近日，机械与电子工程学院刘雪美教授团队在《Computers and Electronics in Agriculture》在线发表了题为“Two-stage CFD Simulation of Droplet Deposition on Deformed Leaves of Cotton Canopy in Air-assisted Spraying” 的研究论文。崔慧媛博士为该论文的第一作者，刘雪美教授为该论文的通讯作者。
在农药喷洒过程中，由于自然风等因素，雾滴随空气从喷嘴流向目标作物，容易漂移到非目标区，造成环境污染和农药利用率低。雾滴在作物中的沉积受到喷雾参数(喷嘴类型、喷雾流量、喷雾角度、雾滴大小等)、风场(风速和风向)和气象因子(温度和湿度)等多种因素的影响。因此，增加雾滴在目标作物上的沉积率、减少雾滴漂移和提高农药利用率已成为迫切关注的问题。然而，在靶标冠层动态变化过程中分析雾滴沉积行为目前还是一项具有挑战性的工作。由于雾滴在变形冠层中的沉积行为复杂，且对其雾滴沉积机理不明晰，因此研究变形冠层内部雾滴沉积特征对实现雾滴有效沉积，促进害虫防治具有重要意义。
图1.两阶段数值模拟过程流程图
棉花是我国主要经济作物、纺织工业原料、重要战略物资，棉花整个生育期内涉及植保、化控、封顶、脱落叶剂喷施等施药的精量化、高效率和高防效作业问题。以棉花为例，本团队创新地提出了一种称为两阶段模拟的方法，其中一个阶段涉及辅助气流与植株多叶片的流-固相互作用，另一个阶段涉及在辅助气流和雾滴的气-液相互作用下变形植物冠层内雾滴沉积的离散粒子跟踪模拟。首次揭示了气流辅助施药柔性多叶片变形过程中冠层内雾滴的运动和沉积行为。
图2. 不同喷雾流量下整个冠层(a、b、c)、冠层顶部(d、e、f)、上层(g、h、i)、中层(j、k、l)、下层(m、n、o)液滴沉积浓度分布云图
针对难以直观性观察和准确性量化变形植株冠层内部雾滴沉积动态过程的难题，本文通过两阶段CFD模型——“气流-雾滴-变形冠层”的新型多相流CFD模型，模拟气流辅助施药过程中柔性多叶片变形过程中冠层内液滴的运动和沉积行为，并且可以直接导出变形冠层内部的雾滴沉积和漂移情况。这项工作对于理解变形植株冠层内部雾滴沉积行为提供了重要理论依据和数据支撑。
该研究对棉花植株进行了室内实验，对于数值模拟结果进行了验证。实验结果验证了两阶段数值模拟结果的准确性，突破变形植株冠层内部多叶片上雾滴沉积难以数字化分析的问题，为研究变形植株冠层内部雾滴沉积分布并进一步分析变形植株冠层内雾滴沉积飘移提供了研究思路和研究方向。本研究对于揭示变形冠层内部雾滴沉积特征对实现雾滴有效沉积，促进害虫防治具有重要意义。
该研究得到了国家自然科学基金、“十四五”国家重点研发计划和山东省棉花产业技术体系创新团队机械岗位专家项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compag.2024.109228
编 辑：万 千
审 核：贾 波
