Análisis del comportamiento de las gotas durante los tratamientos fitosanitarios con turboatomizador en naranjos mediante simulación por ordenador

Durante las aplicaciones de productos fitosanitarios no todas las gotas alcanzan la vegetación objetivo. Una fracción cae directamente al suelo y otra se evapora o se dispersa hacia la atmósfera en un proceso conocido como deriva (ISO 22866, 2005), lo que puede suponer un riesgo para la salud humana y el medio ambiente. Esto es especialmente relevante en las aplicaciones en cultivos arbóreos como los cítricos, cultivo muy importante en nuestro país, que suelen realizarse con turboatomizadores (Moltó et al., 2007).

Para mejorar la eficiencia de las aplicaciones es importante conocer el comportamiento y la distribución de las gotas pulverizadas. Existen trabajos de campo basados en el balance de masas durante las aplicaciones en cítricos (Salyani et al., 2007; Chueca et al., 2011). El problema de estos experimentos es que no detectan las irregularidades espaciales en la nube de gotas, ya que están limitados por el número, la localización y la altura de los colectores que recogen las mismas. Además, consumen mucho tiempo y dinero, y dependen de las condiciones meteorológicas en el momento del ensayo.

El desarrollo de modelos computacionales pueden servir como herramienta complementaria a estos experimentos (Teske et al., 2011). Existe una técnica denominada dinámica de fluidos computacional (CFD) que permite simular el comportamiento de un fluido y las partículas que residen en su interior. Por ejemplo, las gotas pulverizadas en el interior de la corriente procedente del turboatomizador. Además, en la simulación se pueden incluir numerosas variables que son muy difíciles de controlar en condiciones de campo, como la meteorología, las características del equipo y/o la vegetación. Esta técnica ya ha sido empleada con éxito para reproducir los tratamientos en viñedos (Da Silva et al., 2006) y frutales de pepita (Duga et al., 2013). No obstante, todavía no existen modelos en cítricos. Por tanto, el objetivo del presente trabajo consistió en desarrollar un modelo computacional que simulara tanto las corrientes de aire del equipo y el viento como el comportamiento individual de las gotas durante la aplicación de fitosanitarios en una plantación de naranjos en condiciones mediterráneas.

En un trabajo previo se estudió el comportamiento del aire procedente de un turboatomizador cuando se enfrentaba a la copa de un naranjo (Figura 1i) y observamos que se producía un reflujo encima de la copa y otro detrás de la primera copa y antes de la copa siguiente (Salcedo et al., 2015a). Posteriormente, propusimos y validamos un modelo CFD en 2D que reproducía el comportamiento del aire del turboatomizador alrededor del árbol (Figura 1ii) (Salcedo et al., 2015b). El dominio del modelo tenía 13 m de alto y 21 m de largo. En su interior había tres copas en representación de una sección de tres filas de cultivo (Figura 2). Basándose en simulaciones previas (Salcedo et al., 2013), la copa del árbol más próximo al equipo se diseñó como un cuerpo sólido y las otras dos copas como cuerpos porosos, para así conseguir reproducir los mismos reflujos observados en el campo. Las secciones A y B representaban la entrada del aire de un ventilador enfrentado al primer árbol alineado con el tronco y en posición estática. Para la simulación se usaron las velocidades de entrada del aire medidas en condiciones de campo.

Materiales y Métodos

Para desarrollar el modelo de gotas se partió del modelo del flujo del aire de Salcedo et al. (2015b) explicado brevemente en el apartado anterior.

Para simular el viento, se supuso una corriente horizontal y paralela al suelo que entraba en el dominio por la sección C y salía por la sección D (Figura 2). Para simular el viento se introdujo el perfil propuesto por Arya (1988), partiendo de las velocidades medidas experimentalmente. Para la simulación de las gotas pulverizadas se introdujeron 1.500 gotas. La entrada de las gotas en el modelo se definió a partir de la posición del equipo respecto a las superficies A y B y la inclinación de cada portaboquillas respecto a la horizontal utilizada en los ensayos de campo (Figura 3).

Se consideró que el espectro de los diámetros de las gotas seguía una distribución de Rosin-Rammler, aplicada ya en otros modelos CFD de pulverización (Duga et al., 2013). Para definir la distribución se adoptó un diámetro mínimo de 1 μm por hipótesis, un diámetro medio de 350 μm, que es el tamaño medio de las gotas según el fabricante de las boquillas empleadas en el ensayo de campo (boquilla de cono lleno de disco y núcleo, marca TeeJet modelo D3 DC35 marrón), y como diámetro máximo un valor de 444 μm, que es el diámetro volumétrico Dv90 (diámetro por debajo del cual se integra el 90% del volumen total del caldo).

Para la simulación del aire y las gotas del pulverizador se utilizó el programa ANSYS Fluent (ANSYS, Inc. Canonsburg, PA, USA). Todos los parámetros presentaron un valor mínimo del residuo normalizado de 10^-4.

La simulación se dividió en dos fases, considerando que el equipo circulase por la calle de la plantación a una velocidad de 1,65 km/h. La primera fase incluyó desde el instante inicial (t=0 s) hasta t=0.35 s, que era el tiempo necesario para que el equipo pasara por la sección estudiada. En esta fase las gotas eran pulverizadas y transportadas con el flujo del aire generado por el ventilador (en esta fase no se consideró la acción del viento ambiental). La segunda fase empezó en t=0.35 s y concluyó cuando todas las gotas se habían depositado, evaporado o abandonado el dominio. En esta fase el equipo no estaba presente en el modelo, por tanto, solamente intervenía la corriente del viento ambiental.

