对冲喷头设计与雾化试验

【目的】针对植保机械扇形喷头雾滴粒谱较宽、雾滴粒径均匀度较差等不足,基于射流和撞击流耦合作用原理,提出一种新型喷头结构方案,以改善喷头雾滴粒径均匀性和雾滴谱。【方法】采用快速成型制造技术的光敏液相固化成型(SLA)工艺,选用C-UV9400立体光造型树脂材料,制造出喷头终端喷孔出水口形状相同、出水口孔径d_1=1 mm、切槽角α=30°的扇形喷头和新型对冲喷头;利用喷头雾化性能测试系统检测2种喷头的雾滴粒径和雾滴分布情况,使用分布跨度评价雾滴粒径均匀性。【结果】在距喷头终端喷孔出水口100 mm处,喷施压力在0.3～0.8 MPa范围内变化时,扇形喷头和新型对冲喷头的分布跨度分别在1.65～1.82和1.07～1.23之间,分布跨度小表明雾滴粒径均匀性好、雾滴谱窄,且从测得的雾滴分布图发现,新型对冲喷头的雾滴分布较集中;当喷施压力大于0.6 MPa时,扇形喷头雾滴粒径变化趋向稳定,而新型对冲喷头雾滴粒径随喷施压力增大还能不断减小,表明新型对冲喷头具有调压范围宽的良好调压特性;撞击后会形成较大雾滴,较大雾滴并有一定速度具备较好的穿透性能和抗飘移能力;为使喷头达到较佳的病虫害防治效果,建立了喷头雾滴粒径多项式回归模型,为喷头选用提供依据。【结论】基于射流和撞击流耦合作用的对冲喷头具有雾滴粒径均匀性较好、雾滴谱较窄、调压范围宽和抗飘性较强的特点,可为开发精准施药植保机械装备提供技术支持。     

面向林业病虫害防治的生物农药喷施系统

【目的】面向林业病虫害防治,设计开发针对生物农药的专用雾化喷头和喷施技术,为确定专门喷施生物农药的风送转盘式离心雾化机构提供理论支持,为预测不同测试范围、操作技术参数和转盘喷头结构下的雾滴粒径尺寸提供科学依据。【方法】设计制造风送转盘式生物农药喷头,构建雾滴粒径性能测试系统,雾滴在植物中的穿透性测试系统以及生物农药活性测试系统,通过改变离心雾化转盘喷头的结构参数(转盘外径、斜角、齿数)以及操作技术参数(流量、转速、风送机构风速)进行雾滴粒径、生物农药活性试验。【结果】1)转盘齿数和转盘斜角对雾滴粒径的影响不显著,而转盘外径、输药流量、转速和喷雾距离与雾滴粒径相关,雾滴粒径随着输药流量增大、转盘外径减小、转速降低和喷雾距离增加而变大。2)构建以输药流量、转盘外径、转速、喷雾距离等参数为自变量,以转盘喷头雾化后的雾滴体积中径为应变量的回归模型,经检验,回归模型调整R~2为0.917,具有显著统计意义。3)通过放置在目标树木不同冠层的水敏纸分析雾滴覆盖率,转盘喷头与风送机构结合,使雾化后的雾滴借助风力的吹送作用,能够更好地穿过树木冠层,迎着喷施方向前层植物上的雾滴覆盖率明显高于中层和后层,且随着风速升高,各层的雾滴覆盖率显著增大。4)以白僵菌作为喷雾介质,测试孢子萌发率来衡量生物农药喷施后的活性损伤情况。转盘喷头的雾滴粒径与转盘齿数和斜角的相关性极弱,而与转盘外径、输药流量、转速和喷雾距离密切相关,影响生物农药活性的转盘喷头结构参数和操作技术参数因素次序为:风速转盘外径转速输药流量转盘斜角转盘齿数。【结论】转盘喷头在风送机构的吹送作用下,可提高喷雾覆盖率,增强防治效果。综合雾化性能和防治性能数据,转盘外径0.1 m、输药流量20 L·h~(-1)、转速314 rad·s~(-1)、风送机构风速5 m·s~(-1)为面向林业病虫害防治生物农药喷施系统的最佳参数设置。     

