气流作用位置对杂交水稻制种气力式授粉花粉分布的影响

摘要：为研究气流作用位置对杂交水稻制种气力式授粉花粉分布效果的影响,分析了杂交水稻气力式授粉中花粉的两种运动情况,重点分析了气流作用下植株受力及气力作用层下层的花粉运动情况,对气流不同作用位置产生的弯曲变形进行了对比分析,从花粉的分散密度、水平分布、竖直分布三个方面评价气流作用位置对花粉分布的影响效果。结果表明：气流作用位置对花粉量、水平分布、竖直分布影响明显,气流中心作用在穗头中部位置（穗顶下100 mm/200 mm）时,能得到较大的花粉扩散量,花粉水平、竖直分布量明显增多,且有利于花粉沿气流方向的分布;作用位置主要影响传播花粉量以及花粉的分布,对花粉沿气流方向分布的距离影响较小。     

气流速度对杂交水稻制种授粉花粉分布的影响

气流速度(包括自然风速)对杂交水稻制种授粉过程中花粉分布情况的影响十分显著,直接关系到制种产量。为研究流速对授粉效果的影响,该文首先分析杂交水稻气力授粉的基本原理,通过试验验证气流速度对花粉分布的影响,从花粉的分散密度、水平分布、垂直分布3个方面进行评价。结果表明:花粉分布受气流影响显著,水平分布量、竖直分布量以及花粉总量都随流速的增大而增大;水平分布出现特有的双峰图像,且后峰随流速的增大远离花粉源;竖直分布随流速的增大向气流中心靠拢,说明花粉在一定速度的定向气流中能保持较好的直线传播。气流速度为20m/s时,水平花粉量较多,且竖直分布能满足作用范围内花粉的传播要求。该文为进一步研究气力授粉机械提供依据。     

气力式授粉喷气管道参数优化与试验验证

杂交水稻制种气力式辅助授粉时,花粉随气流场运动,喷气管道多个喷孔的气流场叠加,表征气流场特性的射流极角、出孔动压对花粉分布均匀性、传播距离起决定性作用,为探索射流极角、出孔动压与管道参数之间的影响关系,获得较理想的气力授粉管道参数组合。该研究首先分析喷气管道气流场的叠加原理,采用消防烟雾弹发出有色气体经喷气管道的喷孔喷射并拍摄气流场图片,选取喷管直径、喷管壁厚、喷孔直径三因素为影响因子,以射流极角、出孔动压为评价指标,进行三因素五水平的单因素和多因素正交试验,通过对试验结果进行极差分析、矩阵分析,获得各因素对气流场特性的影响规律,找出较理想的因素组合并进行验证试验。结果表明,喷孔直径对射流极角和出孔动压的影响显著,3个因素的影响顺序为喷孔直径、喷管直径、喷管壁厚,较优的因素组合为喷管直径63 mm、喷管壁厚5 mm、喷孔直径12 mm,此时的射流极角为13.38°,出孔动压为31.6 Pa。验证试验表明,优化的因素组合明显提高花粉分布均匀性,花粉分布不均匀度（方差）降为1.33,花粉能形成覆盖母本行呈正态分布特性的单峰分布,能够满足气力辅助授粉对授粉管道的作业要求,研究结果为气力式授粉喷气管道的设计提供参考。     

“击穗气吹式”杂交水稻制种授粉机授粉管优化与试验

为克服人工授粉效率低、花粉分布均匀性差等缺点,实现杂交水稻制种机械化授粉,该文设计并试制了击穗-气吹式杂交水稻授粉机,利用CFD数值仿真技术对该机气吹嘴式和气吹孔式2种授粉管的气流场分布进行数值模拟,测试了不同流量下授粉管各吹气孔流速;然后进行田间授粉试验,采用重力玻片法检测了授粉机授粉与人工授粉时花粉分布。结果表明,在相同进气口速度条件下,吹孔式授粉管外部分气吹孔气流倾斜,授粉管外侧存在气流未达到的死区;气嘴式授粉管外侧各气吹嘴气流方向基本一致,可为气流授粉提供均匀稳定的气流场,吹嘴式授粉管是较理想的授粉管型式;在进气口风速为5.4、10.0和13.5 m/s时,吹嘴式授粉管各气吹嘴出口气流速度的模拟与实测值沿授粉管的变化趋势一致,气吹嘴出口气流速度模拟值与实测值的平均误差分别为2.14%、2.40%和3.43%,气流沿授粉管分布的均匀性变异系数分别为14.76%、15.93%和16.31%。田间授粉试验表明,在气吹嘴出口平均流速为7.3 m/s时,该机的每行花粉量及各母本行花粉量分布的均匀性上均优于人工授粉,授粉效率高于人工授粉法,为杂交水稻制种机械化授粉提供了实用机型。     

