基于CFD的大豆玉米帶狀復(fù)合種植噴桿噴霧機(jī)防飄移裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘 要：為了解決大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式下，噴桿噴霧機(jī)苗期除草作業(yè)藥液產(chǎn)生串行飄移導(dǎo)致大豆、玉米作物產(chǎn)生藥害的問題，利用流體動力學(xué)仿真技術(shù)（Fluent CFD）確定了防飄移裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與參數(shù)，裝置上端外圓圓弧罩蓋圓弧半徑300 mm、隔離裝置下端圓弧擋板長度700 mm、高度500 mm，隔離裝置整體長700 mm、寬2 700 mm、高800 mm，能夠同時作業(yè)于一個大豆單元+兩側(cè)一行玉米條帶，在理想環(huán)境與模型簡化的仿真計(jì)算中，測得其霧滴飄移率在0.15%。經(jīng)田間試驗(yàn)后得出在5～8 km·h-1車速作業(yè)下大豆、玉米帶間的霧滴飄移率最高為0.859%，均在藥害產(chǎn)生的臨界值以下，能夠滿足大豆玉米帶狀復(fù)合種植苗期化學(xué)除草作業(yè)要求。研究結(jié)果解決了藥液飄移的難題，有利于大豆玉米帶狀復(fù)合種植產(chǎn)業(yè)全程機(jī)械化的推進(jìn)，對大豆玉米帶狀復(fù)合種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：大豆玉米帶狀復(fù)合種植; Fluent CFD; 植物保護(hù); 霧滴防飄移

中圖分類號：S491"""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""""" 文章編號：1002-204X（2024）08-0006-07

doi：10.3969/j.issn.1002-204x.2024.08.003

Design and Test of CFD-Based Anti-Drift Device of Boom Sprayer for Soybean and Corn Strip Compound Planting

Ye Jinwen， Cai Chen， Zhou Qingqing， Xue Xinyu， Chang Chun， Jin Yongkui*

（Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Afairs，

Nanjing， Jiangsu 210014）

Abstract In order to solve the problem of pesticide damage to soybean and corn crops caused by serial drift of herbicide solution produced by boom sprayer in seedling weeding operation under soybean and corn strip compound planting mode， using fluid dynamics simulation technology （Fluent CFD） to determine the key structure and parameters of the anti-drift device， i.e.， the arc radius of the outer arc cover at the upper end of the anti-drift device is 300 mm， the length and" height of the arc baffle at the lower end of the isolation device are 700 mm and 500 mm respectively， the overall size of the isolation device is 700 mm long， 2 700 mm wide， and 800 mm high， and is able to operate simultaneously in a soybean unit + one row of corn strips on both sides， and its droplet drift rate was measured at 0.15% in the simulation calculation of ideal environment and model simplification. After the field test， it was concluded that the maximum droplet drift rate of 0.859% between soybean and corn strips under the operation speed of 5～8 km·h-1 was below the critical value of drug damage， which could meet the requirements of seedling chemical weed control operation of soybean and corn strip compound planting. The results of the study solved the problem of liquid drift， which is conducive to the promotion of the whole mechanization of the soybean and corn strip compound planting industry， and is of great significance to the development of the soybean and corn strip compound planting industry.

Key words Soybean and corn strip compound planting; Fluent CFD; Plant protection; Droplet anti-drift

大豆、玉米是我國重要的油料與糧食作物[1]，為滿足國家發(fā)展與糧食安全生產(chǎn)需求，提出了大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是在過去傳統(tǒng)的間作與套作的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)展而來[2]，通過采用高稈的玉米作物與矮稈的大豆作物，結(jié)合兩種作物利用二氧化碳的不同方式進(jìn)行搭配種植，能夠抵抗自然風(fēng)險。如圖1所示為“4+2”復(fù)合種植模式，將兩行小株距密植玉米帶與4行大豆帶間作套種[3]，利用了玉米的行間距離擴(kuò)大了大豆種植空間[4-5]，實(shí)現(xiàn)兩種作物共同生長一季雙收、年際間交替輪作的種植模式，提高了大豆、玉米的產(chǎn)量，有效解決了兩種作物同季種植爭地的問題[6]。

