周志艷，鐘伯平，劉愛民，何 越，劉又夫，田麓弘，羅錫文※，林宗輝

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院/廣東省農(nóng)業(yè)航空應用工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510642；3. 國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，廣州 510642；4. 袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司，長沙410006）

0 引 言

雜交水稻的推廣運用，為解決中國和世界的糧食安全問題做出了巨大貢獻[1]。雜交水稻制種是雜交水稻生產(chǎn)的重要組成部分，授粉又是雜交水稻制種的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；充分、均勻的授粉是提高制種質(zhì)量和產(chǎn)量的前提保障[2]；目前，雜交水稻制種輔助授粉方法主要以傳統(tǒng)人力式為主，機械輔助授粉方法尚在研究與示范中。

傳統(tǒng)人力式輔助授粉主要包括單長桿趕粉法、雙短桿推粉法以及繩索拉粉法[3]，通過繩索、竹竿等與父本稻穗碰撞，將從花藥散出的花粉揚起，花粉借助自然風作用擴散至母本，完成授粉[4]。傳統(tǒng)人力式輔助授粉作業(yè)具有勞動強度大，生產(chǎn)效率低等缺點[5]，已難以滿足現(xiàn)代化制種的需求。

機械輔助式主要是通過一些可靠的工具代替人力，主要包括氣力式、碰撞式以及無人機風力等[6]。氣力式機械輔助授粉的原理為利用風機產(chǎn)生定向可調(diào)的氣流將父本的花粉揚起，在合適的風速、風場作用下，花粉傳播至母本上，完成授粉。胡達明等[7-10]以風機為動力源，試制了氣力式授粉機，進行雜交水稻授粉，相較于傳統(tǒng)人力式輔助授粉，取得了較大的進步，但氣力式輔助授粉仍存氣流速度控制不精準、花粉受流場影響較大等問題，授粉效果仍有較大的提升空間。碰撞式輔助授粉主要原理為模仿傳統(tǒng)人力式竿、繩等對父本稻穗的碰撞原理，利用機械碰撞實現(xiàn)輔助授粉，但碰撞式輔助授粉過程中，存在對父本植株造成損傷、作業(yè)效率不夠高等問題，授粉效果并不理想[11]。

近年來，無人機風力輔助授粉得到運用，其原理為旋翼所形成的下旋風將花粉揚起，并隨著旋翼所形成的氣流，將花粉飄散至母本完成授粉。汪沛等[12-15]運用無人機對雜交水稻制種輔助授粉進行了深入研究，取得了較好的效果，但無人機輔助授粉目前存在續(xù)航時間短、效率低、對操控人員技術(shù)要求較高等問題[16]，大面積推廣應用仍需進一步優(yōu)化改進。

為了尋求更高效、更可靠的輔助授粉方法，本研究擬設(shè)計一種涵道風扇式高地隙雜交水稻制種授粉機，采用計算流體力學（computational fluid dynamic，CFD）技術(shù)對涵道風扇式授粉器的流場特性進行仿真研究與試驗分析，并試制樣機進行田間試驗，測試該樣機授粉作業(yè)后花粉在母本廂內(nèi)的分布規(guī)律，為雜交水稻制種授粉機的授粉器類型的選擇、結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化改進提供理論依據(jù)。

1 涵道風扇式高地隙雜交水稻制種授粉機

1.1 整體結(jié)構(gòu)組成

涵道風扇式高地隙雜交水稻制種授粉機由高地隙動力底盤、微型汽油發(fā)電機、直流電源、桁架、桁架自動調(diào)平裝置、涵道風扇啟動控制器、桁架升降機構(gòu)以及涵道風扇式授粉器等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 涵道風扇式高地隙雜交水稻授粉機整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of whole machine model of ducted-fan pollination machine based on high-clearance chassis for hybrid rice

