基于最大熵原理的喷雾液滴粒径分布预测研究

液滴粒径分布是喷雾过程质量、动量和能量输运的关键参数，为确定喷雾中液滴粒径的分布，基于最大熵原理，通过平均直径约束条件，构建雾滴粒径数量概率密度分布的最大熵模型，应用环形鼓风喷嘴雾化的实验数据对液滴粒径分布模型进行优选。结果表明，构建的三参数和四参数最大熵模型的预测结果最为理想，预测的液滴粒径分布与实验值的相关系数均高于0.96,均方根误差均低于0.135。通过对比三参数和四参数最大熵模型预测结果的赤池信息准则数，表明三参数最大熵模型更适合喷雾液滴粒径分布的预测，应用不同类型喷嘴的雾化液滴粒径分布实验数据对三参数最大熵模型的适用性进行检验，结果表明模型的预测值与实验值吻合较好。最后将优选的三参数最大熵模型应用到Pratt&Whitney Canada公司制造的压力喷嘴喷雾液滴的粒径分布预测研究中。研究表明，构建的三参数最大熵模型，预测结果与实验数据基本吻合。     

基于LPM的摇臂式喷头水滴分布试验研究

为了研究旋转式喷头水滴直径、速度及动能的分布规律,采用激光雨滴谱仪(Laser Precipitation Monitor,LPM)对3026B型摇臂式喷头分别在0.15,0.20,0.25,0.30,0.35 MPa这5种工作压力下进行了室内无风水滴分布试验,并根据最小二乘法原理建立了水滴分布数学模型.试验结果表明:3026B型摇臂式喷头的喷洒水滴直径与喷头距离之间总体上呈指数函数分布;直径在1~3 mm的水滴在5种压力下占整个喷洒区域的频率分别为56.80%,64.35%,72.14%,61.72%,40.17%;距喷头不同距离的水滴累积频率曲线斜率随着压力的增加逐渐减小;水滴速度与直径呈对数函数分布;水滴动能与喷头距离呈指数函数分布,其相关系数在0.8以上.压力对近处水滴直径、速度及动能的分布规律影响较小,对远处的影响较大.     

作物冠层雾滴沉积研究进展与展望

精准施药的目标是实现冠层内雾滴的全覆盖和均匀沉积。然而,作物冠层形态、郁闭度和枝叶力学参数等特征差异大,需综合靶标特征参数、器械施药能力、施药环境条件等作业工况参数,才能实现最少药液用量和最佳雾滴沉积的双重目标,从而提高药液利用率、确保防治效果、降低环境污染。雾滴沉积机理、检测与分析是精准施药参数优化与控制的决策依据,成为数字化、智能化植保作业装备技术发展的研究热点。首先分析了不同施药方式下冠层内雾滴沉积过程及辅助手段对沉积性能的影响机理,归纳了改善作物冠层内雾滴沉积的不同研究视角、方法和层次。然后从沉积性能田间试验研究、沉积机理分析与建模、雾滴沉积检测与评价、施药作业参数优化等方面重点阐述,分析了近年来冠层雾滴沉积中雾滴、枝叶、气流等交互作用研究的共性关键问题,归纳了该领域技术研究的开放性问题。最后总结了精准施药技术中作物冠层雾滴沉积相关研究面临的挑战和机遇,提出了融合多源传感技术和大数据分析及深度学习等人工智能技术,构建作物冠层雾滴运移及沉积数字孪生体,实现冠层雾滴运移沉积过程数字化描述与分析的研究建议。     

