基于大豆冠層狀態(tài)變化的變量施藥系統(tǒng)設(shè)計與試驗

吳朝陽，解法旺，陳書法，孫啟新，孫傳東

（1.南通大學(xué)機械學(xué)院，江蘇南通 226019；2.江蘇海洋大學(xué) 研究生院，江蘇連云港 222005；3.江蘇大力士機械制造有限公司，江蘇連云港 222005）

大豆在我國南北方都有種植，是我國重要的油料作物[1]。在大豆生產(chǎn)中，從播種到收獲都會受到各種病蟲害的為害，其中蟲害種類最多，會造成大豆葉子破損、影響結(jié)莢或因害蟲鉆蛀成空莢、癟莢和破粒。輕者影響大豆產(chǎn)量和品質(zhì)，造成大豆減產(chǎn)，重者造成大豆的絕收。為確保大豆增產(chǎn)豐收，需要在大豆生長過程中，合理噴灑農(nóng)藥對病蟲害進行消殺。

目前，噴灑農(nóng)藥設(shè)備采用變壓力式變量施藥系統(tǒng)，以機械行進速度為自變量，壓力流量為因變量，通過速度調(diào)整壓力流量，確保農(nóng)田施藥量每平方相對均勻[2]。為此，在壓力式變量施藥系統(tǒng)工作前，需要提前輸入農(nóng)田測量信息，根據(jù)行走速度確定單位面積噴施藥量[3]。這對施藥作業(yè)時間較短，葉運動能力弱的小田塊農(nóng)作物來說是可以接受的，但隨著我國農(nóng)田集約化、標(biāo)準(zhǔn)化進程的不斷推進，大田作物一次集中噴施作業(yè)的時間勢必延長[4]，特別是在對葉運動能力較強的作物進行大田施藥時，即使是相同的行走速度，同一施藥壓力，同一期作業(yè)的不同時刻，由于葉運動的影響，大豆的葉傾角不同時刻也不盡相同[5]。

在農(nóng)藥霧滴沉積的因素中，在葉片葉傾角對霧滴的滾動和流淌有較大影響[6]。在大容量噴霧時，葉片角度與農(nóng)藥沉積量呈負(fù)相關(guān)[7]，通常在進行施藥作業(yè)時，為保證植保效果，技術(shù)人員通常會以極端狀態(tài)為施藥尺度，即極端葉片傾角情況下的作物需藥量，該施藥量能夠確保作物植保效果，但農(nóng)藥浪費與環(huán)境污染不可避免[8]，傳統(tǒng)的施藥技術(shù)在一定程度上會使農(nóng)藥利用率與植保效果處于無法統(tǒng)籌的兩難窘境。

現(xiàn)有的農(nóng)藥噴施設(shè)備中的控制系統(tǒng)，把農(nóng)田作物冠層狀態(tài)看作不變值，或在系統(tǒng)中就忽略葉傾角變化、未把大豆葉傾角作為施藥控制系統(tǒng)中的一個參數(shù)、未能在系統(tǒng)控制中考慮葉傾角對受藥面積的影響等，只進行基于植保機械行進速度的一次變量控制施藥[9]。針對施藥系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，在傳統(tǒng)壓力式變量施藥技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合大豆葉片運動規(guī)律，根據(jù)大豆葉片傾角隨時間產(chǎn)生的周期性變化規(guī)律，運用CFD 技術(shù)進行噴霧流場仿真建模，通過在不同壓力與流量下對不同傾角葉片噴霧仿真試驗，找出合理有效的噴霧壓力和流量，以增加葉傾角不同狀態(tài)時作物表面霧滴沉積率，在達(dá)到有效防治病蟲害的同時，減少農(nóng)藥使用量，提升農(nóng)藥利用率[10]。在此基礎(chǔ)上通過適當(dāng)調(diào)整變壓力式施藥系統(tǒng)，設(shè)計出一種新型變壓力式變量施藥系統(tǒng)，以實現(xiàn)綠色環(huán)保與降低經(jīng)濟支出的雙重效果。

