矮化密植果园摇摆变量喷雾机参数响应面法优化

针对矮化密植果园作业特点,设计了一种具有多角度变速摇摆喷头功能的电力驱动果园喷雾机。基于Box-Behnken原理设计四因素三水平的中心组合试验,并结合响应面分析法研究了喷雾流量、喷雾距离、喷雾机行走速度和喷头摆动速度对雾滴分布均匀性的影响;以雾滴分布变异系数为响应值创建二次多项式模型,并利用软件Design-Expert 8.0对模型进行分析和优化,得到喷雾参数的最佳组合。结果表明：各因素对喷雾分布变异系数的影响大小顺序依次是：喷头摆动速度、喷雾距离、喷雾流量、喷雾机行走速度;喷雾参数的最佳组合为：喷雾流量375.20mL/min、喷雾距离1.72m、喷雾机行走速度0.14m/s、喷头摇摆速度16.19（°）/s,此时雾滴分布变异系数为11.471%。     

温室摇摆式变量弥雾机喷雾参数响应面法优化

设计了具有喷头变速摇摆功能和自动进、排药功能的温室摇摆式变量弥雾机。为验证和优化喷雾机的施药效果,以喷雾流量、喷雾距离、喷雾机行走速度和喷头摆动速度为自变量,雾滴分布变异系数为响应值,根据Box-Behnken试验设计原理,采用四因素三水平响应面分析方法,并利用Design-Expert软件建立数学模型,对各因素及其交互作用进行分析。结果表明：4个因素的影响显著性由大到小依次为：喷头摆动速度、喷雾机行走速度、喷雾距离、喷雾流量;喷雾机的最佳喷雾参数为：喷雾流量185mL/min、喷雾距离2m、喷雾机行走速度8cm/s和喷头摆动速度5(°)/s,此时雾滴分布变异系数为1.632%。     

温室风送式弥雾机气流速度场与雾滴沉积特性分析

基于CFD模拟技术建立了温室风送式弥雾机气流速度场分布模型和雾滴沉积模型。根据实测的弥雾机相关参数,确定了边界条件及模型参数,得到了不同风送气流速度和不同喷头体倾角条件下的弥雾机气流速度场分布特性和雾滴沉积规律。设计了与模拟条件相同的验证实验,对模拟结果进行了验证分析。研究表明,模拟结果能够较准确地反映雾滴沉积规律,喷头体安装倾角为5°～10°时,弥雾机气流速度场分布有利于药液获得较好的沉积效果。     

悬挂式常温烟雾机气流场与雾滴沉积三维模拟与试验

基于CFD三维模拟技术,建立了常温烟雾机在密闭温室内作业的气流速度场模型及雾滴沉积分布模型,分析了常温烟雾机的气流速度场及雾滴沉积分布特性,并进行试验验证。模拟结果表明,常温烟雾机有效风送距离与风送速度呈正比,在喷雾高度为1.5 m时常温烟雾机风送距离最短;风送速度为5 m/s和25 m/s时雾滴质量流率较大,风送速度为20 m/s以上、喷雾高度在2.0 m以上时,雾滴沉积均匀性较好。模拟与试验结果对比说明,在风机作用区域内,所建立气流速度场数值模型模拟相对误差为10%~35%,雾滴沉积分布模型模拟相对误差为15%~35%,可较准确预测常温烟雾机气流速度场与雾滴沉积分布。     

果园施药机械资源消耗水平评价模型研究

在施药机械满足喷雾质量前提下,为降低果园施药综合成本,需要对果园施药机械资源消耗水平进行评估。本文选择典型地面风送喷雾机、单旋翼和六旋翼植保无人机进行果树施药试验,对比分析冠层雾滴沉积分布、雾滴穿透性、地面雾滴流失等主要喷雾效果指标,结果表明：3种施药机械在树冠纵向各层、横向各层雾滴沉积密度均大于25滴/cm2,能够满足果园植保要求;比较冠层雾滴分布/沉积均匀性,树冠纵向沿送风方向整体呈下降趋势,树冠横向由外到内整体呈下降趋势,变异系数最高分别达63.54%和79.19%;对比雾滴穿透性,风送喷雾机较优,纵向与横向变异系数最大为5.35%,单旋翼植保无人机横向最差,变异系数为35.20%,而六旋翼植保无人机纵向最差,变异系数达40.77%。但单旋翼和六旋翼植保无人机地面雾滴流失量分别是风送喷雾机的2.78%和12.50%,减少了农药浪费。进一步综合施水量、施药量、用工量、作业时长和作业能耗等指标,采用基于变异系数客观赋权法与主观赋权法两种线性加权方法,构建了施药装备资源消耗水平评价模型,验证结果均表明,综合资源消耗由小到大依次为单旋翼植保无人机、六旋翼植保无人机、风送喷雾机;两种评价方法的资源消耗综合评价指标值变异系数分别为110.2%和74.2%,说明基于变异系数客观赋权法的评价模型,综合指标值之间差异更明显、评价效果更符合实际。     

