一种基于虚拟模型的植物叶片雾滴沉积量统计方法技术

一种基于虚拟模型的植物叶片雾滴沉积量统计方法，该方法适用于水稻叶片在虚拟喷雾场景下所能截获药液的沉积量的统计，根据水稻雾场中雾滴的行为规律，构建虚拟水稻喷雾雾场，通过对雾场下任意位置叶片的沉积量计算模型，考虑雾场中雾滴弹跳和破碎模型对沉积量的影响，综合以上模型，得出虚拟雾场中水稻叶片的沉积量计算方法，将水稻叶片与场景相结合，在计算机中完成水稻沉积量的计算。本发明专利技术可以应用于虚拟场景下水稻沉积量的统计计算，为农业上喷雾沉积量的统计提供一定的参考，减少田间操作和喷雾试验的耗费。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟模型的植物叶片雾滴沉积量统计方法
本专利技术涉及一种基于虚拟模型的植物叶片雾滴沉积量统计方法，该方法适用于作物叶片在虚拟喷雾场景下所能截获药液的沉积量的统计。技术背景农药喷雾在作物叶片上的沉积状态的统计对作物病虫害防治的研究有着重要的作用，研究药液在作物叶面上的沉积量，对于选择喷雾器具，调节器具参数，进而提高农药的利用率，减少农药使用量，获得较好的病虫害防治效果，有着重要意义。在作物喷雾过程中，农药喷雾的施药量和施药时间往往依赖工作人员的经验判断，这个方式效率较为低下。目前，农业科研人员对于喷雾沉积状态的研究采用以下几种方法：直接田间试验、喷雾室中利用染色剂溶液替代农药进行喷雾实验、利用图像处理的方法统计沉积量以及对喷雾沉积算法的研究。虚拟试验是在长期积累的大量有关数据、有关的动力学模型以及各种三维模型的基础上，利用数字化模型代替实物原先，进行产品性能的实验，本质是数值分析技术。
技术实现思路
为了使作物喷雾沉积量统计更为便捷精确，本专利技术提供了一种虚拟作物喷雾模型，通过对雾场对作物叶片沉积量影响的数值分析，考虑了多种影响作物叶片上喷雾沉积量的影响因素，例如喷雾模型的设计，雾滴弹跳现象对沉积量的影响，雾滴分裂现象对沉积量的影响，最终提出了一种虚拟沉积量的统计方法，为作物喷雾沉积量的研究提供参考。本专利技术为了解决上述技术问题提供的技术方案为：一种基于虚拟模型的植物叶片雾滴沉积量统计方法，包括以下步骤：(1)理想沉积量的计算方法如下：(1.1)对于理想锥形雾场，规定粒子以初始速度Vinit从喷嘴发出，喷嘴运动速度大小为Vx，并规定喷嘴运动方向为局部笛卡尔坐标系的X轴正方向，Z轴方向与重力方向相反，根据动能守恒，雾滴在距离碰嘴高度差为h时，满足：m为雾滴粒子的质量；Vh是高度层h时的雾滴速度，其大小为：(1.2)在理想锥形雾场中，其所能截获雾滴数量与所处高度层上的虚拟作物叶片的三角面片的水平映射面积相关，对于一个面片，若其三个坐标分别为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)(x3,y3,z2)，则其水平映射面积S映射计算公式为：(1.3)喷嘴初始速度较大时，雾场近似呈圆锥形分布，规定锥形雾场任意高度层截面上中的雾滴分布均匀，则位于高度层h的叶片上的某个三角面片在雾场中的沉积量与雾场运动速度、雾滴初始速度、高度差、单位时间雾滴喷射量、喷头方向角以及面片水平映射面积有关。在高度层h上任意三角面片的沉积量与面片和雾场的水平面映射面积有关，高度层h处三角面片面积S映射与高度层h处雾场水平面积比值P的计算公式为：(1.4)当雾场中雾滴均匀下落时，该面片上的平均截获雾滴数量Sum近似为单位时间雾滴喷出量N，单位：粒/s，高度层面片映射面积和雾场水平面积比值P和三角面片在雾场中暴露的时间间隔Δt的乘积，即：Sum＝N·P·Δt其中Δt为雾场经过三角面片的近似时间，由于面片大小相对于雾场非常小，且雾场进入和脱离两阶段过程近似相反，因此取雾场进入和脱离时间的平均时间，即三角面片三个顶点x坐标差的最大值，其计算公式为：其中，Vx为雾场移动速度，x1，x2，x3分别为该三角面片的X轴坐标；(1.5)理想雾场最终沉积雾滴数量为该作物叶片在雾场中所有受到雾滴影响的三角面片的沉积量总和，其计算公式为：Sumleaf为单个叶片沉积量体积之和，i为暴露在雾场中的三角面片的序号，sumi为序号i的三角面片上沉积量体积之和；整个植株的截获雾滴数量需要考虑上层叶片对下层叶片的遮挡影响，本文将叶片做水平映射，剔除下层被遮挡叶片所截获的液滴。