1 大豆葉傾角及傳統(tǒng)設(shè)備施藥特征

葉傾角是植被冠層結(jié)構(gòu)的一個重要參數(shù)。大豆等豆類作物葉片不僅葉面積大，具有很強的葉運動能力，為制造的光合產(chǎn)物供應(yīng)大豆生長發(fā)育需要，大豆葉片會不斷調(diào)整，改變?nèi)~片相對光照位置來實現(xiàn)對太陽光照的有效利用[11]，同時可以有效維持葉溫，促進對空氣中二氧化碳的有效吸收轉(zhuǎn)化[12]。除此之外，受光照強度的影響，大豆葉片會在清晨和傍晚表現(xiàn)為趨光線，而在中午則表現(xiàn)出避光性[13]。由此葉片的運動導(dǎo)致葉對地面的傾角簡稱葉傾角。

影響農(nóng)藥霧滴沉積的因素中，霧滴在葉片上的滾動和流淌受葉片傾角大小的影響較大（圖1）。在大容量噴霧時，葉片角度與農(nóng)藥沉積量呈負(fù)相關(guān)。隨著作物葉片傾角的改變，葉片霧滴接觸角與葉片水平投影面積都會產(chǎn)生顯著變化[14]。受作物葉傾角的影響，通常在進行施藥作業(yè)時，為保證植保效果，技術(shù)人員通常會以極端情況為施藥標(biāo)準(zhǔn)，即極端葉片傾角情況下的作物需藥量，以此為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定施藥系統(tǒng)施藥量（圖2d），該藥量雖然可以保證作物植保效果，但會造成大量農(nóng)藥浪費與環(huán)境污染。

圖1 霧滴接觸角Figure 1 Droplets contact angle

圖2 傳統(tǒng)壓力式變量施藥機施藥效果Figure 2 Spraying effect of traditional pressure-type variable sprayer

2 噴霧流場仿真

2.1 流體仿真基礎(chǔ)理論

通常情況下，對流體的狀態(tài)與流動的研究主要是為了對某一時刻或多個時刻單個或多個狀態(tài)（如流體流速、壓力、溫度或流體密度）具體參數(shù)數(shù)據(jù)的提取。為獲得這些參數(shù)數(shù)據(jù)，就需要構(gòu)建能夠?qū)α黧w狀態(tài)參數(shù)進行控制的方程組，方程組要包含質(zhì)量守恒（連續(xù)性方程）、動量守恒和能量守恒在內(nèi)的3大方程[15]。

（1）連續(xù)性方程。系統(tǒng)將總的計算區(qū)域劃分為多個小型計算區(qū)域，再通過對每個區(qū)域的計算獲得切合實際的計算值，而用來連接每個小區(qū)域的計算結(jié)果與導(dǎo)入的便是連續(xù)性方程?？刂品匠淌綖椋?/p>

式中：ρ為流體密度（kg·m-3）；t為時間（s）；u、v、w分別為流體速度矢量v→在X、Y和Z方向上的分量（m·s-1）。

（2）動量守恒方程。流體的動量守恒方程是在牛頓第二定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)而出的?？刂品匠淌綖椋?/p>

式中：P為流體微元上的壓力（Pa）；μ為動力黏度（Pa·s-1）；div為散度；Su、Sv、Sw為方程的廣義源項。Su=Fx+sx,Sv=Fy+sy,Sw=Fz+sz。其中，sx、sy、sz在一般情況下都是無窮小數(shù)值，對不可壓流體計算時可以忽略不計。

（3）能量守恒方程。能量守恒方程又被稱為伯努利方程?？刂品匠淌綖椋?/p>

式中：T為流體溫度（K）；K為流體的傳熱系數(shù)（w·m-2·oC）；Cp為比熱容[kJ·(kg·oC)-1]；ST為黏性耗散項。

湍流模型是一種基本模型，通常用于數(shù)值模擬中，并用于模擬湍流。在Fluent 中可供選擇湍流模型有很多，選擇由k方程和ε方程共同組建的標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程組來進行N-S方程組的封閉，k方程和ε方程為：

