Определение распространения плотности тока, создаваемого электрическим полем рабочих органов электротехнологического культиватора в структуре "воздушная среда над почвой - растение - верхний слой почвы" в программной среде

Взаимодействие электрических полей (ЭП) источников (например, рабочих органов (РО) электротехнологических установок) и различных неоднородных объектов (почвенный состав, растительный объект и др.), являются актуальной задачей для электротехнологии. Воздушные биологические объекты (БО), а так же почвенные характерны высокой нелинейностью и нестационарностью, обладают свойством саморегулирования, высоким уровнем неконтролируемых возмущений, ограничивающим наблюдаемость и управляемость.

Решение проблем такого взаимодействия предполагает необходимость применения теоретических моделей расчета ЭП на базе математических методик расчёта соответствующих частному случаю электродинамических задач. Не во всех случаях решение таких задач может быть получено и записано в явном виде, а именно аналитически. Такая возможность имеет место только в случаях, когда анализируемую 140

неоднородность можно представить телом с правильной геометрической формой (например, шар, цилиндр, либо плоскость), координаты которого совпадают с декартовой, цилиндрической, либо сферической системами координат.

Важным элементом модели ЭП является описание распространения потенциала φ в объеме исследуемой среды (биологической, воздушной, почвенной и др.). Рассмотрим постановку задачи определения распределения φ ЭП, создаваемого источниками, находящимися вблизи и внутри разных сред. Результаты решения данной задачи присутствует в работах [1-3], цель которых – разработка модели и методик расчета ЭП, создаваемых источниками, расположенными в непосредственной близости и внутри разных неоднородностей «воздух над почвой – растительность – верхний слой почвы» (ВРП) и проникающих внутрь этих структур. Предмет исследования - изменения ЭП в непосредственной близости и внутри структур ВРП, создаваемых рабочими органами, т.е. электродами мобильных электротехнологических установок, которые так же называют электрокультиваторами (ЭТК), характеризующие процесс прохождения тока и напряжения, их затухание по мере распространения и вынос φ в этих зонах, действие на БО и т.д. В данных расчетах применяются упрощающие допущения, т.к. необходимость учета изменений распределения φ и, соответственно, значения плотности тока j по ряду параметров превращает задачу расчета ЭП электродов в чрезвычайно трудоёмкую.

ЭП ЭТК возбуждается РО, то есть системой электродов, которые классифицированы в [4]. Наиболее распространенные варианты электродных систем (ЭС): электроды перемещаются над почвой, копирующие поверхностный слой на высоте 0

Математическая формулировка первой задачи (модель электрической подсистемы), решение уравнений относительно φ, электрические свойства растительных объектов и верхнего слоя почвы, функции ослабления и уровень ЭП почвы, а также результаты и анализ численных расчетов представлены в ряде наших с Ляпиным В.Г. совместных работ. В этих работах наиболее часто используемый способ математического моделирования ЭТП – это представление его в виде электрической цепи с сосредоточенными параметрами, т.е. схемы замещения. В исследуемом объекте при таком виде аналитического расчета некоторые параметры электрической цепи и схемы замещения не могут обеспечить необходимую точность по вышеприведенным причинам, что лишает возможности использовать аналитические методы для решения задачи определения распространения ЭП ЭС ЭТК. Альтернативным вариантом получения информации в биологических, почвенных, воздушных и конструкционных средах может являться исследование ЭП ЭС ЭТК в программной среде пакетов для моделирования ЭП, например в Elcut, возможности которого позволяют делать анализ распространения ЭП, создаваемых источниками, расположенными вблизи и внутри сред ВРП и проникших внутрь этих структур.

Материалы и методы исследования

Главным фактором, повреждающим БО в процессе электрокультивации, является электрический ток, протекающий в растительной ткани. Ток в ткани может возникать при непосредственном электрическом контакте одиночного электрода ЭТК с растением, либо когда на растение воздействует ЭП ЭС ЭТК. Вследствие этого, воздействие ЭП ЭС ЭТК на растительную среду можно оценивать по изменению электрического тока, либо j. Имитационное моделирование воздействия ЭП ЭС ЭТК на растительность в пакете Elcut 6.0 включает: 1) создание плоскостной модели ЭС ЭТК и растительного объекта; 2) ввод значений электропроводности и диэлектрической проницаемости растительных тканей (наземной части и корневой системы), а также окружающей их среды (воздуха и почвы); 3) ввод значения напряжения на ЭС ЭТК и граничных условий; 4) определение j, создаваемого ЭП ЭС в растительных тканях, и представление данного параметра как зависимости по высоте стебля и глубине корня на вертикальной оси модели растения; 5) ступенчатое изменение местоположения модели ЭС ЭТК относительно модели растения на плоскости, определяя при этом параметры j в растительных тканях в соответствии с пунктом 4 для каждой ступени; 6) формирование выводов об изменении j, создаваемого ЭТП, в растительных тканях в зависимости от геометрических параметров ЭС ЭТК.

