Wprowadzenie

Drony rolnicze w ostatnich latach stały się jednym z najważniejszych narzędzi rolnictwa precyzyjnego. Pozwalają szybko wykonywać zabiegi ochrony roślin, nawożenia dolistnego czy aplikacji biologicznych środków ochrony roślin. Dzięki nim możliwe jest zmniejszenie zużycia chemikaliów, ograniczenie strat środowiskowych oraz zwiększenie efektywności pracy.

Jednak skuteczność oprysków wykonywanych przez drony zależy od wielu czynników. Najważniejsze z nich to:

  • wysokość lotu drona,

  • prędkość lotu,

  • wielkość kropli oprysku,

  • warunki atmosferyczne, szczególnie wiatr,

  • przepływ powietrza generowany przez wirniki.

Podczas pracy dron wytwarza silny strumień powietrza skierowany w dół, określany jako downwash airflow – strumień zaśmigłowy. Ten strumień powietrza może zarówno poprawić pokrycie roślin cieczą roboczą, jak i powodować znoszenie kropli poza obszar oprysku.

Aby lepiej zrozumieć te zjawiska, naukowcy przeprowadzili szczegółowe badania wykorzystujące numeryczne symulacje przepływu powietrza (CFD – Computational Fluid Dynamics). Ich celem było określenie, w jaki sposób prędkość lotu drona, wysokość oprysku oraz boczny wiatr wpływają na rozkład kropli oprysku.

Wyniki tych badań dostarczają bardzo konkretnych danych, które mogą pomóc w optymalizacji pracy dronów rolniczych.

Zjawisko downwash

Każdy dron wielowirnikowy wytwarza strumień powietrza skierowany w dół, który powstaje w wyniku pracy śmigieł. Strumień ten:

  • przyspiesza opadanie kropli oprysku,

  • wprowadza turbulencje w powietrzu,

  • może powodować powstawanie wirów powietrznych.

Przepływ ten jest szczególnie intensywny bezpośrednio pod wirnikami.

Badania pokazują, że maksymalna prędkość pionowego strumienia powietrza może przekraczać 9 m/s, co oznacza bardzo silny wpływ na zachowanie kropli oprysku.

W praktyce oznacza to, że strumień powietrza może:

  • poprawić penetrację oprysku w gęstej roślinności,

  • zmniejszyć unoszenie kropli przez wiatr,

  • ale również powodować nierównomierne rozłożenie cieczy.

Symulacje CFD

W badaniu zastosowanie symulację numeryczną opartą na modelu CFD, która pozwala przeanalizować aerodynamikę przepływu powietrza oraz trajektorię kropli oprysku w trójwymiarowej przestrzeni. 

W badaniach wykorzystano zaawansowany model symulacyjny oparty na równaniach Reynoldsa-Naviera-Stokesa (RANS), które opisują ruch płynów w warunkach turbulentnych.

Model symulował trójwymiarowy przepływ powietrza wokół drona oraz ruch kropli oprysku.

Symulacje obejmowały między innymi:

  • różne prędkości lotu drona,

  • różne wysokości oprysku,

  • obecność bocznego wiatru,

  • różne średnice kropli.

Dzięki temu możliwe było dokładne przeanalizowanie zachowania kropli oprysku w powietrzu.

Parametry symulacji

W modelu uwzględniono między innymi:

Prędkość lotu drona

1–5 m/s

Wysokość oprysku

2–4 m nad uprawą

Prędkość bocznego wiatru

0–2 m/s

Średnice kropli

50 μm
100 μm
150 μm

Symulacje przeprowadzono na siatce obliczeniowej zawierającej około 9 milionów komórek, co zapewniało dobrą równowagę między dokładnością a czasem obliczeń.

Strumień powietrza generowany przez drona

Struktura przepływu

Analiza wykazała obecność złożonej struktury przepływu, w której występują silne turbulencje oraz gradient prędkości powietrza pod wirnikami drona. 

Najważniejsze cechy:

  • powstają silne strumienie powietrza pod każdym wirnikiem,

  • między wirnikami tworzą się wiry powietrzne,

  • prędkość przepływu zmniejsza się wraz z odległością od drona.

W górnej części roślinności przepływ powietrza jest najsilniejszy. W miarę przenikania w głąb roślin prędkość powietrza spada.

Wpływ prędkości lotu drona

Zmiana struktury przepływu

Prędkość lotu drona ma ogromny wpływ na zachowanie strumienia powietrza.

Gdy dron zaczyna poruszać się do przodu:

  • strumień powietrza odchyla się w kierunku tyłu,

  • powstaje asymetryczny przepływ powietrza,

  • krople oprysku zaczynają przemieszczać się w kierunku przeciwnym do kierunku lotu.

Badania wykazały, że wzrost prędkości lotu powoduje osłabienie penetracji strumienia powietrza w głąb roślinności.

W praktyce oznacza to, że przy zbyt dużej prędkości lotu oprysk może nie docierać do dolnych części roślin.

Penetracja strumienia powietrza w roślinność

Przykładowo:

przy prędkości lotu 1,5 m/s strumień powietrza może penetrować roślinność na głębokość około 0,8 m.

Jednak przy wyższych prędkościach lotu:

  • przepływ staje się bardziej turbulentny,

  • penetracja maleje,

  • rozkład kropli staje się mniej równomierny.