式中：Gk為湍流動能，它由層流速度梯度而產(chǎn)生的；Gb為湍流動能，它是由浮力產(chǎn)生，在不可壓流體當(dāng)中Gb= 0；YM是一種波動，它是有由可壓縮湍流在過渡擴散中產(chǎn)生的；C1ε、C2ε、C3ε為固定常數(shù)，C1ε= 1.44，C2ε= 1.92，Cμ=0.09，σk= 1.0，σε= 1.3，C3ε為浮力相關(guān)系數(shù)，當(dāng)在可壓流體的流動計算中當(dāng)主流方向沿著重力方向時C3ε= 1，與重力方向相切時C3ε= 0；σk是k方程的湍流能量Prandtl 數(shù)，σk= 1；σε為ε方程的湍流能量Prandtl 數(shù)，σε=1.3；SkSε值可由使用者自行選擇；μt為流體的湍流黏度。在數(shù)值計算中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型可以輸入的參數(shù)有Cμ、C1ε、C2ε、σk、σε能量Prandtl數(shù)、壁面Prandtl數(shù)等，但在一般情況下不對其改變，保持默認(rèn)即可。

2.2 噴霧流場仿真

目前市面上的變壓力農(nóng)藥噴施設(shè)備中的控制系統(tǒng)采用的是圖3 噴霧模型，把農(nóng)田作物冠層狀態(tài)看作不變值，或是系統(tǒng)中根本就沒有這個參數(shù)，未能在系統(tǒng)控制中考慮葉傾角對受藥面積的影響。但是研究表明，葉傾角值能最直接反映植被冠層受藥面積?；谶@個原因，作物葉片傾角作為狀態(tài)變量納入控制系統(tǒng)，圖4為改進后的噴霧模型。在對模擬參數(shù)的設(shè)置中，首先對模型單位與網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查調(diào)整，并選擇重力的方向，采用非穩(wěn)態(tài)計算仿真，模擬時長為5 s，步長為0.01 s。

圖3 一般仿真模型示意圖Figure 3 General simulation model diagram

圖4 改進的仿真模型示意圖Figure 4 Improved simulation model diagram

2.2.1 葉傾角α為30°時不同壓力下的仿真狀態(tài) 葉傾角α為30°時，在0.2,0.3,0.4 MPa壓力下，噴霧流場液相速度分布云如圖5～圖7。

圖5 液相速度分布云圖（0.2 MPa）Figure 5 Liquid velocity distribution cloud（0.2 MPa）

圖6 液相速度分布云圖（0.3 MPa）Figure 6 Liquid velocity distribution cloud（0.3 MPa）

圖7 液相速度分布云圖（0.4 MPa）Figure 7 Liquid velocity distribution cloud（0.4 MPa）

2.2.2 葉傾角α為60°時不同壓力下的仿真結(jié)果 葉傾角α 為60°時，在0.2，0.3，0.4 MPa 壓力下，噴霧流場液相速度分布云如圖8～圖10。

圖8 液相速度分布云圖（0.2 MPa）Figure 8 Liquid velocity distribution cloud（0.2 MPa）

圖9 液相速度分布云圖（0.3 MPa）Figure 9 Liquid velocity distribution cloud（0.3 MPa）

圖10 液相速度分布云圖（0.4 MPa）Figure 10 Liquid velocity distribution cloud（0.4 MPa）

2.3 噴霧流場仿真結(jié)果分析

在仿真計算中，葉傾角被設(shè)定為30°和60°，同一角度下葉片受藥面積保持不變。在葉傾角30°的狀態(tài)下，施藥壓力分別為0.2，0.3，0.4 MPa 時，葉片上的液相體積分?jǐn)?shù)為0.074，0.080，0.084，而在葉傾角60°的狀態(tài)下為0.068，0.074，0.078（圖11）。由圖11 可知，葉傾角30°或是60°的狀態(tài)下，液相體積分?jǐn)?shù)與壓力流量均呈現(xiàn)正相關(guān)性，但是圖11 同時也表明,在同一壓力值，葉傾角越大葉面上的液相體積分?jǐn)?shù)反而降低，這是由于隨著葉傾角的增大，葉面受藥面積反而降低的原因。如果具有相同的液相體積數(shù)（0.076±0.002），葉傾角為30°狀態(tài)下，需要壓力為0.2 MPa,而葉傾角為60°的狀態(tài)下，施藥壓力為0.4 MPa，說明液相體積分?jǐn)?shù)具有相似值的情況下，葉傾角大，反而需要通過增加壓力值實現(xiàn)增大液相體積分?jǐn)?shù)。

