一种基于CFD和作物孔隙率相似性的施药雾滴沉积预测方法

摘要

本发明涉及一种基于CFD和作物孔隙度相似性的施药雾滴沉积预测方法，属于植保施药技术领域。该方法包括雾滴沉积评价物理模型建立，预测计算区域确定、网格生成、边界条件设置，预测计算及结果后处理。所述雾滴沉积评价物理模型利用抽象叶片和孔隙率依据植株形态特点按一定的方式排列组合得到；所述计算区域确定，依据实际喷雾作业情况计算得到；所述网格的生成，采用分块划分网格技术；所述边界条件设置，包括雾滴运动和不同喷雾模式设置；所述预测计算，是在装有CFD软件包的计算机上进行。所述预测结果后处理，通过CFD中的UDF功能统计雾滴沉积情况。本发明将雾滴沉积抽象模型和CFD预测结合，实现了低成本、快速、有效地预测作物植株群体雾滴全空间的沉积特性。

说明书

技术领域

本发明属于植保施药技术领域，涉及一种基于CFD和作物孔隙率相似性的施药雾滴沉积预测方法，尤其适用于作物生长全周期施药雾滴沉积性能的预测。

背景技术

目前作物病虫害防治仍以化学防治为主。当对作物进行化学防治时，药液经过施药装备后形成具有一定速度和粒径谱的雾滴云，在雾滴运动过程中接触到作物上层叶面时直接沉积在上面，同时也有雾滴穿过作物叶片之间的缝隙继续运动，直到沉积到作物中下层叶面。由于上层叶片的阻挡，致使作物植株中下层叶面的沉积量较少，为了增加中下层叶面的沉积量，研究者也提出了一些新的施药方式。然而不同的施药方式其施药效果也不尽相同，为检验不同施药方式的施药效果，往往需要对施药过程中作物不同位置叶面的雾滴沉积情况进行评价。传统的雾滴沉积评价方法是在试验或作业现场，按照一定的原则选取作物植株，在植株的不同部位放置采样卡或水敏纸等，进行药液雾滴的收集，再通过专业仪器设备对所收集的药液进行沉积量分析，从而确定药液雾滴在植株不同部位的沉积情况，该种方法简单有效，但试验周期长，工作量大，需要消耗大量的人力物力。另外，也有部分研究者采用CFD(Computational Fluid Dynamics)的方法建立模型，对喷雾作业的雾滴沉积性能进行评价，但上述模型都没有考虑作物叶片及叶片的阻挡对下层雾滴沉积的影响，计算结果与实际情况相差较大，参考性差。因此，目前亟需找到一种成本相对较低，而且准确度相对较高的方法，能够对作物生长全周期施药雾滴全方位的沉积情况进行预测，从而为不同生长期作物的施药方式选择提供依据。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种基于CFD和作物孔隙率相似性的施药雾滴沉积预测方法，该方法可以快速有效的对作物生长全周期施药雾滴的沉积情况进行预测，为不同生长期作物的施药方式选择提供依据。

本发明所采用的技术方案是：一种基于CFD和作物孔隙率相似性的施药雾滴沉积预测方法，包括雾滴沉积评价物理模型的建立，预测计算区域的确定，预测区域网格的生成，预测区域边界条件设置，雾滴沉积过程预测计算以及预测结果后处理。

所述雾滴沉积评价物理模型的建立，首先根据作物不同生长期的形态特性，沿作物群体植株垂直方向自顶向下分成不同的截面层，选用孔隙率测试装置测定群体植株不同高度截面的叶片孔隙率，以测定的不同层位叶片孔隙率为基础，将群体植株的叶片抽象为圆形或实际叶片的近似形状；其次根据作物植株上中下不同位置雾滴沉积特性评价的需要，将群体植株抽象为多个不同高度的截面层，通过抽象叶片不同的排列组合方式使抽象简化层位的叶片孔隙率与实测叶片孔隙率相同；然后考虑到作物群体植株叶片空隙的随机性，在抽象简化过程中保证每层叶片孔隙率相同的条件下，抽象叶片每层至少有三种不同的排列方式，预测雾滴沉积性能时，对三种不同排列方式下的沉积情况取均值，以此来表示该层的实际雾滴沉积情况。

