近日，機械與電子工程學院劉雪美教授團隊在《Computers and Electronics in Agriculture》在線發表了題為“Dynamic Simulation of Fluid-Structure Interactions between Leaves and Airflow during Air-assisted Spraying: A Case Study of Cotton”的研究論文。崔慧媛博士為該論文的第一作者，劉雪美教授為該論文的通訊作者。
在輔助氣流施藥過程中，氣流可拓寬液滴輸送通道，增加液滴在冠層內沉積均勻性。不同于單片葉片，冠層內多葉片與輔助氣流會相互影響。特別是冠層內復雜的葉片三維空間分布對冠層內噴霧霧滴流動和氣流流場分布的影響尚不完全清楚。因此，解釋冠層內多葉片與噴霧氣流相互作用引起的流-固耦合現象和氣流流場分布對于進一步明晰輔助氣流施藥時冠層內霧滴沉積分布具有重要意義。
棉花是我國主要經濟作物、紡織工業原料、重要戰略物資，棉花整個生育期內涉及植保、化控、封頂、脫落葉劑噴施等施藥的精量化、高效率和高防效作業問題。本文以棉花為例，基于結構顯式有限元求解器和Lattice-Boltzmann (LB)求解器，團隊創新地提出了一種雙向流-固耦合數值模擬方法，分析了輔助氣流作用下葉片的空氣動力學特性和冠層內流場分布，首次揭示了葉片尺度的冠層內雙向流-固耦合現象。
針對冠層內部葉片與輔助氣流交互難以直觀性觀察和準確性測量的難題，通過流-固耦合數值模擬結果可以直觀地展示冠層內部任意位置的流場分布和多葉的變形情況。并且可以直接導出冠層內部的氣流分布和渦量分布情況，避免了實際實驗測量過程中造成的測量結果誤差。 這對于理解冠層內部流-固耦合行為提供了重要理論依據數據支撐。
圖1.冠層內流-固耦合數值模擬結果分析
該研究對棉花植株進行了室內實驗，對于數值模擬結果進行了驗證。實驗結果驗證了流-固耦合數值模擬結果的準確性，突破葉尺度下的冠層內部氣流流場分布難以數字化分析的問題，為研究冠層內部氣流分布并進一步分析冠層內霧滴沉積機理提供了思路和研究方向。本研究對于揭示葉片與冠層內部及周圍輔助氣流之間的非線性流固相互作用具有重要學術意義。
該研究得到了國家自然科學基金、“十四五”國家重點研發計劃和山東省棉花產業技術體系創新團隊機械崗位專家項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.107817
編 輯：萬 千
審 核：賈 波
