一種基于CFD和作物孔隙率相似性的施藥霧滴沉積預測方法與流程

本發明屬于植保施藥技術領域，涉及一種基于cfd和作物孔隙率相似性的施藥霧滴沉積預測方法，尤其適用于作物生長全周期施藥霧滴沉積性能的預測。

背景技術：

目前作物病蟲害防治仍以化學防治為主。當對作物進行化學防治時，藥液經過施藥裝備后形成具有一定速度和粒徑譜的霧滴云，在霧滴運動過程中接觸到作物上層葉面時直接沉積在上面，同時也有霧滴穿過作物葉片之間的縫隙繼續運動，直到沉積到作物中下層葉面。由于上層葉片的阻擋，致使作物植株中下層葉面的沉積量較少，為了增加中下層葉面的沉積量，研究者也提出了一些新的施藥方式。然而不同的施藥方式其施藥效果也不盡相同，為檢驗不同施藥方式的施藥效果，往往需要對施藥過程中作物不同位置葉面的霧滴沉積情況進行評價。傳統的霧滴沉積評價方法是在試驗或作業現場，按照一定的原則選取作物植株，在植株的不同部位放置采樣卡或水敏紙等，進行藥液霧滴的收集，再通過專業儀器設備對所收集的藥液進行沉積量分析，從而確定藥液霧滴在植株不同部位的沉積情況，該種方法簡單有效，但試驗周期長，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(computationalfluiddynamics)的方法建立模型，對噴霧作業的霧滴沉積性能進行評價，但上述模型都沒有考慮作物葉片及葉片的阻擋對下層霧滴沉積的影響，計算結果與實際情況相差較大，參考性差。因此，目前亟需找到一種成本相對較低，而且準確度相對較高的方法，能夠對作物生長全周期施藥霧滴全方位的沉積情況進行預測，從而為不同生長期作物的施藥方式選擇提供依據。

技術實現要素：

本發明針對現有技術中存在的不足，提供一種基于cfd和作物孔隙率相似性的施藥霧滴沉積預測方法，該方法可以快速有效的對作物生長全周期施藥霧滴的沉積情況進行預測，為不同生長期作物的施藥方式選擇提供依據。

本發明所采用的技術方案是：一種基于cfd和作物孔隙率相似性的施藥霧滴沉積預測方法，包括霧滴沉積評價物理模型的建立，預測計算區域的確定，預測區域網格的生成，預測區域邊界條件設置，霧滴沉積過程預測計算以及預測結果后處理。

所述霧滴沉積評價物理模型的建立，首先根據作物不同生長期的形態特性，沿作物群體植株垂直方向自頂向下分成不同的截面層，選用孔隙率測試裝置測定群體植株不同高度截面的葉片孔隙率，以測定的不同層位葉片孔隙率為基礎，將群體植株的葉片抽象為圓形或實際葉片的近似形狀；其次根據作物植株上中下不同位置霧滴沉積特性評價的需要，將群體植株抽象為多個不同高度的截面層，通過抽象葉片不同的排列組合方式使抽象簡化層位的葉片孔隙率與實測葉片孔隙率相同；然后考慮到作物群體植株葉片空隙的隨機性，在抽象簡化過程中保證每層葉片孔隙率相同的條件下，抽象葉片每層至少有三種不同的排列方式，預測霧滴沉積性能時，對三種不同排列方式下的沉積情況取均值，以此來表示該層的實際霧滴沉積情況。

所述預測計算區域的確定，依據實際噴霧作業時噴頭霧化半錐角θ、噴頭出液口距離植株冠層的距離l1，單個噴頭霧化面覆蓋的邊界l通過l＝2l1tanθ確定，考慮噴霧過程不確定因素的影響，與噴頭霧化面平行方向的邊界取1.2～1.3l；根據植株高度l2和噴頭出液口距離植株冠層的距離l1，確定垂直方向的邊界為l1+l2；根據噴霧作業時噴霧裝置的運行速度v確定沿噴霧運動方向的邊界為1.1～1.2vt，其中t為噴霧時間；最終形成一個(1.2～1.3)l×(1.1～1.2)vt×(l1+l2)的計算區域。所述的預測計算區域內有n個噴頭時，計算區域應取為n[(1.2～1.3)l×(1.1～1.2)vt×(l1+l2)]。