助剂影响大载荷植保无人机喷洒沉积特性的试验研究

为了研究助剂对大载荷植保无人机喷雾沉积分布均匀性、雾滴抗飘移性和抗蒸发性的影响,通过添加5种喷雾助剂改变液滴的表面张力,并利用热线风速仪测量了FR-200大载荷植保无人机不同作业环境下的风速和温度,对FR-200大载荷植保无人机的雾滴沉积分布均匀性、抗飘移性和抗蒸发性这3种喷洒沉积特性进行了试验研究.试验采用图像处理软件DepositScan分析雾滴沉积参数,获得雾滴沉积分布规律.结果表明:大载荷植保无人机添加喷雾助剂进行施药作业时,能提高靶区范围内的沉积浓度,溶液的表面张力越低、雾滴沉积分布越均匀;在侧风作用下大载荷植保无人机不使用助剂时飘移现象十分明显,加入5种喷雾助剂后均能明显改善雾滴抗飘移性;通过分析不同温度对雾滴沉积的影响,发现温度升高时,添加助剂可以提高大载荷植保无人机喷洒雾滴的沉积浓度,说明助剂可以改善雾滴的抗蒸发性.     

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.     

果园风送喷雾机性能对比试验

为探究果园静电风送喷雾机与传统风送喷雾机性能差异,预估施药过程各运行参数之间的相互关系,根据风送喷雾机试验方法国家标准,对3WFQ-1600型传统风送果园喷雾机和3WFQD-1600型静电风送果园喷雾机进行雾滴垂直分布对比试验,对喷雾距离、喷雾压力、喷头型号和冠层垂直高度进行不同水平设定并进行试验,运用SPSS软件分析雾滴沉积量和雾滴沉积分布情况。结果表明:3WFQ-1600型传统风送果园喷雾机在喷雾距离1.0~2.0m的范围内对雾滴沉积分布量无显著影响,靶标高度对雾滴沉积影响最大;3WFQD-1600型静电风送喷雾机在喷雾压力1.0~2.0MPa范围内对雾滴沉积分布量无显著影响,靶标高度对雾滴沉积影响最大;3WFQD-1600型静电风送喷雾机与3WFQ-1600型传统风送果园喷雾机相比,雾滴由于受静电场力的作用,垂直沉积分布更加集中,垂直分布均匀性也相对稳定。     

基于弹道轨迹方程的折射式喷头水量分布计算模型

针对折射式喷头水量分布模拟研究较少的问题,通过高速摄像技术测得了不同工作压力和喷嘴型号下水滴射流速度和射流弧度,构建了折射式喷头水束射流速度及弧度的指数模型,在此基础上基于弹道轨迹方程和水滴蒸发模型,采用Eclipse作为开发工具编写出折射式喷头水量分布的计算程序。该软件能够在已知喷头工作参数及环境条件下,模拟出水滴粒径分布、水量分布、能量分布等指标。采用软件计算出不同工况下Nelson D3000型喷头喷洒水力特性,并依据模拟出的单喷头水量分布数据,以24 m平移式喷灌机为例进行多喷头组合叠加,与实测值进行对比,结果表明:基于3种模型下开发出的单喷头水量分布计算软件模拟出的水滴粒径分布及单喷头水量分布与实测值变化的规律相符,模拟准确度较高。不同间距下多喷头组合叠加时,喷灌均匀度相对误差在0.04%~14.77%,变化规律的差异性较小。该软件能够为移动式喷灌机优化设计提供技术支持。     

液体物性对静电喷雾雾化性能的试验研究

为研究液体物理属性对静电喷雾雾化性能的影响,文中使用流量阀和高压设备分别控制溶液流量和环形电极所施加的充电电压,在相同荷电条件下,使用不同的液体进行射流荷电喷雾试验,通过PDA测量系统对比分析了充电电压和液体物性对雾滴粒径分布的影响规律.结果表明:在一定的电压范围内,随着电压升高,喷嘴周围的电场强度增加,液体感应所带电量升高,大液滴被雾化为更加细小的带电雾滴.溶液的电导率是影响雾滴尺寸的重要因素,电导率越大,液体受到的电场力也就越大,所形成的带电雾滴尺寸就越小,但当溶液的电导率较小时,荷电电压对雾滴粒径分布起着主要作用.溶液的黏度和表面张力对液体雾化具有抑制作用,同一荷电条件下,随着表面张力和黏度的降低,雾滴粒径也随之减小.     