A lo largo de la simulación, se fue examinando la posición y el desarrollo de las gotas en diferentes instantes. Al final de la simulación se estimó el volumen depositado en la vegetación y las pérdidas en el suelo y por deriva atmosférica. Se consideró deriva las gotas evaporadas en el aire o que abandonaban el dominio por encima de los 5 m.

Resultados y discusión

La evolución de la posición de las gotas pulverizadas en la simulación puede observarse en la Figura 4, donde se muestra la distribución de las partículas en seis instantes diferentes de la simulación.

En los primeros 0.35 s (Figura 4i), con la presencia del turboatomizador, el 31% de las gotas se depositaron sobre el primer árbol. Respecto a las gotas que permanecían en el aire, se habían formado dos nubes de gotas. La primera estaba formada por el 51% de las gotas. Esta nube seguía la corriente ascendente del ventilador frente al árbol (Figura 4ii), donde las gotas más pequeñas superaban alturas de 6 m. En cambio, la segunda nube, formada por el 16% de las gotas, había seguido la corriente que pasaba por debajo de la primera copa hasta llegar al segundo árbol. El 2% de las gotas restantes se evaporaron.

A los 2.35 s (Figura 4ii), donde ya sólo intervenía el viento, únicamente el 45% de las gotas iniciales permanecía en la simulación (el 42% en la primera nube que había pasado por encima de la copa y el 3% en la segunda nube). La primera nube de gotas ya se encontraba sobre el segundo árbol, donde las gotas presentaban un tamaño mayor a medida que estaban más cerca del suelo. En este tiempo, el porcentaje de gotas acumuladas en el primer árbol era del 33% y en el segundo árbol del 11%, las evaporadas de un 10% y un 1% se había depositado en el suelo.

En t=5.35 s (Figura 4iii), sólo un 29% de las gotas permanecía en el aire. Estas gotas procedían de la primera nube. La mayoría de las gotas se localizaron entre el segundo y el tercer árbol. Las gotas de la segunda nube se habían evaporado o depositado en el segundo árbol. Las gotas tenían mayor tamaño cuanto más altas y más alejadas estaban de las boquillas. Respecto a las gotas que no seguían en el aire, el 33% se había depositado en el primer árbol (este valor ya no iba a variar en la simulación) y el 19% en las copas adyacentes, las gotas evaporadas representaban el 16% y las depositadas en el suelo el 3%.

En 8.35 s (Figura 4iv) únicamente el 16% de las gotas iniciales continuaba en la simulación. Las gotas seguían desplazándose hacia la derecha y se encontraban repartidas entre la segunda calle y cerca de los límites del dominio. Las gotas retenidas en las copas adyacentes aumentó hasta el 25%, las gotas evaporadas eran el 19% y en el suelo se encontraban el 7%.

En el instante 11.35 s (Figura 4v) la nube de gotas seguía desplazándose hacia la derecha y parte de las gotas habían salido del dominio, continuando en el aire sólo un 7% del total de gotas, ubicadas en la zona del tercer árbol. Ochenta gotas abandonaron el dominio por el empuje del viento, 15 de ellas por encima de los 5 metros. Las gotas sobre las copas adyacentes suponían el 26% del total, las evaporadas el 19% y las localizadas en el suelo el 10%.

Cuando se comprobó la localización de las gotas en t=17.35 s, se observaron 20 gotas dentro del dominio (Figura 4vi). A los 21.50 s de la simulación, ya no quedaban gotas en el aire.

Los resultados finales de la simulación (Figura 5) estimaron que el 33% de las gotas se depositaron en el primer árbol, el 29% de las gotas se repartieron entre el segundo y el tercer árbol, el 22% de las gotas se evaporaron o abandonaron el dominio por encima de los 5 m y el 16% de las gotas se depositaron en el suelo o escaparon del dominio por debajo de los 5 m.

El tamaño de las gotas se redujo con el tiempo, por lo que en cada sustrato predominan gotas de tamaños distintos, por ejemplo, en el árbol objetivo las gotas eran de mayor diámetro que las que se perdieron por deriva. Por tanto, los porcentajes de volumen respecto al total pulverizado eran distintos al porcentaje de gotas en los diferentes sustratos. En este caso, el 44% del volumen de caldo se depositó en el árbol objetivo, el 28% en la vegetación adyacente, el 20% en el suelo y el 8% restante se perdió como deriva.

El modelo propuesto se presenta como una herramienta apropiada para analizar el balance de masas de los tratamientos con turboatomizador en cítricos. El modelo sigue la trayectoria de las gotas y puede reproducir su comportamiento frente al ventilador del equipo y el viento. Además, puede servir para determinar los efectos de los diferentes factores que influyen durante la aplicación de fitosanitarios, y de esta manera, realizar las actuaciones oportunas (ajuste del pulverizador, selección de boquillas, etc.) para mejorar la eficiencia de las mismas.

Agradecimientos

Esta investigación estuvo financiada por el Ministerio de Economía de España (proyecto AGL2007-66093-C04-01 y AGL2010-22304-C04-01) y la Fundación Europea para el Desarrollo Rural (FEDER). Ramón Salcedo es beneficiario de una beca predoctoral FPI-INIA.

Bibliografía

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