所述预测计算区域的确定，依据实际喷雾作业时喷头雾化半锥角θ、喷头出液口距离植株冠层的距离L₁，单个喷头雾化面覆盖的边界L通过L＝2L₁tanθ确定，考虑喷雾过程不确定因素的影响，与喷头雾化面平行方向的边界取1.2～1.3L；根据植株高度L₂和喷头出液口距离植株冠层的距离L₁，确定垂直方向的边界为L₁+L₂；根据喷雾作业时喷雾装置的运行速度v确定沿喷雾运动方向的边界为1.1～1.2vt，其中t为喷雾时间；最终形成一个(1.2～1.3)L×(1.1～1.2)vt×(L₁+L₂)的计算区域。所述的预测计算区域内有N个喷头时，计算区域应取为N[(1.2～1.3)L×(1.1～1.2)vt×(L₁+L₂)]。

所述预测区域网格的生成，根据确定的预测计算区域，为了尽可能的捕捉计算区域内部流场的细节，同时考虑计算机的计算能力，采用分块划分网格的技术，使得流场内部抽象截面附近区域的网格稍密，其它区域相对稀疏，最终达到在计算机计算能力范围内更多的捕捉内部流动细节的目的。

所述预测区域边界条件的设置，包括雾滴运动和不同喷雾方式边界条件的设置；所述的雾滴运动边界条件是根据实测喷雾作业参数如雾滴粒径分布和速度等设定喷头雾化入口边界条件，在雾滴运行过程中接触到抽象叶片时设置为Trap；雾滴运行到计算区域边界时设定为Escape。所述的不同喷雾方式边界条件设置，是根据选定的喷雾方式来设置入口边界条件，如选用气流辅助喷雾模式，需设置入口气流和自然风等边界条件。

所述雾滴沉积过程预测计算，是在装有CFD软件包的计算机上进行雾滴沉积过程预测计算。所述的CFD软件包优选商用FLUENT软件。运用FLUENT软件在预测区域网格化的基础上，利用有限体积法将控制方程对每一个控制体积积分，得出一组离散方程，通过求解离散方程组得出计算域内气液两相全空间的流场分布，模拟设定边界条件下预测域各网格内药液雾滴的运动情况，获得药液雾滴的沉积分布。所述的雾滴沉积预测计算过程考虑雾滴运动过程中的聚合和破碎，若喷雾过程涉及辅助气流等其它喷雾方式，同时考虑雾滴和气流的耦合作用。

所述的预测结果后处理，是待预测计算运行结束后，通过CFD软件中的User-Defined Function(UDF)功能编制相应的程序，统计预测域内不同位置的雾滴沉积情况，完成药液雾滴在不同区域的沉积预测。

本发明的有益效果是：

1、本发明针对不同生长期作物群体叶片的遮挡，使喷雾过程中作物植株上中下层雾滴沉积不均匀的特点，建立了包括抽象叶片和孔隙率的雾滴沉积评价模型，形成了雾滴沉积预测计算方法，可实现不同生长期作物形态和不同喷雾模式下，作物不同位置雾滴沉积量和沉积均匀性的预测。

2、本发明将雾滴沉积抽象模型和CFD预测方法结合，从而实现了低成本、快速、有效地预测出不同作物、不同生长期群体植株雾滴全空间的沉积特性。

3、本发明可以根据不同喷雾模式下作物不同位置的雾滴沉积特性，为不同生长期作物喷雾方式的合理选择提供依据。

附图说明

图1是本实施例施药雾滴沉积预测模型示意图；

图2是本实施例施药雾滴沉积预测模型抽象截面上视图；

图3是本实施例施药雾滴沉积预测模型网格划分图；

图4是本实施例预测模型施药雾滴全空间沉积分布图。

具体实施方式：

本实施例中，预测用作物为一定生长期下的植株群体，喷雾方式为气流辅助式喷杆喷雾，所用扇形喷头喷雾角为110°，单个喷头喷雾量为1L/min，辅助气流出口风速为20m/s，喷头距作物冠层顶部50cm，预测区域只包含1个喷头。