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PDA系统单喷嘴雾滴参数的试验研究

雾滴粒径和速度分布共同影响着农药雾滴在靶标上的沉积量和分布的均匀性。使用PDA系统对空心圆锥喷雾喷嘴进行试验与分析,测量TR80-03C空心圆锥雾喷嘴的雾滴粒径和速度分布情况。探究了在不同压力条件下雾滴粒径和速度在喷雾空间中水平方向和垂直方向的分布,结果表明:在距离喷嘴相同的位置,压力越大,雾滴粒径越小,在相同压力条件下,喷雾范围内沿水平方向的距离越远,雾滴粒径越大;在中轴线方向,距离喷嘴200~500mm范围内,距离喷嘴越远,雾滴粒径越大。为了进一步了解雾滴粒径分布规律,对雾滴的Dv0.5和D32进行多项式拟合以及曲面拟合,结果表明:在相同阶数的拟合函数中,Dv0.5与D32的拟合趋势是一致的,压力越大,拟合结果越好;D32与Dv0.5的拟合结果相比,表现更优一些。借助拟合函数,可以更加形象地描绘雾滴粒径在空间分布规律,预测一些非测试点的粒径,进而可以有针对易飘移区域进行防飘移,提高农药的有效利用率。     

水平棚架式梨树多旋翼无人机液体授粉试验

针对我国梨树授粉用工量大、作业效率低等问题,基于液体授粉技术,以水平棚架式栽培的梨树为研究对象,开展多旋翼无人机液体授粉试验,探究多旋翼无人机单位面积液体喷施量、飞行高度及授粉方式等对雾滴沉积分布及授粉效果的影响。试验结果表明多旋翼无人机液体喷雾授粉作业性能稳定,雾滴沉积分布组内变异系数不超过20%;雾滴覆盖率及雾滴覆盖密度均与喷施量呈正相关,当液体喷施量为6mL/m2时,飞行高度的变化对雾滴沉积分布影响显著,飞行高度为4m时,雾滴覆盖率及覆盖密度分别为7.06%、84.77个/cm2,花朵坐果率为49.70%,花序坐果率为85.83%,较自然授粉分别提高91%及43%。当花粉液体喷施量为4.5、6mL/m2时,无人机液体授粉与自然授粉花序坐果率差异显著,且无人机液体授粉与背负式喷雾器授粉花序坐果率无显著差异,花序坐果率可达80%以上。研究结果表明,无人机液体授粉作业时雾滴覆盖率及覆盖密度越高,对提升花朵坐果率、花序坐果率作用越显著,当无人机飞行高度为4m、花粉液体喷施量为4.5mL/m2时为较优的无人机液体授粉参数组合。     

自走式旋翼气流静电喷杆喷雾机喷雾性能测试

设计了一款自走式旋翼气流辅助式静电喷杆喷雾机,应用静电喷雾技术提高了雾滴在靶标上的附着性,利用气流辅助技术提高雾滴的穿透性。该机具有水平和垂直两种工作方式,可针对不同高度、不同长势的作物进行喷洒。对喷雾机开展了流量、水平喷幅测试,进行了雾滴沉积效果及雾滴穿透性等试验研究。研究结果表明:整机静态和动态流量接近,稳定性较好;随着喷头与靶标距离增大,喷雾幅宽增大。在整个幅宽范围内雾滴覆盖较均匀,当喷雾高度为1m时,9#~11#水敏纸上的覆盖率和沉积量最大;雾滴粒径为150~300μm,平均雾滴粒谱宽度1.1~1.8,说明雾滴分布较均匀。旋翼气流对雾滴在植株内的穿透性有直接影响,喷头距离靶标越近,雾滴穿透沉积效果越好。试验结果对优化旋翼气流静电喷杆喷雾机的结构,提高其应用效果具有重要意义。     

