧自適應控制技術(shù)提供了參考。

3.2 霧滴沉積分布試驗模擬

霧滴在作物冠層內(nèi)的有效沉積是決定施藥質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，近年來許多學者基于CFD仿真模擬技術(shù)對霧滴沉積分布特性進行了大量研究。祁力鈞等［40］基于果園風送式噴霧機建立了霧滴分布模型，研究霧滴沉積分布規(guī)律特性，仿真結(jié)果表明基于CFD的霧滴沉積分布趨勢及沉積量與霧場分布試驗吻合度高。李杰等［41］為研究噴頭距離及送風角度對霧滴沉積的影響，建立霧滴沉積分布模型，結(jié)果表明送風角度對霧滴飄失影響隨著噴頭距離的增大而逐漸增大。孫國祥等［42］探究了不同施藥高度和風速對霧滴沉積分布的影響，結(jié)果顯示霧滴的沉積量與噴霧高度和風速呈負相關(guān)。王梅香等［43］基于離散相模型對氣流速度與噴施角度對霧滴沉積分布的影響進一步驗證，結(jié)果表明設置合理的噴施角度可有效減少風速對霧滴漂移的影響。王景旭等［44］研究了靶標對霧滴運動及噴霧角度的影響關(guān)系，如圖2所示，模擬結(jié)果表明氣流速度與霧滴粒徑是霧滴附著靶標的關(guān)鍵因素，噴霧速度越高，農(nóng)藥霧滴的沉積率越低。

CFD仿真模擬技術(shù)作為風場及霧滴分析的輔助手段，已被科研人員廣泛應用。但目前大多集中于噴霧機靜止時的簡單風場與霧滴在簡單冠層環(huán)境內(nèi)的研究，瞬態(tài)條件下由于噴霧機移動導致的出風口位移出現(xiàn)引起較大的風場變化，霧滴在氣流場帶動下在果樹冠層的繞流與穿透等問題，使得風場及霧滴分布建模方法有待完善。

4 存在問題與不足

風送式噴霧機通過風機產(chǎn)生強大的氣流，利用導向裝置將霧滴輸送至果樹冠層，具有噴霧質(zhì)量好、勞動強度低等優(yōu)點，在科研人員的不斷努力下，我國的風送噴霧裝備及技術(shù)均取得了長足進步，但仍存在一些問題。

1）? 農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合較差。我國地形復雜，且種植模式多樣，尚沒有制定相關(guān)的果樹種植標準，很難實現(xiàn)果園風送噴霧機通用性。如部分果農(nóng)通過增加種植密度、減少株距、行距的形式盲目追求果實產(chǎn)量，但此種植模式不適宜大面積推廣及機械化的應用。另外受丘陵山區(qū)地形及地塊面積的影響，農(nóng)機適應性差。

2）? 機型老舊。據(jù)統(tǒng)計，2022年我國果園種植面積達12 266khm2，主要集中于廣西、陜西等丘陵地帶。為控制投入成本，小型、舊式風送噴霧裝備仍受部分果農(nóng)青睞。且其作業(yè)方式單一，大部分為連續(xù)噴霧作業(yè)方式，藥液利用率極低，并且危害操作人員的健康。部分果園使用了比較先進的風送式噴霧機，但由于絕大多數(shù)人員沒有考慮因噴霧機風場存在的漂移問題，仍存在藥液浪費現(xiàn)象。

3）? 先進施藥技術(shù)尚不成熟。風送式噴霧機是目前噴霧裝備的主流，但由于靜電噴霧技術(shù)、循環(huán)噴霧技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)等應用到風送式噴霧機的技術(shù)研究尚不成熟，施藥技術(shù)與果樹冠層的交互耦合機理尚不明晰，提高風送噴霧均勻度，減少霧滴飄失、藥液流失等仍是研究的關(guān)鍵。

4）? 基于CFD仿真模擬的建模技術(shù)不夠成熟，離實用化和產(chǎn)品化仍有較大的差距，對風送噴霧霧流在果樹冠層的繞流與穿透研究的CFD模型研究較少，還需要深入探究、完善成熟的建模方法。

5 展望

我國作為水果生產(chǎn)大國，果園種植面積達12266khm2，果園植保機械應用前景廣泛。果園風送式噴霧機作為果園植保機械主流，傳統(tǒng)的果園噴霧裝備已滿足不了林果業(yè)發(fā)展的需要，針對現(xiàn)階段果園風送式噴霧機研發(fā)基礎及現(xiàn)狀，提出未來果園風送式噴霧機研發(fā)重點及發(fā)展建議。

1）? 農(nóng)機農(nóng)藝有機結(jié)合，深化推進標準化果園建設。我國尚處于標準化建園的起步階段，平原地區(qū)鼓勵土地承包制，將小地塊果園實形集中化、標準化管理，果樹種植模式實現(xiàn)統(tǒng)一化、宜機化管理；丘陵山地，進行宜機化改造，深化推進標準化建園模式，為實現(xiàn)機具通用性、提高適應性提供作業(yè)條件。

2）? 通過建設標準化示范園區(qū)，示范推廣可靠性強、噴霧作業(yè)效果好的噴霧機型。同時完善農(nóng)機具報廢制度，通過增加農(nóng)機具報廢補貼及擴大農(nóng)機具報廢補貼范圍的方式鼓勵農(nóng)戶及合作社及時對新機型更新?lián)Q代，以提高農(nóng)機具作業(yè)效果。

3）? 先進的施藥技術(shù)與植保機械有機高效融合，在現(xiàn)有施藥裝備研發(fā)基礎上，重視理論研究，重點解決以靜電噴霧技術(shù)、循環(huán)噴霧技術(shù)、在線混藥技術(shù)等的痛點難點問題，基于果樹冠層密度分布特征，提高靶標精準變量仿形施藥精度，實現(xiàn)農(nóng)藥的低噴量、精噴灑、少污染、高工效，實現(xiàn)新技術(shù)、新機型推廣示范。

4）? 不斷完善CFD仿真計算模型，提高基于CFD仿真模擬技術(shù)對復雜作業(yè)環(huán)境的通用性及適用性。

隨著經(jīng)濟發(fā)展和科技進步，人們對生態(tài)環(huán)境安全和健康環(huán)保理念更加重視，風送噴霧裝備將逐步向大型化、智能化、精準化、節(jié)約化、高效化方向發(fā)展，施藥技術(shù)更加完善，為解放勞動力、實現(xiàn)無人農(nóng)場提供基礎。

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