智能风送喷雾系统在苹果园中的农药沉积与飘移模拟：提升施药效率与减少环境影响的CFD研究

为解决传统喷雾系统农药利用率低、环境风险高的问题，研究人员基于计算流体动力学(CFD)开发了智能风送喷雾系统(SAAS)，模拟分析了不同喷雾参数（如雾滴粒径VF-VC、风速0.89-5.36 m s?1）和天气条件对苹果园农药沉积与飘移的影响。结果表明，智能喷雾系统可减少38.4%-51.9%农药用量，提升施药效率1.6-3.3倍，为精准农业提供关键技术支撑。

　　

苹果作为全球消费量最大的水果之一，2023年产量达8290万吨，但其密集种植的半矮化品种易受病虫害侵袭。传统喷雾系统存在两大痛点：一是固定剂量喷洒导致早期生长阶段农药过量（如展叶期单株施药量达27.9 mL），二是环境因素（如风速、湿度）显著影响雾滴沉积与飘移。现有田间试验成本高、重复性差，而专业计算流体动力学(CFD)模拟又需要复杂建模技能。为此，美国农业部农业研究局等机构开发了用户友好的SAAS（Simulation of Air-Assisted Sprayers）系统，通过24000组CFD数据模拟，首次量化比较了传统与智能喷雾系统在苹果园的效能差异，成果发表于《Smart Agricultural Technology》。

研究采用ANSYS FLUENT 15.0.7构建三维模型，模拟径向风送喷雾器（风速45.72 m s^?1）在典型半矮化苹果园（株高3.66 m，叶面积密度3 m² m^?3）中的雾滴运动。通过MATLAB分析不同生长阶段（展叶期/半叶期/全叶期）、雾滴粒径（ASABE标准VF-VC）、风速（0.89-5.36 m s^?1）等参数对沉积与飘移的影响，并验证了智能系统（基于激光扫描的变量施药）的节药效果。

研究结果
3.1 喷雾参数的影响

• 雾滴粒径：VF（极细雾滴）在全叶期实现最高冠层沉积（较VC雾滴提升12.0%），但出口飘移增加4.4%。智能系统使不同粒径雾滴的沉积差异缩小至5.6%。
• 行进速度：高速（2.24 m s^?1）降低传统喷雾器飘移8.4%，但智能系统在不同速度下沉积稳定性误差<0.7%。

3.2 天气条件的影响

• 风速：1.79 m s^?1以下风速最利于传统系统，而智能系统在5.36 m s^?1高风速下仍保持64.9%冠层沉积。
• 温湿度：20°C/30%RH（相对湿度）时传统系统沉积最佳，智能系统在10-30°C宽温域表现稳定。

3.3 系统对比
智能系统在全叶期使用VC雾滴可减少51.9%农药用量，喷雾效率提升至84.5%（传统系统仅41.0%），且出口飘移浓度降低至0.3%（传统系统1.9%）。

结论与意义
该研究首次通过大规模CFD模拟证明：智能喷雾系统通过实时调节施药量，可突破传统系统对天气条件的依赖，在保证防治效果（全叶期沉积量提升43.5%）的同时，显著降低环境风险（飘移减少80%）。尤为重要的是，该系统使极细雾滴（VF）的应用成为可能——在传统系统中VF会导致显著飘移，而智能系统通过精准靶向将飘移控制在安全阈值内。研究提出的"中风速+中粒径"组合策略（如1.79 m s^?1风速下采用F雾滴），为果园精准施药提供了可直接落地的解决方案，预计每公顷可节约农药成本1420-1750美元。未来通过扩展模型参数（如风向、多作物适配），该技术有望成为智慧农业的核心装备。