雾滴图像粘连特征改进判断及分离计数方法优化

雾滴在靶标上常出现粘连的情况,为准确测量雾滴尺寸、掌握雾滴分布规律,需要判断雾滴是否粘连,并用图像处理技术将粘连雾滴分开。首先提出判断雾滴是否粘连的改进方法,该方法结合雾滴的形状因子和面积阈值对粘连雾滴进行判断和特征提取,并用极限腐蚀法和迭代开运算法对粘连雾滴进行计数处理,其次调用迭代开运算标记的分水岭算法分割,最后对分割后雾滴的连通域进行标记及形状圆整。试验结果表明：该方法可实现粘连雾滴的自动判断和特征提取,弱粘连准确率100%,强粘连可达97.2%以上。该算法获得的雾滴粒径参数与激光粒度仪试验测量结果接近,其尺寸测量准确度较Deposit Scan软件计算平均提高了7.67%。基于相同的样本,与人工计数标定结果对比表明,该方法获得的雾滴个数快速且精准度达97.06%以上。     

多旋翼无人机不同作业参数对花生冠层雾滴沉积分布特性的影响

为探究无人机航空喷施时花生冠层雾滴沉积分布规律,设计无人机不同喷雾作业参数对花生冠层的雾滴沉积分布影响的试验。该试验以DJ T20型多旋翼电动无人机进行作业,以清水代替农药喷施采集雾滴沉积数据,以图像处理软件Depositscan来分析采集来的水敏纸数据。结果表明：各组试验的雾滴沉积分布趋势均相似,在靶区内雾滴沉积大致呈正态分布,受环境风场的影响,大量雾滴在中心航线左侧沉积,受无人机起飞时速度和高度的影响,各区域内第一条采样带R1的雾滴沉积效果较好;从雾滴沉积量、沉积密度均匀性分析可知,当飞行速度为2.5 m/s、喷雾流量为1.6 L/min,飞行高度为3.5 m时,喷雾效果最佳,为最佳作业组合;飞行高度、飞行速度对靶区内雾滴沉积量、雾滴沉积均匀性影响均显著。该研究对提高无人机喷施效率具有十分重要的指导意义。     

基于图像处理的雾滴检测技术

通过模拟田间实际喷雾情况,利用图像采集系统采集雾滴图像,对其进行增强和分割等预处理,并对粘连雾滴提出用改进的分离粘连雾滴算法进行了分离处理.基于相同样本,用图像处理方法获得的雾滴粒径分布及覆盖率等参数与激光粒度仪测量结果的对比分析表明,利用图像处理技术检测雾滴分布参数,其测量误差在6%以内.     

多旋翼无人机旋翼下方风场对航空喷施雾滴沉积的影响

风场是影响航空喷施雾滴沉积分布特性的重要因素之一。为了揭示多旋翼无人机旋翼下方风场对雾滴沉积分布的影响机理,通过无人机旋翼风场测量系统测量多旋翼电动无人机旋翼下方的风场分布,同时结合航空喷施雾滴在水稻冠层的沉积情况,分析旋翼下方X、Y、Z 3个方向的风场对雾滴沉积分布的影响,并对试验结果进行了方差分析和回归分析。结果表明:在无人机旋翼下方3向风场中,X和Y向风速对有效喷幅区内雾滴沉积量的影响不显著,Z向风速的影响极显著;X向风速对有效喷幅区内雾滴沉积穿透性的影响不显著,Y和Z向风速的影响分别为显著和极显著;X和Y向风速对雾滴沉积飘移的影响均不显著,Z向风场的影响显著;且当水平方向上X、Y向风速峰值越小、垂直方向上Z向风速峰值越大时,雾滴沉积均匀性越好,最佳值达到36.44%。另外,有效喷幅区内雾滴沉积量与因素Z向风速之间的回归模型及有效喷幅区内雾滴沉积穿透性与因素Y和Z向风速之间的回归模型的决定系数R~2分别为0.868和0.842,表明模型可以为实际作业提供指导。     

