在机械除草干扰下，对水稻幼苗中空气-水-泥三者相互作用的结构进行建模与验证

《Computers and Electronics in Agriculture》：Modeling and validation of coupled air–water–mud structure interactions on rice seedlings under mechanical weeding disturbance

水稻移栽后10-30天机械除草过程中，开发气-水-泥三相流耦合CFD模型，揭示除草刀扰动对秧苗力学行为的影响机制。模型预测最大应力8.37MPa和位移53.34mm，验证误差小于10%。发现应力集中在秧苗基部和泥水界面，位移随时间呈29.9%衰减，为优化除草参数提供理论支撑。

　　
水稻田机械除草过程中幼苗力学响应与流体耦合作用机制研究

摘要部分揭示了机械除草对水稻幼苗力学特性的显著影响，本研究通过构建CFD耦合模型系统揭示了流场扰动与幼苗动态响应的耦合机制。实验验证表明该模型预测精度达到实测数据的90%以上，为农具优化设计提供了理论支撑。研究显示10天移栽期的幼苗在10天和30天两个时间节点呈现显著差异：早期阶段（10-30天）幼苗最大应力值达到8.37 MPa，纵向位移达53.34 mm（约株高的20%），后期因株体刚度提升，位移量减少29.9%。应力集中区域主要出现在株基和液-气界面处，这两个区域需重点考虑结构稳定性。

引言部分着重阐明研究背景和理论价值。当前机械除草面临三大技术瓶颈：一是多相流场复杂性的数学建模难题，传统离散元方法难以准确表征泥水气三相耦合流动；二是幼苗柔性体力学特性与流场扰动的动态耦合机制不明；三是现有农具参数优化缺乏量化理论支撑。本研究创新性地将CFD流体仿真与柔性体动力学结合，首次建立包含三相流体-株体结构-应力传递的完整耦合模型，为精准农业装备开发提供了新方法。

流体力学模型构建章节显示，研究团队采用RANS方程体系，创新性引入三相耦合边界条件。针对稻田特有的"浅水层+高粘性泥层"双相结构，开发了具有动态接触界面的多相流计算模块。特别在泥水界面处理上，采用修正的屈服应力模型，有效解决了传统模型中泥层流动的连续性假设偏差问题。该模型成功实现了除草刀运动轨迹与流场速度场的实时同步计算，为后续生物力学分析奠定了可靠基础。

幼苗力学特性测试部分发现，不同生长期的株体具有显著差异。10天期幼苗弹性模量仅24.8 MPa，在4.31 N拉伸力下即发生断裂，而30天期株体模量提升至58.9 MPa，拉伸强度增长2.3倍。这种动态变化特性导致流场扰动产生的应力分布具有时间依赖性，研究首次量化揭示了株体刚度随发育阶段呈指数增长规律。

耦合作用机制分析表明，三相流场通过三种主要途径影响株体力学响应：1）湍流涡旋产生的剪切力导致茎秆弯曲形变；2）液固界面滑移产生的动态接触压力；3）三相界面剪切带引发的局部应力集中。其中除草刀后缘形成的V型涡旋（尺寸约30-50 mm）对幼苗造成最显著损伤，其诱导的剪切速率超过株体临界承受阈值（约0.8 s?1）时，会导致纤维束结构破坏。

实验验证部分包含两个创新性验证体系：实验室稳态水力试验台可精确控制流速（0.2-1.5 m/s）和含沙量（15-25%），成功复现田间典型工况；田间移动式测量系统结合PDA粒子图像测速技术，实现了除草刀作业区三维流场的高精度捕获（采样频率200 Hz）。对比分析显示，模型预测的流场速度分布与实测数据偏差小于8%，最大误差出现在刀片边缘区域（5-7%），该区域因存在流固耦合界面效应，验证了模型对边界层处理的准确性。

工程应用价值方面，研究建立了"刀间距-转速-入土深度"三维优化模型。通过敏感性分析发现：当刀间距增大至35 cm时，单株损伤率下降42%；转速控制在400 rpm时，剪切力峰值降低至临界值的78%；入土深度优化至8-12 cm区间，泥层抗剪强度提升30%。这些参数组合可使幼苗损伤率控制在5%以下，显著优于传统设备水平。

研究还发现关键防护窗口期：移栽后第10-20天是幼苗抗逆性最脆弱的阶段，此时刀具参数优化可使结构损伤率降低65%。特别在株高30-50 cm区间，建议采用"低切深+高转速"组合，利用离心力强化泥层固结效应，减少流场对株体的直接冲击。

该成果的工程转化潜力显著，已应用于新型旋刀式除草机的参数设计。实测数据显示，采用优化参数的样机在江苏盐城试验田的作业效果提升：株体平均弯曲角度由28.5°降至17.2°，倒伏率从12.7%降至4.3%，泥层扬程控制误差小于5%。研究建立的流场-结构耦合数据库，为智能农业装备的自主决策系统提供了关键算法支撑。

未来研究方向建议在以下领域深化：1）开发多尺度耦合模型，整合分子水平生物力学特性与宏观流场；2）建立动态损伤累积模型，预测长期作业下的株体疲劳寿命；3）拓展至不同水稻品种和生育期的普适性研究。该模型框架还可迁移至其他水田作物（如茭白、莲藕）的机械化收获作业优化，具有广阔的应用前景。