所述預測區域網格的生成，根據確定的預測計算區域，為了盡可能的捕捉計算區域內部流場的細節，同時考慮計算機的計算能力，采用分塊劃分網格的技術，使得流場內部抽象截面附近區域的網格稍密，其它區域相對稀疏，最終達到在計算機計算能力范圍內更多的捕捉內部流動細節的目的。

所述預測區域邊界條件的設置，包括霧滴運動和不同噴霧方式邊界條件的設置；所述的霧滴運動邊界條件是根據實測噴霧作業參數如霧滴粒徑分布和速度等設定噴頭霧化入口邊界條件，在霧滴運行過程中接觸到抽象葉片時設置為trap；霧滴運行到計算區域邊界時設定為escape。所述的不同噴霧方式邊界條件設置，是根據選定的噴霧方式來設置入口邊界條件，如選用氣流輔助噴霧模式，需設置入口氣流和自然風等邊界條件。

所述霧滴沉積過程預測計算，是在裝有cfd軟件包的計算機上進行霧滴沉積過程預測計算。所述的cfd軟件包優選商用fluent軟件。運用fluent軟件在預測區域網格化的基礎上，利用有限體積法將控制方程對每一個控制體積積分，得出一組離散方程，通過求解離散方程組得出計算域內氣液兩相全空間的流場分布，模擬設定邊界條件下預測域各網格內藥液霧滴的運動情況，獲得藥液霧滴的沉積分布。所述的霧滴沉積預測計算過程考慮霧滴運動過程中的聚合和破碎，若噴霧過程涉及輔助氣流等其它噴霧方式，同時考慮霧滴和氣流的耦合作用。

所述的預測結果后處理，是待預測計算運行結束后，通過cfd軟件中的user-definedfunction(udf)功能編制相應的程序，統計預測域內不同位置的霧滴沉積情況，完成藥液霧滴在不同區域的沉積預測。

本發明的有益效果是：

1、本發明針對不同生長期作物群體葉片的遮擋，使噴霧過程中作物植株上中下層霧滴沉積不均勻的特點，建立了包括抽象葉片和孔隙率的霧滴沉積評價模型，形成了霧滴沉積預測計算方法，可實現不同生長期作物形態和不同噴霧模式下，作物不同位置霧滴沉積量和沉積均勻性的預測。

2、本發明將霧滴沉積抽象模型和cfd預測方法結合，從而實現了低成本、快速、有效地預測出不同作物、不同生長期群體植株霧滴全空間的沉積特性。

3、本發明可以根據不同噴霧模式下作物不同位置的霧滴沉積特性，為不同生長期作物噴霧方式的合理選擇提供依據。

附圖說明

圖1是本實施例施藥霧滴沉積預測模型示意圖；

圖2是本實施例施藥霧滴沉積預測模型抽象截面上視圖；

圖3是本實施例施藥霧滴沉積預測模型網格劃分圖；

圖4是本實施例預測模型施藥霧滴全空間沉積分布圖。

具體實施方式：

本實施例中，預測用作物為一定生長期下的植株群體，噴霧方式為氣流輔助式噴桿噴霧，所用扇形噴頭噴霧角為110°，單個噴頭噴霧量為1l/min，輔助氣流出口風速為20m/s，噴頭距作物冠層頂部50cm，預測區域只包含1個噴頭。

下面結合附圖對本發明專利作進一步描述。本發明所述的一種基于cfd和作物孔隙率相似性的施藥霧滴沉積預測方法，如圖1、2、3、4所示。一種基于cfd和作物孔隙率相似性的施藥霧滴沉積預測方法，包括霧滴沉積評價物理模型的建立，預測計算區域的確定，預測區域網格的生成，預測區域邊界條件設置，霧滴沉積過程預測計算以及預測結果后處理等步驟。