微型汽油發(fā)電機與直流電源固定安裝在高地隙動力底盤尾廂上；在桁架兩端以及桁架中心位置處，分別安裝 3組授粉器（依據(jù)行車方向，從左到右依次命名為左授粉器、中授粉器、右授粉器），每組授粉器由兩個氣流方向相反的涵道風扇組成，安裝時，3組授粉器的氣流在幅寬方向上保持平行。輔助授粉作業(yè)過程中，3組涵道風扇式授粉器由啟動控制器統(tǒng)一操控，保證 3組涵道風扇式授粉器出風口處的氣流速度基本一致。

1.2 工作原理

高地隙動力底盤離地間隙為1.7 m，軸距為2.4 m，輪距為2.5 m，正好能橫跨一廂父本（8行，廂距為2.0 m，為減少輪胎對水稻的碾壓，預留了作業(yè)行車道，約30cm）；桁架單側(cè)幅寬為 11.0 m，正好覆蓋側(cè)面的一廂母本，末端抵達另一廂父本。圖2為授粉作業(yè)示意圖。

如圖 2所示，進行田間輔助授粉時，涵道風扇式高地隙雜交水稻制種授粉機橫跨行走在其中一廂父本冠層上方，中授粉器作用在父本廂正中心線上；沿著行進方向，左授粉器作用在授粉機左側(cè)一廂父本中心線上，右授粉器作用在授粉機右側(cè)一廂父本中心線上。各組授粉器的氣流左右可以分別作用于父本廂兩側(cè)的半廂母本，依照研究給定的種植農(nóng)藝要求，父本廂寬為2.0 m，母本廂寬為8.5 m，所設(shè)計的授粉機單次授粉作業(yè)覆蓋寬度可達31.5 m，單次授粉作業(yè)幅寬計算如下。

式中H為單次授粉作業(yè)所覆蓋的幅寬，m；?為一組授粉器所覆蓋的幅寬，m。

圖2 授粉作業(yè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of pollination operation

在趕粉作業(yè)過程中，3組授粉器通過桁架自動調(diào)平裝置保證水平方向基本上處于同一高度，涵道風扇式授粉器斜向下 0～30°（角度可調(diào)）緊貼父本冠層，授粉器所產(chǎn)生的氣流作用于父本稻穗穗層，使父本稻穗震蕩，花粉隨著氣流揚起，飄散至母本上，實現(xiàn)授粉。該機授粉作業(yè)行走速度為1.5 m/s，作業(yè)效率可達7 hm2/次（每次授粉時間30 min）。

2 涵道風扇式授粉器的流場數(shù)值仿真

涵道風扇式授粉器是授粉機的關(guān)鍵部件，為了解涵道風扇式授粉器內(nèi)部旋翼在高速旋轉(zhuǎn)運動下的流場分布特性，得到較優(yōu)的設(shè)計參數(shù)，以利于指導實際的樣機制作，即：選用何種最經(jīng)濟的旋翼轉(zhuǎn)速來滿足雜交水稻授粉時花粉揚起和懸浮運送的最低要求。擬采用計算流體力學軟件對涵道風扇式授粉器進行仿真試驗研究。格子波爾茲曼方法（lanice boltzmailn menods, LBM）相比于其他傳統(tǒng)CFD計算方法，具有介于微觀分子動力學模型和宏觀連續(xù)模型的特點，因此具備流體相互作用描述簡單、復雜邊界易于設(shè)置、復雜模型網(wǎng)格自適應等優(yōu)點[17]，且其計算效果比較準確[18-19]，故采用基于 LBM 方法的XFlow（next limit dynamics S.L.）試驗平臺對涵道風扇進行數(shù)值模擬，分析涵道風扇式授粉器的流場特性分布，并進行優(yōu)化設(shè)計。

每組授粉器由2個氣流方向相反的涵道風扇組成，2個涵道風扇的出入口相互錯開，不在同一個軸線上，且2個涵道間有一定間距，所形成的氣流場互不干涉，因而為了降低仿真研究難度及研究工作量，將授粉器物理模型簡化為單涵道風扇模型。

