MODELOS CFD PARA EL FLUJO DEL AIRE Y LA DISTRIBUCIÓN DE LAS GOTAS DE UN TURBOATOMIZADOR DURANTE LAS APLICACIONES EN CÍTRICOS

[EN] During the application of pesticides in tree crops with airblast sprayer only a fraction reaches vegetation, while the rest is lost in the atmosphere, soil or surface waters or evaporates quickly. These losses pose a risk to the environment and people. Growing environmental awareness in society and his concern for preserving the health of people and animals have stimulated important legislative actions that promote the improvement of the efficiency of the application of pesticides and reducing the risks associated with their use. The first step to achieve this goal is to quantify the amount of spray volume reaching each substrate (vegetation, soil and atmosphere). To quantify the losses, deposition or the mass balance applications have used different experimental methods carried out under field conditions. However, these tests are very expensive and time consuming. Also, when performed abroad, it is very difficult to control all the factors that influence the distribution of the spray and they are virtually impossible to reproduce. These limitations have prompted the development of physical-mathematical models to simulate the behavior of droplets during applications. The numerical approximation by Computational Fluid Dynamics (CFD) can be a good choice The aim of this thesis was to design a first CFD model to simulate the overall behavior during treatments in citrus tree with airblast sprayer in Mediterranean conditions. First, an experiment was conducted to describe the actual air flow from airblast sprayer fan facing up to the top of an orange tree. It was noted there were two vortexes, one on top and another behind the tree. No such structures have been described in other tree crops. High foliage density produces flow separation and this is the reason for the turbulent structures. Then we proceeded to model the problem by assuming that the tree facing the current fan behaved like a solid. 12 CFD 2D-models were generated to reproduce the behavior of air against the tree, resulting from the combination of three air turbulence models (k- standard, SST k-ω, RSM) and four different geometries for the canopy tree in front of the fan. During the adjustment, it was found that a solid canopy could reproduce the same field vortexes. The SST k-ω model simulated the physical behavior better air than the traditional standard k- and RSM. The model was then validated with the first trial of the thesis. Finally they were introduced in the model 1,500 droplets to simulate the movement and deposition of particles during treatments (Eulerian-Lagrangian model). The simulation was divided into two parts: only air from the fan (from the droplets were in the air to 0,35 s) and air only from wind (after 0,35 s). It were studied the position and variables linked to the droplets (height, velocity etc.) at different times of the simulation, the dynamic behavior of cloud droplets and other parameters associated with the droplets droplets became with the wind during treatments (relaxation time, evaporation ratio etc.) and the final volume in each substrate (vegetation, soil, air) was quantified. The results were compared with an experimental mass balance: 44% volume was deposited in the target tree, 28% on adjacent trees, 20% in ground and 8% was lost by drift. Comparing with test data, model was similar to the target tree deposition and ground losses.[ES] Durante la aplicación de fitosanitarios con turboatomizador en cultivos arbóreos sólo una fracción del caldo pulverizado alcanza la vegetación, mientras que el resto se pierde en la atmósfera o el suelo principalmente. Estas pérdidas suponen un riesgo para el medio ambiente y las personas. La creciente concienciación medioambiental de la sociedad ha estimulado acciones legislativas para la mejora de la eficiencia de la aplicación de fitosanitarios. El primer paso para lograr este objetivo es cuantificar la cantidad de volumen pulverizado en cada sustrato (vegetación, suelo y atmosfera). Para ello, se han utilizado diferentes métodos experimentales. Sin embargo, estos ensayos son caros, requieren mucho tiempo y son complejos por su dificultad para controlar todos los factores que influyen en la distribución de la pulverización. Estas limitaciones han impulsado el desarrollo de modelos físico-matemáticos para simular el comportamiento de las gotas durante las aplicaciones. La aproximación numérica mediante la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) puede ser una buena opción. Por ello, el objetivo de la presente tesis fue diseñar un modelo CFD para simular el comportamiento global de la pulverización durante los tratamientos en cítricos con turboatomizador en condiciones mediterráneas. En primer lugar, se realizó un experimento para describir el flujo real del aire desde que sale de un turboatomizador hasta que se enfrenta a la copa de un naranjo. Se observó que se formaban dos vórtices, uno sobre la copa y otro detrás del árbol. No se han descrito estas estructuras en otros cultivos. La alta densidad foliar induce una separación del flujo que da lugar a estas estructuras turbulentas. A continuación, se procedió a modelizar el problema asumiendo que