机械推杆和气流作用下水稻冠层的扰动特性及雾滴沉积特性的研究

发布时间：2020-05-17 20:53

【摘要】：水稻是我国的主要粮食作物之一,但水稻植株病虫害严重,整个生长期内的各发育阶段均有病虫害发生,且病虫害种类较多。水稻植株最常见的两种病虫害(稻飞虱和纹枯病)主要发生于水稻植株的中下部冠层。目前常用的植保机具在实际作业时,大部分雾滴被水稻稠密的上部冠层所截留,药液雾滴难以到达水稻稠密冠层的中下部,全国每年因病虫害防治不力而造成较高的水稻产量损失。选择合适的施药方式和工作参数,解决水稻植株中下部冠层的施药问题对保障水稻的稳产、高产具有重要的意义。本文基于现有国内外研究基础,以水稻植株为研究对象,分别对水稻植株在机械推杆作用下运动规律进行研究和在气流作用下水稻冠层内速度分布规律进行研究,并且基于不同的推杆参数和气流参数,对水稻冠层的雾滴沉积分布规律进行研究。该研究为水稻植保机械的优化设计和田间工作参数的优化调整提供理论基础。具体研究内容如下:1、水稻茎杆弹性模量试验研究。应用三点弯曲试验方法对水稻茎秆的弹性模量进行试验研究,本文试验使用的是SMS质构仪。对水稻植株生长的抽穗期进行田间取样。在不同的水稻种植位置选取大小不同的5簇水稻植株,去除包被在茎秆外表的叶鞘,截取水稻的每节茎秆,从下到上,依次编号为IN1、IN2、IN3、IN4。根据SMS质构仪的测试要求,将每节茎秆的长度截取为9.5cm。将准备好的样本进行分类,用数字游标卡尺测出水稻每节茎秆的外径D和壁厚t,再将水稻每节茎秆置于SMS质构仪工作台上,用三点弯曲法获取每节茎秆的力的位移曲线。基于计算方法对水稻的每节茎秆进行弹性模量的计算。最终确定了抽穗期水稻茎秆各节的弹性模量值。为水稻瞬态动力学仿真分析提供参数依据。具体确定的水稻茎杆弹性模量值为IN1:8.47Gpa,IN2:6.25Gpa,IN3:4.71Gpa,IN4:2.95Gpa。2、基于机械推杆作用下,水稻植株瞬态动力学仿真研究。首先建立水稻植株的三维仿真模型,通过田间参数测量和实验室参数测量,对建立水稻植株的三维模型的特征参数进行确定。主要的特征参数包括:水稻植株高度,水稻叶片数,水稻叶片的叶面积,水稻叶片的叶宽,水稻茎秆长度,水稻茎秆直径,水稻茎秆壁厚和水稻茎杆弹性模量等。通过对水稻植株三维模型进行网格划分、参数设置等操作,建立仿真所需的水稻植株有限元模型。基于水稻植株的有限元模型,设置不同的推杆离地高度,对水稻植株进行瞬态动力学仿真,对水稻的受力-变形特性进行研究和分析。并基于不同的推杆离地高度,建立相应的数学模型。同时通过高速摄影试验进行试验验证。3、水稻冠层气流阻力系数研究。搭建水稻冠层气流阻力系数试验装置,整个试验装置分成三个部分,分别为进风口处,出风口处和测试区。试验装置进风口高度为1.2m,宽度为1.5m,在进风口处前置一风机,风机高度与试验装置高度基本一致,该试验装置设置了前后4m的气流稳定段,中间测试区的长度设定为3m。利用搭建的试验平台,通过一系列试验对计算水稻冠层的气流阻力系数的参数进行测定。风机设定不同的频率,水稻冠层设定不同的冠层密度,通过风速仪、压力传感器和温度计,对不同频率、水稻不同冠层密度下的测试区前后风速V1,V2、压力P及温度T进行数据采集。通过理论计算公式,对水稻不同冠层密度下的气流阻力系数进行计算。分析水稻不同冠层密度下的气流阻力系数和不同风速下的气流阻力系数,并分析水稻冠层气流阻力系数波动的原因。最终确定水稻冠层的气流阻力系数为0.51。为了验证本研究结果的可靠性,对本研究所取得的结果进行试验验证,通过确定的气流阻力系数Cd值,计算水稻冠层各个叶面积密度下的压降?P',并与实测压降?P进行对比分析,验证Cd值的可靠性。4、基于风速作用下,水稻冠层CFD气流场仿真研究。首先建立水稻冠层的三维仿真模型,通过田间参数测量和实验室参数测量,对建立水稻植株的三维模型的特征参数进行确定。主要的特征参数包括:水稻植株高度,水稻叶片数,水稻叶片的叶面积,水稻叶片的叶宽,水稻茎秆长度,水稻茎秆直径,水稻茎秆壁厚等。通过对水稻冠层三维模型进行网格划分、参数设置等操作,建立仿真所需的水稻冠层有限元模型。设置不同风速下,对水稻冠层进行CFD仿真,对水稻冠层内各点的气流速度进行分析和研究。并确定相应的试验方案对水稻冠层气流场仿真结果进行试验验证,确定CFD仿真结果的可靠性。5、基于不同工作参数下,水稻冠层雾滴沉积分布特性研究。基于盆栽水稻和水敏纸进行雾量沉积分布场地试验。在前期试验中,对水稻叶片的叶宽进行测量,不同水稻页片的叶宽存在一定的差别,水稻叶片的叶宽范围约为0.7cm-1.5cm。因此,为了匹配水稻叶片的叶宽和水敏纸,水敏纸宽度裁剪为1.5cm。在水稻冠层上分别选择测试点并布置水敏纸,通过图像处理方法对水敏纸进行雾滴沉积处理,并统计分析各个工况下的雾滴沉积率。从分析可知,结合机械推杆式和风送式(与单独机械推杆式和风送式相比)可有效增加雾滴沉积率,并且保证相对的雾滴均匀性,但不同的工作参数有不同的施药效果。因此,在实际施药中,需根据实际水稻冠层病虫害的情况,调整各个参数,以达到喷雾的最优效果。当水稻植株病虫害发生不同冠层位置时,应调整相应的工作方式和参数来进行对靶施药,以有效解决水稻不同冠层位置的病虫害。
【图文】：