杂交水稻穗层埋入式管道送风辅助授粉机设计与试验

高地隙杂交水稻制种授粉机在作业过程中,当泥底层高差变化过大时,两侧的授粉器上下颠簸导致授粉器风场脱离父本穗层最佳作用位置,甚至完全脱离父本穗层,从而导致局部区域出现授粉缺失。为解决上述问题,该研究设计了一种杂交水稻穗层埋入式管道送风辅助授粉机,从减轻授粉器质量和增加有效作用深度2个方面进行优化,对授粉器的分流器和授粉管进行分析,并对分流器的气流均布效果和授粉器的气流风场特性进行仿真试验。仿真结果表明:在工作区间内,分流器的气流均布效果与入口风量无关(P0.05),根据参数优化选出的分流器可使3支授粉管的入口总压平均变异系数仅为1.14%;授粉管的喷孔直径为12 mm时,授粉边界区域风场速度约为1.2 m/s,可保证花粉横向悬浮运送至整个母本区域。根据理论分析和仿真结果试制样机并进行试验,结果表明:授粉机行走速度为1.5 m/s,作业效率约14 hm~2/h,在通过200 mm地面高差时依然具有稳定的穗层风场保持能力,授粉管喷孔轴心气流平均速度为34.2 m/s的条件下,母本厢花粉采集点的载玻片单位视野内平均粒数为8.35粒(杂交水稻制种农艺上要求至少有3粒花粉),其中平均花粉粒数多于3粒的采集点数量占比为96.02%,基本解决了局部区域授粉缺失问题。该研究可为杂交水稻制种田间机械化授粉提供参考。     

气力式杂交水稻制种授粉机授粉管结构参数优化

针对当前杂交水稻制种对机械化授粉装备的迫切需求，设计了气力式杂交水稻制种授粉机。首先对其关键部件授粉管建立了计算流体力学模型，进一步以授粉管内径、气流出口长度与宽度为因素，以气流出口流速变异系数、气流覆盖高度为指标，利用Design Expert软件设计了三因素三水平的Box-Behnken仿真试验，最后对授粉管结构参数进行优化。结果表明：在授粉管内径为60～80 mm、气流出口长度为100～200 mm、气流出口宽度为4～10 mm的范围内，授粉管内径、气流出口宽度及授粉管内径与气流出口宽度的交互作用、气流出口长度与宽度的交互作用、气流出口宽度平方对气流出口流速变异系数影响极显著（P<0.01）；授粉管内径、气流出口长度与宽度及二者的交互作用、授粉管内径与宽度的交互作用对气流覆盖高度的影响极显著（P<0.01）。授粉管较佳结构为内径64.49 mm，气流出口长度、宽度分别为200.0、7.25 mm，此时出口气流速度变异系数为9.10%，气流覆盖高度187.57 mm。为便于加工，选用授粉管内径61.5 mm的标准不锈钢管，取气流出口长度、宽度分别为200、7.5 mm并进行验证试验，气流出口流速仿真值与实测值基本一致，实测流速变异系数为8.83%～9.25%，气流出口流速分布均匀。研究结果可为气力式杂交水稻制种授粉机参数优化提供理论参考。     

涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机设计

为了寻求更高效、更可靠的辅助授粉方法,以利于实现杂交水稻制种的全程机械化,该文设计了一种涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机,采用计算流体力学技术对涵道风扇式授粉器的流场特性进行仿真研究与试验分析,并试制了样机,根据仿真试验得到的授粉器优选参数,进行了田间验证试验。试验结果表明,在授粉机行走速度为1.5 m/s及授粉器电机转速为9 000 rad/min条件下,单位视野内母本厢花粉采集点的花粉平均粒数为8.39粒(杂交水稻制种农艺上要求至少有3粒花粉),较好地满足了杂交水稻制种授粉对花粉数量的最低要求。安排了涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机赶粉与农用无人机赶粉的实际生产作业对比试验,测得2种授粉方式的结实率分别为44.2%、42.7%,两者作业效果相近,说明所设计的涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机能满足杂交水稻制种的实际生产需要。该研究为杂交水稻制种机械化提供了参考。     

双腔气力式水稻精量水田直播机设计与试验

杂交水稻分蘖能力强，产量高。为满足杂交水稻水田直播需求，该研究以3～5粒/穴为播种目标，设计了一种双腔气力式水稻精量直播机。介绍了双腔气力式水稻精量直播机主要工作部件结构，并对负压风力系统进行选型与设计。以杂交稻甬优4949为试验对象，以吸种负压与直播机前进速度为影响因素进行了田间试验。试验结果表明：当吸种负压为3.2 kPa、直播机前进速度为0.2～0.4 m/s时，10行排种器平均播种合格率（3～5粒/穴率）为91.04%，0～2粒/穴率为2.23%，大于5粒/穴率为6.73%，各排种器之间的播种合格率变异系数为1.24%，满足杂交稻田间播种作业要求，为水田精量直播提供了参考依据。     