2.1 涵道風扇式授粉器的物理模型

涵道風扇式授粉器物理模型采用Solidworks 2016進行建模，旋翼模型采用三維掃描儀（MetraSCAN 3D型，CREAFORM公司產(chǎn)品）掃描所得，基本尺寸如下：旋翼直徑為390 mm，旋翼采用可折疊式布局（碳纖維復合漿）；涵道內(nèi)徑為400 mm，壁厚為3 mm，兩葉旋翼通過旋翼夾片安裝在無刷電機上，電機則安裝在涵道十字型電機底座上，涵道入風口一側(cè)覆蓋保護網(wǎng)，防止作業(yè)中水稻穗頭進入涵道，如圖 3所示，考慮到安裝誤差，旋翼與涵道內(nèi)壁的間距保證在3～5 mm。

圖3 涵道風扇式授粉器模型Fig.3 Ducted-fan type pollinator model

2.2 授粉器模擬方法

McNamara等[20]于1988年首次提出了LBM的DiQj基本晶格模型（i維空間，j離散速度），相對其他傳統(tǒng)CFD方法，LBM在處理復雜邊界層的流體流動時有獨特優(yōu)勢，它可分為D2Q7、D2Q9、D3Q19以及D3Q27四類晶格模型，Xflow采用的LBM方法計算域均為立方體單元，擬采用D3Q27晶格模型進行授粉器的仿真，該晶格模型為3維27個離散速度，其中分別為1個速度為0的點、6個由晶格體心指向晶格面中心、8個由晶格體心指向晶格頂點以及12個由體心指向晶格邊中心的速度，如圖4所示。

圖4 D3Q27晶格模型Fig.4 Lattice of D3Q27 model

式中x∈Γ為格子上的某一個格點，{ξi=1,2,…,n}為流體粒子的離散速度集合，fi為以速度ξi運動的速度分布函數(shù)，tφ為離散時間步長，t為當前時間步；Wi為碰撞算子，即表示粒子間的碰撞對速度分布函數(shù)的影響，φ為無量綱松弛參數(shù)。Γ 為一個自封閉系統(tǒng)，即如果x∈Γ則 x +ξiφt∈Γ，則LBM方法中流體粒子總是再網(wǎng)格線上運動。在引進BGK（bhatnagar- gross-krook）碰撞算子的近似簡化后，該方程可還原為描述不可壓縮流體流動的控制方程，即Navier-Stokes方程，即可求解不可壓縮流體低馬赫數(shù)的流體動力學問題。

2.3 湍流模型

為準確模擬涵道風扇式授粉器的流場特性，使用大渦模擬（large eddy simulation, LES）的壁面自適應局部黏度模型（wall adapting local eddy, WALE），提供一定的局部渦流黏度和近壁特性[21]，數(shù)值求解過程執(zhí)行方程[22]為

式中tυ為模擬亞格湍流渦流黏度，Gdαβ、Sαβ分辨尺度應變率張量，δαβ為克羅內(nèi)克爾符號，gαβ、gβα、gγγ為應變率張量，Δf為濾波器尺度，Kw為常數(shù)（一般取0.325），Δ為單位網(wǎng)格尺度，α、β、γ為空間方向，三維空間取1、2、3，晶格模型采用三維空間模型。

2.4 數(shù)值求解

數(shù)值求解邊界條件設(shè)定如下：設(shè)置計算域為在X、Y、Z方向尺寸分別為12.0、12.0、12.0 m的正方體，如圖5所示。

圖5 涵道風扇式授粉器計算域示意圖Fig.5 Schematic diagram of ducted-fan pollinator computational domain