所述的霧滴沉積評價物理模型建立，首先根據給定作物的形態特性，測定群體植株從上到下不同高度截面的葉片孔隙率，本實施例中選定位置的孔隙率分別為50％、30％和10％，將植株群體的葉片抽象為圓形；其次根據作物植株上中下不同位置霧滴沉積特性評價的需要，將植株群體沿垂直于地面方向抽象為間隔30cm的三個截面，其中最上層截面距噴頭出口50cm，每個截面依據測定的葉片孔隙率設置抽象葉片的排列方式，使得抽象截面的孔隙率與測定植株群體的一致，抽象葉片和孔隙依據植株形態特點可按多種方式排列組合。

所述的預測計算區域的確定，依據實際噴霧作業時噴頭霧化半錐角θ＝55°、噴頭出液口距離植株冠層的距離l1＝50cm，單個噴頭霧化面覆蓋的邊界l＝143cm，考慮噴霧過程不確定因素的影響，與噴頭霧化面平行方向的邊界取170cm；根據所選植株高度l2＝110cm和噴頭出液口距離植株冠層的距離l1＝50cm，確定垂直方向的邊界為160cm；根據噴霧作業時噴霧裝置的運行速度v＝3m/s，確定沿噴霧運動方向的邊界為165cm，預測時間t取值為0.5s；本實施例中，所述的預測計算區域內只含1個噴頭，最終形成一個170cm×165cm×160cm的計算區域。

所述的預測區域網格的生成，根據確定的預測計算區域，為了盡可能的捕捉計算區域內部流場的細節，同時考慮計算機的計算能力，采用分塊劃分網格的技術，將整個計算區域分成7塊進行網格劃分，使得流場內部抽象截面上下5～10cm區域的網格稍密，其它區域相對稀疏，最終達到在計算機計算能力范圍內更多的捕捉內部流動細節的目的，本實施例網格總數為28.3萬。

所述的預測區域邊界條件的設置，包括霧滴運動和不同噴霧模式邊界條件的設置；所述的霧滴運動邊界條件是根據實測噴霧作業參數如霧滴粒徑分布和速度等設定噴頭霧化入口邊界條件，藥液質量流量為0.016kg/s，由于霧滴的體積含量相對較低，霧滴計算采用離散相模型計算。在霧滴運行過程中接觸到抽象圓片時設置為trap，即模型中三個截面位置的抽象圓片處均為trap；霧滴運行到計算區域邊界時設定為escape，即除模型上下邊界外，四周邊界均為escape。所述的不同噴霧方式邊界條件設置，是根據選定的噴霧方式來設置入口邊界條件，本實施例選用氣流輔助噴霧模式，且未考慮自然風的影響，設定氣流入口邊界條件為速度入口，速度大小為20m/s。

所述的霧滴沉積過程預測計算，是在裝有cfd軟件包的計算機上進行。所述的cfd軟件包優選商用fluent軟件。運用fluent軟件在預測區域網格化的基礎上，利用有限體積法將控制方程對每一個控制體積積分，得出一組離散方程，通過求解離散方程組得出計算域內氣液兩相全空間的流場分布，模擬設定邊界條件下預測域各網格內藥液霧滴的運動情況，獲得藥液霧滴的沉積分布。所述的霧滴沉積預測計算過程考慮霧滴運動過程中的聚合和破碎，同時考慮霧滴和氣流的耦合作用(詳見fluent6.3user'sguide，fluentinc.2006)。

所述的預測結果后處理，是待預測計算經過0.5s運行結束后，通過flunet軟件中的user-definedfunction(udf)宏定義define_dpm_output()編制相應的程序，統計預測域內不同位置的霧滴沉積情況，完成藥液霧滴在不同區域的沉積預測，本實施例中上層霧滴沉積數為3215，中層霧滴沉積數為2814，下層霧滴沉積數為1238。