國內外農業風洞應用現狀及展望*

張騰文 ，喬國然 ，劉旭陽 ，牛智鋒 ，李威漢 ，王國賓

（山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049）

0 引言

隨著社會的發展和科學技術的進步，農業施藥機械化迅速發展。航空植保具有作業效率高、應對突發災害能力強、經濟成本低并且可以適應復雜條件的大面積農林病蟲害防治的優勢，在中國現代化農業施藥中占據重要地位并有巨大的發展潛力[1]。其中，航空植保無人機在航空植保中處于核心位置。植保無人飛機在進行作業過程中所噴灑的農藥霧滴會隨著空氣氣流流動，從而出現向非預定目標運動的霧滴飄移現象。

在植保無人飛機施藥過程中，霧滴飄移始終是影響施藥效果和造成環境污染的重要因素之一。大面積的飛機噴灑或地面機械噴霧都會不可避免地因一定比例的霧滴不能到達目標而造成對環境的污染[2]。在影響霧滴飄移的因素之中，霧滴原始尺寸是重要因素之一，加之霧化過程中常常伴有二次破裂現象，所以對霧滴飄移特性的測定顯得尤為重要。

目前，測定飄移特性所采用的方法主要有田間試驗和風洞試驗。但田間試驗的各種參數無法實時控制，并且測試費用較高，而風洞試驗可模擬外界實際條件，其優越性在于能夠方便地控制風速和風向，準確地測定諸如噴霧壓力、噴頭移動速度以及噴頭與噴霧目標之間的垂直距離等變量，避免因外界條件的不確定造成評估比較的困難[2]。因此，風洞試驗在噴霧特性研究中備受青睞。

風洞是進行空氣動力試驗最常用、最有效的工具。農業風洞實驗可以有效地體現出植保機械在工作過程中所發生的霧滴飄移等現象，為今后的植保機械改進提供參考依據。筆者從農業風洞總體概述、國內外農業風洞研究現狀、未來展望等方面進行研究分析，綜合分析了農業風洞在農業中的應用，系統闡述了各種農業風洞的優缺點，為我國今后的農業風洞發展提供參考。

1 農業風洞概述

風洞試驗在農業飛行器模擬試驗中廣泛使用，通過模擬飛行器在空中的飛行狀態研究其與氣流之間的運動規律，提供各種設計需要的數據等。風洞試驗早在20世紀中葉就已出現，但其應用在農業之中相對較晚。近年來，隨著農業現代化進程的不斷推進，我國農業風洞也正在快速發展并應用，發揮著搭配激光粒度儀測定霧滴粒徑和測定霧滴飄移的作用。

從國內外農業航空噴灑技術的實際情況來看，田間試驗在農業工程中應用廣泛。但是，農田試驗不能完全了解航空植保噴霧系統并準確預測農藥霧滴的飄移特性[3]。反觀風洞試驗，因其測試方法具有穩定性、可控性、可重復性等優點，在農業研究中，尤其是霧滴飄移的研究中被廣泛應用。目前，主要采用的農業風洞類型有高速風洞、高低速復合風洞和低速風洞三種。

1.1 高速風洞

高速風洞一般是指試驗段氣流速度馬赫數范圍在0.4～4.5之間的風洞。唐青等在國外風洞設計方案的基礎上進行了流場品質改良，設計了IEA-I型高速風洞，以用于農業航空噴頭霧滴粒徑、速度分布規律等方面的研究[4]。該高速風洞為施藥無人機的噴頭參數優化提供了良好的平臺。

1.2 高低速復合風洞

國家精準農業航空施藥技術國際聯合研究中心于2018年建成了國內首個農業航空高低速復合風洞。2018年6月，眾多國內外專家在華南農業大學國家精準農業航空施藥技術國際聯合研究中心對高低速復合風洞進行了調試檢測。該高低速復合風洞可以用于農用無人機的各項性能檢測，如飛行能力、噴灑能力、抗風性能等。在該高低速復合風洞中進行了無人機離心式噴頭在風洞內的噴施效果測試，為今后的模擬試驗積累了寶貴的測試經驗。

1.3 低速風洞

隨著科學技術的進步，低速風洞試驗的領域越來越大[5]，而在眾多類型的風洞之中，農業工程中主要采用低速風洞。伴隨著低速風洞的發展，其基本形式已經趨于集中并統一為直流式與回流式。直流式風洞基本原理主要是通過風機驅動外界大氣連續地通過進風口進入風洞內部，并且通過排氣口排出大氣；回流式風洞基本原理主要是通過風機驅動使外界大氣在風洞系統內部進行循環流動。直流式風洞結構相對簡單，體積較小，費用較低[6]。回流式風洞實質是直流式風洞首尾相接，風洞內氣流可以在系統內循環，在一定程度上減輕了外界環境因素的影響。可以在農機吹風模型實驗、流態觀察、測速、測壓、測氣動力性能等科學研究項目中發揮作用[7]。