涵道電機式授粉器擬選用的無刷電機KV（指的是輸入電壓每增加1 V，直流無刷電機空載轉(zhuǎn)速增加的值[23]。）值為180，額定電壓為60 V，為了確定較經(jīng)濟的轉(zhuǎn)速參數(shù)，仿真的轉(zhuǎn)速設(shè)置了3個梯度：7 000、9 000、11 000 rad/min。

為了滿足全程機械化制種的需求，農(nóng)藝專家提出采用8：35的大行比種植農(nóng)藝要求，即：父本廂寬為180 cm，母本廂寬為850 cm，前述授粉機主要是針對該種植條件進行設(shè)計。授粉器處于父本廂的中間，單側(cè)流場覆蓋0～6 m區(qū)域即可，由于0 m不利于監(jiān)測氣流速度，故設(shè)置了0.3～6 m氣流速度監(jiān)測區(qū)域，該區(qū)域分為0.3、1、1.5、2、3、4、5、6 m等8個面，為了便于速度監(jiān)測與論文撰寫，只監(jiān)測0.3、3.0、6.0 m這3個監(jiān)測面的數(shù)據(jù)。

2.5 涵道風扇式授粉器仿真結(jié)果

涵道風扇式授粉器出風口不同距離氣流速度的仿真結(jié)果如表1所示。當無刷電機轉(zhuǎn)速為7 000 rad/min時，出風口監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)氣流速度為 2.5～8.0 m/s，9 000 rad/min時為 4.0～12.8 m/s，11 000 rad/min時為5.0～14.0 m/s。

表1 授粉器出風口不同距離處仿真氣流速度Table 1 Simulated airflow velocity at different distances of pollinator outletm·s-1

當轉(zhuǎn)速為9 000 rad/min時，各監(jiān)測截面對應的氣流速度云圖和壓力云圖如圖6所示。授粉器在計算域內(nèi)YZ面氣流速度流場圖如圖7所示。由圖6可知，在0.3和3 m 2處監(jiān)測點的氣流速度流場分布較穩(wěn)定，涵道對旋翼旋轉(zhuǎn)后所形成的氣流起到一定的環(huán)括作用，一定區(qū)域內(nèi)起到了避免旋翼旋轉(zhuǎn)后所形成的氣流向四周擴散。

圖6 轉(zhuǎn)速為9 000 rad·min-1時不同截面云圖分布Fig.6 Different cross-section cloud map distribution when revolving velocity is 9 000 rad·min-1

圖7 計算域內(nèi)YZ面流場圖Fig.7 YZ surface flow field in computational domain

根據(jù)雷瑤[24]的研究可知，下洗氣流隨旋翼轉(zhuǎn)速的增加，其下洗氣流由中心逐漸向四周擴散，不同的轉(zhuǎn)速條件下，擴散的程度和分布情況有較大差異。從圖7中可看出，所仿真的3個不同轉(zhuǎn)速下，出風口的流場圖存在較大差異，轉(zhuǎn)速為7 000和11 000 rad/min時，沿Z軸中心方向上存在布部分速度分布缺失現(xiàn)象（如圖7a、7c所示）。

根據(jù)前人的研究結(jié)果，雜交水稻制種授粉的適宜風速為3.5 m/s，授粉過程中，氣流速度滿足授粉要求時，氣流截面作用范圍越大，越有利于父本稻穗花粉的揚起，且在氣流場中心軸線氣流速度越均勻，對提升花粉運送距離及均勻性越有幫助[9,25-27]。授粉器在計算域內(nèi) YZ面流場中，圖7a中編號為1的區(qū)域和圖7c中編號為2的區(qū)域代表沿軸線方向上氣流速度異常區(qū)域，說明電機轉(zhuǎn)速為N=7 000 rad/min和N= 11 000 rad/min 時，氣流速度分布均勻性較差；當N= 9 000 rad/min時，不存在上述異常區(qū)域，其氣流速度分布均勻性較優(yōu)。且從表 1所示的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果可看出，距離出風口 6.0 m處的平均風速達4.0 m/s時，已達到雜交水稻制種授粉的適宜風速，因此，選擇9 000 rad/min的無刷電機轉(zhuǎn)速為較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)。

