我国农业生产的现状与发展

我国农业生产的现状与发展

精准施肥,采用配套农药在市场经济快速发展的今天，人们更加重视生活质量、食品安全和污染等问题。在我国,病虫草害的防治主要依赖于化学防治,对农作物增产增收有着至关重要的作用,由此也带来了农药残留、环境污染、人畜安全等问题。如何降低施药量、提高农药使用效率成为摆在面前的又一热点话题。目前,我国的农业生产过程中,农药配制主要靠人工,农民大多靠经验配制,药液浓度和剂量都不精确,施药过后剩余的农药无法回收利用,造成大量浪费,不仅给经济带来损失,对环境也危害极大。随着国际农业发展,我国对农业和环保方面的投入不断加强,研发出精确的施药技术与配套机具研究是精准农业中的一个重点内容,采用药水分离、在线配置和装备自动化的施药机具是实现精准施药的前提。因此,在线混药装置被广泛应用于植保机械,在喷雾设备上设置药箱、水箱,利用喷雾管道系统,按照一定的比例完成农药的在线混合,按需配药,不仅节省了人力,提高了工作效率,还避免了农药浪费,对环境也有保护作用。1混药器类型1.1喷射装置的设计射流装置就是根据流体经过喷嘴或孔板时以一定的速度射出并引射(卷吸)周围流体的流动这一原理设计制成的,喷射装置由喷嘴、喉管、扩散管及吸入室组成。该装置利用管道系统的内部压力实现药水的在线混合,由于其结构简单,可靠性高,成本较低等优点被广泛用于植保机械。1.2混合单元组成不同流体静态混药器始于20世纪70年代初,由一系列安装在空心管道中的不规则混合单元组成,利用流体运动和混合单元的特殊结构对不同流体进行分割、合并、旋转等运动,使流体混合均匀。其混合效果良好,并且适用于较宽雷诺数的范围,代替了传统搅拌混合方式。2国内外变量混药机的研究和应用2.1高效、稳定的混合方法1970年,农药在线混合技术被Amsden首次提出,引起了各国学者的关注和重视。经过多年研究,在线混药技术取得了明显的进步。目前,发达国家大多采用大型机动喷杆式喷雾机,将重点放在外加能源的在线混药技术。当水量恒定,利用外加能源,根据机器运行速度调节农药注入量,实现精量喷药。Hloben最先采用了体积平均信号处理的方法,研制了在线混药过程中平均浓度变化的光纤光度传感器在Hloben的研究基础上,Vondricka对传感器的结构进行了改进,使传感器嵌入在混药器结构的内部。由于测量方法的本质并没有改变,因此Vondricka等给出的仍然是体积平均浓度。英国AgriFuturaDose2000型机具配备了一个30L的农药容器,计量泵从该容器中吸取农药。根据作业参数来确定计量泵的具体活塞行程,使农药药量增加或减少。农药在混合室与来自水箱的水混合稀释后再流向喷杆。这种方法保护环境,对人身安全没有威胁,在经济效益上有着突出的优点;消除了配药时操作人员与农药的接触,同时农药用量可以随时调节,有效防止过量施药。20世纪60年代,美国Kencis公司研发了静态混药器,基于其性能良好、应用范围广泛的优点受到人们更多关注,同时,新型混合元件应运而生。目前,技术比较成熟而且应用比较广泛的混合器主要有6种:美国的Kenics型、Ross型,瑞士的SulzerSMV型、SMX型和SMXL型,日本的Hi型。Rui.Ruivo对Kenics静态混合器在高压下时内部流体特性进行了研究,在不同温度、压力、主次相流量比、入流方式下测量混合器内部质量的传递速率,得到质量的传递速率和无量纲参数的函数关系式,侧面证明静态混合器能够强化传质。S.Hirschberg等改进了SMX型静态混合器,与改进前相比,压降减少50%,利用CFD方法最后得到了改进后混合器的压力场、停留时间分布以及混合效果,通过试验验证,两者一致性较好。AlbertRenken等研究了混合单元摆放位置周期性变化引起混合器内部流体流动周期性变化,能够促进无序混合的发生。ChristianLindenberg研究得出主次相不同粘性比下的混合时间,低雷诺数时,混合所需要的时间随粘性比的增大而减小,在高雷诺数下时情况相反,最后得到混合耗时是速度、流体进口尺度、粘性的函数。2.2中国研究与应用现状2.2.1射流混药器网络陈长林等用2个单级射流泵串联组合成两级射流泵,提高了传能效率、压强比增加、混合比降低,对喷枪末端正常喷雾压力的形成有利。