基于Fluent的重载植保无人机雾滴沉积特性的研究

以有效载荷为135kg的FBH-300T纵列式重载油动双旋翼无人机为研究对象，测量了飞机旋翼风场和喷头数据，并使用Fluent建立喷头在外流场中的仿真模型。采用计算流体力学(Computer Fluid Dynamic, CFD)的方法，对FBH-300T无人机飞行速度、侧风和载荷对飞机施药过程中雾滴沉积的影响进行了仿真计算和试验验证。结果表明：植保无人机的飞行速度、侧风和载荷都会影响雾滴的沉积分布，雾滴沉积受侧风的影响最大，其次为飞行速度，受载荷的影响最小；在0～2m/s的侧风和0～5m/s的飞行速度范围内，雾滴的穿透性和漂移变化不大；飞机从满载到空载的施药过程中，雾滴沉积特性基本不发生变化，符合田间试验结果。由此证明：使用Fluent开展植保无人机雾滴沉积特性的相关研究是可行的，能够为植保无人机雾滴漂移、运动及沉积研究提供参考。     

植保无人机作业参数对水稻冠层雾滴沉积分布影响研究

为获得相对较好的植保无人机水稻病虫害防治效果,以小型四旋翼农用植保无人机开展水稻喷雾试验,采用三因素三水平正交试验法对无人机喷头流量、作业高度、飞行速度的三个作业参数优化组合。根据雾滴沉积密度和沉积量及其均匀性结果,较佳的作业参数是喷头流量3.0 L/min、作业高度2.5 m、飞行速度4.5 m/s;影响雾滴沉积密度的因素主次顺序为作业速度、飞行高度、喷头流量,而影响沉积量均匀性的因素主次顺序亦是作业速度、飞行高度、喷头流量。通过优选植保无人机作业参数,既能提高喷雾雾滴沉积效果,又为获得较好病虫害防治效果奠定基础。     

植保无人机喷雾性能综合实验台设计

植保无人机喷雾性能综合实验台的设计,可以模拟农业植保无人机工作状态下,对喷头的压力、流量、雾锥角、喷幅、雾滴粒径、雾滴沉积量、雾滴分布规律、雾滴分布变异系数等重要参数的测试,从而为植保无人机厂家改进喷淋系统提供重要的检测手段。     

不同电动植保无人机稻田雾滴沉积分布试验研究

为了研究旋翼类型和喷头类型对雾滴沉积影响,针对5种电动植保无人机进行水稻田雾滴沉积分布试验研究,试验机型包括单旋翼和多旋翼,喷头类型涉及离心式和液力式,并设置15L/hm2相同施药量,研究测定各机型的有效喷幅、雾滴沉积分布和冠层间的药液沉积量。试验结果表明:单旋翼机型具有较大的有效喷幅;离心式喷头雾滴沉积粒径较小,但雾滴沉积密度更大;各机型在作物上层的雾滴分布均匀性和药液沉积量最优,中层最差;相比液力式喷头,离心喷头可以获得更好的雾滴穿透效果。     

植保无人机作业参数对雾滴在茶树冠层沉积分布影响研究

为获得相对较好的植保无人机喷雾雾滴沉积效果,提高病虫害防治效果,本文采用喷头流量、作业高度、飞行速度的三因素三水平正交试验法,应用小型四旋翼农用植保无人机进行喷雾试验。根据雾滴沉积密度和沉积量及其均匀性数据结果,分析得出影响雾滴沉积密度和均匀性,以及沉积量的因素主次顺序均为飞行速度、喷头流量、作业高度,而影响沉积量均匀性的因素主次顺序则是作业高度、喷头流量、飞行速度;较佳的作业参数组合是喷头流量2.5 L/min、作业高度2.5 m、飞行速度2.0 m/s,此参数组合下,雾滴覆盖率为17.4%,雾滴粒径DV.1、DV.5、DV.9分别为263.39μm、546.33μm、872.67μm,雾滴密度及其变异系数分别为97.30个/cm~2、57.97%,雾滴沉积量及其变异系数分别为1.45μL/cm~2、42.70%。通过优选植保无人机作业参数,不仅可以提高喷雾雾滴沉积效果,还将为获得较好病虫害防治效果奠定基础。     