固定翼飞机喷雾作业雾滴飘移规律研究

为了研究固定翼飞机喷雾作业雾滴飘移的规律,针对GP-81A航空喷头的3~#、4~#、5~#喷嘴,以农用航空常用的Y-5B飞机为平台进行航空喷雾作业试验,采用采样杯采样方法,通过改变雾滴粒径、航高、侧风风速3个因素开展雾滴的飘移沉积试验研究。通过SPSS软件对试验结果分析可知,3个因素对雾滴飘移均有显著性影响,对沉积量的影响权重大小为:雾滴粒径侧风风速航高;通过回归方程估算出不同试验条件下总沉积量的大小,进一步分析了3个因素对沉积量大小的影响;根据拟合结果及比较分析综合来看,当喷头型号为5~#,航高为5 m,侧风风速为1.5 m/s时作业喷洒效果最佳;通过AGDISP对不同雾滴粒径条件下雾滴的飘移轨迹及沉积量进行模拟分析,验证了雾滴粒径对航空喷雾飘移的显著影响。研究结果可为固定翼飞机实际喷洒作业中减少雾滴飘移、提高农药使用效率提供了科学依据。     

不同助剂对无人机喷雾雾滴在竹林中沉降和飘移的影响

为探究不同助剂对无人机喷雾雾滴沉降和飘移的影响，评价其作为喷雾助剂的可行性，破解无人机喷雾的关键技术，该研究以无添加助剂为对照，在喷雾药液中分别添加不同用量的5种助剂，开展雾滴检测和野外防治试验，分析不同助剂及其不同用量对雾滴的沉降分布、飘移及防效的影响。结果表明：与对照相比，添加U伴、加加乐等5种助剂均能显著降低雾滴的飘失，最适用量均为90mL/hm²，助剂可大幅提高雾滴在靶标区域的沉积量，提升防治效果。     

基于函数模型的喷杆式组合喷头雾滴沉积效果研究

大田喷杆式喷雾机在喷雾作业时,雾滴沉积均匀性会极大影响农药利用率和施药效果。目前对于喷头雾滴沉积的研究鲜见较为准确的分布预测模型。针对平面扇形喷头XR8002、XR8004和XR8006,探讨了不同喷雾高度下不同喷孔尺寸的喷头雾滴雾化规律,进而对单喷头雾滴沉积分布进行函数拟合,建立喷头雾滴沉积分布模型,研究单喷头及其组合喷头的雾滴沉积分布规律。结果表明:喷孔尺寸越小,雾滴完全雾化所需喷雾高度越大。当喷雾高度为50 cm时,3种喷头理想的安装间距均为65 cm;当喷雾高度为70 cm时,XR8002的最佳安装间距为70~75 cm,XR8004和XR8006则均为75 cm。本研究建立的单喷头及组合喷头的雾滴沉积分布模型具有较高的精度,为喷杆式喷雾机喷头最佳安装间距的选择提供了一种有效的方法。     

基于林木病虫害防治的移动喷雾参数对雾滴穿透性影响分析

林木病虫害防治过程中,常采用皮卡搭载喷雾系统进行移动喷雾,以达到快速高效的目的。为了研究移动喷施农药过程中喷雾技术参数对雾滴穿透性的影响,本研究构建了由供液模块、喷雾压力调控和速度实时显示模块、喷头高度和角度调节模块、速度控制调节模块和防冲撞限位模块5大部分组成的移动喷雾测试系统。通过研制的移动喷雾测试开展试验分析,分别设置了3种喷施压力、4种搭载平台行驶速度、国产和进口不同的多个喷头,对仿真树靶标进行了喷雾试验,在仿真树冠层内设置8个采样点铺放卡纸来测定雾滴沉积覆盖率,采用iDASPRO雾滴沉积分析数据,以此来测试喷雾技术参数对雾滴穿透规律的影响。经过统计分析,得到影响喷头穿透效果大小的因素次序:喷雾压力>搭载平台移动速度>喷头孔径,采用Design Expert试验分析软件,建立以喷头孔径、搭载平台移动速度和喷雾压力为自变量、以雾滴覆盖率为应变量的多元非线性回归模型。结果表明:雾滴沉积量随着喷雾压力的增加呈现增加的趋势,当移动速度为最小的0.25m/s时,雾滴沉积量明显高于移动速度为0.50m/s和0.75m/s时的值,研究结果对于植保作业中移动喷雾参数确定和器械选择提供了理论依据与应用参考。     

