基于ANSYSMaxwell的高压脉冲电场仿真研究

张 萃

（1.湖北工业大学，湖北 武汉 430068；2.湖北省农业机械研究设计院，湖北 武汉 430068）

0 绪论

土壤病虫害严重影响农作物的生长、发育以及收成。传统意义上的害虫防治技术，不但不足以有效杀死害虫，而且过分依赖和过度使用化学药品，会对生态环境以及人类身体健康造成不利影响[1]。除了传统的化学防治手段外，还可以通过物理方式进行病虫害防治。高压电脉冲处理就是一种常见的物理防治方法。基于生物的电磁特性和电磁效应现象，利用土壤的电导特性等基本原理，高压电脉冲土壤消毒技术可以在短时间内高效地杀灭土壤中的土传害虫、病菌等，做到广谱杀灭，并且不会产生耐药性和土壤污染，是一种十分理想的害虫防治新手段[2]。

1958年，我国学者开始在电磁生物方面展开研究，北京大学利用电磁场对农业生物活体进行处理；80年代后，研究重点转向对种子的处理，研究获得了成熟的技术用于提高作物产量[3]；邓元修等[4]利用脉冲电场处理酵母菌和大肠杆菌；赵武奇等[5]发现脉冲电场可用于发酵乳中乳酸菌的杀灭，影响因素是场强大小；付绍军、郭康权[6]对电致生物效应与电场杀虫技术进行了初步研究，认为杀虫效果与电脉冲、土壤电传导特性及地下害虫三个因素均有关系；祖国仁等[7]发现不同波形脉冲的杀灭效果也有区别，其中方波脉冲的效果最佳。

使用一定量的脉冲电场进行虫害处理，不仅不会伤害农作物，甚至对农作物的生长有一定程度的促进作用[8]。利用高压脉冲电场对土壤进行处理，在盐碱土壤的改良上也运用广泛。

由于具体耕种环境的不同，以及杀灭土传害虫的要求各有差异，所以在利用高压脉冲电场进行土壤的消毒时，电极的布置方案往往对实际杀虫效果有着极大的影响。优选的电极布置方案可以提高杀虫的效率，降低能耗，从而降低成本，有着十分重要的实践意义。

笔者采用ANSYSMaxwell电磁场有限元分析软件，对不同策略下的电极分布进行静电场仿真，分析土壤电场的分布情况，讨论不同电极分布适合的实际耕种环境。

1 高压脉冲电场土壤消毒原理及电极布置方案

1.1 高压电脉冲土壤消毒原理

生物体的电特性主要有两个方面：生物电现象和电致生物效应。即生物体的细胞和组织在生命活动的过程中能够产生电能，以及在外加电击力信号的作用下，内部组织或形状会发生变化。当外加电磁场作用到生物体时，会产生两种不同的生物效应：生物热效应和生物非热效应[9]。前者是利用温度的升高对生物所引发生理或病理上的作用，后者则是利用生物作为极性体特有的极化转动以及搭桥现象使细胞等发生击穿。

高压电脉冲的杀虫原理则主要表现在场的作用和电离作用。外加电场作用于细胞膜时，使细胞膜内外的电位增大，膜的通透性增加，直至发生不可逆的击穿。细胞膜被击穿后，其正常生理功能无法进行，以至于细胞凋亡。与此同时，高压脉冲电场致使生物体液发生电离，破坏生物内的蛋白质、RNA、DNA等生命物质，使细胞死亡。

1.2 电极布置方案

据Cameselle等[10]推测，应用软电场可以改善植物的发育和生长，以及其补救能力。当电场强度过大时，电场对植物的影响是负面的。遗憾的是，目前还没有对软电场和强电场之间界限的定义。是否需要增强病害杀灭的电场强度（或电动势梯度），可能取决于土壤的物理化学特性、虫害的种类和数量、土壤湿度和植物种类。总之，根本的变量不是施加在电极上的电位梯度，而是电场在土壤团中的分布。

使用一个长方形的绝缘容器，装入体积为80 cm×60 cm×50 cm的土壤，土壤容重1.45 g/cm3。表层土壤受紫外线以及空气流通导致的缺水干燥对生物的影响较少。表层下5 cm～20 cm土壤层的生物数量最多，尤其主要集中在植物根系附近。这是因为该层营养成分丰富，土壤的持水性、有机质、微量元素等提供了生物最适合的生长条件。20 cm以下的土壤中，生物数量随土层深度增加而减少。并且，土传虫害的幼虫一般生活在土壤中40 cm~60 cm的深度中，因种类的不同而略有差异[11]。另外，用于改善轮作障碍的深翻机的一般翻土深度为35 cm~60 cm，所以仿真时将土壤深度设定为60 cm。

如图1所示，为本研究考虑的6种电极布置。其中A、B、C、D四种情况下采用5 mm厚的片状电极，E、F两种情况采用直径为10 mm的棒状电极。分别仿真分析电场分布情况。

图1 电极布置示意图

运用ANSYSMaxwell软件，根据电极的配置和空间分布来研究电场在土壤中的分布，其目的是选择最合适的电极分布来实现土壤中电场的均匀。仿真时不考虑温度的变化，即不考虑受温度影响电导率、介电常数等电特性的变化。

2 有限元模型与材料参数的设定

在软件中的直流静电场模式下，根据前文中所提到的参数，在简化模型计算难度的基础上，分别建立电极布置的二维、三维模型，A、B、C、D型是对其纵截面进行二维建模，E、F型为三维建模。

