《Engineering Analysis with Boundary Elements》：Deformation characteristic of tea shoot under moving negative pressure guidance: Numerical simulation using an improved IB-LBM
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摘要为了解决名茶机械化采摘的挑战，本研究提出了一种基于改进的浸入边界-格子玻尔兹曼方法（IB-LBM）的数值框架，用于表征在移动负压引导下的茶叶运动和变形。本文定量研究了下降速度V、水平偏差W和旋转刚度k对茶叶变形的影响。由于采摘边界严重依赖于茶叶的机械性能，因此目前没有通用的固
摘要
为了解决名茶机械化采摘的挑战，本研究提出了一种基于改进的浸入边界-格子玻尔兹曼方法（IB-LBM）的数值框架，用于表征在移动负压引导下的茶叶运动和变形。本文定量研究了下降速度V、水平偏差W和旋转刚度k对茶叶变形的影响。由于采摘边界严重依赖于茶叶的机械性能，因此目前没有通用的固定采摘阈值。在所测试的二维数值框架工作条件下，所提出的方法与实验测量结果吻合良好，变形幅度的最大相对误差为6.16%。这项工作阐明了动态负压引导的关键影响因素，并为茶叶采摘末端执行器的参数设计提供了具体参考。同时，它也扩展了IB-LBM方法在农业流固耦合仿真中的应用。
引言
作为中国的传统支柱产业，茶叶产业在经济发展和农村振兴中发挥着重要作用[1]。名茶具有显著的附加值，在该产业中占据关键地位[2]。目前，名茶的采摘仍然主要依赖人工劳动。农村劳动力的持续流失加剧了采摘人员的短缺，使得名茶的机械化采摘成为当务之急[3]。
关于名茶采摘末端执行器的现有研究仍然不足。传统的机械末端执行器的误差补偿能力有限，导致采摘成功率和茶叶完好率普遍较低[4,5]。在这种背景下，基于负压引导的名茶采摘末端执行器应运而生[6]，它利用负压产生的气流将茶叶导入管道，旨在实现低损伤采摘，在特定测试条件下的负压引导成功率为97.36%。为了进一步优化采摘性能，明确茶叶在移动负压引导下的变形规律至关重要。
气体-固体两相流的仿真技术已广泛应用于各种农业工程场景中。气动播种和气动施肥是最常见的应用之一[7,8]，而气动筛选和气动输送也在行业中得到了广泛应用[9,10]。为了降低建模复杂度，研究人员通常将近似球形物质简化为标准球形颗粒，这种方法对于种子和液滴等近似球形的农业材料效果较好[11,12]。对于不规则形状的材料，通常采用球形颗粒的填充方法[13,14]。随后，使用商业CFD和EDEM软件进行数值模拟。然而，这种传统方法不适用于茶叶，因为茶叶具有柔性的片状结构和复杂的物理特性。球形化处理会导致明显的计算偏差，而且颗粒填充策略也会带来极大的计算负担[15]。
IB-LBM具有较高的计算效率和平行处理能力，在模拟柔性材料的动态变形方面具有显著优势[16,17]。目前，该方法已成熟应用于多种柔性材料的数值模拟，包括纤维、薄板和柔性旗帜[18][19][20]。因此，基于IB-LBM探索气流与茶叶之间的气体-固体两相流动是可行的，尽管相关研究中仍存在明显局限性。Wang等人[21]在茶叶分选模拟中将茶叶简化为圆形结构，但这类模型不适用于负压引导工作条件。尽管Zhu等人[22]采用IB-LBM模拟了在静止负压引导下的茶叶变形，但他们研究中的负压引导管道相对于茶叶保持相对静止，未能再现实际采摘过程中负压引导管道向下移动的动态特性。
针对现有相关研究的不足，本文提出了一种用于移动负压引导的数值计算方法，并建立了一个与实际采摘条件相符的仿真平台。基于仿真结果，分析了速度、涡度和茶叶的运动时间演变，并阐明了下降速度V、水平偏差W与茶叶变形特性之间的定量关系。本文旨在揭示移动负压引导的工作机制，为名茶采摘末端执行器的最优设计提供理论参考，并进一步扩展IB-LBM在农业仿真中的应用范围。
部分摘录
浸入边界-格子玻尔兹曼方法
本文开发了一种基于IB-LBM的代码。IB-LBM的核心原理在于求解两组方程：用于欧拉流体节点的格子玻尔兹曼解系统和用于拉格朗日边界节点的人为校正系统。前者通过格子玻尔兹曼方程[23]求解，其表达式如下：其中fα表示方向eα上的密度分布函数，eα是离散化的速度，x是
结果与讨论
本节通过详细分析流体速度和涡度，展示了茶叶模型的变形情况。此外，还阐明了下降速度V、水平偏差W和旋转刚度对茶叶变形的影响。
结论
本文提出了一种适用于实际名茶采摘操作的移动负压引导的数值方法。在此基础上，实现了茶叶在流场中的运动和变形仿真。展示了速度、涡度和茶叶模型的时间演变，并定量研究了下降速度V、水平偏差W和旋转刚度k对茶叶变形特性的影响。
仿真结果
CRediT作者贡献声明
Yingpeng Zhu：撰写——原始草案、方法论、资金获取、概念构思。Jing Ni：监督、资源提供。Yikun Wei：资金获取、概念构思。Zhengdao Wang：撰写——审阅与编辑、概念构思。Rongyang Wang：方法论、资金获取。Jianneng Chen：项目管理、概念构思。Chuanyu Wu：资源提供、项目管理。
Yingpeng Zhu|Jing Ni|Yikun Wei|Zhengdao Wang|Rongyang Wang|Jianneng Chen|Chuanyu Wu