el árbol enfrentado a la corriente del ventilador se comportaba como un sólido. Para ello se generaron 12 modelos CFD en 2D para reproducir el comportamiento del aire frente al árbol, resultantes de la combinación de tres modelos de turbulencia del aire (k-estándar, SST k-ω, RSM) y cuatro geometrías diferentes para la copa del árbol frente al ventilador. Durante el ajuste, se comprobó que con una copa sólida el modelo podía reproducir los mismos vórtices que en campo. El modelo SST k-ω simuló mejor el comportamiento físico del aire que el tradicional standard k- y el RSM. El modelo fue posteriormente validado con datos experimentales. Por último, se desarrolló un modelo Euleriano-Lagrangiano para simular el movimiento y deposición de las partículas durante los tratamientos que incluía tanto un modelo de las corrientes de aire generadas por el equipo, como el viento atmosférico, además del comportamiento individual de las gotas. En diferentes instantes de la simulación se estudió la posición y las variables ligadas a las gotas (altura, velocidad etc.), se hizo una estimación del comportamiento dinámico de la nube de gotas y de otros parámetros que se han asociado al comportamiento de las gotas frente al viento durante las aplicaciones fitosanitarias (tiempo de relajación, ratio de evaporación etc.) y se cuantificó el volumen final en cada sustrato. Los resultados predijeron que los porcentajes de caldo respecto al total pulverizado fueron: el 44% en el árbol objetivo, el 28% en los árboles adyacentes, el 20% en el suelo y un 8% se perdió como deriva. Finalmente, el modelo se comparó con un balance experimental de masas, con resultados similares en la deposición sobre la vegetación y el suelo.[CA] Durant l'aplicació de fitosanitaris amb turboatomizador en cultius arboris només una fracció del caldo polvoritzat aconseguix la vegetació, mentres que la resta es perd en l'atmosfera o el sòl principalment. Estes pèrdues suposen un risc per al medi ambient i les persones. La creixent conscienciació mediambiental de la societat ha estimulat accions legislatives per a la millora de l'eficiència de l'aplicació de fitosanitaris. El primer pas per a aconseguir este objectiu és quantificar la quantitat de volum polvoritzat en cada substrat (vegetació, sòl i atmosfera). Per a això s'han utilitzat diferents mètodes experimentals. No obstant això, estos assajos són cars, requerixen molt de temps i són complexos per la seua dificultat per a controlar tots els factors que influïxen en la distribució de la polvorització. Estes limitacions han impulsat el desenrotllament de models fisicomatemàtics per a simular el comportament de les gotes durant les aplicacions. L'aproximació numèrica per mitjà de la Dinàmica de Fluids Computacional (CFD) pot ser una bona opció. L'objectiu de la present tesi va ser dissenyar un primer model CFD per a simular el comportament global de la polvorització durant els tractaments en cítrics amb turboatomitzador en condicions mediterrànies. En primer lloc, es va realitzar un experiment per a descriure el comportament real del flux de l'aire des que ix d'un turboatomitzador fins que s'enfronta a la copa d'un taronger. Es va observar que es formaven dos vòrtexs, un sobre la copa i un altre darrere de l'arbre. No s'han descrit aquestes estructures en altres cultius. L'alta densitat foliar causa una separació del flux que dóna lloc a estes estructures turbulentes. A continuació, es va procedir a modelitzar el problema assumint que l'arbre enfrontat al corrent del ventilador es comportava com un sòlid. Per a això es van generar 12 models CFD en 2D per reproduir el comportament de l'aire davant de l'arbre, resultants de la combinació de tres models de turbulència de l'aire (k- estàndard, SST k-ω, RSM) i quatre geometries diferents per a la copa de l'arbre davant del ventilador. Durant l'ajust, es va comprovar que amb una copa sòlida podia reproduir els mateixos vòrtexs que en camp. El model SST k-ω va simular millor el comportament físic de l'aire que el tradicional estàndard k- i el RSM. El model va ser posteriorment validat amb el primer assaig de la tesi. Per últim, es va fer un model Eulerià-Lagrangià per a simular el moviment i deposició de les partícules durant els tractaments que incloïa tant un model dels corrents d'aire (vent i equip). En diferents instants de la simulació es va estudiar la posició i les variables lligades a les gotes (altura, velocitat etc.), es va fer una estimació del comportament dinàmic del núvol de gotes i d'altres paràmetres que s'han associat al comportament de les gotes enfront del vent durant les aplicacions fitosanitàries (temps de relaxació, ràtio d'evaporació etc.) i es va quantificar el volum final en cada substrat. Els resultats van predir que els percentatges de caldo respecte al total polvoritzat van ser: el 44% va acabar en l'arbre objectiu, el 28% en els arbres adjacents, el 20% en el sòl i un 8% es va perdre com a deriva. Finalment, el model es va comparar amb un balanç experimental de masses, amb resultats semblants en la deposició sobre la vegetació i el sòl.Salcedo Cidoncha, R. (2015). MODELOS CFD PARA EL FLUJO DEL AIRE Y LA DISTRIBUCIÓN DE LAS GOTAS DE UN TURBOATOMIZADOR DURANTE LAS APLICACIONES EN CÍTRICOS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59444TESI

