植保無人機噴施霧滴沉積運動特性研究進展

中圖分類號：S251 文獻標志碼：A 文章編號：2096-9902（2025）15-0023-06

Abstract：Inrecentyears，withtherapiddevelopmentofagriculturalplantprotection UAVs，theproblemsofchemical los andpolutionduringtheiroperationshavebecomeincreasinglyprominent.Inviewofthecurrentresearchondropletdriftand depositioncharacteristicsduringplantprotectionUAVaplication，therearesingleresearchmethods，unclearmechanismsofthe influenceofdropletdepositionandmovementcharacteristics，andlackofin-depthinvestigationofthedepositionandovement processfromtheperspectiveof dropletmicrodynamics.Therefore，thispapermainlysummarizes theresearchstatusof basic theorieselatedtothespraydropletmotioncharacteristicsofplantprotectionUAV，includingthemechanismofagricultural aviationdropletdriftlaw，theinfluencemechanismofdropletmotioncharacteristics，andthespatialcharacteristicsoftwodimensionalvisualizationsprayflowfield，andputsforwardsuggestionsforthefutureresearchdirectionofspraydropletmotion characteristicsofplantprotectionUAV，inordertoprovidereferenceforthefolow-updevelopmentofprecisionpesticide application technology of plant protection UAV.

Keywords：plant protection UAV；PIV；droplet motion; deposition and distribution; spray flow field

我國是農業大國，農業經濟的發展對我國非常重要，而提高農產品產量和質量是保證農民增收、促進農業經濟發展的重要手段。我國作為典型的農業大國，同時面臨著生物災害頻發與農業生態環境脆弱的雙重挑戰；在農業生產中，化肥和農藥是現代農業生產過程中重要的生產資料，而農藥是目前最經濟、最有效的防治病蟲草害的技術手段，在保障糧食安全與促進農業可持續發展方面起著不可替代的關鍵作用。據統計，目前，我國每年的農藥施用量在 3×10⁵t 左右，但農藥的有效利用率僅為 39.8% ，顯著低于發達國家 60% 270% 的水平；我國農藥使用量仍持續增長，粗放式的農藥使用模式不僅會殘害農作物，降低產量，還會污染土地，甚至造成農藥殘留，影響食品安全[2-4]。

我國自前經常使用的植保機械主要有以下幾類：背負式噴霧器、地面施藥機械和農用植保無人機等。

背負式噴霧器價格低廉、易于購買，但其工作效率低，人工勞動強度大，難以滿足規模化種植需求，同時存在藥液泄漏問題，不符合現代農業環保要求。地面施藥機械施藥效率高，但受限于地形問題，例如水田、坡地不適用地面施藥機械。相比之下，農用植保無人機能夠適應多種復雜地形條件下的作業需求，包括水田、山坡等地面機械難以作業的區域，其在作業效率方面具有顯著優勢，以麥田除草為例，農用植保無人機的作業效率比地面機械效率高5～7倍，相較于傳統人工噴霧方式提升了200余倍的效率，同時，農用植保無人機突擊能力強，可快速部署應對突發性病蟲害的防治需求，另外，農用植保無人機空中作業特性不受作物長勢的限制，可應對中后期作物的植保作業需求，為農作物全程健康生長提供了可靠保障5。

隨著近年來農用植保無人機的迅猛發展及其在噴施農藥方面的應用推廣，農藥的利用率也得到了大幅度提升。但植保無人機施藥作業過程中，其空間運行過程中僅有 20%～35% 的農藥霧滴能夠沉積于靶標界面，導致空間飄移成為農藥劑量損失嚴重的主要原因之一[6-8]，也形成了因霧滴飄移或藥液流失等造成的農藥污染、浪費等問題。

