农用无人机在水稻冠层流固耦合研究中取得新进展

华南农业大学工程学院副教授文晟团队在国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目的资助下，在农用无人机下洗流场与水稻冠层的双向流固耦合研究方面取得新进展。近日，相关成果在线发表于《生物系统工程》（Biosystems Engineering）。

论文第一作者、华南农业大学工程学院硕士研究生麦燕清表示，该研究针对无人机旋翼下洗流场对水稻冠层运动特性的影响，以及无人机飞行参数对水稻冠层内气流分布的影响规律等关键问题，提出了一种融合无人机下洗气流与水稻冠层双向流固耦合的研究方法，构建了无人机旋翼气流与水稻冠层相互作用的流固耦合模型，探讨了无人机下洗气流对水稻冠层的影响机制，揭示了气流与植被表面在作业过程中的复杂动态交互关系，提升了农田喷施作业的效率与精度。

通过格子-玻尔兹曼理论建立流体-水稻植被的双向耦合模型，该研究深入研究水稻冠层与混合层之间的相互作用，明确了水稻冠层对无人机下洗气流分布的影响规律；通过比较无人机悬停状态下下洗气流在无水稻冠层和有水稻冠层的分布，分析了混合层中的相干涡结构的运动和水稻植株的运动。在此基础上，定量分析在飞行状态下无人机旋翼下洗气流在水稻冠层垂直方向的速度分布规律，并探索无人机在不同的悬停高度（H=2米、H=3米和H=4米）下混合层中的相干涡旋的形态和水稻植株的弯曲程度。

该研究还探索了水稻植株在无人机下洗气流的耦合作用下的运动规律，分析了无人机在水稻冠层上方飞行过程中，下洗气流在水稻冠层上形成的相干涡结构的尺度和运动状态，明确了水稻植株在无人机下洗流场作用下的四种动态行为，具体可以分为：摆动、拍打、规则摆动和不规则摆动。这些发现为理解无人机喷施作业中水稻冠层的响应机制提供了重要依据。

此外，研究验证了流体-水稻植被的双向耦合模型，分析测量的和模拟的下洗气流在水稻冠层内外的速度误差，误差值均小于20%；通过比较不同水稻植株行为状态下的相干涡结构，探讨混合层中相干涡旋对水稻植株弯曲程度的影响，并分析在下洗流场作用下测量的和模拟的水稻植株高度的变化误差，误差值小于20%。数值模拟中的流体域和水稻结构得到了验证。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2025.01.005

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