风送式喷雾机风筒结构设计与试验研究

基于棉花喷施落叶剂的需求,针对现有的棉花风送式施药机,设计了一种风送式喷雾机风筒,并利用计算流体动力学(CFD)仿真技术对风送式喷雾机风筒内外流场的三维区域进行了仿真,研究风筒气流场分布。仿真结果表明:风筒4个出风口处的速度分布均匀,整个风筒内流场区域风速变异系数较小。同时,通过试验验证了该仿真模型的可靠性,并将设计的风筒安装在喷雾机上进行实际大田作业,检验风送式喷雾机的雾滴沉积分布情况。试验结果表明:棉花整个冠层的叶片正面雾滴沉积率达到了79.58%,叶片反面雾滴沉积率达到了33.38%,冠层上部、中部、下部叶片正反面雾滴平均沉积率相差均1 0%,整个冠层雾滴沉积分布均匀性较好。     

风送式葡萄园弥雾机的设计与试验

针对目前国内大、中型果园弥雾机进地作业困难,植保作业方式多采用大流量、粗雾滴的传统喷雾技术,作业速度缓慢,生产周期长的问题,设计一种以小型四轮拖拉机为动力源,适合目前我国葡萄园篱架式种植方式的工作幅宽可调的轴流风送式葡萄园弥雾机。并通过室外实验,对风送式弥雾机植保作业的主要性能参数进行测定。雾滴沉积量方面,有风送式较无风送式提高48.9%;雾滴直径方面,有风送式较无风送式,雾滴平均直径由122.3μm减小到90.3μm,雾滴均匀度DR值提高14%,雾滴的均匀性提高。     

华北地区冬季温室植物冠层温度建

基于温室内植物冠层能量平衡关系,建立了与温室内、外气象条件和温室结构相关的冠层温度模拟机理模型,并在华北地区文洛型温室内对该模型进行了试验验证.结果表明:模型能较好地模拟冬季温室内植物冠层温度,模拟值和实测值之间的相关系数为0.797 5,均方根误差为1.3℃.建立了冠层温度的BP神经网络模型,模型相关系数为0.783 5,均方根误差为0.6℃.在所建神经网络模型基础上,运用敏感性分析法对影响冠层温度的各因素进行重要性分析和排序,得出影响冠层温度的最重要因子是室内温度,其次为蒸腾速率、室外太阳辐射和室内相对湿度.     

履带自走式果园定向风送喷雾机

设计了结构紧凑、转向半径小的履带自走式果园定向风送喷雾机。对传动系统、履带行走系统和风送系统等关键部件进行了设计和计算,对定向喷雾机构进行了设计和试验验证。试验结果表明:有风送时雾滴沉积量比无风送时提高了42.9%,变异系数降低了18.5%;定向喷雾比普通喷雾雾滴个数提高了30.9%,变异系数降低了55.3%。     

设施固定管道式二相流常温烟雾系统雾滴沉积试验

针对缺乏设施专用高效施药机具,现有机具雾化性能差,农药有效利用率低,人员受毒害严重等问题,设计了设施固定管道式二相流常温烟雾系统,并结合推车式常温烟雾机,进行了喷雾性能对比试验,同时以结果期苏椒5号为试验对象,研究了作物冠层对二相流烟雾系统雾滴沉积分布的影响。试验设置二相流烟雾系统的工作气压为0.3MPa,液压为0.05MPa,施药流量为2L/min;常温烟雾机放置在温室中间位置距离前方采集区域2m处,风筒与水平地面呈15°倾角,向正前方喷雾,施药流量为1.5L/min,总施药时间为5min。结果表明,二相流烟雾系统每个采集区域的沉积量最大值均出现在喷头喷射方向前方约1m处（采样点4或5,与喷头喷射方向有关）,CV1稳定在25%~35%之间,反映出横向各采样点雾滴沉积量的差异和分布规律的一致性;常温烟雾机雾滴沉积量在前、中、后各区域内的变异系数分别为70%、29%和0,导致前方（7~9m）各采样点雾滴沉积量变异系数高达70%的原因是雾滴集中沉积在烟雾机前方的固定区域（采样点3~6）,而在两侧的沉积量过低,后方（41~43m）沉积量变异系数为0,是因为烟雾机风送距离有限导致后方各采样点无雾滴沉积。从沉积量的区间分布特性看,与常温烟雾机相比,二相流烟雾系统各采集区域雾滴沉积量的变异系数仅为13%。以上结果说明,二相流烟雾系统能够实现整个棚室的无人施药作业,且雾滴沉积分布均匀性较好;棚室内作物的存在有利于雾滴在周围叶片上聚集,雾滴沉积量在竖直高度和不同区域的分布无显著差异,变异系数不大于13%。综上所述,二相流烟雾系统工作性能稳定,雾滴分布均匀,可明显提升对病虫害的防治效果,能够实现人药分离作业。     