Растительность имеет неоднородный состав, вследствие этого на начальном этапе проводить исследования целесообразней на конкретных представителях растений [6] с применением наиболее распространённых типов электродов.

Основная экспериментальная часть

В качестве БО для данных исследований выбраны два представителя сорной растительности, а именно вьюнок полевой, у которого на начальном этапе развития в очень плотных почвах формируется стержневая корневая система [2], а так же подорожник большой, для которого характерна мочковатая корневая система. Для модели вьюнка электропроводность ткани корневой системы 0,042 См/м, наземных частей – 0,069 См/м [7]. Высота надземной части модели растения вьюнка - 50 мм, глубина проникновения в почву стержневой корневой системы модели данного растения - 100 мм. Для модели подорожника большого электропроводность тканей корневой системы 0,056 См/м, наземных его частей – 0,03 См/м [8]. Высота наземной части модели растения - 100 мм, глубина проникновения в почву его мочковатой корневой системы - 20 мм, данные геометрические параметры характерны для среднестатистического вида данного БО [9]. В обоих случаях для исследования выбрана стержневая форма электрода ЭТК. Действие ЭП на стебель и корень модели растения определялось на высоте и глубине 0,5 мм относительно основания корневой системы, ближайшие точки к точке роста растения, а так же при нескольких вариантах перемещения электрода ЭТК. В случае с исследованием 142

на модели вьюнка полевого – при трёх вариантах перемещения электрода ЭТК: 1) на глубине 2,5 см; 2) по поверхности почвы; 3) на высоте 2,5 см. В случае с моделью подорожника большого – при четырёх вариантах перемещения электрода ЭТК: 1) на глубине 2,5 см; 2) по поверхности почвы; 3) и 4) на высоте, соответственно, 2,5 и 5 см.

В имитационной модели расстояние от центра стержневого электрода до оси растения (lЭР) менялось ступенчато с шагом 50 мм в диапазоне от 200 мм и до непосредственного контакта электрода с растением. В случаях скачкообразного изменения j [10] в исследуемых точках шаг сокращался в два и более раза. Потенциал на поверхности электрода - 5кВ. Для каждого варианта пространственного расположения электрода ЭС ЭТК и растения выполнялся расчет методом конечных элементов в пакете Elcut 6.0, результаты расчётов представлены на рисунке 1 (для модели вьюнка полевого) и рисунке 2 (для модели подорожника большого), а зафиксированные значение j в исследуемой точке вносилось в базу данных.

а – 1

б – 1

в – 1

а – 2

б – 2

в – 2

а – 3

б – 3

в – 3

а – 4

б – 4

в – 4

а – 5

б – 5

в – 5

а – в почве на глубине 2,5 см, б – по поверхности почвы, в – над почвой на высоте 2,5 см (1 – при lЭР =200 мм; 2 – при lЭР =150 мм; 3 – при lЭР =100 мм; 4 – при lЭР =50 мм; 5 – при lЭР =0 мм)

Рисунок 1 - Распределение плотности тока в средах ВРП при перемещении стержневого электрода относительно растения со стержневой корневой системой

а – 1

б – 1                     в – 1                    г – 1

а – 2

б – 2                  в – 2                  г – 2

а – 3

б – 3

в – 3                   г – 3

rm

а – 4

б – 4

в – 4                  г – 4

а – 5

б – 5

в – 5                  г – 5

а – в почве на глубине 2,5 см, б – по поверхности почвы, в – над почвой на высоте 2,5 см, г – над почвой на высоте 5 см (1 – при lЭР =200 мм; 2 – при lЭР =150 мм; 3 – при lЭР =100 мм; 4 – при lЭР =50 мм; 5 – при lЭР =0 мм)

Рисунок 2 - Распределение плотности тока в средах ВРП при перемещении стержневого электрода относительно растения с мочковатой корневой системой

Результаты и их обсуждение

На рисунке 3 (а), (б), (в) (для модели вьюнка полевого), на рисунке 4 (а) и (б) (для модели подорожника большого) приведены полученные зависимости j от пространственного положения электрода для исследуемых точек на стебле и корне.