目前，我國精準農業航空技術處于初級發展階段，對低空噴灑沉降規律、航空植保精準變量施藥、霧滴沉積作用機理等方面的研究仍是重點、熱點。我國仍存在對施藥技術研究不足，對霧滴的沉積、飄移控制能力差等問題。霧滴飄移與霧滴在靶標作物上的沉積效果是衡量植保無人機施藥質量和作業效果的關鍵參數，深入研究霧滴飄移與沉積效果對改善當前藥液流失、污染問題及提高農藥利用率具有重要意義。因此，越來越多的國內外學者進行霧滴沉積運動機理及霧滴沉積飄移等方面的研究，例如： ① 基于拉格朗日模型、高斯模型和計算流體力學（CFD）模型的數值模擬，精確預測霧滴運動軌跡； ② 結合風洞試驗與田間試驗數據，構建霧滴飄移的回歸方程； ③ 建立智能防治決策系統和優化噴霧模型等。但霧滴飄移沉積是一個復雜的過程，受多種因素共同影響，如風速、霧滴粒徑、農藥理化特性和施藥技術等，對影響因素進行分析，能完善植保無人機噴霧系統，提高農藥的噴施效果和效率[]。而霧滴運動速度是影響霧滴沉積效果最主要的內在因素，霧滴運動速度越大，越有利于霧滴快速沉降到靶標區域，且不易發生飄移。值得注意的是，霧滴粒徑和霧滴運動速度共同決定了霧滴的運動軌跡及其在靶標表面上的覆蓋狀態8]，顯著影響著霧滴的沉積效果和飄移率。

粒子圖像測速技術（PIV技術）作為一種全場、無擾、瞬時測速技術己經成為流體力學研究的一種重要手段，其技術也已從二維發展至三維，并已應用于多相流的研究中。在霧滴沉積運動機理的研究中，流場可視化技術能夠更好地分析霧滴流場分布狀態，PIV技術能有效獲取在降過程中霧滴的二維流場運動速度數據，對研究如何改善霧滴沉積效果具有十分重要的意義。

本文主要綜述植保無人機噴施霧滴沉積運動特性相關基礎理論研究現狀，包括農業航空霧滴飄移規律研究機理、霧滴沉積運動特性作用機理、二維可視化噴霧流場空間特性等研究現狀，結合上述植保無人機施藥技術基礎理論研究現狀，為植保無人機精準施藥技術的未來發展提出建議。

1植保無人機噴施霧滴沉積運動特性

1.1農業航空霧滴飄移規律的作用機理

為了探明霧滴飄移規律，國內外學者在研究減少霧滴飄移與精準施藥方面做了大量工作，越來越多的研究人員致力于研究高新植保機械、施藥技術、霧滴沉積運動機理、霧滴沉降規律等方面，以減少農藥所帶來的負面影響及提高農藥有效利用率。

國內外學者對農業航空霧滴飄移沉積方面的研究主要分為 ① 研究分析霧滴飄移的影響因素； ② 測試不同施藥機械的飄移情況； ③ 建立霧滴飄移預測模型； ④ 研究減少飄移的技術手段[12。目前霧滴飄移的測試方法主要有模型模擬仿真試驗、風洞試驗、田間試驗（圖1）。

當前國內外學者主要研究霧滴粒徑對霧滴沉積飄移的影響、植保無人機作業過程中的最佳作業參數、建立相對應的飄移特性模型、運動模型等。例如，焦雨軒等[3使用LANAOF110-02扇形噴嘴在標準作業壓力 0.3MPa 下對6個藥液濃度的霧滴粒徑與沉積規律進行分析，發現隨著藥液濃度增加，水平和垂直方向上的霧滴沉積量減少，飄移減少百分比逐漸增大，濃度越高減飄效果越好。陳盛德[4開展植保無人機對水稻施藥試驗，系統研究了不同作業參數（作業高度為1.33、1.92和 3.15m ，作業速度為 2～5m/s 對霧滴沉積與飄移特性的影響，研究發現，作業參數對霧滴沉積與飄移存在顯著性影響。韓杰[15采用計算機模擬方法，重點研究了飛行速度、高度及噴桿配置等參數對霧滴在機身后沉積和飄移的影響規律，結果表明，飛行參數是決定霧滴軌跡的關鍵因素，飛行速度與飛行高度對霧滴運動軌跡有顯著影響。陶波等通過田間飛防試驗研究了植保無人機的作業性能，重點分析了霧滴沉積分布規律及其對防治效果的影響。試驗結果表明，無人機作業參數（包括飛行高度、飛行速度和噴施流量）與霧滴沉積均勻性及農藥利用率之間存在顯著的正相關性。趙峻逸采用數值模擬方法，系統研究了不同藥液物理特性及施藥參數對霧滴運動特性的影響。

