CFD–DEM-based optimization of an air-assisted fertilizer conveying system using surplus blower airflow from a precision seeder
यह अध्ययन अतिरिक्त ब्लोअर वायु प्रवाह का उपयोग करके सटीक सीडर (precision seeders) के लिए एक एयर-असिस्टेड उर्वरक संवहन प्रणाली को अनुकूलित करता है, जिसमें ऊर्जा की बर्बादी को कम करने और उच्च वितरण एकरूपता सुनिश्चित करने के लिए CFD–DEM सिमुलेशन और प्रयोगों के माध्यम से इष्टतम मापदंडों (25 मिमी पाइप व्यास, 20 मीटर·से⁻¹ वायु प्रवाह वेग, और 13.50 ग्राम·से⁻¹ वितरण दर) की पहचान की गई है।
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विशाल खेतों में जहाँ आधुनिक कृषि कार्य होता है, बीज बोने और फसलों को पोषण देने वाली मशीनरी तेजी से परिष्कृत होती जा रही है। एक सामान्य प्रकार की बुवाई मशीन एक शक्तिशाली पंखे का उपयोग करती है जो निर्वात (वैक्यूम) पैदा करता है, जिससे व्यक्तिगत बीजों को उल्लेखनीय सटीकता के साथ अपनी जगह पर खींच लिया जाता है। हालाँकि, यह पंखा बीज गिराने के बाद काम करना बंद नहीं करता है; यह हवा की एक बड़ी मात्रा को बाहर धकेलता रहता है जो बस वायुमंडल में निकल जाती है। यह बर्बाद हुई ऊर्जा एक छूटे हुए अवसर का प्रतिनिधित्व करती है। कृषि इंजीनियरिंग की दुनिया में, चुनौती न केवल उर्वरक जैसी भारी सामग्रियों को स्थानांतरित करने की है, बल्कि इसे अत्यधिक सटीकता के साथ करने की भी है, यह सुनिश्चित करते हुए कि प्रत्येक पौधे की पंक्ति को पोषक तत्वों की बिल्कुल समान मात्रा मिले। जब उर्वरक को हवा द्वारा ले जाया जाता है, तो हवा की गति और उसे ले जाने वाले पाइपों का आकार यह निर्धारित करता है कि अनाज सुचारू रूप से बहेगा या आपस में जुड़कर गुच्छे बना लेगा, जिससे असमान विकास होगा। हवा की शक्ति और अनाज के वजन के बीच सही संतुलन बनाना दक्षता के लिए आवश्यक है, फिर भी एक ट्यूब के भीतर हवा और ठोस कणों के बीच कैसे परस्पर क्रिया होती है, इसके जटिल भौतिक विज्ञान की भविष्यवाणी अनगिनत भौतिक प्रोटोटाइप बनाकर और उनका परीक्षण किए बिना करना अक्सर कठिन रहा है।
वुवेई वोकेशनल एंड टेक्निकल यूनिवर्सिटी और शिहेजी यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक अपशिष्ट उत्पाद को एक उपयोगी उपकरण में बदलकर इस समस्या को हल करने का निर्णय लिया। उन्होंने एक ऐसी प्रणाली डिजाइन की जो एक सटीक सीडर (बीज बोने वाली मशीन) के पीछे से निकलने वाली अतिरिक्त हवा को पकड़ती है और उसे उर्वरक को ट्यूबों के नेटवर्क के माध्यम से धकेलने के लिए पुनर्निर्देशित करती है। उर्वरक को चलाने के लिए एक अलग इंजन बनाने के बजाय, उनका लक्ष्य सीडिंग फैन की "बची हुई" सांस का दोहरे काम के लिए उपयोग करना था। यह ठीक से कैसे काम करेगा, इसे समझने के लिए टीम ने केवल अनुमान या सरल परीक्षण और त्रुटि (ट्रायल एंड एरर) पर भरोसा नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने पूरी प्रणाली का एक विस्तृत आभासी मॉडल बनाया, जिसमें उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया गया जो हवा को एक बहते हुए तरल और उर्वरक के दानों को व्यक्तिगत, उछलते हुए कणों के रूप में मानते हैं। इस दृष्टिकोण ने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि हजारों उर्वरक के दाने हवा के प्रवाह में कैसे खिंचते हैं, कैसे त्वरित होते हैं, और कैसे डिलीवरी ट्यूबों के नीचे जाते हैं।