2 國內農業風洞研究現狀

國內農業風洞發展起步較晚，建設中或者已經投入使用的農業用風洞相對較少，但其發展快速，可以用于農作物在大風環境下的模擬以及航空植保無人飛機的各種性能測試等。鄭劉等研制了國內首個用于農業科研領域的自由射流風洞，以用于農作物抗倒伏能力的測定分析等。結果表明：1）作物抗倒伏吹風測試裝置的測試結果均滿足技術指標要求；2）裝置的流場在國標有效區域內空間、時間范圍內風速測量誤差均不大于5%；3）裝置最高風速遠超設計指標，并且連續可調，有很大裕度[8]。張惠春等利用開路式風洞，測試了由風洞地面所布置的聚乙烯收集線所收集的含熒光示蹤劑的霧滴，由熒光分析儀測定收集線上的熒光劑含量，分析了不同位置處的霧滴沉積和飄移，建立了非線性霧滴飄移特性模型，為霧滴沉積區的預測、隔離緩沖區的確定以及防飄技術的研究等提供了技術指導[9]，為進一步研究植保風洞的結構設計和飄移試驗的參數優化提供依據。丁素明等針對農藥霧滴飄移特性研究的需要，設計了NJS-1型植保低速風洞，其主要用于農藥沉積、飄失規律及產品檢測等方面的研究[10]。張建桃等在華南農業大學的風洞實驗室針對極飛公司P20離心噴嘴進行噴幅、霧滴粒徑分布以及霧滴譜相對寬度分析，探究各種條件下霧滴粒徑大小變化的規律[11]。

雖然我國在農業工程試驗中運用著多種農業風洞，但是較國外發達國家仍有著差距。就農業航空噴施技術而言，要追趕世界先進技術，特別需要關注以下幾點內容：1）推廣應用農業航空系統標準和飄移模型；2）推廣小型無人機噴施技術；3）應用航空靜電噴施技術。隨著各種相關政策的扶持以及科學技術的快速發展，我國的農業風洞將會迅猛發展并且應用會越來越廣泛，在支撐或補充農田數據、模擬調控植保機器的各種參數方面將發揮越來越重要的作用。

3 國外農業風洞研究現狀

國外一些發達國家對農業風洞的研究開始時間相對較早。20世紀70年代末，Teske等用近10年的田間試驗測試結果研發了AGDISP（agricultural dispersion）和AGDRIFT（agricultural drift）模型[12-13]。使用者可以通過輸入天氣因素、農藥藥液、植保無人機類型、噴嘴等，通過調用內部數據庫，對可能產生的飄移進行分析預測，有效預測范圍可達到20 km[14]。在測定霧滴漂移方面，英國Silsoe研究所曾多次在風洞進行測量試驗，德國Julius Kuhn研究所利用回流式風洞也進行了相關試驗，試驗結果表明：隨著風速的增加，霧滴飄移量明顯增加，重心飄移量增大，飄移損失風險增大；當噴霧高度不高時，增大噴霧壓力會減小飄移，且隨著噴霧高度的增加，飄移減小的程度逐漸減弱，之后飄移達到一定程度后增大[3]。

4 未來展望

4.1 政策扶持助力快速發展

當前，我國為促進農業機械化發展實施了一系列強農惠農政策，使得新機械、新技術等在農業生產中得到了前所未有的推廣與應用，極大地助推了農業機械化的發展[15]。2018年12月，國務院印發《關于加快推進農業機械化和農機裝備產業轉型升級的指導意見》，提出加快推動農機裝備產業高質量發展，推進農機裝備全產業鏈協同發展。2021年4月，農業農村部召開農業機械化工作會議，謀劃“十四五”農業機械化重點任務，提出農業機械化是建設現代農業的重要內容。這些政策證明實現農業機械現代化與智能化已經是必然趨勢，各種相關的農業機械設備及技術也會隨之發展。農業風洞技術將會迎來新的挑戰和機遇，并在航空噴霧技術及其他各類相關試驗中得到廣泛應用。

4.2 全球化引領前進方向

隨著經濟全球化的發展以及我國農業科學技術的進步，我國農業必然會走向全球化[16]。在此大背景下，農業風洞因性能優越、條件可控、操作便捷等優點，其發展將呈井噴之勢。但目前來看，我國現在通常直接引進國外的成熟設備，缺乏實際試驗參數，因此在農業機械研究設計等方面我國需投入更多人力物力，加大研發力度，提升自身的科技水平和核心競爭力[3]。

4.3 基于現實需求革新風洞技術

世界上很多國家都進行了大量的農業風洞相關試驗，并取得一定的研究成果。目前，國內有關農業風洞的研究相對比較缺乏，比如在航空噴灑技術的研究中，我國與世界發達國家相比仍然存在一定技術差距[3]。技術相對落后和起步時間相對較晚意味著我國必須進行農業風洞技術的革新與發展，不斷縮小與發達國家的差距，趕上世界先進水平。

5 結論

筆者綜述了農業風洞的具體類型、國內外研究現狀，并對處于當前政策紅利和時代背景下的我國農業風洞的未來發展趨勢進行了展望，指出了我國對農業風洞的迫切需求，為風洞在我國農業工程中的廣泛應用提供參考。