а

б

--2,5 см в почве

— по почве

----2,5 см над почвой

--2,5 см в почве

---по почве

-----2,5 см над почвой

в

О             20            Ж           60           #gi           g№          120           14B           160           'J:MS          200

Расстояние, мм а – в стебле на высоте 0,5 мм от основания корневой системы; б – на глубине 0,5 мм от основания корневой системы; в – на глубине 50 мм от основания корневой системы Рисунок 3 - Изменение плотности тока при приближении электрода от 200 мм до непосредственного контакта с растением

— 2,5 см в почве

---.по почве

--2,5 над почвой

а

14DD -I

1300 -

1200 -

-----2,6 см в почве

---по почве

--2,6 см над почвой

......5 см над почвой

б

а – в стебле на высоте 0,5 мм от основания корневой системы; б – на глубине 0,5 мм от основания корневой системы

Рисунок 4 - Изменение плотности тока при приближении электрода от 200 мм до непосредственного контакта с растением

Для модели вьюнка полевого наибольшая j = 3390 А/м² в исследуемой точке наземной части растения зафиксирована при высоте хода электрода 2,5 см (рисунок 3 (а)). Достаточно высокую плотность тока 1220 А/м² в той же точке создаёт электрод, копирующий поверхность почвы. Наименьшая j = 106 А/м² – при электроде, проходящим в почве на глубине 2,5 см. В точке на глубине 0,5 мм относительно основания корневой системы БО максимальную j = 2110 А/м² создаёт электрод, копирующий поверхность почвы (рисунок 3 (б)), а достаточно высокую 1440 А/м² - электрод, проходящий на высоте 2,5 см. Наименьшая j = 234 А/м² создаётся электродом, проходящим в почве на глубине 2,5 см. В точке на глубине 50 мм относительно основания корневой системы БО максимальную j = 1140 А/м² создаёт электрод, проходящий в почве на глубине 2,5 см (рисунок 3 (в)), а достаточно высокую j = 612 А/м² - электрод, копирующий поверхность почвы. Наименьшая j = 277 А/м² создаётся электродом, проходящим на высоте 2,5 см.

Для модели подорожника большого наибольшая j = 3750 А/м² в исследуемой точке наземной части растения наблюдается при высоте хода электрода 2,5 см (рисунок 4 (а)). Достаточно высокую плотность тока 2500 А/м² и 1350 А/м² в этой же точке, соответственно, создаёт электрод, проходящий на высоте 5 см и копирующий поверхность почвы. Наименьшая j = 200 А/м² создается электродом, проходящим в почве на глубине 2,5 см. В исследуемой точке корневой системы максимальную j = 1350 А/м² создаёт электрод, копирующий поверхность почвы (рисунок 4 (б)), а достаточно высокую 1050 А/м² и 750 А/м² - электрод, проходящий на высоте, соответственно, 2,5 и 5 см. Наименьшая j = 150 А/м² создаётся электродом, проходящим в почве на глубине 2,5 см.

Выводы

С учётом полученных экспериментальных данных и биологических особенностей сорняков со стержневой и мочковатой корневыми системами, при которых основное воздействие необходимо оказывать на корневую систему, наиболее оптимальным для электрического повреждения данных видов растений с учётом оптимизации энергетических затрат будет электрод ЭТК, перемещаемый по поверхности почвы. В случае с моделью сорняка со стрежневой корневой системой (т.е. вьюнка полевого) перемещаемый таким образом электрод обеспечит достаточно высокую плотность тока j = 1220 А/м² в надземной части растения, и j = 2110 А/м² – на глубине 0,5 мм относительно основания корневой системы. В случае с моделью сорняка с мочковатой корневой системой (т.е. подорожника большого) перемещаемый таким образом электрод обеспечит достаточно высокую плотность тока j = 1350 А/м² как в надземной части данного растения, так и в его корневой системе. Остальные варианты для электрического повреждения данных видов растений являются либо малоэффективными, либо энергозатратными.

Подобное моделирование можно проводить и для почвенных макро- и микроорганизмов, людей и животных, оказавшихся вблизи ЭТК, т.е., попавших в ЭП рабочих органов, которое будет пронизывать эти БО.

ФГБОУ ВО Новосибирский ГАУ, Новосибирск, Россия

FGBOU VO Novosibirsk state agrarian university, Novosibirsk, Russia