Wpływ wysokości oprysku

Zasięg oprysku

Wysokość lotu drona bezpośrednio wpływa na:

  • szerokość pasa oprysku,

  • czas opadania kropli,

  • ryzyko znoszenia oprysku przez wiatr.

Badania pokazują, że:

  • przy niskiej wysokości oprysku krople trafiają bardziej skoncentrowanie,

  • przy większej wysokości oprysk rozkłada się na większej powierzchni.

Jednak zbyt duża wysokość powoduje większe straty oprysku.

Optymalna wysokość oprysku

W wielu analizach najlepsze rezultaty uzyskano przy wysokości około:

2,5 m nad uprawą

Przy tej wysokości uzyskano:

  • dobrą penetrację roślinności,

  • równomierne pokrycie roślin,

  • ograniczone znoszenie kropli przez wiatr.

Wpływ bocznego wiatru

Zmiana trajektorii kropli

Wiatr boczny jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na skuteczność oprysków.

Symulacje pokazują, że nawet niewielki wiatr może znacząco zmienić trajektorię kropli.

Przykładowo:

przy prędkości wiatru 2 m/s

  • szczyt rozkładu kropli przesuwa się w kierunku wiatru,

  • część drobnych kropli pozostaje w powietrzu,

  • depozycja cieczy na powierzchni roślin może spaść o około 8%.

Rozszerzenie strefy oprysku

Wiatr powoduje również:

  • rozszerzenie strefy rozkładu kropli,

  • zmniejszenie maksymalnej koncentracji oprysku.

Oznacza to, że oprysk może być bardziej rozproszony i mniej skuteczny.

Wpływ wielkości kropli na dryf

Zachowanie różnych kropli

W badaniach analizowano krople o średnicach:

50 μm
100 μm
150 μm

Każda z tych wielkości zachowuje się inaczej.

Krople 50 μm

  • bardzo lekkie

  • długo pozostają w powietrzu

  • łatwo są znoszone przez wiatr

Krople 100 μm

  • umiarkowana stabilność

  • dobre pokrycie roślin

Krople 150 μm

  • szybko opadają

  • najmniej podatne na znoszenie

Dlatego dobór wielkości kropli ma ogromne znaczenie dla skuteczności oprysku. Należy dostosować wielkość kropli do rodzaju zabiegu oraz upraw.

Źródło: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S277237552500173X

Struktura przepływu w koronach roślin

Badania pokazały również, że struktura roślinności wpływa na przepływ powietrza.

W gęstych koronach drzew:

  • prędkość powietrza szybko spada,

  • pojawiają się lokalne wiry,

  • część kropli może zostać zatrzymana w górnych warstwach.

W rzadszej roślinności strumień powietrza penetruje głębiej.

Dokładność modelu symulacyjnego

Aby sprawdzić poprawność symulacji, wyniki porównano z pomiarami terenowymi.

Uzyskano bardzo dobrą zgodność wyników:

  • średni błąd symulacji około 12,3%

  • maksymalny błąd poniżej 20%.

Oznacza to, że model CFD bardzo dobrze odwzorowuje rzeczywiste warunki pracy dronów.

 

Praktyczne wnioski dla rolnictwa

Badania dostarczają kilku bardzo ważnych wskazówek dla operatorów dronów rolniczych.

Optymalna prędkość lotu

Najlepsze wyniki uzyskuje się przy prędkości:

około 1–2 m/s

Pozwala to zachować dobrą penetrację oprysku i równomierne pokrycie roślin.

Optymalna wysokość lotu

Najlepsza wysokość oprysku to około:

2–3 m nad roślinami

Pozwala to uzyskać równowagę między szerokością oprysku a stratami kropli.

Warunki pogodowe

Najlepiej wykonywać opryski przy:

  • prędkości wiatru poniżej 2 m/s,

  • stabilnych warunkach atmosferycznych.

Silniejszy wiatr może znacząco obniżyć skuteczność oprysku.

Znaczenie badań dla przyszłości rolnictwa

Badania nad przepływem powietrza i rozkładem kropli są kluczowe dla rozwoju rolnictwa precyzyjnego.

W przyszłości wyniki takich analiz mogą być wykorzystywane do:

  • automatycznego planowania misji dronów,

  • optymalizacji parametrów lotu,

  • dynamicznego dostosowania oprysku do warunków pogodowych,

  • ograniczenia zużycia pestycydów.

W połączeniu z systemami sztucznej inteligencji i czujnikami pogodowymi drony mogą stać się jeszcze bardziej precyzyjnym narzędziem ochrony roślin.

Podsumowanie

Badania nad wpływem strumienia powietrza generowanego przez drony oraz bocznego wiatru na rozkład oprysku pokazują, że skuteczność oprysków zależy od wielu czynników aerodynamicznych.

Najważniejsze wnioski:

  • strumień powietrza z wirników może osiągać prędkość nawet 9 m/s,

  • optymalna prędkość lotu wynosi około 1–2 m/s,

  • najlepsza wysokość oprysku to około 2,5 m,

  • wiatr o prędkości 2 m/s może zmniejszyć depozycję oprysku o około 8%,

  • większe krople są mniej podatne na znoszenie przez wiatr.

Dzięki takim badaniom możliwe jest coraz lepsze projektowanie dronów rolniczych oraz systemów opryskowych, co w przyszłości może znacząco zwiększyć efektywność i ekologiczność produkcji rolnej.

 

Źródło i pełna wersja badań.