以上为理想条件下雾滴完全沉积在作物叶片上的沉积结果，实际上，雾滴与作物叶片发生碰撞后，还会发生弹跳、破碎等现象，作物的实际沉积量数值上要减去发生弹跳、破碎的雾滴。(2)弹跳雾滴的判定方法和统计方法如下：(2.1)当雾滴与叶片发生相互作用后，首先进行液滴的弹跳判定，根据物理学原理，雾滴发生碰撞后，其自身动能转换为叶片的弹性势能、自身的表面能和动能；雾滴外观上表现为如下阶段：a)扩展阶段:动能转换为势能，接触角减小；b)完全扩展阶段，动能完全转化为势能，雾滴中径最大；c)回退阶段，势能转换为动能，接触角回复变小；d)反弹阶段，若剩余能量>0，则雾滴发生反弹，反之沉积在叶面上；(2.2)剩余能量为判定液滴是否能够弹跳的依据，其判定公式为：其中D是液滴的中径，其值为虚拟雾场构建时初始化，θ是静态接触角，通过接触角测量仪测得，雾滴的最大中径dm，因此只要求得雾滴的最大中径，就能够求得液滴碰撞后的剩余能量EERE的大小，从而进行弹跳判定；(2.3)dm计算的经验公式：该公式的形式以dm/D为元的一元三次方程，通过一元三次方程的求解，最终求得dm的值，若dm有解，则认为该雾滴发生弹跳，否则认为该雾滴沉积在作物叶片上；若发生弹跳，统计发生弹跳雾滴的体积Volbound，将弹跳的雾滴的体积从沉积量值Sumleaf中去除；(3)雾滴的破碎判定和破碎雾滴的运动情况的计算方法如下：(3.1)判断一个雾滴是否发生破碎需要判定该雾滴的特征值K与破碎阈值Kcrit之大小，Kcrit取值与溶剂和叶片表面特性相关，K>Kcrit时，认为该雾滴破碎，反之，不发生破碎；破碎特征值K的经验公式如下：K＝We1/2Re1/4其中，Re＝ρVfDf/μWe和Re分别为用速度分量计算得到韦伯数和雷诺数，是流体力学中用来表征流体特性的无量纲数；Vf为特征流速(m/s)，ρ是液滴密度(kg/m3)，Df是流体的特征长度(m)，μ是流体黏性系数，σ是表面张力系数(N/m)；影响破碎的因素为液滴运动速度和液滴直径，即特征长度，常温下(25摄氏度)，水的密度、粘性系数、表面张力系数为常量，化简上述的式子，得到K＝λV5/4D3/4λ＝ρ3/4/(σ1/2μ1/4)其中λ为本专利技术定义的一个常量系数，其取值与水的密度、黏性系数、表面张力系数相关，将K于预设的破碎阈值相比，即可判断是否发生破碎现象。(3.2)发生破碎雾滴会产生若干个运动方向呈圆盘状分布的破碎小液滴，认为这些破碎小液滴体积相同，则一个发生破碎的雾滴失去的总体积的计算公式为:Volsec＝(1-q)πD3/6Volsec为破碎雾滴的总体积，q为预设的破碎百分比，取值范围为(0,1.0)，D是雾滴中径；(3.3)破碎雾滴个数Nshatter：雾滴发生破碎后，至少产生一个破碎小液滴，最大为Max，则Nshatter表示为：Nshatter＝random(1,Max)单个破碎雾滴直径Dshatter：根据雾滴飞溅量Volshatter和雾滴数量Nshatter计算得到：(3.4)破碎雾滴运动速度方向：破碎雾滴运动方向在碰撞表面的局部坐标系中计算得到，雾滴破碎后产生的Nshatter个小雾滴运动方向呈圆锥形均匀分布，则第i个破碎雾滴的方向角α为：α＝360°+i*360°/Nshatter高度角β的大小满足正态分布，满足β～X(u,δ)，规定β的取值在0到90度之间；(3.5)破碎雾滴运动速度大小Vshatter：满足公式Eshatter＝(1-p)EimpactVshatter是单个破碎雾滴的速度，Eshatter是破碎雾滴的动能，Eimpact是碰撞时雾滴的动能，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟模型的植物叶片雾滴沉积量统计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)理想沉积量的计算方法如下：(1.1)构建理想锥形雾场，规定粒子以初始速度Vinit从喷嘴发出，喷嘴运动速度大小为Vx，并规定喷嘴运动方向为局部笛卡尔坐标系的X轴正方向，Z轴方向与重力方向相反，根据动能守恒，雾滴在距离碰嘴高度差为h时，满足：