研究重點探討了霧滴碰撞動力學行為，揭示了其對粒徑分布動態演變及飄移特性的作用機制。通過定量分析，計算了各噴施操作條件下霧滴碰撞過程中的聚并比例和碰撞行為對減飄的貢獻率，為優化施藥關鍵因素提供了理論支撐。

茹煜等[8基于風洞試驗構建了霧滴飄移預測模型，通過控制變量法系統研究了氣流參數與噴霧條件對霧滴飄移特性的影響規律。研究采用霧滴濃度檢測技術獲取試驗數據，并通過線性回歸模擬法計算獲得霧滴在風洞試驗條件下的實際飄移距離，試驗結果驗證了飄移預測模型的可行性，能有效反映實際作業中的霧滴飄移情況。國外研究重點主要集中在智能施藥裝備與作業模型的研發，主要關注GPS自動導航儀、施藥自動控制系統及航空施藥作業模型的開發，側重于對大型農用飛機的航空霧滴飄移、霧滴沉積規律等方面進行研究[9]，已有國內外學者針對霧滴粒徑對霧滴沉積飄移的影響做了大量的風洞與田間試驗，建立了霧滴飄移評價方法。國內研究主要聚焦植保無人機施藥技術，包括霧滴沉積特性、飄移預測模型、作業參數優化及藥效評估等，通過田間試驗與數值模擬相結合，提升施藥精準性與作業效率。

圖1飄移試驗現場圖

當前，植保無人機作業參數、霧滴飄移沉積等研究，仍是精準農業航空施藥技術領域的研究熱點，這些研究都有助于提高精準航空施藥技術的應用效果，對精準農業航空施藥技術的發展有著重要的意義。綜上，眾多研究者根據作業沉積效果對植保無人機作業參數選擇和優化方面進行了大量研究；利用計算機技術建立了霧滴飄移預測模型，對霧滴沉積量進行預估。這些研究在某種作業條件下能減少霧滴飄移沉積，但沒有從霧滴個體出發，沒有研究霧滴是如何沉降、飄移的，忽略了對霧滴沉積運動機理的研究。

1.2 霧滴沉積運動特性影響機制

噴霧霧滴飄移沉積是一個復雜的物理過程，霧滴飄移沉積的影響因素主要有3個維度： ① 液體霧滴，包括霧滴粒徑、霧滴速度、溶液的理化性質等； ② 施藥模式，包括噴頭類型、噴施高度、噴施方式等； ③ 外部條件，包括環境條件（如風速、風向、氣流、溫度和濕度等）作業人員的操作水平[20]。

噴頭的霧化性能、霧滴粒徑、噴霧壓力及旋翼風場是影響航空噴施霧滴沉積分布特性的重要因素。噴頭的霧化性能與噴霧壓力會影響霧滴的噴射速度與霧滴粒徑，從而影響霧滴的飄移軌跡和沉積位置。霧滴粒徑的大小影響霧滴的飄移距離，霧滴粒徑大的霧滴在空中停留時間短，不易產生飄移，霧滴粒徑小的霧滴在空中停留時間長，受空氣阻力等影響，容易發生飄移。霧滴的粒徑和速度共同決定了霧滴的運動軌跡及其在靶標表面上的覆蓋狀態[21-22]。植保無人機作為精準農業航空施藥技術的施藥載體，植保無人機旋翼風場作為一種無法避免的外部因素，研究其對霧滴飄移沉積的影響也尤為重要。