大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)已在我國20個?。▍^(qū)、市）推廣應(yīng)用，累計(jì)推廣600余萬hm2，促進(jìn)大豆產(chǎn)量增加效果顯著。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)機(jī)械化管理司等部門大力推進(jìn)大豆玉米帶狀復(fù)合種植全程機(jī)械化[7-8]，但其對應(yīng)的植保機(jī)械研發(fā)處于起步階段，相關(guān)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善。在大豆玉米帶狀復(fù)合種植中由于玉米（單子葉作物）、大豆（雙子葉作物）兩種作物屬性不同[9-10]，因此在除草植保作業(yè)時所采用的除草藥劑也不相同。由于兩種作物帶間距離很近，在藥劑噴施時受到不同因素的影響會導(dǎo)致噴施的藥液飄移，對作物產(chǎn)生藥害。這種復(fù)合模式下的苗期除草植保作業(yè)不能像大田植保那樣進(jìn)行全覆蓋作業(yè)，對藥液飄移的控制有著很高的要求，這也是大豆玉米帶狀復(fù)合種植當(dāng)下苗期除草植保作業(yè)中所面臨的難題，制約了全程機(jī)械化的推進(jìn)[11]。隨著大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)的大力推廣，關(guān)鍵技術(shù)與部件還有著很大的研究空間[7]，需要加快對于此種植模式的植保機(jī)械相關(guān)技術(shù)方案的研究和技術(shù)的突破。

多年來，國內(nèi)外學(xué)者針對霧滴飄移防控方面的問題，開展了大量的研究與實(shí)驗(yàn)[12-22]，但針對大豆玉米帶狀復(fù)合種植施藥霧滴飄移防控的研究幾乎還處于空白階段，尤其兩種作物相鄰距離僅60～70 cm，對霧滴沉積效果要求很高，現(xiàn)有的復(fù)合種植噴桿噴霧機(jī)的防飄移隔離裝置都是通過簡單的改裝而成，防飄移效果不佳。為改善大豆玉米帶狀復(fù)合種植苗期除草霧滴串行飄移、提升靶標(biāo)作業(yè)霧滴沉積效果和覆蓋率，減少農(nóng)藥交叉對作物產(chǎn)生藥害，本文采用Fluent軟件，對不同結(jié)構(gòu)的防飄裝置流場進(jìn)行分析，以非靶標(biāo)區(qū)域的霧滴飄移率為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種適用于大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式下噴桿噴霧機(jī)的防飄移裝置，旨在為大豆玉米帶狀復(fù)合種植全程機(jī)械化的發(fā)展提供支撐。

1 防飄裝置整體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的防飄裝置由上端導(dǎo)流罩蓋、側(cè)面導(dǎo)流擋板、固定支架組成。根據(jù)大豆玉米帶狀復(fù)合種植農(nóng)藝、植株行距以及田間實(shí)際工作情況，本裝置能夠同時作業(yè)一個大豆單元和兩側(cè)各一行玉米條帶，如圖2所示。

2 隔離裝置導(dǎo)流結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

采用CREO對不同的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，根據(jù)實(shí)際工況做出的合理性模型條件參數(shù)假設(shè)進(jìn)行仿真，隔離裝置氣流模擬的研究采用Fluent CFD標(biāo)準(zhǔn)湍流模型[23-24]。根據(jù)上端導(dǎo)流結(jié)構(gòu)與側(cè)面擋板結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行流場仿真分析。上端導(dǎo)流罩蓋采用對稱內(nèi)圓弧、外圓弧、直角、三角四種結(jié)構(gòu)，如圖3所示;側(cè)面導(dǎo)流擋板不同結(jié)構(gòu)如圖4所示。

流場在初始化后進(jìn)行迭代計(jì)算收斂，設(shè)置總的仿真時步500，單步長為0.25 s。仿真結(jié)束后通過數(shù)據(jù)文件獲取整個模型環(huán)境中三維坐標(biāo)風(fēng)速信息。通過對內(nèi)圓弧、外圓弧、直角、三角四種結(jié)構(gòu)導(dǎo)流罩蓋進(jìn)行仿真，研究不同結(jié)構(gòu)對裝置內(nèi)外部氣流導(dǎo)流的效果與氣流軌跡。通過結(jié)果對比，外圓圓弧導(dǎo)流裝置效果是以上結(jié)構(gòu)中效果最佳的，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場穩(wěn)定，通過圓弧導(dǎo)流在上端形成高速氣流，通過后端圓弧罩蓋后氣流向下流動;從結(jié)構(gòu)進(jìn)口一直到出口，下端跡線顯示風(fēng)向呈下壓狀態(tài)，風(fēng)速明顯低于其他三種結(jié)構(gòu)，出口處與外部跡線結(jié)合也呈下壓趨勢，有助于噴霧霧滴向下運(yùn)動;其圓弧狀的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)更有助于下壓霧滴沉積，減少飄移。

