От виртуального к реальному: сравнение полевых испытаний и DEM‑моделирования разбрасывателя гранулированных удобрений с двумя дисками

Почему это исследование важно для фермеров и продовольствия

Точное размещение удобрений — незаметный, но фундаментальный элемент современного сельского хозяйства. При неравномерном разбрасывании одни растения испытывают дефицит, другие — избыток питательных веществ, что ведёт к перерасходу средств и загрязнению почвы и воды. В этом исследовании поставлен простой, но важный вопрос: можно ли доверять компьютерным симуляциям в предсказании поведения реальных разбрасывателей удобрений в поле, чтобы инженеры могли совершенствовать машины на экране, а не полагаться только на длительные и дорогие полевые испытания?

От вращающихся металлических дисков к летающим гранулам

На многих фермах основную работу выполняет машина, известная как разбрасыватель удобрений с двумя дисками: она выбрасывает мелкие гранулы на широкие участки земли. Удобрение падает из бака на два вращающихся металлических диска с короткими лопастями, которые разгоняют частицы наружу. Главная задача — получить ровный, однородный поперечный расклад гранул относительно траектории трактора, так называемое поперечное распределение. В исследовании специалисты сосредоточились на коммерческой машине с баком объёмом 1200 литров и нержавеющими дисками диаметром 46 сантиметров, каждый с тремя лопастями, установленными под заданным углом. Они испытывали разбрасыватель на пяти частотах вращения дисков при стандартной норме внесения удобрения в спокойных полевых условиях в соответствии с международными испытательными рекомендациями.

Измерение реального распределения на испытательном поле

Чтобы точно узнать, где осело удобрение, команда разместила сотни приёмных лотков в шахматной сетке по испытательной площадке. Пока трактор с равномерной скоростью проезжал мимо, гранулы падали в эти лотки, которые затем взвешивали на прецизионных весах. Такая схема позволила исследователям построить карту количества удобрения в каждой позиции по рабочей ширине 16 метров. Полевые испытания трудоёмки: они требуют благоприятной погоды, тщательной установки и значительных затрат труда и материала. Тем не менее они дают эталонные данные, необходимые для проверки реалистичности любой компьютерной модели.

Создание цифрового двойника разбрасывателя

Параллельно исследователи создали детализированную 3D‑модель того же разбрасывателя в специализированном программном обеспечении, использующем метод дискретных элементов (DEM). Вместо представления удобрения как непрерывного потока DEM отслеживает каждую крупинку как отдельный объект, сталкивающийся, скользящий и отскакивающий от других гранул и поверхностей машины. Команда ввела свойства удобрения — распределение размеров частиц, плотность, упругость и адгезивность при контакте со сталью или между частицами. Также были учтены аэродинамическое сопротивление воздуха, скорость трактора, частота вращения дисков и температура воздуха, чтобы имитировать полевые условия. Для настройки наиболее неопределённых параметров взаимодействия, таких как коэффициент трения между удобрением и сталью, применили статистический скрининг и затем отрегулировали наиболее влиятельный параметр, пока смоделированное распределение не стало наилучшим образом соответствовать измерениям при одном репрезентативном числе оборотов дисков.

Насколько близки виртуальное и реальное распределения

После калибровки цифровой разбрасыватель прогнали при тех же пяти скоростях дисков, что и в поле. Исследователи сравнили количество удобрения в виртуальных приёмниках с показаниями реальных лотков по всей 16‑метровой ширине. Различия оказались небольшими: для дисков с тремя лопастями средняя погрешность по рабочей ширине составила примерно 2%, а по отдельным скоростям разрыв варьировал от почти нуля до максимум 5,9%. Эти отклонения ниже или сопоставимы с результатами предыдущих работ по аналогичным машинам, где разница между моделью и полем обычно составляла порядка 9–11%. Интересно, что если в некоторых ранних исследованиях предполагалось простое увеличение бокового распределения с ростом частоты вращения диска, то в этом исследовании выявились более тонкие эффекты, подчёркивающие ценность реалистичной покомпонентной модели.

Что это означает для более умного и экологичного земледелия

Исследование показывает, что при тщательном описании разбрасывателя и удобрения в DEM‑программе компьютерные симуляции способны точно воспроизводить реальные схемы распределения для разбрасывателей с двумя дисками. Это открывает возможность использования виртуальных испытаний для проектирования новых форм дисков, углов лопастей, типов удобрений и рабочих режимов с гораздо меньшими затратами времени, средств и зависимости от погодных условий. Помогая инженерам создавать машины, которые равномернее размещают питательные вещества там, где они нужны растениям, такие симуляции могут повысить эффективность использования удобрений и снизить избыточный сток в окружающую среду. В перспективе тот же подход можно распространить на другую сельскохозяйственную технику и интегрировать в системы точного земледелия, поддерживая более устойчивое и основанное на данных производство продуктов питания.

Цитирование: Kömekçi, F., Demir, V., Kömekçi, C. et al. From virtual to real: comparison of field experiments and DEM simulation of twin-disc granular fertiliser broadcaster. Sci Rep 16, 8548 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39552-x

Ключевые слова: распределение удобрений, гранулированные материалы, сельскохозяйственная техника, компьютерное моделирование, точное земледелие