圖11 壓力-液相體積分?jǐn)?shù)Figure 11 pressure value-Liquid phase volume fraction

3 變壓力式施藥系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計

在傳統(tǒng)施藥系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，葉傾角作為系統(tǒng)控制參數(shù)參與新的新的施藥控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由藥液箱、施藥泵、回流閥、平衡閥、普通壓力表、壓力流量控制閥、扇形噴頭、控制器等部件組成（圖12）。系統(tǒng)工作時，施藥泵抽取藥箱藥液，藥液在施藥泵的動力下通過管路、平衡閥與壓力流量控制閥到達(dá)扇形噴頭噴灑，多余的藥液則通過回流閥返回藥箱[16]，其中控制部分完成執(zhí)行機構(gòu)動態(tài)信號采集，處理分析后發(fā)送指令信號伺服電機與施藥泵固連，通過控制電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩改變施藥泵出口藥液的流量和壓力（圖13）[17]。

圖12 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Figure 12 System structure diagram

圖13 系統(tǒng)工作原理圖Figure 13 Principle diagram of system operation

4 田間試驗

4.1 場地與方法

大豆是灌云縣的一大優(yōu)勢作物，其生產(chǎn)歷史悠久，品質(zhì)卓越，是豆類中營養(yǎng)價值較高的品種之一[18-19]。而近些年來，隨著大豆種植面積不斷增長，以保護豆葉為主要目的豆田施藥機器成為當(dāng)?shù)匕l(fā)展的需要。試驗地點選擇為江蘇省連云港市灌云縣小伊鄉(xiāng)小楊莊附近大豆田，試驗品種為東辛3 號。試驗田大豆行距50 cm，株距20 cm，通過光譜測量儀測得LAI（leaf area index)為3.2[20]。葉面積指數(shù)（leaf area index，簡稱LAI）是指單位面積上植物葉片的垂直投影面積的總和，不僅是進行生物量估算的一個重要參數(shù)，而且也是定量分析地球生態(tài)系統(tǒng)能量交換特性的重要參數(shù)，通過測量的葉面積指數(shù)換算成葉傾角數(shù)值[21]。數(shù)據(jù)采集區(qū)域如圖14。試驗區(qū)域長寬為10 m×5 m，劃分為50 個1 m×1 m 單元，每個單元區(qū)域稱為：AiBj(i=1～5，j=1～10)，利用光譜測量儀測得每一區(qū)域葉片葉傾角值，確定施藥量，完成田間試驗(表1)，測量與噴灑日期2019 年5 月22 日(天氣狀況：晴，溫度31～17 ℃，西南風(fēng)1～2級）,對5月22日，6∶00，7∶00，8∶00，9∶00，10∶00進行葉傾角測量，表1列出6∶00和10∶00獲得試驗區(qū)域單元葉傾角值，并計算區(qū)域葉傾角平均值。

圖14 試驗田Figure 14 Test field

表1 6∶00和10∶00 各區(qū)塊葉傾角值Table 1 Inclination angle of leave from 6∶00 am to 10∶00 am

由圖15 可知，試驗區(qū)域葉傾角與時段存在良好的線性變化，可以進行實際噴測試驗。

圖15 實測大豆葉傾角時刻變化圖Figure 15 Measured soybean leaf angle with time

4.2 對比試驗

4.2.1 傳統(tǒng)的變壓力施藥試驗 采用傳統(tǒng)的變壓力式變量施藥系統(tǒng)施藥方式，設(shè)置固定單位面積施藥量，將速度與壓力進行關(guān)聯(lián)，確保各區(qū)塊施藥量均勻，施藥量不考慮作物噴施期間冠層變化。分別設(shè)置每單元噴施藥量為0.02 L·m-2時初始噴霧壓力為0.2 MPa，每單元噴施藥量為0.042 L·m-2時初始噴霧壓力為0.4 MPa，此外設(shè)置噴霧行進速度為3.6 km·h-1，噴霧高度為500 mm。要求滿足植保效果的最低葉片霧滴覆蓋率為30%，大豆葉片霧滴覆蓋率分別如圖16 和圖17。選取一塊尺寸(長×寬)為10 m×5 m 的區(qū)域作為噴霧區(qū)域，在噴霧區(qū)域中間位置，均布選取8個測試點，施藥后，取平均值。每個測試點由背靠背放置的2片水敏試紙組成，視為大豆冠層的一片葉片。對采集到的水敏紙分析，得到霧滴在植株冠層上的覆蓋率[22]。