對不同結(jié)構(gòu)側(cè)面擋板進(jìn)行仿真，通過改變裝置0°～90°角度，在5 m·s-1的風(fēng)速計(jì)算不同隔離擋板在側(cè)風(fēng)工況下的表現(xiàn)性能，仿真結(jié)果如圖5所示。仿真結(jié)果表明：外圓圓弧側(cè)面擋板結(jié)構(gòu)內(nèi)部風(fēng)速穩(wěn)定，經(jīng)過圓弧擋板導(dǎo)流后，相對于其他幾種結(jié)構(gòu)能有效改善側(cè)面風(fēng)場環(huán)境，有足夠的旁向低流速安全距離，能夠減小旁向飄移效果，故采用外圓圓弧結(jié)構(gòu)為側(cè)面擋板導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。

確定上端導(dǎo)流結(jié)構(gòu)與側(cè)面擋板結(jié)構(gòu)后，分別在1、3、5 m·s-1的風(fēng)速下對側(cè)面隔離擋板長度400、500、600、700、800 mm，頂部導(dǎo)流罩蓋圓弧半徑尺寸100、200、300、400 mm進(jìn)行仿真，確定最佳尺寸參數(shù)為導(dǎo)流罩蓋圓弧半徑300 mm、側(cè)面擋板長度700 mm，在這一尺寸下整體防飄效果最優(yōu)。

防飄裝置在不同角度側(cè)向風(fēng)下的流場效果，分別從0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明外圓圓弧側(cè)面擋板能有效控制側(cè)面風(fēng)對流場的影響，能夠留足安全區(qū)域供噴霧沉積，保證大豆玉米帶間形成安全流場區(qū)域。

3 霧滴飄移測定仿真試驗(yàn)

確定的隔離裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)與噴頭布置在收斂的連續(xù)相流場中加入離散相，選擇相應(yīng)的模型：Dpm注入標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭（Flat Fan Atomizer），如圖6所示;創(chuàng)建射流源，定義射流源的屬性進(jìn)行Dpm注入，如圖7所示。

液體通過高壓從特定角度的噴口噴出，噴頭模型的流量系數(shù)可通過公式1獲得。

QE=V·F-1/2""""""""""""""""""""" （式1）

式中，F(xiàn)為噴頭的壓力差，V為出口速度。根據(jù)液膜的正弦波增長模型，標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭模型假定鎖定帶以半波長間隔形成，噴頭所產(chǎn)生的霧滴粒徑由式2獲得。標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭模型確定dL為Rosin-Ramler分布的最可能粒徑，分布指數(shù)為3.5。

dL=""""""""""""""""""" （式2）

液滴在二次霧化過程中，軌跡是基于牛頓阻力定律[25]。在笛卡爾坐標(biāo)系下霧滴的力平衡方程為式3：

=FD（u-up）++Fx""""" （式3）

式中，F(xiàn)D（u-up）是離散相顆粒的單位質(zhì)量曳力。

FD可由式4表示：

FD=""""""""""""""" （ 式4）

通過氣相湍流模型、液相粒子模型二者之間的耦合離散相的計(jì)算，可以得到流場中的霧滴沉積、霧滴運(yùn)動軌跡、整體分布情況如圖7所示。

對沉積率和飄移情況進(jìn)行評估。

霧滴沉積率Dp計(jì)算如公式5所示，在設(shè)定的時間范圍內(nèi)所噴施出的霧滴液量與靶標(biāo)區(qū)域所收集的霧滴沉積量之比為霧滴的沉積率[26]，在對應(yīng)的網(wǎng)格界面區(qū)域設(shè)置霧滴的終結(jié)形式，根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求設(shè)定霧滴終結(jié)形式為反彈、捕捉等。

Dp=×100%"""""""""""""""" （式5）

式中，D為霧滴沉積量（g），Q為噴液量（g），Dp為霧滴沉積率（%）。

Dpm注入后計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示了在隔離裝置噴霧受風(fēng)速影響產(chǎn)生的霧滴軌跡的運(yùn)動變化情況，獲取到霧滴運(yùn)動軌跡受粒徑的影響，小于140 μm霧滴最容易跟隨流場軌跡進(jìn)行運(yùn)動，液滴的運(yùn)動遵循隔離裝置流場分布，在隔離裝置的低速區(qū)內(nèi)，較小直徑霧滴會在低速區(qū)中沉積在隔離擋板上或隨氣流運(yùn)動并最終順風(fēng)飄失。計(jì)算隔離裝置的防飄效果，通過霧滴沉積率Dp反映裝置的性能指標(biāo)。靶標(biāo)區(qū)域的霧滴沉積量越大，防飄裝置的防飄效果越好。分別測試玉米隔離裝置噴霧時，大豆帶間霧滴沉積率;大豆隔離裝置噴霧時，玉米帶間霧滴沉積率。通過不同角度的側(cè)風(fēng)仿真，用在旁向設(shè)定采集區(qū)內(nèi)所捕捉的飄移霧滴進(jìn)行計(jì)算，得出裝置最終的飄移結(jié)果，如表1所示，測定其霧滴飄移沉積率在藥害產(chǎn)生的臨界值1%以下。

