基于VOF-TO-DPM与VOF+DPM模型的猕猴桃花粉液体雾化特性数值模拟研究

针对猕猴桃湿式授粉中花粉液雾化效果不佳的问题，研究人员通过建立VOF-TO-DPM和VOF+DPM多相流模型，系统研究了花粉液的空腔液膜形成、二次雾化机制及液滴粒径分布规律。结果表明：气体压力可显著细化液滴至30 μm以下，而液体压力影响微弱，实验与模拟误差≤20%，为精准授粉装备设计提供了理论支撑。

　　

猕猴桃作为全球重要的经济水果，其授粉质量直接影响果实产量和商品价值。然而，自然授粉效率低下，传统干式授粉存在花粉浪费严重的问题，而湿式授粉虽能提高利用率，却因雾化效果不稳定导致坐果率仅41.2%。究其根源，花粉液滴的破碎机制、粒径控制等关键科学问题尚未阐明，制约了精准授粉技术的发展。

西北农林科技大学机械与电子工程学院的研究团队在《Computers and Electronics in Agriculture》发表论文，创新性地采用计算流体力学(CFD)技术，结合VOF-TO-DPM（从体积分数到离散相模型）和VOF+DPM（耦合模型）两种方法，首次揭示了花粉液在D1/4-SU12-SS型喷嘴内的雾化动力学过程。通过数值模拟与实验验证，发现气体压力提升能快速将液滴粒径控制在30 μm以下，而喷雾锥角对压力变化不敏感，这一发现为优化授粉参数提供了量化依据。

研究主要采用三项关键技术：1）基于VOF-TO-DPM模型捕捉液膜破裂至液滴形成的瞬态过程；2）利用VOF+DPM耦合方法分析不同气压(0-0.8 MPa)下的液滴速度场分布；3）通过激光粒度仪实测数据验证模型可靠性，误差控制在20%以内。

【液体薄膜模式分析】
模拟显示花粉液在喷嘴内形成空腔液膜，表面振荡波导致液团破碎，产生韧带流和更细小液滴，这一发现解释了二次雾化的物理机制。

【喷雾锥角特性】
VOF+DPM模型证实，气体/液体压力变化对喷雾锥角影响微弱（<5°），与实际田间作业需求高度吻合。

【液滴粒径控制】
当气体压力从0.2 MPa增至0.4 MPa时，索特尔平均直径(SMD)下降40%，但继续增压效果递减，而液体压力调整对粒径影响不显著。

该研究首次建立了花粉液雾化的多尺度模拟框架，不仅破解了湿式授粉中"雾化细度不足-沉积率低"的技术瓶颈，更开创了农业喷雾领域VOF与DPM耦合建模的新范式。团队获得的压力-粒径定量关系（R2>0.95）已被陕西博明生物科技公司应用于授粉装备改进，使花粉利用率提升35%。研究为发展智慧农业中的精准变量授粉技术提供了关键理论工具，对保障猕猴桃产业高质量发展具有重要意义。