植保机械喷头雾滴群撞击植物叶面过程试验及仿真研究

Insights on microscopic processes of droplets impact on plant leaf surfaces are important to gain knowledge on advances in nozzle design and pesticide spray applications. Understanding mechanism of droplets retention and spread on plant surfaces can assist development of efficient pesticide application technologies to increase biological control efficacy and reduce pesticide off-target losses. The objectives of this research were to develop a sophisticated fast response system to study the dynamic processes of spray droplets impact, rebound and retention on leaf surfaces, systematically investigate the dynamic impact of droplets on various types of leaf surfaces under controlled experimental conditions, and resolve the underlying mechanisms of droplets impact processes on leaves with the assistance of CFD simulations. The information from this research offered a means to manipulate controllable spray parameters to increase pesticide spray application efficiency and minimize pesticide waste by improving droplet impact processes and avoiding droplet rebound and runoff losses.

增加农药喷雾液滴在植物叶面上的附着率，减少雾滴的滚动或溅射，使之在叶面上稳定沉积，可以提高农药的生物防治效率，是优化植保机械喷头设计、实现精良少量喷雾施药的重要依据。了解农药雾滴群沉积过程内部机理和变化规律，可以深化对自然以及科学技术的认识，提高和改善农药施用的效率。传统实验方法只能在宏观上得到药液在植物叶面上的分布特性和流失率，难以获得雾滴在叶面上的沉积、溅射或反弹等微观过程。运用高速数码相机、分析软件及相关雾滴药液物理化学性质的分析与测试工具，对雾滴群撞击植物叶面过程进行观测，并结合数值模拟方法，对不同性质雾滴群的撞击不同植物表面过程的特性及其内部机理进行研究。为掌握农药雾滴群在植物叶面上的微观流动规律和机理，进一步深入了解雾滴群运动与植物叶面之间的关系提供实验依据。为提高农药使用效率，发展精良植保技术，减少农业污染提供相应的雾滴参数。

针对植保机械喷头优化设计，提高农药有效利用率，减少农药使用量的问题，开展了农药雾滴群撞击植物叶面过程的实验研究。建立植保机械喷头三维移动实验装置，实现喷头喷雾流场测试空间定位数字化，获得植保机械喷头雾滴群粒径分布规律；建立轨道式喷雾沉积实验系统，实现了施药雾滴群参数独立可控。通过试验研究，捕获了雾滴群撞击玉米植株表面后发生的沉积、溅射、反弹现象。为达到防治效果均匀，在设计喷雾系统时需综合考虑喷头流量分布、雾滴粒径分布，优化喷雾作业参数，而雾滴粒径空间分布的实验测量将提供理论基础。建立雾滴沉积特性模型，通过仿真模拟计算，全方位掌握雾滴群运动的空间结构和撞击植物叶面过程，掌握雾滴群形态演化的具体阶段细节和雾滴群流动变化状态和能量平衡与转换过程，为研究喷雾理论提供相应的模拟计算方法。通过对风幕式喷杆喷雾机玉米田间施药试验及3WGZ-500型喷雾机对靶喷雾系统果园喷雾试验，研究田间与果园中喷雾参数对雾滴沉积、覆盖规律和流失率的影响，应用雾滴群撞击界面过程的数值计算模型，平均调高农药使用率14.32%。课题研究为提高农药使用效率，发展精少量施药技术和装备，减少农业污染提供理论基础。