Development of canopy vigour maps using UAV for site-specific management during vineyard spraying process

Site-specific management of crops represents an important improvement in terms of efficiency and efficacy of the different labours, and its implementation has experienced a large development in the last decades, especially for field crops. The particular case of the spray application process for what are called “specialty crops” (vineyard, orchard fruits, citrus, olive trees, etc.)FI-DGR grant from Generalitat de Catalunya (2018 FI_B1 00083). Research and improvement of Dosaviña have been developed under LIFE PERFECT project: Pesticide Reduction using Friendly and Environmentally Controlled Technologies (LIFE17 ENV/ES/000205)This research was partially funded by the “Ajuts a les activitats de demostració (operació 01.02.01 de Transferència Tecnològica del Programa de desenvolupament rural de Catalunya 2014-2020)” and an FI-DGR grant from Generalitat de Catalunya (2018 FI_B1 00083). Research and improvement of Dosaviña have been developed under the LIFE PERFECT project: Pesticide Reduction using Friendly and Environmentally Controlled Technologies (LIFE17 ENV/ES/000205).This research was partially funded by the “Ajuts a les activitats de demostració (operació 01.02.01 de Transferència Tecnològica del Programa de desenvolupament rural de Catalunya 2014-2020)” and an FI-DGR grant from Generalitat de Catalunya (2018 FI_B1 00083). Research and improvement of Dosaviña have been developed under LIFE PERFECT project: Pesticide Reduction using Friendly and Environmentally Controlled Technologies (LIFE17 ENV/ES/000205)Postprint (updated version

Influence of sprayer type, air settings and nozzle type on drift during spray application in vineyard. Effect of canopy density on spray retention

Sprayer types, as well as working parameters, have direct influence on the amount of spray retained on the canopy. This research was focused on the quantification of spray amount that exceeded the last canopy row during the spray application in a vineyard parcel.Postprint (published version

Relative efficiencies of experimental and conventional foliar sprayers and assessment of optimal LWA spray volumes in trellised wine grapes

Leaf wall area (LWA) has been proposed as an appropriate dose expression for field testing of plant protection products (PPPs) applied via foliar spray in trellised grapes. However, its efficiency could change depending on the characteristics of the crop or the pesticide application equipment (PAE). Herein, three spray technologies were evaluated. A traditional air-assisted tractor-mounted sprayer was compared with two portable knapsack sprayers: a backpack mistblower and a backpack hydraulic sprayer.Postprint (updated version

Evaluation of leaf deposit quality between electrostatic and conventional multi-row sprayers in a trellised vineyard

© 2020. This manuscript version is made available under the CC-BY-NC-ND 4.0 license http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/© 2020. This manuscript version is made available under the CC-BY-NC-ND 4.0 license http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0Spray application technologies for specialty crops have developed considerably in recent years with regard to improved control, reduced cost, and ability to avoid environmental contamination. For example, new developments in electrostatic sprayers have been progressively introduced as an alternative for vineyard spray applications.Postprint (author's final draft

Dynamic evaluation of airflow stream generated by a reverse system of an axial fan sprayer using 3D-ultrasonic anemometers. Effect of canopy structure

Air assisted sprayers are currently used for the applications of plant protection products in fruit trees and vineyards. However, the use of these equipment carries a high environmental risk, mainly owing to the generation of airborne spray drift in the lower boundary layer above crop canopy. Hence, many tests are currently focused on investigating several factors that affect the efficiency of the spray process, in which air assistance and air behaviour are two of the most difficult parameters to evaluate. This present work proposes a first approach on the characterization of the airflow generated by an orchard sprayer equipped with an axial fan and an air reverse system in the outlet plane of the air, while circulated through two artificial rows of canopy representing vineyard trellis, using 3D-ultrasonic anemometers to measure the experimental data.Postprint (updated version

DOSAVIÑA: Tool to calculate the optimal volume rate and pesticide amount in vineyard spray applications based on a modified leaf wall area method

DOSAVIÑA is a new tool (website and app for smartphones) developed for calculating the optimal volume rates and pesticide doses to apply during spray application processes in vineyards. DOSAVIÑA also calculates and recommends the optimal working parameters for working pressure, forward speed, and number and types of nozzlesThis research was partially funded by the “Ajuts a les activitats de demostració (operació 01.02.01 de Transferència Tecnològica del Programa de desenvolupament rural de Catalunya 2014-2020)” and an FI-DGR grant from Generalitat de Catalunya (2018 FI_B1 00083). Research and improvement of Dosaviña have been developed under the LIFE PERFECT project: Pesticide Reduction using Friendly and Environmentally Controlled Technologies (LIFE17 ENV/ES/000205Postprint (updated version