टीम ने तीन मुख्य चरों (variables) पर ध्यान केंद्रित किया जो परिणाम को बदल सकते थे: डिलीवरी पाइप की चौड़ाई, पाइपों के माध्यम से धकेलने वाली हवा की गति, और सिस्टम में उर्वरक डालने की दर। उन्होंने यह देखने के लिए सैकड़ों आभासी प्रयोग चलाए कि इन कारकों ने सफलता के दो महत्वपूर्ण मापों को कैसे प्रभावित किया। पहला यह था कि सभी अलग-अलग ट्यूबों में हवा की गति का वितरण कितना समान था, यह सुनिश्चित करना कि किसी भी एक पंक्ति को दूसरी तुलना में अधिक तेज झोंका न मिले। दूसरा यह था कि उर्वरक कितनी निरंतरता से वितरित किया गया, यह जांचना कि प्रत्येक आउटलेट ने अनाज की समान मात्रा छोड़ी। अपने सिमुलेशन के माध्यम से, उन्होंने पाया कि हवा की गति सबसे शक्तिशाली कारक थी, जो पाइप के आकार या उर्वरक डालने की मात्रा के प्रभावों से कहीं अधिक प्रभावी थी। यदि हवा बहुत धीमी होती, तो भारी दाने नीचे बैठ जाते और ट्यूबों को जाम कर देते; यदि यह बहुत तेज़ होती, तो विक्षोभ (टर्बुलेंस) के कारण प्रवाह अराजक और असमान हो जाता।
अपने कंप्यूटर मॉडल में चरों को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट "स्वीट स्पॉट" (इष्टतम बिंदु) की पहचान की जहाँ सिस्टम का प्रदर्शन सबसे अच्छा था। उन्होंने पाया कि 25 मिलीमीटर का पाइप व्यास, 20 मीटर प्रति सेकंड की वायु गति के साथ मिलकर, सबसे स्थिर प्रवाह बनाता है। जब उन्होंने इन परिस्थितियों में उर्वरक फीडिंग दर को 13.50 ग्राम प्रति सेकंड पर सेट किया, तो सिस्टम ने लगभग पूर्ण स्तर की एकरूपता प्राप्त की। आभासी परीक्षणों ने दिखाया कि विभिन्न ट्यूबों में हवा की गति में 7 प्रतिशत से कम का अंतर था, और वितरित किए गए उर्वरक की मात्रा में 2 प्रतिशत से कम का अंतर था। यह सिद्ध करने के लिए कि उनका कंप्यूटर मॉडल सटीक है, टीम ने एक प्रयोगशाला में एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाया और वास्तविक दुनिया के परीक्षण किए। भौतिक मशीन के परिणाम कंप्यूटर भविष्यवाणियों के लगभग समान थे, जिनमें केवल छोटे अंतर थे जिन्होंने उनके सिमुलेशन पद्धति की विश्वसनीयता की पुष्टि की।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि सीडिंग मशीन द्वारा उत्पन्न की जा रही हवा का पुन: उपयोग करके एक अत्यधिक कुशल उर्वरक वितरण प्रणाली बनाना संभव है। यह दृष्टिकोण अतिरिक्त मोटरों या पंखों की आवश्यकता को समाप्त करता है, जिससे कृषि उपकरणों की समग्र ऊर्जा खपत कम हो जाती है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि पाइप के आकार, हवा की गति और अनाज के प्रवाह के बीच सटीक संबंध को समझकर, वे एक ऐसी प्रणाली तैयार कर सकते हैं जो पोषक तत्वों को बीजों की तरह ही सटीकता से वितरित करती है। यह कार्य भविष्य की कृषि मशीनरी के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करता है, जो यह दिखाता है कि कैसे एक बार बर्बाद होने वाली ऊर्जा को कैप्चर करके आधुनिक खेती की स्थिरता और प्रभावशीलता को बेहतर बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है।
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