罩盖喷杆喷雾机的设计与防飘试验

在机动背负式喷杆喷雾机的基础上设计了一台适合大田作业的手扶式罩盖喷杆喷雾机,分别进行了田间和室内防飘性能试验。结果表明,罩盖喷雾能增加雾滴在冠层中的穿透性,尤其使用小流量喷头时防飘效果更加明显。罩盖能够显著增加药液在喷头附近的沉积,减弱雾滴向下风向的运动能力,减少飘失。使用ST110-015型喷头,喷雾压力0.4MPa时罩盖的防飘效果最好。在相同风速下,罩盖对雾滴的防飘失效果不同,对较小雾滴的防飘失效果优于较大雾滴。     

不同飞行参数下八旋翼植保无人机下洗气流场对雾滴沉积分布特性的影响

近年来,应用植保无人机防治农业有害生物已成为中国植保机械发展的一大新亮点。无人机旋翼提供飞行升力的同时具有下洗气流场,低空低量施药作业雾滴沉积分布质量优劣与旋翼下洗气流场的作用密不可分。为探究植保无人机旋翼下洗气流场对喷雾效果的影响,本研究以当前植保无人机主流机型——“X型”布局八旋翼无人机为研究对象,采用实际作业测试方式,利用微气象测量系统测定无人机飞行状态下旋翼下方不同水平位置下洗气流场风速,同时采用诱惑红示踪剂水溶液代替农药喷雾获取喷雾沉积分布情况,重点对下洗气流场分布实测结果进行可视化分析,包括不同飞行高度、不同速度下旋翼下洗气流场分布特性与雾滴沉积分布特性以及二者的相互关系。测试结果显示：八旋翼植保无人机飞行过程中随着飞行速度加快（1.0~6.0 m/s）和飞行高度升高（1~2 m）,冠层位置X、Y、Z三向下洗气流场总体表现为气流强度由强到弱、分布状态由集中到分散的变化趋势;X方向气流来源于下洗气流与外界空气相互作用产生的卷扬气流,对喷施雾滴的作用为逆飞行方向;Y方向为下洗卷扬气流以及地面效应共同作用的结果,对雾滴的作用为垂直于航线朝向两侧;Z方向为下洗气流竖直向下方向分量,对雾滴下降沉积具有直接促进作用;飞行速度与下洗气流场范围内风速峰值（P＜0.05,r=-0.836）和有效喷幅内平均沉积量（P＜0.05,r=-0.833）均表现出显著负相关;在飞行速度为1.0 m/s和3.0 m/s时,雾滴沉积量与下洗气流场风速均呈现极显著正相关关系（P＜0.01,r＞0）,即垂直地面方向的下洗气流场越强,有效喷幅内沉积的雾滴越多;速度加快至6.0 m/s,风速显著降低,气流场对雾滴沉积的促进作用逐步消失（P＞0.05）。因此,植保无人机作业时飞行速度不应设置超过6.0 m/s,避免因下洗气流场作用减弱而导致雾滴损失。本研究结果可为改善低空低量施药作业质量和无人机田间作业规范的制定提供技术参考和支撑。     

基于高速图像的雾滴尺寸分布统计与运动分析

针对植保机械雾滴尺寸分布统计及运动分析方法存在的不足,提出了利用高速摄像机结合数字图像处理技术对雾化场的空间雾滴尺寸分布和雾滴的运动进行分析的方法。实现了空间雾滴尺寸分布的快速统计分析,避免了对雾化场的干扰。利用图像序列中的时间差信息对雾滴在水平和垂直方向上的速率进行了分析,为进一步分析雾滴的沉降及漂移特性提供了有效方法。     

等离子体荷电喷雾的雾化机理与效果分析

阐述了环形电极电场中液滴的荷电雾化过程及破碎机理,并通过改变电压、极距、电极针数和电极直径等参数进行荷电雾化试验研究,揭示液滴荷电及雾化特性与诸影响参量的关系。结果表明,雾滴数量中径随着电极针数的增加、极距的增大、电极直径的减小而减小。当未加荷电电压时,雾滴扩散比RD为0.662,雾滴粒径较大、粒谱较宽;当荷电电压增大到20kV时,雾化液滴的数量分布曲线与体积分布曲线基本接近,雾滴粒径变小、粒谱变窄,雾滴扩散比达到0.813,雾滴分布均匀度明显提高。