杂交水稻制种机械授粉研究现状及发展对策

制种是杂交水稻生产过程的重要组成部分,授粉是制种的关键环节,对杂交水稻制种的产量和效益有明显影响。研究国内外杂交水稻授粉技术与装备的现状表明目前所采用的授粉机械依据工作原理的不同有碰撞式和气力式二种。通过分析二种授粉装备的工作原理,总结出它们的特点和存在的不足。现用的授粉装备存在授粉不匀、损伤植株等问题,对授粉效果带有一定的盲目性和随机性。杂交水稻授粉应向机械化、多用途化综合发展,提出了探索不同机械授粉方式的科学性、研究不同机械授粉方式的适应性、寻求合理的工作参数、确保安全隔离防止生物学混杂和开发适用的授粉机械的对策和建议。     

手持式风送授粉机研制与试验

针对中国果树授粉大多采用人工点授、蜜蜂授粉等作业方式,迫切需要机械授粉机具的现状,研制了手持式风送授粉机。该机采用可变速的直流电机驱动离心风机,依照流体力学射流原理,计算授粉出口风速并设计了离心风机,叶片型式采用径向直板叶片,叶轮型式为平前盘,叶轮直径38 mm,叶片数为6,叶片宽度为18 mm。通过室内试验和样机田间试验分别测试了风机性能特性和气流速度对花粉分布的影响及猕猴桃柱头处的花粉覆盖率,试验结果表明:风机转速在8 000 r/min时风量为3.0×10-3 m3/s,满足风送授粉作业要求,风机转速9 000 r/min时全压效率较高,达到43%;花粉分布受风速影响较大,花粉竖直分布量以及喷粉量与出口风速成正比,且水平分布、竖直分布峰值随着风速的增加而后移,竖直分布峰值在距出口一定距离内保持稳定,显示花粉在一定速度的定向气流中能保持较好的直线传播;随着出口风速的增加,柱头处花粉覆盖率提高,当出口风速达到19.5 m/s时,花朵柱头平均有57.66%的花粉覆盖率。研究结果可为进一步研究风送授粉机的结构设计和作业参数优化提供依据。     

单旋翼电动无人直升机辅助授粉作业参数优选

不同类型的农用无人直升机的结构不同,旋翼所产生气流到达作物冠层后形成的风场也有较大差异,对应的风速、风向和风场宽度等参数对花粉的运送效果直接影响到授粉的效果(母本结实率)、作业效率及经济效益。该文采用单轴单旋翼电动无人直升机,根据正交试验设计法设计了3因素(飞行高度、飞行速度和飞机及负载质量)3水平的正交试验,通过考察平行于飞行方向(X向)、垂直于飞行方向(Y向)、垂直地面(Z向)3个方向上的峰值风速(X、Y向越大越好,Z向越小越好)、Y向风场宽度(越宽越好)、动力电池的压降(放电越慢越好)3个指标,对单旋翼电动无人直升机用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数进行优选,试验结果分析表明:SCAU-2型单轴单旋翼电动无人机在峰值风速1 m/s时对应的水稻冠层有效风场最宽可达8.1 m,最窄为4.9 m,该机型在所设计的试验条件下基本能满足传播花粉的需求;该机型在水稻冠层所形成风场的峰值风速主要受飞机的飞行速度、飞机及负载质量、飞行高度影响,且随着飞行速度的降低、飞机及负载质量的增加、飞行高度的降低,其峰值风速有逐步增大的趋势。结合有效风场宽度及电池电量消耗程度来考量,3种主要因素的主次排序及其较优水平依次为飞行速度1.56 m/s、飞机及负载质量14.05 kg和飞行高度1.93 m。该结果可为其他单轴单旋翼电动无人直升机用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数设置提供参考,而且也可为制定基于农用无人直升机的水稻制种辅助授粉作业技术规范提供依据。     