农用固定翼飞机的喷头喷雾特性

为获得航空AT系列固定翼飞机常用喷头的雾滴粒径分布情况,选取了CP-03喷头并对其进行了风洞和飞行条件2种情况下的雾滴粒径分布测试。试验中收集水敏纸,试验结束后利用扫描仪扫描,再导入iDAS PRO雾滴沉积分析软件进行雾滴粒径分布情况、雾滴覆盖率及回收率情况分析。试验结果表明,在喷头型号一定的情况下,随着出口风速的增大,雾滴粒径呈递减趋势。当出口风速分别为51.5,60.7和70.4 m/s时,1~#孔+A的雾滴粒径最大,分别为374.4,297.1和229.6μm,同时,喷头的结构(孔径和喷雾面的导流角)也对雾滴粒径有直接的影响。该研究为航空喷头的作业参数提供了依据,在实际作业时,需要根据作业对象和防治要求合理匹配喷头结构、作业飞行速度、飞行高度参数,从而达到最佳作业效果。     

喷头雾化性能及雾滴沉积可视化模型研究

农药喷施是全球广泛使用的防治林木病虫害的方法,最有效的形式是让雾化后的雾滴能有效沉积在目标表面(如病菌、害虫、叶片或树木的其他部位)并减少非靶标区域的农药流失。目前,很少有人对林木病虫害防治过程中的农药喷施进行实景建模研究,无法通过改变参数的输入来对器械选择、参数控制对喷头雾化效果和雾滴沉积等做出实时的反应,单纯依靠试验分析它们之间的因果关系需要耗费大量的人力和物力,而且短期内难以获得令人信服的结果。依据不同类型和喷雾量的喷头,笔者选用AI 110015气吸扇形喷头、TT 11002广角扇形喷头及XR 11001~3延长范围扇形喷头,利用激光成像系统和激光粒度仪测定喷雾角和雾滴粒径,并研究了雾化机理。采用荧光素钠作为示踪剂,测定了不同喷施压力、不同收集距离、不同采样高度等对雾滴沉积量的影响。借助Visual C++和Open GL软件,运用调用数据库的方法对喷头雾化性能和雾滴沉积进行仿真模拟,根据粒子系统原理,能实现在不同输入参数下雾滴雾化情况和沉积效果的可视化显示,实现了系统的安全维护性和友好的人机对话性,为进行正确的施药技术与器械决策提供必要的理论支持、技术依据和直观演示,从而提高林木病虫害的防治效果。     

农药精确施用模型及其与林木虚拟生长模型协同研究综述

林木虚拟生长模型是应用计算机模拟树木在三维空间中的生长发育状况,而农药精确施用模型是应用计算机模拟农药按需定量喷施、与目标植物接触以及产生药效等一系列喷施作业情况。如果把两者耦合起来,将直观模拟出林木正常生长、受病虫害侵染、农药发挥效果、长势有所好转等一系列交互效果,可为调整植物保护策略、制定农药喷施方案和研制新型植保机械提供理论支持和技术支撑。文中分析了农林病虫害防治情况和农药精确施用的重要性,在综述国内外喷头雾化性能模型、沉降沉积模型（飘移模型）、施药量调节模型、雾化特性预测模型等农药施用模型研究现状的基础上,通过分析探讨两模型协同机理和林木虚拟生长模型及耦合模型实时性协同环境,提出了基于农药施用过程与防治药效的模型协同研究、基于林木形态结构模型的仿形对靶喷雾模型研究以及农药精确施用多模型交互协同研究的建议。     

基于地理加权回归模型的大兴安岭中部天然次生林更新分布

【目的】研究大兴安岭地区天然次生林不同位置间森林更新的空间相关性和空间分布模式,探索尺度效应对空间自相关性的影响,对森林更新的影响因子进行分析,从更深层次了解更新动态中潜在的规律性,为该地区天然次生林的经营决策提供理论依据和技术支持。【方法】以黑龙江省大兴安岭新林林业局翠岗林场为研究区,基于2018年7—8月在研究区建立的45块固定样地数据,以林分因子、地形因子、林分空间结构、土壤厚度和物种多样性5方面的9个因子为自变量,建立全局泊松模型和以地理加权回归模型为基础的4种尺度(5、10、15和20 km)地理加权泊松模型(GWPR)对该地区天然次生林更新状况进行模拟,利用全局MoranI和局域MoranI分别对模型残差的全局空间自相关性和空间分布状况进行描述,评价全局模型和各尺度局域模型的拟合效果,对尺度效应下各局域模型之间的差异进行说明,采用5 km尺度局域模型绘制研究区森林更新的空间分布,对研究区森林更新状况进行评价和分析。【结果】5 km尺度局域模型具有最好的模型残差局域化空间分布效果,可形成不同模型残差聚集分布的理想状态,模型变量的参数估计值产生跨度最大的变化范围,模型稳定性最好,随着空间尺度逐渐增大模型稳定性不断下降,但总体上要好于全局模型;同时,处于该尺度下的局域模型,模型残差的空间自相关性最低。局域模型的拟合效果好于全局模型,其中5 km尺度局域模型的MSE和AIC在所有模型中最小。研究区内更新株数呈南高北低、东西差异不明显的分布趋势。【结论】在构建局域模型时,应考虑空间尺度的影响,5 km尺度局域模型可以很好模拟研究区天然次生林更新的空间分布状况,有效降低甚至去除空间自相关性。研究区的林分更新株数主要集中在1 000～2 000株·hm~(-2)之间,更新等级处于不良水平,森林天然更新能力整体较弱,可采用人工促进天然更新等措施进行森林经营。     

