近期，工程學(xué)院碩士研究生麥燕清以第一作者身份在國(guó)際知名期刊《Biosystems Engineering》（中科院一區(qū)Top期刊）上，在線發(fā)表了題為“Analysis of the two-way fluid-structure interaction between the rice canopy and the downwash airflow of a quadcopter UAV”的研究論文。

　　針對(duì)無(wú)人機(jī)旋翼下洗流場(chǎng)作用的水稻冠層運(yùn)動(dòng)特性，以及無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)對(duì)水稻冠層內(nèi)氣流分布的影響規(guī)律等問(wèn)題，該研究提出了一種融合無(wú)人機(jī)下洗氣流與水稻冠層雙向流固耦合的研究方法，構(gòu)建了無(wú)人機(jī)旋翼氣流與水稻冠層相互作用的流固耦合模型，深入探討了無(wú)人機(jī)下洗氣流對(duì)水稻冠層的影響機(jī)制，揭示了氣流與植被表面在作業(yè)過(guò)程中的復(fù)雜動(dòng)態(tài)交互關(guān)系，提升了農(nóng)田噴施作業(yè)的效率與精度。

　　通過(guò)格子-玻爾茲曼理論建立流體-水稻植被的雙向耦合模型，該研究深入研究水稻冠層與混合層之間的相互作用。明確了水稻冠層對(duì)無(wú)人機(jī)下洗氣流分布的影響規(guī)律，通過(guò)比較無(wú)人機(jī)懸停狀態(tài)下下洗氣流在無(wú)水稻冠層和有水稻冠層的分布，分析了混合層中的相干渦結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和水稻植株的運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，定量分析在飛行狀態(tài)下無(wú)人機(jī)旋翼下洗氣流在水稻冠層垂直方向的速度分布規(guī)律，并探索無(wú)人機(jī)在不同的懸停高度（H=2m、H=3m和H=4m）下混合層中的相干渦旋的形態(tài)和水稻植株的彎曲程度。

　　該研究探索了水稻植株在無(wú)人機(jī)下洗氣流的耦合作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析了無(wú)人機(jī)在水稻冠層上方飛行過(guò)程中，下洗氣流在水稻冠層上形成的相干渦結(jié)構(gòu)的尺度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，明確了水稻植株在無(wú)人機(jī)下洗流場(chǎng)作用下的四種動(dòng)態(tài)行為，具體可以分為:擺動(dòng)、拍打、規(guī)則擺動(dòng)和不規(guī)則擺動(dòng)。驗(yàn)證流體-水稻植被的雙向耦合模型，分析測(cè)量的和模擬的下洗氣流在水稻冠層內(nèi)外的速度誤差，誤差值均小于20%；通過(guò)比較不同水稻植株行為狀態(tài)下的相干渦結(jié)構(gòu)，探討混合層中相干渦旋對(duì)水稻植株彎曲程度的影響，并分析在下洗流場(chǎng)作用下測(cè)量的和模擬的水稻植株高度的變化誤差，誤差值小于20%。數(shù)值模擬中的流體域和水稻結(jié)構(gòu)得到了驗(yàn)證。

　　華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院碩士研究生麥燕清為論文第一作者，文晟副教授為論文的通訊作者，張建桃副教授為論文的共同作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(32271985)、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金(2022A1515011008)、廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2024B03J1268、2024E04J0232)和中國(guó)農(nóng)業(yè)研究體系(CARS-15-22)的項(xiàng)目資助。

　　論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1537511025000054

文圖/工程學(xué)院