农用航空静电喷雾系统喷雾性能的研究

在植保无人机静电喷雾系统中,喷头孔径、系统压力、无人机飞行高度都会对其喷雾性能产生影响。为此,在植保无人机静电喷雾系统中静电电压和飞行速度不变时,搭建了室内喷杆式静电喷雾系统试验平台,通过测量不同试验喷头孔径和系统压力下雾滴直径来模拟无人机不同飞行高度下的喷雾性能。试验结果表明:喷头孔径和系统压力都对雾滴直径有很大的交互影响;根据农业植保雾滴喷洒直径要求,得出满足喷洒条件的组合有喷头孔径为0.8mm、系统压力为0.3MPa与喷头孔径为1.0mm、系统压力为0.5MPa两种;在系统压力和喷头孔径不变时,同等飞行高度下两种组合的喷雾性能没有显著差别,但随着飞行高度的增加,两种组合的喷洒效果都表现不佳;从植株叶片正反两面的均匀度、沉积密度、沉积量及覆盖率等综合参数来看,喷头孔径0.8mm、系统压力0.3MPa、飞行高度1.5m时植保喷洒效果最好。     

植保无人机作业参数对棕榈树雾滴沉积的影响

为探究单旋翼油动无人机对高大乔木棕榈树的雾滴沉积效果,设置三因素三水平的正交试验,通过方差分析研究喷头流量、作业高度、飞行速度对棕榈树雾滴沉积、雾滴穿透性、地面流失量的影响程度,并分析试验指标与雾滴沉积、雾滴穿透性、地面流失量的关系。结果表明:最佳作业参数为喷头流量4.2 L/min、作业高度3 m、飞行速度3 m/s,此时雾滴沉积量和雾滴穿透性为0.397μL/cm~2和5.01%;影响雾滴沉积效果的主次顺序依次为:作业高度、飞行速度、喷头流量;适当的增加作业高度可以提高雾滴穿透性,增加飞行速度可减小地面流失量。针对棕榈树型高大特点和病虫害位置,优选植保无人机的作业参数,以保证其良好的雾滴沉积效果,本试验可为棕榈树病虫害飞防作业提供参考。     

施药技术参数对旋翼植保无人机喷雾特性的影响

植保无人机的高质量作业是农业航空实现精准作业的前提,因此对喷雾系统作业特性进行研究显得尤为重要。为了探究影响植保无人机喷雾质量的因素,本研究应用喷雾性能综合试验台（吉林省农业机械研究院研制）对无人机在不同旋翼转速、喷雾高度、离心喷头转速情况下的雾滴沉积分布、雾滴粒径进行了试验测试并对12组试验的沉积特性和粒径数据进行了回归分析。结果表明,同组参数的3次重复试验一致性较好,雾滴发生明显飘移且最大有效沉积率为46.31%,最小为31.74%,由此雾滴有效沉积率均低于50%;对比雾滴粒径D_V10、D_V50和D_V90的回归分析结果,喷雾高度P值大于0.5,喷头转速和旋翼转速P值小于0.5,由此可知,喷雾高度对沉积量影响极显著,但对雾滴粒径的影响不显著;喷头转速和旋翼转速对雾滴粒径影响极显著,而对沉积量影响不显著。本研究试验结果可为提高无人机作业质量和喷洒效率提供理论依据及数据支撑。     

