基于CFD数值模拟的沼液混合灌溉结构优化与淮山精准施肥策略研究

《Scientific Reports》：Integrating computational fluid dynamics and field experiments to optimize mixing and irrigation strategies for biogas slurry application in Chinese yam

　　在降低沼气沼液环境风险的同时最大化其农业价值，需要精确的调配与灌溉，但优化方法仍处于不成熟阶段。本研究采用计算流体力学（CFD）数值模拟，分析三种设计的混合施肥管道结构的流体动力学，探讨混合顺序如何影响相同直径管道内的肥料混合效率。采用可实现性k-ε模型进行流体模拟，以基于速度的变异系数（CV）作为混合均匀性的评价指标。结果表明，阶梯式混合结构b（厌氧液-水-微量元素序列）在流速为6.65 m/s时达到了最佳的肥料混合均匀性，相对标准差（CV）为6.47%。基于该结构，组装了一台具有高集成度和智能控制特点的一体化沼气沼液灌溉机，集成了电磁阀、离心泵和智能控制器等部件。开展了双因素实验，包括四种浓度（25%-100%）和三种灌溉下限（65%-85%田间持水量），采用双因素方差分析（ANOVA）进行统计分析发现，沼液浓度、灌溉下限及其相互作用对作物表现指标具有显著影响，并利用熵权法确定最优灌溉策略。田间试验结果表明，75%沼液浓度 + 75%田间持水量（F3T2）的灌溉方式可获得最优的淮山产量和淀粉含量。熵权法还综合评估了五个关键指标——土壤含水量、淮山产量、可溶性蛋白含量、淀粉含量和经济回报——确认F3T2为淮山的最优灌溉方案（评价值为0.97）。本工作建立了一个将工程优化与精准农业相联系的连贯框架，为将农业废弃物转化为具有更高效率和经济效益的资源提供了一种可复制的策略。