近日，机械与电子工程学院刘雪美教授团队在《Computers and Electronics in Agriculture》在线发表了题为“Dynamic Simulation of Fluid-Structure Interactions between Leaves and Airflow during Air-assisted Spraying: A Case Study of Cotton”的研究论文。崔慧媛博士为该论文的第一作者，刘雪美教授为该论文的通讯作者。
在辅助气流施药过程中，气流可拓宽液滴输送通道，增加液滴在冠层内沉积均匀性。不同于单片叶片，冠层内多叶片与辅助气流会相互影响。特别是冠层内复杂的叶片三维空间分布对冠层内喷雾雾滴流动和气流流场分布的影响尚不完全清楚。因此，解释冠层内多叶片与喷雾气流相互作用引起的流-固耦合现象和气流流场分布对于进一步明晰辅助气流施药时冠层内雾滴沉积分布具有重要意义。
棉花是我国主要经济作物、纺织工业原料、重要战略物资，棉花整个生育期内涉及植保、化控、封顶、脱落叶剂喷施等施药的精量化、高效率和高防效作业问题。本文以棉花为例，基于结构显式有限元求解器和Lattice-Boltzmann (LB)求解器，团队创新地提出了一种双向流-固耦合数值模拟方法，分析了辅助气流作用下叶片的空气动力学特性和冠层内流场分布，首次揭示了叶片尺度的冠层内双向流-固耦合现象。
针对冠层内部叶片与辅助气流交互难以直观性观察和准确性测量的难题，通过流-固耦合数值模拟结果可以直观地展示冠层内部任意位置的流场分布和多叶的变形情况。并且可以直接导出冠层内部的气流分布和涡量分布情况，避免了实际实验测量过程中造成的测量结果误差。 这对于理解冠层内部流-固耦合行为提供了重要理论依据数据支撑。
图1.冠层内流-固耦合数值模拟结果分析
该研究对棉花植株进行了室内实验，对于数值模拟结果进行了验证。实验结果验证了流-固耦合数值模拟结果的准确性，突破叶尺度下的冠层内部气流流场分布难以数字化分析的问题，为研究冠层内部气流分布并进一步分析冠层内雾滴沉积机理提供了思路和研究方向。本研究对于揭示叶片与冠层内部及周围辅助气流之间的非线性流固相互作用具有重要学术意义。
该研究得到了国家自然科学基金、“十四五”国家重点研发计划和山东省棉花产业技术体系创新团队机械岗位专家项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.107817
编 辑：万 千
审 核：贾 波