3 樣機的實測驗證

3.1 授粉器仿真結(jié)果的室內(nèi)實測驗證

為了驗證仿真計算所得到的無刷電機轉(zhuǎn)速為較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)是否與實際相符，制作了涵道風扇式授粉器的樣機，采用臺架的方法進行室內(nèi)實測驗證試驗，如圖 8所示，授粉器安裝于試驗平臺上，在距出風口0.3、3.0、6.0 m等3個點位（與仿真分析結(jié)果對應）布置風速測量點，采用手持式風速儀（HP-866A，華普儀器股份有限公司）測量軸心區(qū)域的風速情況，每個點位對應的截面內(nèi)測量 8次，取平均值。授粉器采用按鍵式開關(guān)直流電源(XA-1-70V-100A，深圳鑫立科技有限公司)供電。實測的風速數(shù)據(jù)如表2所示。

圖8 授粉器氣流速度室內(nèi)實測試驗示意圖Fig.8 Schematic diagram of air velocity measurement test of pollinator

表2 授粉器出風口不同距離處室內(nèi)實測氣流速度Table 2 Indoor measured airflow velocity at different distances of pollinator outlet(m·s-1)

實測與仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，室內(nèi)實測氣流速度與仿真所測得的氣流速度相比較，兩者之間的差值為0.2～2.0 m/s；當無刷電機轉(zhuǎn)速N=9 000 rad/min 時，距離出風口6.0 m處實測與仿真氣流速度分別為4.2和4.0 m/s，兩者僅相差4.7%，說明仿真計算所優(yōu)選的N=9 000 rad/min無刷電機轉(zhuǎn)速的氣流速度流場與實際應用中的表現(xiàn)相吻合。

3.2 整機的田間試驗方法

試驗于2018年8月10日至17日在湖南省武岡市鄧元泰袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司雜交水稻制種基地進行，制種組合為：4001 S/黃莉占。父母本采用8:35的大行比種植。父本廂距為2.0 m，母本廂距為8.5 m。

試驗前，將PVC管（長：1.3 m）設(shè)置在母本廂內(nèi)作為花粉數(shù)據(jù)采集點，使PVC管上端與母本廂的穗層持平，同時將涂有凡士林的載玻片水平固定于PVC管的頂端，用于采集花粉。母本廂區(qū)域內(nèi)共設(shè)置60個采集點，按3行20列的形式排列（采集點前后間距為3.0 m、左右距離為1.0 m）。涵道風扇式高地隙雜交水稻制種授粉機田間授粉試驗如圖9a所示，花粉數(shù)據(jù)采集點的布置如圖9b所示。

圖9 田間授粉試驗及花粉數(shù)據(jù)采集點設(shè)置Fig.9 Field pollination test and pollen data acquisition point setting

根據(jù)前文所優(yōu)選的作業(yè)參數(shù)設(shè)置涵道風扇式授粉器電機轉(zhuǎn)速為9 000 rad/min（距出風口0.3 m出氣流速度為12.8 m/s），授粉機以1.5 m/s的行走速度在田間進行授粉試驗。同時，采用農(nóng)用無人機（P20，廣州極飛科技有限公司）趕粉作業(yè)為對照組，無人機作業(yè)的飛行高度為1.5～2 m（距離父本冠層），速度為 4.0～4.5 m/s。授粉作業(yè)完成后，將采集花粉的載玻片收回，回收后的載玻片（用8%的I-IK溶液染色）置于顯微鏡下（江南XSP-16A），放大（10×10倍）觀察并計數(shù)每個視野內(nèi)花粉數(shù)；在盛花期內(nèi)，連續(xù)采集3 d花粉數(shù)據(jù)。每天進行2～3次授粉作業(yè)，每次授粉間隔15～20 min。