4 隔離裝置樣機(jī)設(shè)計(jì)

通過隔離裝置仿真結(jié)果，確定隔離裝置尺寸參數(shù)：總寬度為2 700 mm，高度為850 mm，導(dǎo)流罩蓋半徑為300 mm，側(cè)面隔離擋板圓弧半徑為100 mm。設(shè)計(jì)的隔離裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示，由玉米導(dǎo)流罩蓋、大豆導(dǎo)流罩蓋、支撐框架、隔離擋板等部件組成。

完成隔離裝置加工后與由噴頭、噴桿、柱塞泵、調(diào)壓泵、藥箱組成的噴霧裝置進(jìn)行裝配，采用自走式噴桿噴霧機(jī)底盤進(jìn)行懸掛，整機(jī)裝配如圖9所示。

5 田間試驗(yàn)

驗(yàn)證隔離裝置仿真結(jié)果。

田間噴霧試驗(yàn)以大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式下的大豆、玉米植株為試驗(yàn)對象，在標(biāo)準(zhǔn)大豆玉米帶狀復(fù)合種植“4+2”種植模式田間開展試驗(yàn)。種植面積為1 hm2，苗后除草時期，大豆平均株高為200 mm，玉米平均株高為450 mm。試驗(yàn)當(dāng)天平均溫度30 ℃，相對濕度75%，風(fēng)速2 m·s-1。

防飄裝置作業(yè)幅寬為一個大豆單元（1.5 m）+雙側(cè)各一行玉米（0.49 m）;作業(yè)行駛速度為5～8 km·h-1;施藥量為200～300 L·hm-2;自走式底盤懸掛噴霧防飄裝置進(jìn)行作業(yè)，如圖10所示。

試驗(yàn)選用誘惑紅染色劑，并用噴灑溶液配制成質(zhì)量濃度約為1.0 g·L-1的誘惑紅溶液，代替農(nóng)藥;分別配制玉米藥箱和大豆藥箱的誘惑紅溶液各50 L。試驗(yàn)時采用較少的單位面積施藥量和較小的噴霧壓力，這樣更不容易產(chǎn)生霧滴飄移。

田間試驗(yàn)組次如表2所示。在8 km·h-1的車速下測試有擋簾、無擋簾防飄系統(tǒng)和對比無防飄裝置機(jī)具的飄移性能;根據(jù)5.0、6.5 km·h-1不同車速再進(jìn)一步測試無擋簾防飄系統(tǒng)的防飄性能。

分別對玉米作物帶、大豆作物帶進(jìn)行施藥。在噴施玉米作物帶時，采集玉米帶間的噴霧沉積量與旁向大豆帶間的飄移沉積量;在噴施大豆作物帶時，采集大豆帶間的噴霧沉積量與旁向玉米帶間的飄移沉積量。采用聚酯片收集藥液沉積量，試驗(yàn)時應(yīng)只打開靶標(biāo)作物的噴頭，在非靶標(biāo)作物區(qū)域相鄰靶標(biāo)作物的最外側(cè)布樣。如圖11所示。

噴灑完成后及時回收聚酯片，隨后進(jìn)行浸泡、震蕩洗脫處理，如圖12所示。分別對作物帶間沉積與旁向作物帶間飄移沉積進(jìn)行處理，洗脫結(jié)束后用可見分光光度計(jì)測定吸光度值，并根據(jù)誘惑紅標(biāo)樣的“濃度-吸光度”標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出洗脫液中誘惑紅的濃度與噴霧飄移量。

通過試驗(yàn)作業(yè)時間記錄對車速進(jìn)行測定計(jì)算，每組試驗(yàn)車速均符合大豆玉米帶狀復(fù)合種植植保作業(yè)車速，均在5～8" km·h-1的正常作業(yè)速度范圍內(nèi)，各試驗(yàn)組在試驗(yàn)區(qū)域通過車速在設(shè)定車速5%誤差范圍以內(nèi)。

