水稻叶片喷雾液滴动态撞击行为的CFD模拟与机理研究

为解决水稻疏水性叶片农药液滴附着率低、径流损失大的难题，研究人员基于流体体积法(VOF)建立计算流体动力学(CFD)模型，模拟不同粒径(100-300 μm)和速度(0.5-6.9 m/s)液滴撞击水稻叶片的动态过程，揭示液滴粘附/弹跳/破碎的临界参数规律。研究发现小粒径低速液滴更易滞留，并通过高速摄影实验验证模型准确性，为稻田精准施药提供理论支撑。

　　

水稻作为全球最重要的粮食作物之一，其病虫害防治关系国计民生。化学防治虽高效便捷，却面临农药过量使用、环境污染等严峻问题。尤其水稻叶片具有超疏水特性，喷雾液滴极易弹跳或破碎，导致农药有效附着率不足30%。传统研究多集中于亲水性作物，而针对水稻这类超疏水作物的液滴动力学机理研究仍存空白。如何通过微观动力学分析提升液滴滞留率，成为减少农药流失的关键科学问题。

中国农业科学院植物保护研究所的研究团队在《Crop Protection》发表研究，首次采用计算流体动力学(CFD)结合流体体积法(VOF)构建气-液-固三相耦合模型，系统模拟不同粒径(100/200/300 μm)和速度(0.5-6.9 m/s)液滴撞击水稻叶片的动态过程。通过量化铺展系数、接触时间等参数，结合高速摄影实验验证，揭示了疏水性作物表面液滴行为的普适规律。

主要技术方法
研究采用ANSYS Fluent软件建立三维VOF模型，设置25°C恒温条件，忽略相间传质传热过程。通过连续表面张力模型(CSF)处理气液界面，采用几何重构方案追踪界面演化。实验验证阶段使用Photron FASTCAM Mini UX100高速摄像机(10,000 fps)记录实际液滴撞击过程，并与模拟结果进行对比分析。

分析粘附运动过程
模拟显示200 μm液滴在0.4 m/s低速撞击时，初期动能克服表面张力后形成薄液膜(0-0.18 ms)，随后在表面能驱动下回缩并最终稳定粘附。该过程符合能量守恒定律，最大铺展系数β_max与韦伯数(We)呈正相关。

弹跳行为特征
当We>42.81时，液滴发生弹跳。100 μm液滴在1.1-6.9 m/s速度区间的模拟表明，动能转化为表面能的比例决定弹跳高度，接触时间τ_c与Ohnesorge数(Oh)呈负指数关系。

破碎临界条件
300 μm液滴在3.5 m/s以上速度撞击时出现冠状飞溅，通过临界韦伯数We_cr=42.81可准确预测破碎阈值，该值与水稻叶片接触角(142.6°)直接相关。

结论与意义
研究首次建立了水稻叶片液滴撞击行为的CFD-VOF预测模型，明确粒径和速度是影响撞击结局的核心参数：100/200/300 μm液滴的粘附临界速度分别为1.0/0.7/0.5 m/s，弹跳速度区间呈粒径依赖性缩小。所构建的逻辑回归模型预测准确率达89.7%，为无人机施药参数优化提供量化依据。该成果突破传统田间试验的时空限制，通过计算机辅助设计可实现农药减量30%以上，对发展绿色精准农业具有重要实践价值。