水稻虫害,稻飞虱

江苏大学博士论文第一章绪论1.1 研究背景水稻是我国的主要粮食作物之一，年种植面积约 3000 万 hm2，，稻谷产量占粮食总产量的约 45%[1]。水稻的稳产、高产对保障我国粮食安全具有重要意义。水稻植株病虫害严重，整个生长期内的各发育阶段都有病虫害发生，且病虫害种类多、发生部位各不相同，稻纵卷叶螟和稻颈瘟等主要发生于水稻植株的上部，而稻飞虱和纹枯病等主要发生于水稻植株的中下部[2]，如图 1.1 和图 1.2 所示。因为常用植保机械的药液雾滴难以到达水稻稠密冠层的中下部，全国每年因病虫害防治不力而造成的水稻产量损失达 400~500 万吨[1]。

水稻病害,纹枯病,稻飞虱

类多、发生部位各不相同，稻纵卷叶螟和稻颈瘟等主要发生于水稻植株的上部，而稻飞虱和纹枯病等主要发生于水稻植株的中下部[2]，如图 1.1 和图 1.2 所示。因为常用植保机械的药液雾滴难以到达水稻稠密冠层的中下部，全国每年因病虫害防治不力而造成的水稻产量损失达 400~500 万吨[1]。图 1.1 水稻虫害-稻飞虱Fig.1.1 Rice pest-rice planthopper
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S49;S435.11

【参考文献】