生产管理机械化岗位

徐丽明 闫成功 马帅 牛丛 谭好超 沈聪聪 刘星星

  1 葡萄叶片仿真模型构建与验证

  采集葡萄叶片样本并测量叶片参数，葡萄品种为小满胜，采样时期为转色期。试样采集前，分别测量叶倾角、柄叶角、叶面长度、叶面宽度、叶面厚度、叶柄长度和叶柄直径等外形尺寸。试样采集后，对叶柄和叶面试样编号并装入自封袋内，迅速转移至实验室内进行弹性模量、密度和含水率测定。使用万能试验机，采用三点弯曲法测得葡萄叶柄的弹性模量均值为148.8MPa，95%置信区间为[132.1165.5]MPa；叶面弹性模量均值为74.9MPa，95%置信区间为[60.5，89.4]MPa。使用称重法测得叶柄密度及叶片密度分别为1059.40和635.27 kg/m3。采用105℃烘干法测得叶柄及叶片试样的含水率分别为82.36%和71.43%。测定过程如图1所示。

  在CFD中，通过构建双向流固耦合模型来分析模拟辅助气流作用下葡萄叶片的变形行为。依据前期叶片参数的统计均值，确定出的模型尺寸参数为：叶面长153mm，叶面宽157mm，叶柄长91mm，叶柄直径5mm。所建立的仿真模型及网格划分结果如图2所示。

  本文搭建了试验台（图3），设置高速摄像机的采样频率为500 f/s，使用补光灯对葡萄叶片进行补光，保持摄像机光轴垂直于叶片中轴线主叶脉所在的纵向对称平面，拍摄和记录葡萄叶片的动态变形过程。以气流速度v、气流角度α、叶倾角β和柄叶角γ为变量，以叶面形心和叶尖处的位移为监测量，对流固耦合模型的有效性进行验证。

  通过仿真试验发现（图4），当气流角度小于叶倾角（即当气流直接吹拂叶片正面）时，叶柄与叶面均顺时针向下弯转；当气流角度大于叶倾角（即当气流直接吹拂叶片背面）时，叶柄与叶面均逆时针向上弯转。耦合仿真中葡萄叶片的变形行为与上述实际试验中的变形特点基本一致，且5次验证试验的相对误差最大值为8.73%，表明本文所建立的葡萄叶片双向流固耦合模型能够有效模拟辅助气流作用下葡萄叶片的变形过程，可以为分析葡萄叶片的变形行为提供支持。

  2 葡萄叶面变形行为模拟及分析

  使用前文构建的葡萄叶片流固耦合模型，以气流速度v、气流角度α、叶倾角β和柄叶角γ为试验因素，以叶面形心变形量DC和叶尖变形量为试验指标DT，采用四因素二次回归正交旋转中心组合试验方法对葡萄叶面的变形行为进行求解。使用Design-Expert 8.0.6软件对仿真试验结果进行显著性分析和多元回归拟合后，可得到叶面形心变形量DC、叶尖变形量DT的回归方程。由该回归方程得到叶面形心变形量、叶尖变形量的预测值与仿真试验值的平均绝对百分误差（MAPE）分别为2.12%、2.57%，决定系数（R2）分别为95.78%，96.07%；利用高速摄像叶片变形试验中的变形量数据，计算得到叶片形心、叶尖变形量回归方程的平均预测相对误差分别为9.41%和9.05%（表1），说明所得到的回归方程具有较好的预测精度。

  采用降维方法分析单个因素对葡萄叶片变形量的影响效应。各因素对叶片形心扰动程度从大到小的顺序为：柄叶角＞气流速度＞叶倾角＞气流角度；对叶尖形变量扰动程度从大到小的顺序为：柄叶角＞气流速度＞气流角度＞叶倾角。单因子对响应值的影响分析结果表明，葡萄叶片自身的生长特点与所施加辅助气流参数对葡萄冠层所将产生的扰动程度具有同等重要的作用。在使用气流辅助喷雾施药的过程中，应根据不同冠层区域内叶片的生长特点施加不同参数的辅助气流，以优化植保作业效果。显著交互项对叶面形心变形量DC和叶尖变形量DT的交互响应曲面图如图5所示。

  3 葡萄叶片迎风面积变化规律分析

  根据高速摄像和耦合仿真试验中叶片变形的特点，得出叶面变形量与叶倾角变化量的几何关系，如图6a所示，进而可得出辅助气流作用下叶倾角变化量Δβ的近似计算公式。从前文所进行的仿真试验中，可提取30组叶倾角变化量的测量值；根据Δβ的近似计算公式，可得对应的30组叶倾角变化量的计算值。两组数据的对比分析如图6b所示，模型计算值与仿真测量值的趋势一致，模型计算的MAPE为2.53%，决定系数R2为96.19%，说明叶倾角预测模型的精度良好，可用于不同参数组合下的叶倾角计算。

  利用公式（1）~（2），即可量化分析气流速度、气流角度、叶倾角及柄叶角对葡萄叶片迎风面积变化的具体影响，从而为理解辅助气流喷雾中作物冠层郁闭度的动态变化、合理调控风送喷雾作业参数和设计高效精准风送喷雾装备提供参考，具体分析过程此处不再赘述。

  4 结论

  本文基于辅助气流作用下葡萄叶片变形的双向流固耦合模型，得到了叶面关键监测点处的形变量回归方程，并结合叶片变形特点，进一步量化分析了葡萄叶片的迎风面积变化规律。

  1）构建了葡萄叶片双向流固耦合仿真模型，经高速摄像试验验证，模型最大误差为8.73%，表明该模型具有较好的仿真精度；

  2）基于葡萄叶片双向流固耦合模型，开展四因素五水平二次正交旋转中心组合试验，得到了叶面形心及叶尖的形变量回归方程，两个方程的平均绝对百分误差分别为2.12%、2.57%，决定系数R2分别为95.78%和96.07%。通过分析各单因素以及显著交互项对葡萄叶面变形的影响规律发现，根据不同冠层区域内叶片的生长特点施加不同参数的辅助气流，将有助于增强辅助气流对冠层的扰动能力；

  3）结合叶面形心及叶尖形变量回归方程，通过与叶倾角变化量计算公式对比发现，模型的平均绝对百分误差为2.53%，决定系数R2为96.19%，具有较好的预测精度。进一步提出了迎风面积变化率计算公式，量化分析了不同参数组合下叶片迎风面积的动态变化过程。具体而言，对于中下部冠层，应保证到达葡萄叶片的辅助气流末速度不小于5.65m/s；当喷雾角度为-30°时，将更有利于降低整体冠层的叶片迎风面积。