基于CFD-DEM耦合模拟的无人机水稻条播关键参数优化与验证研究

针对无人机水稻条播(SAS)中气流扰动导致种子分布不均的问题，研究人员通过构建CFD-DEM耦合模型系统分析种子运动全过程，揭示飞行高度(1.6-2.4 m)、速度(1-5 m·s-1)和播种管长度(0-1500 mm)对条播效果的影响规律，提出1500 mm全通式播种管设计方案，田间试验条播指数(ε)达0.77，为无人机精准条播装备研发提供关键技术支撑。

　　

水稻作为全球三大主粮之一，其轻简化、高效化生产方式一直是农业机械领域的研究热点。无人机(UAV)直播技术凭借出色的田间机动性和作业效率备受关注，但现有广播式播种方式受旋翼气流干扰严重，导致种子落地位置随机分散，田间管理效率低下。如何通过优化关键结构和作业参数实现稳定条播效果，成为制约无人机精准播种技术发展的瓶颈问题。

针对这一挑战，华中农业大学的研究团队创新性地采用计算流体力学与离散元耦合(CFD-DEM)方法，构建了从种子箱→供种装置→播种管→气流场→泥面的全流程仿真模型。通过分析旋翼下洗流场、马蹄涡和地面扩散气流对种子运动轨迹的复合影响机制，首次阐明飞行高度通过改变种子无约束运动距离、飞行速度通过调整下洗气流分布空间、播种管长度通过调控种子横向速度的三重作用规律。

研究采用多尺度耦合技术路线：在EDEM 2018中建立种子-机械相互作用模型，设置PLA材质种子箱与碳纤维播种管；通过Fluent 19.2模拟六旋翼非定常流场，采用SST k-ω湍流模型和SIMPLE算法；基于64核服务器实现时间步长5×10^-4 s(CFD)与1×10^-5 s(DEM)的跨尺度耦合计算。田间验证采用0.324 hm²试验田，以黄花占水稻品种为对象，通过加装柔性接头和辅助轮实现1500 mm播种管的非驱动折叠着陆。

飞行参数影响研究表明：当速度从1 m·s^-1提升至5 m·s^-1时，下洗气流后移使种子受扰时间缩短，条播指数(ε)从0.53升至0.65；高度从1.6 m增至2.4 m导致种子在气流中自由运动距离延长，平均条宽(w)从53.2 mm扩大至123.3 mm。播种管长度实验揭示：500 mm管长时种子峰值横向速度(V_h)达0.37 m·s^-1，而1500 mm全通式设计将V_h抑制在0.05 m·s^-1以内，条宽优化至29.6 mm。

泥盒验证试验证实仿真误差主要源于无人机姿态滚转角变异和机械连接间隙，绝对误差随高度增加而放大。创新设计的非驱动折叠方案通过辅助轮导向机构，成功解决长管着陆安全性问题。最终田间测试显示：在2.0 m飞行高度、3.5 m·s^-1速度下，57.4 mm平均条宽和0.77条播指数的优异表现，40天后秧苗生长均匀性验证了技术的可靠性。

该研究通过多物理场耦合仿真与系统优化，首次建立无人机条播参数设计理论体系。提出的全通式播种管架构有效规避了气流扰动、机械振动等不可控因素影响，相比传统设计条播指数提升108%。研究成果为丘陵山区深泥脚田、分散小田块的水稻机械化种植提供了创新解决方案，对推动精准农业装备国产化具有重要实践意义。论文发表于《Computers and Electronics in Agriculture》，为无人机播种产品化设计提供了关键技术参考。