目前，已有學者針對霧滴沉積飄移運動的影響因素展開了研究，例如，楊銳等[23采用TEEJET-VP80015噴頭，通過試驗發現在未添加助劑條件下，不同噴霧壓力對霧滴分布跨度、霧滴附著率和農藥沉積利用率影響差異顯著。姚偉祥等[24為探究植保無人機所配套使用的多種典型扇形航空噴頭的霧化特性，就孔徑尺寸和噴霧壓力對各型號扇形航空噴頭霧化特性的影響進行研究；研究發現，孔徑尺寸和噴霧壓力均是影響扇形航空噴頭霧滴粒徑尺寸和霧滴粒徑分布的重要因素。王國賓等2針對植保無人機不同霧滴粒徑的藥劑對霧滴沉積的效果展開了試驗，用水敏紙測定霧滴在棉花冠層的沉積分布特征，調查100、150、200和285μm 共4個不同霧滴粒徑藥劑對沉積分布特征的影響；結果表明，霧滴粒徑對于沉積分布特征有顯著影響。當噴施霧滴粒徑為 100μm 時，具有最大的霧滴密度。當噴施霧滴粒徑為 150μm 和 200μm 時，具有最大的覆蓋度及沉積量。文晟等2基于格子玻爾茲曼方法的自適應細化物理模型，對單旋翼和4旋翼無人機懸停和前飛2種狀態下的旋翼流場進行了數值模擬，獲取了2種機型的植保無人機翼尖渦流與整個旋翼流場及尾流隨時間變化規律，并基于拉格朗日粒子軌跡法獲取了不同粒徑的霧滴在無人機旋翼風場作用下的運動軌跡。郭祥雨等2研究了噴頭流量、操作高度和飛行速度對棕櫚樹液滴沉積、液滴穿透和地面損失的影響，發現影響霧滴沉積效果的主次順序依次為：作業高度、飛行速度、噴頭流量。王娟等2從霧滴沉積效果、地面流失、霧滴沉積分布和飄移方面多角度全面探究了單旋翼無人植保機不同作業高度對檳榔樹冠層及地面噴施效果的影響。郭爽等2通過北方寒地玉米多旋翼植保無人機航空噴霧效果研究，發現添加助劑會使航空噴施霧滴粒徑顯著增大。

在研究霧滴飄移沉積的影響因素方面，已有眾多學者開展了大量工作，但這方面的研究仍比較分散，沒有形成成熟完整的結論。研究只關注不同因素對霧滴飄移沉積的影響，忽略了不同的影響因素首先影響霧滴本身，再通過霧滴運動間接影響霧滴沉積運動。目前的研究沒有從霧滴自身的運動機理出發，缺乏關注不同試驗因素對霧滴沉積運動造成的影響。

1.3二維可視化噴霧流場空間特性

粒子圖像測速技術（PIV技術）作為一種先進的非接觸式流場測量手段，通過圖像分析實現二維流場的可視化測量。在過去的幾十年中，PIV技術已經發展成為一種成熟而重要的流場診斷領域核心方法，成為了流場可視化測量的主流技術，能夠精確獲得二維流場的速度矢量分布情況，在各領域得到了廣泛應用。已有國內外學者利用PIV技術研究分析多個試驗因素變化對噴霧流場分布特性的影響。例如，Danh等[30利用PIV技術對非對稱旋流噴嘴的燃料噴霧特性進行了深入研究，試驗數據表明，噴霧壓力與旋流強度呈現顯著相關性：隨著噴射壓力的提升，噴霧流場中的旋渦核心區域平均渦度值相應增大，為開發噴霧理論和改進噴射技術提供參考。王雙雙使用PIV技術測試發現，不同型號噴嘴能夠顯著影響霧滴粒徑、運動速度和扇面角。胡桂琴3采用了PIV技術測試了無風條件下與送風條件下各個噴嘴組合角度的霧化流場，發現霧滴運動速度隨噴霧壓力增大而增大。Bai等[32]利用PIV技術研究了在氣體橫流中不同角度的離心噴嘴的可視化流場，結果表明，噴霧角為 60^° 的離心噴嘴可得到較好的混合效果。Qing等[33通過PIV技術獲得了八旋翼植保無人機的不同旋翼轉速及不同橫向噴射點的下洗流場運動情況，證明了噴嘴的初始噴射角度不受噴嘴與其附近橫向距離的影響。薛士東等利用PIV技術，測定了 0.2% 邁道水溶液霧化后在不同軸向高度和徑向水平位置的速度演化特征。Gong等34利用PIV技術對扁平扇形噴嘴產生的油基乳化液膜破碎演化過程進行可視化研究，系統分析液膜破碎穿孔的成因機制，定量表征穿孔面積演變規律及破碎速率，并建立了液膜穿孔生長的理論預測模型。