3.3 整機田間試驗結(jié)果與分析

田間授粉試驗后，測得的 4廂母本內(nèi)花粉分布情況如圖10所示。

圖10 涵道風扇式高地隙雜交水稻制種授粉機趕粉結(jié)果Fig.10 Pollination result of ducted-fan pollination machine based on high-clearance chassis for hybrid rice

由圖10可知，涵道風扇式高地隙雜交水稻制種授粉機趕粉后各采集點的花粉結(jié)果顯示，四廂母本上的單位視野內(nèi)花粉平均粒數(shù)分別為：8.94、8.47、9.67和6.46粒，平均為8.39粒，第4廂母本花粉平均數(shù)最低，這主要是由于該廂母本與相鄰父本間距較大、授粉期間無法避免的氣象條件等所造成。此外，由于田間作業(yè)環(huán)境較為復雜，授粉機在趕粉過程中，對高差變化太大的地塊桁架自動調(diào)平裝置的響應速度較差，造成部分區(qū)域授粉效果略差。農(nóng)用無人機趕粉后，花粉平均粒數(shù)為7.34粒。

根據(jù)易著虎等[28-29]的研究報道，母本稻穗花柱上要求至少有3?；ǚ郏侥軡M足雜交水稻結(jié)實的最低需求。涵道風扇式高地隙雜交水稻制種授粉機趕粉方法、農(nóng)用無人機趕粉方法平均花粉數(shù)均在 3粒以上，兩者授粉效果接近且均能滿足雜交水稻制種母本結(jié)實要求?？疾楹里L扇式高地隙雜交水稻制種授粉機與農(nóng)用無人機 2種趕粉方式的結(jié)實率，由試驗結(jié)果可知，采用農(nóng)用無人機方式趕粉的平均結(jié)實率為42.7%，而采用自走式雜交水稻制種機方式趕粉的平均結(jié)實率為44.2%，均達到雜交水稻制種高結(jié)實率水平，2種機型趕粉所得效果相近。

4 結(jié)論與討論

1）涵道風扇式授粉器外部氣流速度流場的仿真與實測結(jié)果表明，當電機轉(zhuǎn)速為9 000 rad/min時，氣流速度分布均勻性較優(yōu)，距離出風口 6.0 m處的平均風速達4 m/s，較好地滿足了雜交水稻授粉時花粉揚起和懸浮運送的最低要求；此外，涵道對旋翼旋轉(zhuǎn)后所形成的氣流起到一定的環(huán)括作用，一定區(qū)域內(nèi)起到了避免旋翼旋轉(zhuǎn)后所形成的氣流向四周擴散。

2）根據(jù)仿真試驗得到的授粉器優(yōu)選參數(shù)，進行了涵道風扇式高地隙雜交水稻制種授粉機樣機的田間生產(chǎn)作業(yè)試驗，試驗結(jié)果表明，授粉后，鏡檢得到四廂母本上的花粉平均粒數(shù)為8.39粒（單位視野內(nèi)）。同時安排了與農(nóng)用無人機趕粉的實際生產(chǎn)作業(yè)對比試驗，結(jié)果表明，2種授粉方式的結(jié)實率分別為44.2%、42.7%，兩者作業(yè)效果相近，說明所設(shè)計的涵道風扇式高地隙雜交水稻制種授粉機能滿足雜交水稻制種的實際生產(chǎn)需要。

由于所試制的涵道風扇式高地隙雜交水稻制種授粉機為水田作業(yè)，由于田間作業(yè)較為復雜，對高度差變化大的地方，桁架調(diào)平裝置的響應速度較差，是作者下一步重點改進的方向之一。此外，高地隙動力底盤質(zhì)量過大，長期在水田固定道上行走，易破壞泥底層而出現(xiàn)陷車風險。故對自走式雜交水稻授粉機的后續(xù)優(yōu)化改進還需對桁架機構(gòu)的平衡、車身輕量化設(shè)計等問題進行深入研究。