研究发现，在100 MHz的检测频率下测得的土壤介电特性最佳。故采用25℃下、含水率为21.26%的黄土在100 MHz的频率下测定的参数，其介电常数为22，介质损耗因素为10.7[12]。土壤的电导率设定为232 s/cm，以此作为材料属性定义的依据，添加材料如图2所示，并将电极材料设定为铝。

图2 黄土材料参数设置

模型建立完成后，对其施加载荷，仿真分析的电场模型是50 kV的正向电场。故在正极施加50 kV的电压，对负极施加的电压载荷为0。边界条件设定在土壤与绝缘箱交界处。

设定求解器，由于模型尺寸大，设定最大计算次数为1 000次，误差百分比设定为1。用ANSYSMaxwell自带的自由网格划分工具对模型进行网格划分，并在电极与土壤交界区域细化网格，网格类型选择自由剖分三角形网格，如图3所示。

图3 模型单元网格划分

求解即是对模型施加载荷后进行分析运算，得到电场强度及电压分布情况。

3 仿真结果分析

图4分别是土壤深度为5 cm、20 cm、40 cm、60 cm处的电压分布情况。由图可知，A方案电压由阳极到阴极呈线性下降，即从阳极到阴极的整个土壤中电场均匀分布。由于电场分布均匀，非常适合土壤消毒。整个土壤模型纵向截面上电场强度高于50 kV/m的部分占总面积的97.53%，最大电场强度达到63 kV/m。而方案A的主要局限性是在大面积的田间中实施起来较为困难。

图4 不同电极布置方案下电场强度分布

方案B可以克服这个问题，它只需要在土壤表面安装阳极和阴极。如图5所示，方案B倾向于将电场集中在电极周围、土壤深度在20 cm以内的部分，所以这种方案非常适合大规模应用的情况。另外在20 cm～60 cm的区间内，B方案的电压浮动不大，相对稳定。B方案适用于虫害主要集中在土壤上层的情况，对于土壤深层以及植物根部虫害的杀消意义不大。

图5 不同电极布置方案下的电压分布（方案在土壤深度5 cm、20 cm、40 cm、60 cm处的电压值比较）

图4中B方案的电极位置布置已是多次调整阴阳极距离、仿真后得到的最佳方案，阴阳极板距离在40 cm时，整个土壤模型纵向截面上电场强度高于50 kV/m的部分占总面积的23.78%。其仿真得到的最大电场强度值约为707 kV/m，比方案A高出一个数量级。证明在浅层土壤中，在施加一样的电场激励的情况下，B方案布置方式的杀虫能力会优于A方案。

方案C和方案D显示出电场集中在电极的两端，如图4所示。从土壤的表层到植物的根部都有电场的分布，适用于垂直附着在植物根系周围的害虫的杀灭，从土壤浅层到根系层，可以根据需要杀灭害虫的深度选择电极的接线方式。方案C的高电压区域集中在土壤浅层，方案D的高电压区域集中在植物根部以及土壤深层。

两阳极极板的距离为40 cm，整个土壤模型纵向截面上电场强度高于50 kV/m的部分占总面积的37.43%。其仿真得到的最大电场强度值约为970 kV/m，这两项数值均优于方案B，即覆盖面积更大，电场强度更高。这两种方案的缺陷是需要耕地规划时提前考虑后期土壤消毒问题，在耕种前预埋电极，后期在需要对害虫进行杀消时操作容易，效果好。

方案E和方案F显示了中心电极周围电场的环形分布。在这两个方案中，最大的电位差位于阳极附近，阴极周围的电位差较小。仿真优化时，将一个电极布置在箱体中间位置，另外四个电极布置在以60 cm×30 cm为边长的矩形的四个角（如图6中方案E、F）。在这种布置下，绝缘箱体水平截面上的最大电场强度可高达1 790 kV/m，电场强度高于50 kV/m的部分占总面积的43.71%。

图6 不同电极布置方案下的电压分布（方案E、方案F）

优于前面所有方案的超高的电场强度以及不错的电场分布，使方案E和方案F拥有十分广泛的应用空间，并且电极设置方便，随装随用。这种安排似乎最适合于病虫害在一定区域的集中或单株病害植株在感染初期的治疗与处理。使用一种或另一种方案将只取决于具体情况。

4 结论

本研究提出了6种电极布置方案，根据电极的配置和空间分布来研究电场在土壤中的分布，目的是达到最佳的高压电脉冲土壤杀虫效果。

1）方案A中整个电场在土壤中均匀形成。虽然整体电场强度不大，但虫害杀灭面积大，适用于整片土壤的预防性电处理，缺点是在大规模田间中应用稍有困难。可以采用在前期规划时就在一定深度处整体铺设网状电极来克服这一问题，得到均匀的电场。

2）方案B可以很好地应用于土壤浅层的害虫杀灭场景，并且电极布置十分便捷。

3）方案C、方案D的害虫杀灭面积更为广泛，从土壤浅层一直延伸至根株部附近的区域，尤其适用于杀灭植株附近的虫害，但是前期规划需要预埋极板。

4）方案E、方案F采用电极棒直接插入土壤中的方式，操作方便，没有位置限制，电极的插入深度可以决定电处理的处理深度。并且可以达到最高的电场强度，适合有针对性的土壤害虫杀灭。

5）在实际耕种维护植株时，可以因地制宜，对于不同的害虫杀灭场景选择合适的电极布置方案，以此来提高电处理效率。