下面结合附图对本发明专利作进一步描述。本发明所述的一种基于CFD和作物孔隙率相似性的施药雾滴沉积预测方法，如图1、2、3、4所示。一种基于CFD和作物孔隙率相似性的施药雾滴沉积预测方法，包括雾滴沉积评价物理模型的建立，预测计算区域的确定，预测区域网格的生成，预测区域边界条件设置，雾滴沉积过程预测计算以及预测结果后处理等步骤。

所述的雾滴沉积评价物理模型建立，首先根据给定作物的形态特性，测定群体植株从上到下不同高度截面的叶片孔隙率，本实施例中选定位置的孔隙率分别为50％、30％和10％，将植株群体的叶片抽象为圆形；其次根据作物植株上中下不同位置雾滴沉积特性评价的需要，将植株群体沿垂直于地面方向抽象为间隔30cm的三个截面，其中最上层截面距喷头出口50cm，每个截面依据测定的叶片孔隙率设置抽象叶片的排列方式，使得抽象截面的孔隙率与测定植株群体的一致，抽象叶片和孔隙依据植株形态特点可按多种方式排列组合。

所述的预测计算区域的确定，依据实际喷雾作业时喷头雾化半锥角θ＝55°、喷头出液口距离植株冠层的距离L₁＝50cm，单个喷头雾化面覆盖的边界L＝143cm，考虑喷雾过程不确定因素的影响，与喷头雾化面平行方向的边界取170cm；根据所选植株高度L₂＝110cm和喷头出液口距离植株冠层的距离L₁＝50cm，确定垂直方向的边界为160cm；根据喷雾作业时喷雾装置的运行速度v＝3m/s，确定沿喷雾运动方向的边界为165cm，预测时间t取值为0.5s；本实施例中，所述的预测计算区域内只含1个喷头，最终形成一个170cm×165cm×160cm的计算区域。

所述的预测区域网格的生成，根据确定的预测计算区域，为了尽可能的捕捉计算区域内部流场的细节，同时考虑计算机的计算能力，采用分块划分网格的技术，将整个计算区域分成7块进行网格划分，使得流场内部抽象截面上下5～10cm区域的网格稍密，其它区域相对稀疏，最终达到在计算机计算能力范围内更多的捕捉内部流动细节的目的，本实施例网格总数为28.3万。

所述的预测区域边界条件的设置，包括雾滴运动和不同喷雾模式边界条件的设置；所述的雾滴运动边界条件是根据实测喷雾作业参数如雾滴粒径分布和速度等设定喷头雾化入口边界条件，药液质量流量为0.016kg/s，由于雾滴的体积含量相对较低，雾滴计算采用离散相模型计算。在雾滴运行过程中接触到抽象圆片时设置为Trap，即模型中三个截面位置的抽象圆片处均为Trap；雾滴运行到计算区域边界时设定为Escape，即除模型上下边界外，四周边界均为Escape。所述的不同喷雾方式边界条件设置，是根据选定的喷雾方式来设置入口边界条件，本实施例选用气流辅助喷雾模式，且未考虑自然风的影响，设定气流入口边界条件为速度入口，速度大小为20m/s。

所述的雾滴沉积过程预测计算，是在装有CFD软件包的计算机上进行。所述的CFD软件包优选商用FLUENT软件。运用FLUENT软件在预测区域网格化的基础上，利用有限体积法将控制方程对每一个控制体积积分，得出一组离散方程，通过求解离散方程组得出计算域内气液两相全空间的流场分布，模拟设定边界条件下预测域各网格内药液雾滴的运动情况，获得药液雾滴的沉积分布。所述的雾滴沉积预测计算过程考虑雾滴运动过程中的聚合和破碎，同时考虑雾滴和气流的耦合作用(详见Fluent 6.3User's Guide，FluentInc.2006)。

所述的预测结果后处理，是待预测计算经过0.5s运行结束后，通过FLUNET软件中的User-Defined Function(UDF)宏定义DEFINE_DPM_OUTPUT()编制相应的程序，统计预测域内不同位置的雾滴沉积情况，完成药液雾滴在不同区域的沉积预测，本实施例中上层雾滴沉积数为3215，中层雾滴沉积数为2814，下层雾滴沉积数为1238。