圖16 0.2 MPa下噴霧時刻對霧滴覆蓋率的影響Figure 16 Effect of spray time at 0.2 MPa on the coverage of droplets

圖17 0.4 MPa下噴霧時刻對霧滴覆蓋率的影響Figure 17 Effect of spray time at 0.4 MPa on coverage of droplets

4.2.2 分時變壓力施藥試驗 由圖15 可知，固定品種的大豆葉傾角與時刻之間具有相對固定的線性關(guān)系，分時變壓力施藥試驗是在噴霧過程中根據(jù)大豆葉傾角的變化設(shè)置多個時刻節(jié)點，施藥采用不同壓力噴霧（圖18），此時大豆葉片霧滴覆蓋率如圖19，霧滴覆蓋率基本全程處于30%～40%之間，滿足植保噴霧效果，并且可以有效避免施藥過程中農(nóng)藥浪費。

圖18 噴霧變量壓力-時刻節(jié)點Figure 18 Spray variable pressure with time

圖19 變壓力下的噴霧時刻對霧滴覆蓋率的影響Figure 19 Effect of spraying time under variable pressure on droplet coverage

5 討論與結(jié)論

在進行大田施藥作業(yè)時，一般情況下，技術(shù)人員通常以植保效果確認(rèn)施藥量，往往會忽略過量施藥造成的污染。如何減少農(nóng)藥使用量，提升農(nóng)藥利用率，在達(dá)到有效防治病蟲災(zāi)害的同時精準(zhǔn)施藥技術(shù)越來越被重視[23]。

本研究試驗表明，不論是施藥壓力為0.2 MPa，還是0.4 MPa，隨著大豆葉傾角的增大，施藥后霧滴的覆蓋率都是隨時段延長而降低，雖然在0.4 MPa 施藥壓力下，在10∶00 時刻時依舊能夠覆蓋率達(dá)到34.61%，基本達(dá)到植保的要求，而在0.2 MPa 施藥壓力下，10∶00 時刻時只能維持20%的霧滴覆蓋率，顯然達(dá)不到植保的要求，而6∶00～8∶00 時段以0.2 MPa 壓力施藥，霧滴覆蓋率（31.51%）是滿足植保要求的。但在0.4 MPa 施藥噴霧壓力下，大量的農(nóng)藥被浪費從而造成環(huán)境污染，農(nóng)藥殘留。

分時變壓力施藥試驗表明，根據(jù)大豆葉傾角隨時段延長的不同，把施藥壓力分成0.2，0.3，0.4 MPa 共3 個段，6∶00-8∶00 之間以0.2 MPa 壓力施藥，8∶00-9∶00 以0.3 MPa 施藥，9∶00-10∶00 以0.4 MPa 施藥，測試結(jié)果表明霧滴覆蓋率都在30%，達(dá)到植保基本要求。

但是在相同的霧滴覆蓋率之下，施藥過程要么盡量上午6∶00-8∶00 之間進行，施藥壓力低，農(nóng)藥浪費少。要么使用高壓力0.4 MPa施藥，高壓力噴藥是可以達(dá)到植保要求，但是高壓力帶來的農(nóng)藥高流量是造成農(nóng)業(yè)高污染、高消耗、高浪費的原因。所以，大田施藥盡量在6∶00-8∶00 之間完成，不需要高壓力噴霧，也能達(dá)到質(zhì)保要求，條件允許，可以多臺設(shè)備同時施藥。

通過對作物生長規(guī)律的記錄研究，發(fā)現(xiàn)固定品種的大豆葉傾角與時段之間具有較為嚴(yán)格的線性關(guān)系的葉片運動規(guī)律，利用CFD 對不同傾角的冠層模型進行施藥仿真，找出了葉片傾角（與時段相對應(yīng)）、流量、壓力之間的相對關(guān)系。通過分析仿真的結(jié)果提出合適的施藥時段和施藥的控制方法，并在此基礎(chǔ)上通過適當(dāng)調(diào)整變壓力式施藥系統(tǒng)，設(shè)計出一種新型變壓力式變量施藥系統(tǒng)，對在進行豆類作物大田噴霧時實現(xiàn)二次控制，實現(xiàn)綠色環(huán)保與降低經(jīng)濟支出的雙重效果。