多旋翼无人机飞行载荷对雾滴沉积规律的影响

为研究植保无人机从满载到空载的超低空巡航作业中,飞行载荷下降对雾滴沉积规律的影响,以红旗n-10型四旋翼植保无人机为研究对象,建立其飞行载荷与旋翼转数、飞行载荷与仰俯角的函数关系。以此为基础,运用CFD仿真软件模拟计算飞行速度为0、1、2、3m/s,作业高度为2m,无人机在各飞行载荷作业下的雾滴有效沉积,并进行试验验证。结果表明:等速作业时,由于更强的旋翼风场及更小的机身仰俯角,前、后喷头在大飞行载荷作业时的雾滴有效沉积率优于小飞行载荷;且作业速度越快,有效沉积率相差越大,作业速度为3m/s时,相差达11%。本研究得出雾滴有效沉积率随无人机飞行载荷下降会减小,即雾滴漂移增大的结论,对实际生产具有重要指导意义。     

大载荷植保无人直升机喷雾气液两相流动数值模拟

为研究大载荷植保无人直升机喷雾流场特性,基于FR-200型大载荷植保无人直升机喷洒系统,建立FR-200型大载荷植保无人直升机无植物冠层三维雾滴沉降仿真模拟平台,利用Fluent软件的SST k-ω湍流模型和DPM离散相模型对无人直升机喷雾沉降过程进行了仿真模拟,分别研究了飞行速度、喷杆相对位置、喷施角度对喷雾流场的影响,并进行户外试验验证。试验结果表明,下洗流场垂直方向速度(Z向)呈不对称分布,旋翼x/R为0.8处垂直方向速度(Z向)最大;仿真模拟的雾滴沉积总量与户外试验的雾滴沉积密度基本一致,线性决定系数R2为0.999 6,无人直升机前飞速度与雾滴群抗飘移系数及沉积量呈线性关系,前飞速度3 m/s时,靶标上雾滴总沉积密度为4.208μL/cm~2,前飞速度5 m/s时,靶标上雾滴总沉积密度为1.766μL/cm~2;随着采样面的升高,雾滴群抗飘移性能增强;位于喷杆不同位置处喷头的抗飘移性能不同,主要表现在位于喷杆两端的喷头1和9受到旋翼尾涡的影响,雾滴群抗飘移性能变差,机身正下方的喷头5由于机身阻挡作用,造成雾滴群分散性增加,雾滴因垂直方向动能衰减而难以到达采样面;喷施角度越小,雾滴群总体抗飘移性能越好。     

助剂影响大载荷植保无人机喷洒沉积特性的试验研究

为了研究助剂对大载荷植保无人机喷雾沉积分布均匀性、雾滴抗飘移性和抗蒸发性的影响,通过添加5种喷雾助剂改变液滴的表面张力,并利用热线风速仪测量了FR-200大载荷植保无人机不同作业环境下的风速和温度,对FR-200大载荷植保无人机的雾滴沉积分布均匀性、抗飘移性和抗蒸发性这3种喷洒沉积特性进行了试验研究.试验采用图像处理软件DepositScan分析雾滴沉积参数,获得雾滴沉积分布规律.结果表明:大载荷植保无人机添加喷雾助剂进行施药作业时,能提高靶区范围内的沉积浓度,溶液的表面张力越低、雾滴沉积分布越均匀;在侧风作用下大载荷植保无人机不使用助剂时飘移现象十分明显,加入5种喷雾助剂后均能明显改善雾滴抗飘移性;通过分析不同温度对雾滴沉积的影响,发现温度升高时,添加助剂可以提高大载荷植保无人机喷洒雾滴的沉积浓度,说明助剂可以改善雾滴的抗蒸发性.     