目前，已有國內外學者利用PIV技術進行了一些研究，但是并沒有深入分析不同因素對霧滴運動速度的影響。值得注意的是，將農藥霧化成細小的霧滴進行噴霧的方法是施藥技術中的關鍵環節[4.35]。農藥噴施過程實質是將液態藥劑轉化為具有特定粒徑分布和一定運動速度的霧滴群，并通過噴霧裝置實現定向輸送的過程。噴施過程中，霧滴的粒徑大小和初速度作為關鍵動力學參數，直接影響霧滴在空中的運動軌跡、沉降特性及與靶標作物的相互作用效果[1，36-37]。同時，霧滴在葉片上的沉積狀態能夠很大程度上影響農藥毒力的功效，而且農藥霧滴在靶標上的沉積效率，尤其是小霧滴的沉積效率，會隨著霧滴速度的增大而顯著增加。

粒子圖像測速技術作為一種先進的流場可視化測量技術，已廣泛應用于植保無人機噴施霧滴沉積運動的研究。PIV技術能夠提供高時空精度的流場信息，實現對霧滴運動軌跡和速度分布的精確測量[38]，為研究霧滴沉積規律提供了重要手段。盡管PIV技術能夠提供豐富的流場數據，但如何將這些數據與霧滴運動速度的變化相關聯，仍需進一步研究。

2 結束語

本文通過對農業航空霧滴飄移規律研究機理、霧滴沉積運動特性作用機理、二維可視化噴霧流場空間特性等植保無人機施藥技術理論研究現狀的總結分析，發現現階段植保無人機噴施霧滴沉積運動特性理論研究還存在以下幾個問題：

1）精準農業航空施藥技術中的霧滴飄移沉積規律的研究比較分散，暫時不能形成成熟完整的結論。當前研究者主要關注在特定作業條件下減少霧滴飄移沉積的策略；而農業環境復雜多變，現有研究在應對噴施時復雜多樣的變化情況方面存在不足，難以提供全面有效的策略。

2）在研究霧滴飄移沉積的影響因素方面，當前研究只關注不同因素對霧滴飄移沉積的影響，忽略了不同的影響因素首先影響霧滴本身的特性（如粒徑、速度等），再通過霧滴運動間接影響霧滴的運動軌跡和沉積效果；現有研究在從霧滴運動機理出發，系統分析不同試驗因素對霧滴沉積運動的影響方面存在不足，缺乏對霧滴個體運動特性與沉積效果之間關系的深入研究。

3）在二維可視化霧滴流場研究中，較少有關于植保無人機中影響霧滴運動速度演化趨勢方面的研究。當前，盡管PIV技術能夠提供豐富的流場數據，但如何將這些數據與霧滴運動速度的變化相關聯，仍需進一步研究。此外，現有研究多集中于實驗室條件下的理想流場，而實際作業環境復雜多變，如何將PIV技術應用于實際作業場景，以更準確地模擬和預測霧滴的運動和沉積規律，為提高植保無人機的噴施效果和農藥利用率提供科學依據，仍是未來研究的重要方向。

針對植保無人機噴施霧滴沉積運動特性研究現存的問題，建議未來的研究從以下2個方面展開。

1）開發霧滴沉積運動特性綜合預測模型。利用深度學習和神經網絡技術，結合CFD仿真、風洞試驗和田間試驗等多種方法，構建能夠預測霧滴運動軌跡和沉積效果的智能模型。通過引入多維數據（如風速、濕度、噴頭類型等），提高模型的精度和適用性，為復雜環境下的精準施藥提供理論支持與實際指導，以實現精準噴施。

2）加強霧滴流程的三維運動空間研究。霧滴沉積與飄移是一個三維運動過程，未來研究應加強對三維空間內霧滴運動規律的研究。可以結合試驗和仿真技術，分析霧滴在三維空間中的運動軌跡及其受環境因素（如氣流、電場等）的影響，為優化噴霧設備和提高施藥效果提供理論依據。通過三維霧化場建立單液滴與霧滴群建模之間的關系，以更準確地評估霧滴的沉積行為和沉積量。將PIV技術應用于實際作業場景，研究復雜環境下的霧滴運動規律。通過試驗驗證仿真結果，優化植保無人機的噴施參數，提高農藥利用率和施藥效果。同時，結合不同作物的生長特性和吸收特性，為精準農業提供技術支持。

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