油菜抗倒伏测试风洞关键部件仿真与试验

摘要 为解决现有油菜抗倒伏品种选育周期长、难度大等问题，依托计算流体力学软件Fluent 建立油菜抗倒伏测试风洞模型，对风洞扩散段、稳定段、收缩段等关键部位进行参数设计及仿真试验，分析该模型对风洞流场品质的影响，最终通过正交试验选择最佳设计方案。结果显示，单因素试验中，收缩段长度Lc 增加，风洞出口风速变异系数增加，气流品质下降；随稳定段长度Lw 增加，风洞出口风速变异系数先减小后增加，稳定段长度1 000 mm 时，风速变异系数最低，气流品质最佳；阻尼网距稳定段出口长度增加，风洞出口风速变异系数先降低后增加，阻尼网距稳定段出口0.65Lw 时，风速变异系数最小。正交试验结果显示，收缩段长度600 mm、稳定段800 mm、阻尼网距风洞出口0.65Lw 时，对应风洞试验区风速平均变异系数为0.139，风速较其他方案更稳定，气流品质最佳。实测验证发现，与仿真结果相比，实测风速大小无明显差别，且实测结果中各截面风速变异系数略优于仿真值，整体仿真结果与实测效果拟合较好。

关键词 油菜； 倒伏； 风洞试验； 虚拟仿真； 风速变异系数； 气流品质

中图分类号 S220.1 文献标识码 A 文章编号 1000-2421（2024）01-0232-10

大风环境导致的油菜倒伏问题是制约油菜高产高质的关键因素之一［1］。应用风洞试验装置模拟大风环境可以为农作物倒伏测试研究提供一种快速准确的研究手段［2］。农作物倒伏测试风洞装置的设计目标是在试验区内获得均匀稳定的流场。研究人员通过研究不同风洞部件以改善试验区流场均匀性和稳定性，进而对不同农作物在流场中的倒伏状态进行研究。郑刘等［3］研发国内首座用于农作物抗倒伏能力测定分析研究的模拟设备，并将该设备首先应用于作物抗倒伏研究中。刘水利等［4］利用风洞对小麦抗风能力进行研究，测试了小麦不同部位的持风力差异，分析不同小麦品种的抗风能力，结果表明，相比茎秆强度高的品种，茎秆强度较小的小麦品种对风的缓冲效果更优。胡安庆等［5］搭建了简易的人工风折试验系统研究玉米在风作用下的倒伏状况，其中利用风洞提供风源，测试了不同品种玉米植株的抗风能力，可以实现高抗倒玉米品种的快速筛选。Wen 等［6］利用风洞装置研究基于不同玉米品种和不同风速下玉米植株的倒伏指数，进而评价不同玉米品种的抗倒伏能力，但该装置尺寸巨大，造价昂贵，难以简便地开展大田试验。Xue 等［7］利用离心风洞测定玉米茎秆断裂临界风速，研究不同品种玉米临界倒伏风速差异，且机动性较强，风速大小可调节。Sterling 等［8］开发出了一种便携式风洞，且利用分布式风源实现对自然风的模拟，为小麦倒伏模型的建立和优化提供支持；Shrestha 等［9］利用小型风洞装置建立一种研究小规模诱导水稻抗倒伏性的方法，研究8 种基因型水稻在梅雨季的自然倒伏状况，揭示不同生长时期的水稻倒伏状况，但两者均未对风洞进行整流以获得均匀稳定的流域。因此，虽然风洞装置在作物倒伏问题的研究中得到了广泛应用，但针对油菜倒伏研究的风洞装置较少，大部分风洞装置没有针对其内部流场品质进行研究，关于风洞零部件对于风洞出口气流的影响研究涉及较少。亟待研发一种尺寸合理、试验开展简便且能够获得稳定均匀流场的油菜倒伏测试风洞。

本研究设计一种气流分布均匀的油菜抗倒伏测试风洞装置，基于ANSYS Fluent 以及Solid works 等软件对风洞内部流场进行模拟仿真，以试验区风速变异系数为评价指标，探究不同参数对风洞设计效果影响并选择最佳结构参数组合的风洞装置，提高风洞出口风速大小和均匀性，进而达到模拟自然风环境的效果，以用于测试油菜在不同生长阶段抗倒伏能力，为油菜抗倒伏品种的选育提供技术支持。