TD-CFD-DPM耦合方法优化杂交水稻碰撞授粉参数的多目标研究

推荐：为解决杂交水稻规模化制种中授粉效率低、花粉分布不均等问题，研究人员采用TD-CFD-DPM（瞬态动力学-计算流体力学-离散相模型）耦合方法与遗传算法，优化碰撞授粉参数。通过构建水稻-空气-花粉多相耦合模型，模拟花粉扩散与沉降过程，结合响应面实验设计，实现花粉运动轨迹可视化与参数多目标优化。结果表明，优化后花粉传播距离均大于1.3米，分布均匀性变异系数低于80%，为机械化授粉理论发展及规模化应用提供重要依据。

　　

杂交水稻技术对全球粮食安全至关重要，但其制种过程面临自然杂交率低（仅0.2%-0.3%）、花粉寿命短（约5分钟）等挑战。传统人工授粉效率低下，而现有机械授粉方法如气动式易受外界干扰，碰撞式则存在植株损伤风险。如何通过优化操作参数提升花粉分布均匀性与传播距离，成为实现规模化制种的关键难题。

针对这一问题，国内某研究机构团队在《Smart Agricultural Technology》发表研究，提出一种结合瞬态动力学(TD)、计算流体力学(CFD)和离散相模型(DPM)的耦合方法，通过多目标优化提升碰撞授粉效率。研究首先构建水稻-空气-花粉多相几何模型，采用动态网格技术模拟稻穗振动与花粉扩散的相互作用；利用响应面实验设计分析碰撞力（0.1-0.9N）、碰撞高度（55-75mm）和碰撞角度（-30°-30°）对花粉分布的影响；最后通过遗传算法(NSGA-II)筛选最优参数组合。实验验证采用协同碰撞模块，结合显微计数统计花粉沉积。

3.1 花粉扩散过程分析
模拟显示，花粉在稻穗扰动下呈现单峰分布，初始0.02秒即获得初速度扩散，0.5秒后进入稳定沉降阶段。稻穗回弹运动导致部分花粉传播受阻，最终80%以上花粉沉积在父本附近区域，与田间实测结果一致。

3.2 碰撞参数影响
响应面模型表明，碰撞力对传播距离影响最显著（F值1125.55），碰撞高度则主导分布均匀性（F值47.54）。二次回归方程显示，参数间交互作用不显著（P>0.05），但碰撞力超过0.68N会导致花粉过度聚集。

3.3 多目标优化结果
遗传算法筛选的200组参数中，最优组合碰撞力0.54-0.68N、高度0.6-0.64m、角度-2.2°-5.1°，使花粉传播距离稳定>1.3m，变异系数<80%。

3.4 验证实验
50组参数实测值与模拟误差<6%，最大位移平均误差仅5.2%，证实模型可靠性。

该研究首次将TD-CFD-DPM耦合方法应用于水稻授粉模拟，揭示了稻穗柔性振动对花粉扩散的动态影响。优化参数为碰撞式授粉装备设计提供理论依据，推动杂交水稻制种从经验操作向精准调控转变。未来可进一步引入自然风场变量，提升模型田间适用性。研究通过多学科方法突破生物过程量化难题，为农业机械化提供了创新范式。