Chemische plantbeschermingsmiddelen blijven belangrijk om gewassen te beschermen tegen onkruid, insecten en ziekten. Spuittechniek heeft tot doel het fytofarmaceutische middel te verdelen over het gewas zodat een voldoende hoeveelheid actief ingrediënt de juiste plaats bereikt voor een effectieve werking van het middel. Deze doelstelling moet rekening houden met het milieu, waarvoor off-target verspreiding van spuitmiddelen moet vermeden worden. De controle over het lot van de spuitdruppels is dan ook de belangrijkste uitdaging voor de producenten van gewasbeschermingsmiddelen en spuittoestellen, voor de land- en tuinbouwers, en voor de wetenschappers. De uitdaging is nog groter in boomgaarden, waar gebruikt gemaakt wordt van een ondersteunende luchtstroom om de spuitnevel in de bomenrij te brengen (Figuur 1). Experimenteel veldonderzoek naar bespuitingen heeft een aantal nadelen; het voornaamste is dat experimentele resultaten moeilijk interpreteerbaar zijn omwille van de vele invloedsfactoren waarvan er een aantal moeilijk te controleren zijn tijdens veldproeven. Een modelmatige aanpak die gebruik maakt van Computational Fluid Dynamics (CFD) is in de recente jaren met een groeiend succes toegepast als een alternatieve methode om dergelijke problemen te ontrafelen. In dit onderzoek werd getracht de interactie tussen spuitnevel, en klimaatsfactoren zoals wind, en het gewas te modelleren. Om deze doelstelling te bereiken, werden architecturale en groeimodellen voor fruitbomen opgesteld, en een CFD model van de lucht- en druppelstroming doorheen bomen ontwikkeld.
Figuur 1
Zowel continu-discrete groeimodellen als meet-en-modelleermethodes werden opgesteld om de 3-D architectuur van bomen te simuleren. Deze 3-D CAD modellen van bomen werden geïntroduceerd in de CFD omgeving zodat de luchtstroming doorheen de boomelementen kan worden berekend. Een weerstandsmodel werd ontwikkeld om de effecten van bladeren en twijgjes op lucht- en druppelbeweging te berekenen. Dit weerstandsmodel werd geïmplementeerd als brontermen in de momentum- en turbulentievergelijkingen die de luchtstroming beschrijven. De brontermen zijn een functie van de bladoppervlaktedichtheid en de bladweerstandscoëfficiënt. Het weerstandsmodel werd toegepast in een cilindervormige zone rond elke tak, overeenkomstig het bladerdek. De lokale bladoppervlaktedichtheid werd met een tomografische methode bepaald.
De beweging van druppels doorheen de virtuele bomen werd gemodelleerd met behulp van een Lagrangiaans multifasemodel. De depositie van druppels op takken en bladeren werd op een verschillende manier gemodelleerd. De interactie van druppels met de oppervlakken van de 3-D architecturale elementen van de boom werd geïmplementeerd met behulp van een restitutiecoëfficiënt. Deze coëfficiënt drukt de kans uit dat de druppel weer opspringt van het oppervlak na een impact. In deze toepassing gaf een restitutiecoëfficiënt van 0% (d.w.z. de druppels blijven op het oppervlak na impact) de beste resultaten. De depositie op de bladeren werd gemodelleerd met behulp van een ander stochastisch model in de bladerdekzone, waarbij de kans op depositie een functie is van de lokale optische porositeit.
Validaties van de modellen werden uitgevoerd met behulp van windtunnel en veldexperimenten. Een schaalmodel met artificiële bomen werd ontwikkeld voor de windtunnelexperimenten en werd gebruikt om de luchtstroming en turbulentie rondom de bomen bij verschillende bladdekking te bestuderen. Veldexperimenten werden uitgevoerd in een perenboomgaard. Bomen van verschillende leeftijden en bladdekking werden gebruikt om metingen uit te voeren van luchtstroming en druppelverdeling tijdens bespuitingen. De verschillen tussen CFD simulaties en experimenten waren in alle gevallen kleiner dan 20%. De verticale spuitvloeistofverdeling na de bomenrij werd nauwkeurig voorspeld.
Het model kan gebruikt worden om ontwerpparameters van de spuittoestellen te optimaliseren voor verschillende omstandigheden en boomgaardsystemen. Bovendien werd een generieke methode bekomen die kan toegepast worden in andere domeinen zoals bosbouw, milieukunde, stedenbouw en windcomfort.
Bovenstaande is een samenvatting van het doctoraal proefschrift “Multiscale computational dynamics modelling of air and particle flow and deposition on canopy structures” door Ayenew Melese Endalew. Publieke verdediging hiervan vindt plaats op 3 december 2009, 16.00u, in het Zeger Van Hee, 91.56, Tiensestraat 41, 3000 Leuven. Geïnteresseerden zijn welkom.