Comprobación de un sistema de aplicación variable basado en mapas de vegetación obtenidos con un vehículo aéreo no tripulado (UAV)

En este trabajo se presenta el desarrollo de un mapa de aplicación variable real obtenido con un prototipo de aplicación variable de productos fitosanitarios en base a mapas de vegetación obtenidos con un UAV. Los ensayos se realizaron en Torrelavit (Alt Penedès, Barcelona) en una parcela representativa de 3 ha de viña de la variedad Merlot plantada a 1,2 m de distancia entre plantas y a 2,2 m entre hileras. Los ensayos se llevaron a cabo durante el estadio vegetativo 75 según la escala BBCH (bayas de tamaño guisante). El mapa de prescripción se generó a partir de la unión entre la información tomada con una cámara multiespectral embarcada en un UAV y las recomendaciones obtenidas con la APP Dosaviña® (https://dosavina.upc.edu). Este mapa de prescripción se cargó en el pulverizador equipado con el sistema de aplicación variable.El mapa de vigor se generó usando un hexacopeto equipado con una cámara multiespectral con 5 bandas espectrales (R, G, B, NIR, RedEgde). A partir de las imágenes aéreas se calculó el índice NDVI y se establecieron tres niveles de vigor (alto, medio y bajo). Estas zonas de vigor fueron comprobadas mediante medidas manuales de la vegetación y se calculó el volumen de aplicación óptimo para cada una de ella utilizando la APP Dosaviña®El prototipo funciona de la siguiente manera: a) obtención de la posición GPS del pulverizador, b) determinación del volumen de aplicación objetivo a partir del mapa de prescripción considerando la posición GPS, c) lectura de la presión de pulverización real, d) reajuste de la presión de pulverización para la obtención del volumen objetivo, y e) almacenamiento de información cada segundo, almacenando información sobre la velocidad de avance real, la presión real de trabajo y el volumen de aplicación real. Este mapa de aplicación real permite obtener datos de trazabilidad en todas las zonas tratadas y calcular el ahorro de pesticidas en comparación con la aplicación convencional. Los resultados preliminares permitieron alcanzar un ahorro de alrededor del 20% tanto en la cantidad de producto fitosanitario como en el volumen de agua

Droplet size classifications for hollow-cone nozzles manipulated with two different PWM valves

Implementation of PWM-controlled hollow-cone nozzles in orchard sprayers is the optimal solution to achieve variable-rate applications; however, there is still little information on the droplet size distribution and spray quality for these nozzles. Droplet spectra were investigated for hollow-cone nozzles with five flow capacities (D2-DC25, D2-DC45, D4-DC25, D4-DC45, D5-DC25) connected to two different commercial 10 Hz-PWM valves under laboratory conditions. Other variables for the droplet size measurements included three operating pressures (276, 552, 827 kPa) and ten duty cycles (DUCs) ranging from 10% to 100% at 10% intervals. Volumetric diameters (DV0.1, DV0.5, DV0.9) were determined with a particle/droplet image analytical laser system and were used to calculate the overall droplet size distributions. Additional assays were conducted following the ASABE standard S572.3 to classify the corresponding droplet sizes. The classification of droplet sizes based on the ASABE standard illustrated that the same flow capacity nozzle controlled with two different PWM valves generally produced similar droplet spectrum classifications. As a result, the information established from the tests would be implemented in the future precision variable-rate spray system designs using PWM valves. © 2022 ASABE. All Rights Reserved.Postprint (published version

Characterisation of activation pressure, flowrate and spray angle for hollow-cone nozzles controlled by pulse width modulation

Pulse width modulation (PWM) solenoid valves are used for controlling flowrates of hollow-cone nozzles on variable-rate air-assisted orchard sprayers. However, little information is available on the spray characteristics of these PWM-controlled nozzles. Laboratory tests were performed to evaluate the influences of duty cycles of two different design PWM solenoid valves along with five operating pressures on spray characteristics of five hollow-cone nozzles with different disc-core combinations. Parameters of the spray characteristics investigated were nozzle flowrates, upstream and downstream pressures of the PWM valves, nozzle activation pressures and times, and spray angles of water discharged from nozzles. Test results illustrated that these parameters except for the spray angle were greatly affected by the operating pressure, nozzle selection (disc orifice size and quantity of holes on core), PWM duty cycle and solenoid valve design. Spray angles were affected by the duty cycle but not by the PWM valve design. In general, nozzles with larger disc orifice and higher operating pressures resulted in higher flowrates as expected, whilst the nozzle activation pressure and the spray angle decreased as the duty cycle decreased. Thus, when designing orchard sprayers for precision variable-rate pesticide applications, variations in spray characteristics of disc-core type hollow-cone nozzles controlled by PWM solenoid valves should be considered and minimised. This prospect could be facilitated by establishing a digital database of these characteristics.Postprint (author's final draft