根據(jù)各試驗(yàn)組作業(yè)時靶標(biāo)作物行間放置的采樣裝置示蹤劑吸光度值計(jì)算出采樣板上的濃度與沉積量，根據(jù)母液濃度與施藥量計(jì)算出靶標(biāo)作物帶間噴霧沉積量，如表3所示，均達(dá)到了目標(biāo)沉積量。在測試大豆噴霧帶時，有擋簾的隔離裝置帶間的沉積量超過了目標(biāo)沉積量的23%;在測試玉米噴霧帶時，有擋簾的隔離裝置帶間的沉積量超過了目標(biāo)沉積量的11%;無擋簾的隔離裝置玉米、大豆沉積量誤差范圍在1%～8%的范圍以內(nèi)，符合目標(biāo)沉積量的誤差范圍。

根據(jù)各試驗(yàn)組作業(yè)時靶標(biāo)作物與旁向作物帶間放置的采樣裝置的吸光度值計(jì)算出采樣板上的濃度，根據(jù)母液濃度與施藥量計(jì)算出各采樣點(diǎn)位的飄移率，如表4所示。

運(yùn)用IBM SPSS對各組試驗(yàn)飄移率進(jìn)行分析處理，各試驗(yàn)組描述統(tǒng)計(jì)量如表5所示。從表中可以看出，C2、D1、D2、D3、C1、Y1、Y2、Y3試驗(yàn)組中飄移率均小于藥害產(chǎn)生的臨界值（前期試驗(yàn)玉米臨界值為3%，大豆為1%），其中飄移率最大為0.86%，最小飄移率為0。同一防飄系統(tǒng)無擋簾試驗(yàn)組D1、D2、D3、Y1、Y2、Y3對比有擋簾試驗(yàn)組C2、C1，無明顯差異情況，無擋簾防飄系統(tǒng)能夠避免有擋簾結(jié)構(gòu)擋簾對作物刮蹭現(xiàn)象。

對D1、D2、D3、Y1、Y2、Y3分別在5.0、6.5、8.0 km·h-1車速下的飄移率進(jìn)行方差分析，如表6所示，其顯著性P=0.026lt;0.05。防飄系統(tǒng)在5～8 km·h-1作業(yè)時其防飄性能受車速的影響極小。能夠在植保規(guī)定車速5～8 km·h-1的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)要求下保證良好的飄移性能。

通過與無防飄裝置機(jī)具試驗(yàn)組CK1、CK2對比，其在噴施玉米作物時飄移率均值為1.5%，最大達(dá)到2.15%，超過了藥害臨界值1%，對作物會產(chǎn)生藥害;在噴施大豆作物時飄移率均值為3.55%，最大飄移率達(dá)到6.45%，超過了藥害臨界值3%，對作物會產(chǎn)生藥害。對比同等作業(yè)車速8 km·h-1作業(yè)條件下Y3與D3的最大飄移率0.86%，玉米作物帶防飄性能提升了102%，大豆作物帶防飄性能提升了100.6%。

6 結(jié)論

（1）針對大豆帶狀復(fù)合種植苗期除草藥液不能交叉使用，藥液飄移易產(chǎn)生藥害的問題，通過采用流體動力學(xué)（CFD）的流場仿真技術(shù)與相關(guān)數(shù)學(xué)模型，開展防飄裝置的試驗(yàn)仿真，確定防飄裝置上端導(dǎo)流罩蓋圓弧結(jié)構(gòu)半徑為300 mm，外圓圓弧側(cè)面擋板長度為700 mm的結(jié)構(gòu)下整體防飄效果最優(yōu)，流場穩(wěn)定能夠減少霧滴旁向非靶標(biāo)區(qū)域的飄移，在噴霧仿真中測定其霧滴飄移沉積率在藥害產(chǎn)生的臨界值以下。

（2）通過對防飄系統(tǒng)的田間試驗(yàn)，驗(yàn)證防飄系統(tǒng)在田間作業(yè)的防飄性能。防飄裝置作業(yè)幅寬2.7 m，能夠同時作業(yè)一個大豆單元和兩行玉米作物帶，在5～8 km·h-1的作業(yè)速度下，噴霧靶標(biāo)區(qū)域的霧滴沉積量達(dá)到了目標(biāo)沉積量，防飄系統(tǒng)霧滴跨帶飄移率在1%以下，低于作物產(chǎn)生藥害的臨界值，目標(biāo)沉積區(qū)域的沉積量誤差在5%以下。能夠滿足田間作業(yè)的要求。通過對比無防飄結(jié)構(gòu)的植保機(jī)具，本防飄系統(tǒng)在玉米作物帶的防飄性能提升了102%，大豆作物帶的防飄性能提升了100.6%，驗(yàn)證了本防飄系統(tǒng)的防飄性能與可靠性。

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