【摘 要】
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果园靶标具有冠层大、枝叶稠密的特点,为了提高药液穿透力国内外广泛使用风送喷雾技术。喷雾机风送风力如果过大,会造成大量农药飘移问题,风力如果过小,则无法贯穿果树冠层,达不到病虫害防治的目的。研究果园风送喷药空间风场分布规律以及风场与果树冠层交互作用,建立风场模型是风力调控技术装备研发基础。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）利用计算机快速计算得到流体控制方
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“果园风送喷药风力需求模型与调控方法研究”（31971775）；
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果园靶标具有冠层大、枝叶稠密的特点,为了提高药液穿透力国内外广泛使用风送喷雾技术。喷雾机风送风力如果过大,会造成大量农药飘移问题,风力如果过小,则无法贯穿果树冠层,达不到病虫害防治的目的。研究果园风送喷药空间风场分布规律以及风场与果树冠层交互作用,建立风场模型是风力调控技术装备研发基础。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）利用计算机快速计算得到流体控制方程的近似解,可用于风场高效可视化建模。针对果园风送喷药空间风场测量与建模验证需求,设计了空间风场立体测量系统;研究建立了果园风送喷药机空间风场模型,并进行了模型验证;采用多孔介质模型,建立了风场与果树冠层交互CFD模型,并通过冠层内风场测量验证了模型有效性。获得的空间风场和风树交互CFD模型,可为果园风送喷药风力调控提供模型支持。主要研究内容如下:（1）针对塔式风送喷雾机的外部风场特征、田间自然风和复杂的地面条件,设计了空间风场立体测量系统。该测量系统由风速测量系统、自然风监测系统和基准台三个子系统构成。风速测量系统是核心部分,风速仪与滑块在步进电机的带动下沿导轨作直线运动,以2cm为间距测量风速,可实现宽5m,高3m的空间风场测量,测量风速范围为0.3-30m/s,分辨率为0.001m/s;采用超声波传感器和上位机在测量过程中监测和记录自然风,实现0°-359°角度的自然风风向监测,和0-60m/s速度值的自然风监测;使用基准台保证采样点准确定位,定位误差小于1cm。该空间风场立体测量系统能够快速准确地获取风速数据。（2）喷雾机空间风场CFD建模与试验,采用Fluent16.0建立塔式风送喷雾机空间风场,并进行风场田间试验。使用ICEM CFD软件建立几何模型并进行网格划分和优化;对比研究不同速度入口设置方法对CFD仿真影响特性;基于RANS的控制方程,在SIMPLE算法和二阶迎风离散格式下,对比不同的湍流模型计算的空间风场。通过仿真值与实测值决定系数分析,表明采用UDF（User Define Function）导入风速曲线作为边界条件、Standard k-?作为湍流模型是设计的12种建模方法中最准确且简单的风场建模方法。针对该模型,计算气流最大仿真值与最大实测值的平均相对误差E为37%,虽然模拟风速与测量风速存在差异,CFD模型仍可合理预测喷雾机整体的三维气流场。（3）风场与果树冠层交互作用CFD建模与试验,研究喷药空间风场与果树交互作用CFD建模方法,采用Fluent 16.0,基于多孔介质模型建立果树冠层,通过UDF对于每个网格设置不同的压力损失系数Cir,并在虚拟的冠层内设置动量源项和湍流源项,模拟果树冠层对风场的阻碍作用。为了验证模型的可靠性,对比分析了105组采样位置仿真值与实测值,其平均相对误差为24%,低于CFD建模点与点平均相对误差评价标准,模拟结果达到了预期精度,表明模拟结果可以合理预测冠层内气流分布。
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