树木风荷载与流场特性的风洞试验

【目的】研究不同树木布置方式下风荷载与风速的关系,同时分析树后流场特性,以期初步探明树木间存在相互干扰时的风荷载与流场特性,进而为树木防护和树木抗风提供依据。【方法】以豆瓣黄杨为试验树木,通过风洞试验,探讨单株、一排和一列3种布置方式下树木风荷载与风速的关系,同时对单株和一排布置下树后特定平面的流场特性进行研究。【结果】3种布置方式下树木所受到的阻力与倾覆力矩均随风速的增大呈幂函数增大;一排布置下树木的受力略小于单株布置情况,但两者差值随着风速的增大呈减小趋势,一列布置下树木的受力显著减小,其阻力值仅为单株布置时的1/3;单株和一排布置下树木的阻力系数与倾覆力矩系数均随风速的增大呈幂函数减小,一列布置下树木的阻力系数基本不受风速变化影响,倾覆力矩系数则随风速增大近似线性增加;在10 m·s~(-1)的来流风速下,单株布置下树后横风向平面内相对风速最小值为0.47,相对湍流度最大值为2.1,相对风速与相对湍流度的等值线均以树冠为中心呈辐射状分布,一排布置下树后横风向平面内相对风速最小值为0.42,相对湍流度最大值为2.2,相对风速与相对湍流度的等值线均以树冠为中心呈平行带状分布,2种布置下树后顺风向平面内相对风速与相对湍流度的等值线均以树冠为中心呈椭圆线分布【结论】树木风荷载随风速的增大近似呈幂函数增加,但树木间的相互干扰会对树木风荷载产生影响。风速相同时,单株、一排和一列三种布置方式下树木所受到的阻力和倾覆力矩均依次减小。树木的背风面存在风影响区,此区域的流场特性会发生显著改变,体现为风速降低和湍流度增大。单株布置时树后风影响区为以树冠为中心的辐射状区域,一排布置时树后风影响区为相对连续的区域。     

多杀菌素与碳酸铵复合微球的制备及其对沙棘绕实蝇成虫的防治效果

【目的】为克服单独使用引诱剂或农药防治沙棘绕实蝇成虫的局限性,通过采用微球包埋的方法将农药和引诱剂制成微球,使二者在林间缓慢释放,明确该药剂引诱及杀死沙棘绕实蝇的效果。【方法】以明胶和聚乳酸作为载体,多杀菌素和碳酸铵为芯材,通过溶剂挥发法制备含有杀虫剂与引诱剂的微球;碳酸铵为水溶性,多杀菌素为脂溶性,因此采用从里到外的"水溶性物质1/油溶性物质/水溶性物质2"的包埋步骤实现对引诱剂和农药的包埋;采用单因素试验设计,同时固定另外4种因素即聚乳酸、多杀菌素、明胶和反应温度,测定不同碳酸铵含量对微球理化性质的影响;采用红外光谱仪检测多杀菌素和碳酸铵是否成功包封在微球内;采用高效液相色谱法(HPLC)测定微球中多杀菌素的含量;应用凯氏定氮仪测量并计算出微球中的碳酸铵包载量;使用透析袋法测量多杀菌素的释放速率;使用手持氨检测器检测微球对氨气的缓释效果;微球的形态采用扫描电子显微镜进行观察和记录;微球的大小和粒度分布则采用激光粒度分析仪进行分析;采用生物测定方法测试微球对沙棘绕实蝇成虫的引诱和致死作用;并在野外开展无人机喷洒微球防治沙棘绕实蝇的试验。【结果】红外光谱分析显示,多杀菌素和碳酸铵被成功包封在微球内;以碳酸铵为变量时,微球中多杀菌素和碳酸铵的载药量和包封率均呈先增大后减小的趋势;微球中的多杀菌素持续释放时间约为15天,高于纯多杀菌素持续释放时间(7天),纯碳酸铵最长释放历期为6天,而微球中的碳酸铵最长缓释历期为14天,能够实现杀虫剂和引诱剂持续释放的目的;制备的4种不同含量碳酸铵形成的微球都呈球形、分散状,大小较为均匀,表面多孔,微球平均粒径60μm左右;所制备的微球对沙棘绕实蝇的毒杀和引诱作用分别与对照相比都存在显著差异(P0.05);与对照相比,沙棘绕实蝇的虫口密度平均降低约76.13%,沙棘果实的受害率平均降低约75.38%。【结论】采用多杀菌素和碳酸铵制成的微球,可达到缓释效果,具有引诱和杀死沙棘绕实蝇的作用,可用于沙棘绕实蝇的防治。     