对比试验验证两级射流泵优势所在,通过改变其参数,总结变化规律,为新型自动混药器的开发提供依据。何培杰等对射流混药装置的混合管进行了数值模拟,得出径向速度和轴向速度在混合管内的分布规律。邱白晶等通过建立射流混药装置的数学模型,确定了射流混药装置数值模拟方案,根据所得试验参数设计出射流混药器,对其进行射流混药的测试研究。在线射流混药技术存在混药比可调范围较窄和控制混药精度较低的问题,为了实现其智能精确控制,陈志刚等以LabVIEW为开发环境,设计出上位机人机交互界面,下位机系统是以TMS320F2812芯片为核心而设计出来的,利用串口通信实现上下机位之间的数据共享。上机位用于数据输入、显示和存储,下机位用于独立控制水流量和药流量。通过标定试验来拟合电动机转速和水流量的函数关系以及电控阀电压和药流量的函数关系。通过药原液控制跟踪性能等一系列试验,控制水流量的相对误差在2%以内,控制药流量的相对误差在3%以内。通过设置该混药器的控制系统,能够得到合适的混药比值,混药比的调节宽度增加了数10倍。目前,单喷嘴射流和撞击流应用的基础研究有了一定的成果,孙志刚等对2个不对称喷嘴形成的对置撞击流在大喷嘴间距下的轴线速度分布和驻点偏移规律、径向射流的湍流脉动特征、速度分布和扩展率等进行了一系列试验研究。2.2.2静态混合器内高粘度流体的流动模拟研究静态混合器在混合、萃取、乳化、强化反应和强化传热等方面广泛应用。很多学者从实际需要和生产需要角度出发,研发出多种类型静态混合器,取得了良好的效果。董海宏采用数值模拟方法,对内置长翼片式静态混药器进行模拟,分析了混药器内部流场,优化其机构设计。基于无序混合理论,研制出变径螺旋带静态混合器,混合单元分布于整个横切面,对流体的扰动大大增加。赵建华等对SMV型静态混合器的流场进行数值模拟和试验研究,得到对称面上速度分布情况,模拟结果和试验所得速度场比较吻合。孟辉波等,建立了SK型静态混合器内高粘度流体的流动改进模型,用Poincare映射方法仿真模拟了混合器内部流体的动力学行为,得出SK混合器内高粘度流体径向流动存在混沌特性。张鸿雁等对内置翼片式混药器混合效果进行了大涡模拟,当纵向偏转角度和翼片间距等参数相同时,长翼片类型的混合效果好,能量损失低。金文通过改变混合器内翼片的排列方式,对比了顺排和错排2种情况下的流体混合效果,试验结果证明错排的混合效果更好。尹红霞对混合器内翼片错排,角度从30°~60°逐渐变大,试验结果显示,改变后混合效果更好。3混药器结构性能方面存在的问题射流式混药器存在混药比较大且不稳定,压强比较低的缺点。设备利用流体质点间的撞击传递能量,混合过程产生的漩涡摩擦喉管内壁,会产生能量损失。另外,流体流经扩散管,也会产生扩散损失,导致成本提高,效率低。对于混药器内部流场的分析计算,由于其混药过程的复杂,很难得到精确的理论研究结果。研究过程中使用的参数大多来自试验结果,局限性很大。如今,许多学者通过数值模拟分析混药器的内部流动,有助于混药器结构进行改进,提高混药器效率。大型数字计算机使数字模拟从一维发展到三维,在一定程度上取代了试验研究,但是,混药过程太过复杂,假设的理论条件比较苛刻,数字模拟在很大程度上还是要依赖于经验常数。目前,针对射流式混药器影响其性能的研究不是很多,对其结构的研究不够全面,都是针对某一固定结构的混药器进行局部调节,得到的结论不能够用于指导设计。如果结构改变,对混药器性能的影响缺乏深入分析。与动态混药器相比,静态混药器对流体分散效果好、能耗低、效率高、易于实现等优点,但是虽然静态混药器有很多优点,仍存在其局限性。使用静态混药器前,要对应用对象性质和基本混合过程进行简要分析,初步判定该设备能否使用;该设备主要是对两相接触进行强化,但不能促进化学反应速率,不适用于两相间化学反应时间长的混合过程;另外该设备主要用于液液混合,粉剂与液体混合,不具有粉碎固体颗粒的作用;对于在混合过程中会产生相变的反应要特别注意,否则会影响预期效果。4安全用药在线混合用药化学防治对于我国农业增收增产有着至关重要的作用,随着科技发展,人们对施药设备和施药效果的要求越来越高,在能防治病虫草害的前提下,又要节约资源,保护环境,降低农药残留等等。混药方式从预混式发展到在线混合是安全用药的一项重大突