基于CFD的果园风送式喷雾机雾滴分布特性分析

基于CFD技术建立了Hardi LB-255型果园风送式喷雾机雾滴沉积分布模型.根据实测的喷雾机相关参数,确定了二维流场的边界条件及模型参数,得到了约束条件下的雾滴沉积轨迹及不同层面上的沉积比率.设计了与模拟条件相同的验证试验,对模拟结果进行了验证分析.研究表明,在距风扇中心小于240 cm的区域内,所建模型模拟结果能较准确描述雾滴沉积规律.     

径流小区尺度土壤入渗率影响因子与估算模型研究

基于次降雨水文过程,确定了影响土壤平均入渗率(i_m)的多个因子;借助野外人工径流场观测资料,研究im与多个因子间定量关系,构建i_m估算模型。i_m与坡度之间呈二次抛物线关系,随坡度增加呈先升后降的变化趋势。i_m随坡长、降雨强度的增加均呈线性增加规律,随次降雨量增加呈指数增加趋势,随土壤颗粒分形维数增加呈线性降低规律。im与地表植被盖度、前期土壤含水率之间均存在双曲函数关系,随二者递增分别呈逐渐增加和降低规律。基于上述7个函数关系,采用多元非线性回归法建立估算im的回归模型,模型约72%的数据点相对误差不超过10%。采用上述7个因子作为输入参数,建立预测i_m的BP神经网络模型;通过灰色关联度分析法确定了模型最优训练算法为Levenberg-Marquardt、隐含层神经元结点最优个数为15;模型约81%的数据点相对误差不超过10%。     

西北寒旱灌区裸露地表粗糙度SAR反演建模方法研究

快速获取大范围土壤地表粗糙度的空间分布是一个急需解决的科学难题。以快速获取内蒙古河套灌区解放闸灌域土壤地表粗糙度为目的,研究了RADARSAT-2雷达影像数据的地表粗糙度信息提取技术,通过剖面板法实测地表粗糙度数据。利用BP(Back Propagation)人工神经网络和LMBP(Levenberg-Marquardt Back Propagation)人工神经网络模型2种方法建立了土壤地表粗糙度的定量反演模型,并对模型进行验证。结果表明,LMBP模型的反演效果优于BP模型,其决定系数R2分别为0.888 3、0.689 2。建立的雷达后向散射系数反演土壤地表粗糙度的人工智能模型,能够在一定程度上满足快速获取土壤地表粗糙度的需要,为微波遥感监测土壤墒情及土壤盐渍化提供重要基础参数。     

基于单轴密闭压缩试验的草炭离散元参数标定

为了提升穴盘播种过程中草炭装盘、压穴、覆料的仿真准确性,基于草炭的物料特性,选择Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion（EEPA）模型在EDEM软件中建立草炭离散元仿真模型,通过单轴密闭压缩和虚拟仿真试验对草炭参数进行标定。通过物理试验测得草炭密度、粒径分布和接触参数,应用Plackett-Burman Design和最陡爬坡试验设计显著性分析试验,发现草炭间恢复系数、静摩擦因数、草炭切向刚度因子和剪切模量影响显著。应用Central Composite Design试验建立响应值与4个显著性参数的二次多项式回归模型,以单轴密闭压缩20%、50%轴向应变对应的轴向压力3.83、91.45N为目标值对显著性参数进行寻优,得到最优组合为：草炭间恢复系数0.202、草炭间静摩擦因数0.595、切向刚度因子0.667、草炭剪切模量0.613MPa。最后将该参数组合下的仿真值与实测值进行对比验证,在轴向应变范围20%~50%内实测值与仿真值的平均误差约为8.08%。相对误差在轴向应变40%左右达到最大值,为15.34%。结果表明基于响应面法标定的EEPA模型参数可用于离散元仿真研究。     