圆形多轴多旋翼电动无人机辅助授粉作业参数优选

圆形多轴多旋翼无人直升机与单轴单旋翼无人直升机相比,结构上有很大差异,因而其旋翼所产生气流到达作物冠层后形成的风场参数亦有所不同。该文采用3种圆形多轴多旋翼无人直升机,根据正交试验设计法设计了3因素(飞行高度、飞行速度以及飞机与负载质量)3水平的正交试验,通过考察平行于飞行方向(X)、垂直于飞行方向(Y)、垂直地面(Z)3个方向上的峰值风速、Y向风场宽度(越宽越好)、动力电池的压降(放电越慢越好)3个指标,对该机型用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数进行优选,试验结果分析表明:圆形多轴多旋翼无人直升机在水稻冠层形成的X向风场宽度明显大于Y向的风场宽度;有别于单旋翼无人直升机,圆形多轴多旋翼无人直升机X向风场只有1个峰值风速中心,Y向风场存在2个峰值风速中心,这一现象主要由飞行器多个旋翼的侧向气流叠加形成,相互之间存在干扰,而且也影响了Y向风场的有效宽度。在实际应用中,对于能实现GPS自主导航飞行的机型,应根据作业的便利程度尽量利用X向的风力,更有益于辅助授粉作业;而对于未采用GPS自主导航飞行的机型,为便于飞控手对飞机位置的判断与姿态操控而必须沿父本行方向进行飞行作业时(即利用Y向风力),应充分考虑垂直于飞行方向风场宽度较窄的实际情况,通过降低作业效率来弥补。圆形多轴多旋翼无人直升机在水稻冠层所形成风场的峰值风速主要受飞机的飞行速度、飞机与负载质量、飞行高度影响。结合有效风场宽度及电池电量消耗程度来考量,3种主要因素的主次排序及其较优水平依次为飞行速度1.30 m/s、飞机与负载质量18.85 kg和飞行高度2.40 m。该结果可为其他圆形多轴多旋翼无人直升机用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数设置提供参考,而且也可为制定基于农用无人直升机的水稻制种辅助授粉作业技术规范提供依据。     

基于鹅舍气流场CFD模拟的通风系统结构优化与验证

针对鹅舍内机械通风时大量气流扩散于鹅舍上方而位于地面鹅只通风效果受阻的气流问题,提出一种基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的结构优化方案。通过在舍内主梁下端安装相同高度且与气流方向呈一定倾角的多个可拉伸卷膜构造方法,提高种鹅舍内有效的通风效率。依据试验现场边界条件,构建并求解了鹅舍的三维稳态模型,舍内40个测点的风速模拟值与实测值均方根误差为0.152 m/s,最大绝对误差为0.29 m/s,平均相对误差为2.04%,验证了建立的鹅舍CFD模型的准确性。根据不同优化方案数值模拟了27组不同改造后鹅舍内气流场分布情况,仿真得出最优组合方案:在42 m长的舍内安装卷膜个数为10个,卷膜与主梁竖直方向倾斜角度为60o以及卷膜最大下拉高度为1.2 m时舍内通风效率最高、气流分布最均匀。通过现场实测,对比改造前后40个测点的风速值,试验结果表明:改造后鹅舍较常规鹅舍平均风速增加0.527 m/s,舍内气流不均匀系数降低32.2%。该试验结果为种鹅舍的结构设计、同类型畜禽舍结构优化以及改善通风降温效果调控提供了一定的参考依据。     

水稻直播机气流式分层施肥系统设计与试验

针对水稻不同生长期施肥劳动强度大和肥料易堵塞的问题,该文提出了一种水稻分层施肥技术,根据水稻种植农艺要求和根系分布特点,在水稻直播时将整个生长期所需肥料一次性分层施入土壤中,浅层施肥深度为30～40 mm,距离水稻行距离为50 mm,为水稻苗期生长提供养分;深层施肥深度为70～100 mm,深层施肥沟在2行水稻中间,为水稻的后期生长提供养分。设计了一种气流式分层施肥系统,根据分层施肥要求确定肥料分配器结构及分层施肥量调节比例;利用Solid Works软件对肥料混合器变截面处不同截面高度的进肥口风速和出口处的负压进行仿真分析和试验验证,确定气流肥料混合器变截面通道高度为20 mm;对气流式分层施肥系统进行性能试验,以风速、肥量分配比例调节板开度和施肥管道长度为主要因素进行正交试验。试验结果表明,当风速为18 m/s、肥量分配比例调节板开度为30°、施肥管道长度为1 000 mm时,浅层施肥量变异系数为1.61%、深层施肥量变异系数为1.58%、2个浅层施肥量和深层的施肥量分配比例误差为1.91%。将气流式分层施肥系统安装在2BDH-10型水稻直播机上进行田间作业性能试验,田间试验结果表明,2个浅层施肥量与深层施肥量分配比例最大误差为7.76%,浅层施肥量最大变异系数为3.98%,深层施肥量最大变异系数为4.41%,满足水稻种植分层施肥的要求。研究结果可为水稻气流式分层施肥技术研究提供重要参考。