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(xué)工程學(xué)院/廣東省農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(zhǔn)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(fēng)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(fēng)力等[6]。氣力式機械輔助授粉的原理為利用風(fēng)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(fēng)速、風(fēng)場作用下，花粉傳播至母本上，完成授粉。胡達明等[7-10]以風(fēng)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(zhǔn)、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(fēng)力輔助授粉得到運用，其原理為旋翼所形成的下旋風(fēng)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(yīng)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(fēng)扇式高地隙雜交水稻制種授粉機，采用計算流體力學(xué)（computational fluid dynamic，CFD）技術(shù)對涵道風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)扇啟動控制器、桁架升降機構(gòu)以及涵道風(fēng)扇式授粉器等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 涵道風(fēng)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(fēng)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(fēng)扇式授粉器由啟動控制器統(tǒng)一操控，保證 3組涵道風(fēng)扇式授粉器出風(fēng)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(yù)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(fēng)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(fēng)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(fēng)扇式授粉器的流場數(shù)值仿真

涵道風(fēng)扇式授粉器是授粉機的關(guān)鍵部件，為了解涵道風(fēng)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(dǎo)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(xué)軟件對涵道風(fēng)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(xué)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(fù)雜邊界易于設(shè)置、復(fù)雜模型網(wǎng)格自適應(yīng)等優(yōu)點[17]，且其計算效果比較準(zhǔn)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(fēng)扇進行數(shù)值模擬，分析涵道風(fēng)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(fēng)扇組成，2個涵道風(fēng)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(fēng)扇模型。

2.1 涵道風(fēng)扇式授粉器的物理模型

涵道風(fēng)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(fù)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(fēng)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(fēng)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(fù)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(dāng)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(xué)問題。

2.3 湍流模型

為準(zhǔn)確模擬涵道風(fēng)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(yīng)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(yīng)變率張量，δαβ為克羅內(nèi)克爾符號，gαβ、gβα、gγγ為應(yīng)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(fēng)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(fēng)扇式授粉器仿真結(jié)果

涵道風(fēng)扇式授粉器出風(fēng)口不同距離氣流速度的仿真結(jié)果如表1所示。當(dāng)無刷電機轉(zhuǎn)速為7 000 rad/min時，出風(fēng)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(fēng)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(dāng)轉(zhuǎn)速為9 000 rad/min時，各監(jiān)測截面對應(yīng)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(fēng)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(fēng)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(dāng)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(fēng)口 6.0 m處的平均風(fēng)速達4.0 m/s時，已達到雜交水稻制種授粉的適宜風(fēng)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(fēng)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(fēng)口0.3、3.0、6.0 m等3個點位（與仿真分析結(jié)果對應(yīng)）布置風(fēng)速測量點，采用手持式風(fēng)速儀（HP-866A，華普儀器股份有限公司）測量軸心區(qū)域的風(fēng)速情況，每個點位對應(yīng)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(fēng)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(fēng)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(dāng)無刷電機轉(zhuǎn)速N=9 000 rad/min 時，距離出風(fēng)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(yīng)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(fēng)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(fēng)扇式授粉器電機轉(zhuǎn)速為9 000 rad/min（距出風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fù)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(yīng)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粒花粉，方能滿足雜交水稻結(jié)實的最低需求。涵道風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(dāng)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(fēng)口 6.0 m處的平均風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fù)雜，對高度差變化大的地方，桁架調(diào)平裝置的響應(yīng)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(fēng)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。