基于BP神经网络的跌扩型消力池设计应用

增大跌扩型底流消力池的突扩宽度和跌坎深度，可以有效降低消力池内临底流速和改善出池水流流态，一定程度上减小消力池长度。基于试验研究结果，应用BP神经网络理论，以突扩宽度、跌坎深度及测点距离作为模型输入参数，临底流速作为输出参数，建立BP神经网络预测模型。结果表明，所预测的临底流速模型参数试验值与预测值之间的平均相对误差＜10%，决定系数R2达到0.977 6，亦即基于智能算法的预测模型能够对水工模型试验研究形成很好补充。在此基础上，进一步给出了突扩宽度、跌坎深度变化和不同跌扩组合变化对消力池池长的影响。相对而言，增加突扩宽度对消力池长度减小的影响小于增加跌坎深度；同时增加突扩宽度和跌坎深度，能够更有效地降低消力池所需要的长度。      

陶瓷材料电加工表面粗糙度的预测

针对电加工工艺参数与性能指标的函数映射关系大多具有非线性的特征，提出了将BP神经网络引入电加工领域中。考虑到BP算法的不足，提出用遗传算法来优化BP神经网络的连接权值，设计了基于进化神经网络的学习算法，建立了陶瓷材料电加工表面粗糙度随工艺参数变化的预测模型。试验结果表明，该算法可以避免BP神经网络易陷入局部极小值等问题，预测精度高，相对误差在4％之内，进而验证了该模型的可靠性。     

基于MEA-BP神经网络的土壤养分评价模型

针对BP神经网络在解决复杂非线性问题时,存在初始权值和阈值随机赋值,网络学习速度慢,局部极小的问题,运用群体搜索能力强的思维进化算法(MEA),寻找出最优的初始权值和阈值,优化BP神经网络的网络结构,建立MEA-BP神经网络的土壤养分等级评价模型。以敦化市黑土的土壤养分数据作为测试集,评价指标选用土壤的有机质、全氮、速效氮、速效磷和速效钾。对比MEA-BP网络预测模型、遗传算法(GA)优化BP网络预测模型和单一的BP网络预测模型,结果表明MEA-BP网络预测模型的均方误差(MSE)最小、决定系数(R^2)最接近1和误差波动最小,可以更准确地反映土壤养分分级特性。     

地面弥雾机与六旋翼植保无人机在芒果冠层中雾滴沉积性能对比

为解决芒果园传统植保作业中农药用量大、施药不均匀、作业效率低等问题,并构建智慧芒果园,本研究对比了地面弥雾机和六旋翼植保无人机两种果园施药机具在芒果冠层中的药液雾滴沉积性能。将芒果冠层分为上中下层,以柠檬黄为示踪剂,使用高清相纸与滤纸采集药液雾滴,通过图像处理等手段分析雾滴沉积分布均匀性。试验结果表明,植保无人机在芒果树上部冠层叶片表面的雾滴覆盖率显著高于地面弥雾机,在其余冠层部位,两种施药机具在叶片表面药液无显著差异覆盖;植保无人机处理组叶片正反面平均覆盖率均为地面弥雾机的1.5~2倍,对叶片背面的防治优于地面弥雾机。地面弥雾机处理组叶片正面雾滴密度显著高于植保无人机,叶片背面无显著差异,植保无人机处理组正反面均未满足低量喷雾20个/cm2的病虫害防治要求。地面弥雾机药液沉积集中在中下冠层（61.1%）,植保无人机集中在上部冠层（43.0%）,冠层内部沉积比例地面弥雾机（48.6%）＞植保无人机（25.5%）,但地面弥雾机在冠层上部沉积能力不足,沉积占比仅为17%。研究表明,相较于植保无人机,地面弥雾机适用于芒果冠层中下部及内部病虫害防治,同时该机具较高的雾滴覆盖密度在喷洒杀菌剂时也有明显优势,植保无人机适用于针对芒果上部冠层如蓟马、炭疽等易发于外部花絮的病虫害防治。     

3WZF-400A型果园风送喷雾机改进设计

3WZF-400A型果园风送喷雾机通过安装直线导流板引导了气流速度场,在一定程度上解决了传统轴流式风送喷雾机农药浪费以及防治效果差的问题,但仍无法使靶标区域的气流速度分布与作物冠层轮廓匹配。本文以计算流体力学为手段,对该型喷雾机进行了改进设计。通过设置不同数量和角度的短导流板进一步引导喷雾机气流场,并建立了对应的气流速度场分布模型。通过对比选取最佳的改进设计方案,并进行了试验验证与喷雾性能测试。研究结果表明,当短导流板数量为2,喷雾机导流板角度组合为45°、15°、-15°和5°,且风机风速为20m/s时,在靶标处的气流速度分布能够与作物冠形轮廓匹配,所建立的模型能够较准确地模拟喷雾机实际气流速度场的分布。在此基础上以雾滴覆盖率为指标评价了改进设计后的喷雾机喷雾性能,并与改进前的喷雾机喷雾性能作对比,结果表明雾滴能够在垂直平面内按照作物冠形合理分布。