Improvement of vineyard spraying equipment by recirculation of overspray through air flow modification.
Date
2024-02
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The South African wine producer’s profitability has been under enormous pressure over the past few years due to rising input costs. For this reason, a method was developed to save on crop protection costs by minimising losses due to overspray from multi-row air-assisted sprayers. The performance of a recently developed collection chamber which is attached to a standard sprayer to recirculate the air flow over the canopy, was analysed. Experiments were carried out to obtain the flow characteristics for vine canopies during the growing season. These experiments included the development of a mobile wind tunnel that was calibrated and then transported to the Farm Pokkraal, in the Breedekloof Valley near Rawsonville, where field tests were conducted. Field tests were conducted with the wind tunnel orientated in two directions, inline and perpendicular to the vineyard row and the pressure loss over the leaf canopy was measured as a function of the air volume flow rate through the test section. Results indicated important differences in canopy density and flow characteristics for different vineyards as the growing season progressed. The results from these experiments were used to set up a qualitative computational fluid dynamic (CFD) model of the airflow inside the collection chamber around a vineyard canopy. The CFD model results were validated with high-speed camera footage of the airflow inside the collection chamber. The airflow patterns inside the chamber were analysed to determine whether the current design of the collection chamber would induce the self-recirculation of overspray to reduce potential overspray. The CFD models showed that the air flow inside the chamber interacted with the walls of the collection chamber and that the flow in the mid-region, where the canopy is located, experienced little variation. This supports the objectives of this research that the collection chamber induces self-recirculation and that overspray, which would otherwise be lost to the environment, is contained and directed back onto the intended target area. This limits the harmful effect of overspray to the environment, tractor operators and nontarget areas. This project has the potential for further studies in this field regarding modifications to the existing collection chamber prototype as well as the development of an improved CFD model towards a better understanding of what is taking place inside the collection chamber.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die winsgewendheid van die produksie kant van die Suid-Afrikaanse wynbedryf is die afgelope paar jaar onder geweldige druk weens ʼn toename in inset- en produksiekoste. Daarom is dit nodig om ʼn metode te ontwikkel wat die produsent in staat sal stel om te bespaar op chemiese kostes geassosieer met die beskerming van wingerde teen siektes, insekte en onkruid. Besparings kan plaasvind deur die hoeveelheid chemiese sproei wat nie die teiken area bereik nie te beperk wanneer chemiese stowwe aangewend word met behulp van ʼn dubbel-ry lug aangedrewe spuittenk. Data met betrekking tot die digtheid van die blaar-massa van ʼn wingerdstok tydens sy groeiperiode is ingesamel. Dit het die ontwikkeling van 'n mobiele windtonnel ingesluit wat by die Universiteit van Stellenbosch gekalibreer is en daarna na die plaas Pokkraal, in die Breedekloof Vallei naby Rawsonville, waar die veldtoetse gedoen is, vervoer is. Om inligting vir 'n meer akkurate blaredak model te verkry, is die windtonnel in twee oriëntasies rigtings geplaas: in-lyn en loodreg met die wingerdry, Die resultate van die eksperimente is gebruik om ʼn kwalitatiewe “Computational fluid dynamic (CFD)” model op te stel wat ʼn aanduiding gegee het van die lugvloei-patrone binne die opvangskerms van die spuit rondom ʼn wingerdstok. Resultate het belangrike verskille in blaredak-digtheid en lugvloei patrone tydens verskillende groeistadiums aangedui. Die CFD-model is geverifieer met behulp van hoëspoed-kamera beelde en die bestaande versamelkamer wat voorheen ontwikkel is. Die lugvloei-patrone binne die kamer is ontleed om te bepaal of die huidige ontwerp van die versamelkamer die hersirkulasie van die chemiese produk en meer effektiewe benatting van die teiken area bevorder. Die CFD-modelle het getoon dat die lugvloei binne-in die kamer grootliks in wisselwerking is met die wande van die versamelkamer en dat daar min variasie is in die vloei in die middel-deel van die kamer (waar die wingerd geleë is). Dit ondersteun die doelwit dat hersirkulasie spontaan binne die versamelkamer plaasvind en dat oortollige chemiese oplossing, wat andersins verlore sou gaan, hersirkuleer word en terug na die beoogde teikenarea gerig word. Sodoende word nie net vermorsing vir die produk, maar ook die skadelike effek van oor-bespuiting op die omgewing, trekker operateurs en nieteiken areas beperk. Hierdie projek het die potensiaal vir verdere studies met betrekking tot wysigings aan die bestaande versamelkamer prototipe sowel as die verbetering van ‘n CFD model met betrekking tot insig oor wat binne die versamelkamer plaasvind.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die winsgewendheid van die produksie kant van die Suid-Afrikaanse wynbedryf is die afgelope paar jaar onder geweldige druk weens ʼn toename in inset- en produksiekoste. Daarom is dit nodig om ʼn metode te ontwikkel wat die produsent in staat sal stel om te bespaar op chemiese kostes geassosieer met die beskerming van wingerde teen siektes, insekte en onkruid. Besparings kan plaasvind deur die hoeveelheid chemiese sproei wat nie die teiken area bereik nie te beperk wanneer chemiese stowwe aangewend word met behulp van ʼn dubbel-ry lug aangedrewe spuittenk. Data met betrekking tot die digtheid van die blaar-massa van ʼn wingerdstok tydens sy groeiperiode is ingesamel. Dit het die ontwikkeling van 'n mobiele windtonnel ingesluit wat by die Universiteit van Stellenbosch gekalibreer is en daarna na die plaas Pokkraal, in die Breedekloof Vallei naby Rawsonville, waar die veldtoetse gedoen is, vervoer is. Om inligting vir 'n meer akkurate blaredak model te verkry, is die windtonnel in twee oriëntasies rigtings geplaas: in-lyn en loodreg met die wingerdry, Die resultate van die eksperimente is gebruik om ʼn kwalitatiewe “Computational fluid dynamic (CFD)” model op te stel wat ʼn aanduiding gegee het van die lugvloei-patrone binne die opvangskerms van die spuit rondom ʼn wingerdstok. Resultate het belangrike verskille in blaredak-digtheid en lugvloei patrone tydens verskillende groeistadiums aangedui. Die CFD-model is geverifieer met behulp van hoëspoed-kamera beelde en die bestaande versamelkamer wat voorheen ontwikkel is. Die lugvloei-patrone binne die kamer is ontleed om te bepaal of die huidige ontwerp van die versamelkamer die hersirkulasie van die chemiese produk en meer effektiewe benatting van die teiken area bevorder. Die CFD-modelle het getoon dat die lugvloei binne-in die kamer grootliks in wisselwerking is met die wande van die versamelkamer en dat daar min variasie is in die vloei in die middel-deel van die kamer (waar die wingerd geleë is). Dit ondersteun die doelwit dat hersirkulasie spontaan binne die versamelkamer plaasvind en dat oortollige chemiese oplossing, wat andersins verlore sou gaan, hersirkuleer word en terug na die beoogde teikenarea gerig word. Sodoende word nie net vermorsing vir die produk, maar ook die skadelike effek van oor-bespuiting op die omgewing, trekker operateurs en nieteiken areas beperk. Hierdie projek het die potensiaal vir verdere studies met betrekking tot wysigings aan die bestaande versamelkamer prototipe sowel as die verbetering van ‘n CFD model met betrekking tot insig oor wat binne die versamelkamer plaasvind.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2024.