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟模型的植物叶片雾滴沉积量统计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)理想沉积量的计算方法如下：(1.1)构建理想锥形雾场，规定粒子以初始速度Vinit从喷嘴发出，喷嘴运动速度大小为Vx，并规定喷嘴运动方向为局部笛卡尔坐标系的X轴正方向，Z轴方向与重力方向相反，根据动能守恒，雾滴在距离碰嘴高度差为h时，满足：m为雾滴粒子的质量；Vh是高度层h时的雾滴速度，其大小为：(1.2)理想锥形雾场中，其所能截获雾滴数量与所处高度层上的虚拟作物叶片的三角面片的水平映射面积相关，对于一个面片，若其三个坐标分别为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，则其水平映射面积S映射计算公式为：(1.3)喷嘴初始速度较大时，雾场近似呈圆锥形分布，规定锥形雾场任意高度层截面上中的雾滴分布均匀，则位于高度层h的叶片上的某个三角面片在雾场中的沉积量与雾场运动速度、雾滴初始速度、高度差、单位时间雾滴喷射量、喷头方向角以及面片水平映射面积有关。在高度层h上任意三角面片的沉积量与面片和雾场的水平面映射面积有关，高度层h处三角面片面积S映射与高度层h处雾场水平面积比值P的计算公式为为：(1.4)当雾场中雾滴均匀下落时，该面片上的平均截获雾滴数量Sum近似为单位时间雾滴喷出量N，单位：粒/s，高度层面片映射面积和雾场水平面积比值P和三角面片在雾场中暴露的时间间隔Δt的乘积，即：Sum＝N·P·Δt其中Δt为雾场经过三角面片的近似时间，由于面片大小相对于雾场非常小，且雾场进入和脱离两阶段过程近似相反，因此本文取雾场进入和脱离时间的平均时间，即三角面片三个顶点x坐标差的最大值，其计算公式为：(1.5)理想雾场最终沉积雾滴数量为该作物叶片在雾场中所有受到雾滴影响的三角面片的沉积量总和，其计算公式为：Sumleaf为单个叶片沉积量体积之和，i为暴露在雾场中的三角面片的序号，sumi为序号i的三角面片上沉积量体积之和；(2)弹跳雾滴的判定方法和统计方法如下：(2.1)当雾滴与叶片发生相互作用后，首先进行液滴的弹跳判定，根据物理学原理，雾滴发生碰撞后，其自身动能转换为叶片的弹性势能、自身的表面能和动能。雾滴外观上表现为以下阶段：a)扩展阶段:动能转换为势能，接触角减小；b)完全扩展阶段，动能完全转化为势能，雾滴中径最大；c)回退阶段，势能转换为动能，接触角回复变；d)反弹阶段，若剩余能量>0，则雾滴发生反弹，反之沉积在叶面上；(2.2)剩余能量为判定液滴是否能够弹跳的依据，其判定公式为：其中D是液滴的中径，其值为虚拟雾场构建时初始化，θ是静态接触角，通过接触角测量仪测得，雾滴的最大中径dm，因此只要求得雾滴的最大中径，就能够求得液滴碰撞后的剩余能量EERE的大小，从而进行弹跳判定；(2.3)dm计算的经验公式来判定弹跳：dm有解，则认为该雾滴发生弹跳，否则认为该雾滴沉积在作物叶片上；若发生弹跳，统计发生弹跳雾滴的体积Volbound，将弹跳的...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁维龙，金梦杰，徐岩，徐彬，陈凯，万臧鑫，王华，辛卫涛，薛莉莉，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33