乌兰布和沙区不同下垫面的土壤风蚀特征

【目的】研究荒漠生态系统典型植被群落对近地层风沙活动的影响,揭示荒漠生态系统中不同下垫面条件的土壤风蚀特征。【方法】在乌兰布和沙区东北缘荒漠-绿洲过渡带内,选取油蒿半固定沙丘(盖度约20%)、白刺半固定沙丘(盖度约30%)、油蒿固定沙丘(盖度约40%)、白刺固定沙丘(盖度约40%)、流动沙丘(CK)5种典型下垫面,运用风蚀钎和风沙流采集系统,实时监测5种下垫面的风蚀动态,定量分析不同下垫面条件下的土壤风蚀量、风蚀物的垂向分布及粒度组成的差异性。【结果】乌兰布和沙区不同下垫面同期土壤风蚀深度为:流动沙丘油蒿半固定沙丘白刺半固定沙丘油蒿固定沙丘白刺固定沙丘,当风速达到4.1 m·s~(-1)时,流动沙丘即可观察到沙粒蠕动,当风速达5.1 m·s~(-1)时积沙仪可收集到风蚀物。油蒿半固定沙丘、白刺半固定沙丘、油蒿固定沙丘、白刺固定沙丘的风速分别达到6.3,6.5,6.8,7.9 m·s~(-1)时方可发生风蚀;5种下垫面0~100 cm垂直断面上,67.6%~90.0%的风蚀输沙均分布于30 cm高度范围之内,挟沙气流中输沙率随高度增加呈幂函数规律递减,随风速增大呈幂函数规律递增,各高度层风蚀物粒度组成呈单峰态分布,峰值处在250~100μm之间,0~20 cm高度层峰值与其余各层的峰值范围差异明显且偏向粒径趋大的方向;自下而上,极细沙的粒度构成比例呈递增趋势,中沙的粒度构成比例呈递减趋势。【结论】随着植被盖度的增加,土壤风蚀程度显著减轻,流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年风蚀深度依次降低。盖度为40%的油蒿、白刺群落,其地表风蚀深度仅为流动沙丘同期风蚀深度的1.73%~1.52%,0~100 cm高度范围内的输沙率仅为流动沙丘输沙率的6.6%~5.1%。在荒漠生态系统中,植物群落主要通过覆盖地表、提高下垫面的粗糙度和拦截沙粒的运动来缓解气流对地表的侵蚀作用。因此,在防沙治沙工程实施过程中,要充分考虑和利用植被防风抗蚀的生态效应。     

基于主成分分析的农药在线混合均匀性分析方法

农药在线混合是农药精确使用的有效途径,其中在线混合均匀性是影响施药效果的关键因素。利用高速摄像和图像处理技术结合主成分分析方法(PCA),研究了农药在线混合均匀性的计算方法。在混药浓度一定的条件下,研究了不同流量下的混药流场,利用高速摄像系统采集图像:提取兴趣区域图像(100×300)并进行均值滤波和简单缩放预处理,选择感受野大小为50×50像素、步距为5像素的步距式搜索方式来选取感受野子图,并对感受野子图进行尺寸为2×2像素、步距为2像素的均值池化;设置累积方差贡献率等于98%,对所有感受野子图进行PCA分析,可视化主成分特征和主成分系数分布,根据主成分特征相似性来可视化均匀性和定量计算不均匀性值。其中,当流量逐渐减小时,农药在线混合不均匀性值均值逐渐增大,均匀性变差。研究表明,利用高速摄像技术和主成分分析方法计算农药在线混合均匀性是可行的,为农药在线混合均匀性评价提供了一个新途径。