多旋翼植保无人机风场下喷洒方式对有效喷幅的影响

为研究多旋翼无人机风场下喷头布置对有效喷幅的影响,基于SolidWorks 2016软件对多旋翼无人机前、中、后螺旋桨喷洒区域风场进行模拟仿真分析。在此风场下,通过改变喷头安装位置,研究机身前方两个螺旋桨不同旋向时无人机旋翼风场对雾滴有效喷幅的影响。试验结果表明,无人机旋翼旋向和喷头布置对有效喷幅有显著影响:当机身前方两个螺旋桨为内旋、飞行速度为4m/s、飞行高度为2m时,喷头前置和后置的有效喷幅分别为3m和2m;相比机身前方两个螺旋桨为外旋时,雾滴总沉积密度分别高出26.8%和66.7%,且有效喷幅分别多出1m和0.5m。该结果可为无人机植保作业过程中耦合风场扰动下雾滴的漂移、沉积的进一步研究提供参考。     

植保无人机在精准农业中雾滴飘移影响因素分析

为了深入了解植保无人机在精准农业中的应用,掌握植保无人机喷施雾滴的飘移情况,针对植保无人机在不同风速下喷施雾滴飘移的现象,通过试验分析不同风速对雾滴飘移的影响.试验运用大疆T30植保无人机,利用变异系数C.V值和样本标准差S值对6架植保无人机喷施雾滴情况进行对比分析.结果表明:风速为0.2～4.1 m/s,沉积区雾滴平...     

地面弥雾机与六旋翼植保无人机在芒果冠层中雾滴沉积性能对比

为解决芒果园传统植保作业中农药用量大、施药不均匀、作业效率低等问题,并构建智慧芒果园,本研究对比了地面弥雾机和六旋翼植保无人机两种果园施药机具在芒果冠层中的药液雾滴沉积性能。将芒果冠层分为上中下层,以柠檬黄为示踪剂,使用高清相纸与滤纸采集药液雾滴,通过图像处理等手段分析雾滴沉积分布均匀性。试验结果表明,植保无人机在芒果树上部冠层叶片表面的雾滴覆盖率显著高于地面弥雾机,在其余冠层部位,两种施药机具在叶片表面药液无显著差异覆盖;植保无人机处理组叶片正反面平均覆盖率均为地面弥雾机的1.5~2倍,对叶片背面的防治优于地面弥雾机。地面弥雾机处理组叶片正面雾滴密度显著高于植保无人机,叶片背面无显著差异,植保无人机处理组正反面均未满足低量喷雾20个/cm2的病虫害防治要求。地面弥雾机药液沉积集中在中下冠层（61.1%）,植保无人机集中在上部冠层（43.0%）,冠层内部沉积比例地面弥雾机（48.6%）＞植保无人机（25.5%）,但地面弥雾机在冠层上部沉积能力不足,沉积占比仅为17%。研究表明,相较于植保无人机,地面弥雾机适用于芒果冠层中下部及内部病虫害防治,同时该机具较高的雾滴覆盖密度在喷洒杀菌剂时也有明显优势,植保无人机适用于针对芒果上部冠层如蓟马、炭疽等易发于外部花絮的病虫害防治。     

粳稻多旋翼植保无人机雾滴沉积垂直分布研究

为研究多旋翼植保无人机低空喷施作业过程中,水稻垂直方向雾滴沉积的分布规律,在水稻冠层叶片、中部叶片、底部叶片分别放置了雾滴测试卡,收集植保无人机喷洒过程中的雾滴信息。使用清水代替农药来模拟喷施过程,利用雾滴沉积分析软件i DAS分析雾滴测试卡,得出植保无人机雾滴在水稻垂直方向的分布结果。试验结果表明:植保无人机低空喷雾在水稻垂直方向的雾滴覆盖率存在显著差异,有效喷幅内旋翼下方区域的雾滴覆盖效果最好,而远离旋翼的位置,雾滴覆盖率较差。从水稻垂直方向的不同位置分析,雾滴总体覆盖率为冠层54.86%,中部32.69%,底部24.7%;水稻垂直各位置的粒径分布中,平均粒径范围处于110~140μm之间,粒径大小适合植物病虫的防治。冠层的点密度最大,而水稻中间部位和水稻底部的点密度分布较为相似;水稻中部雾滴扩散比(0.465)优于冠层(0.38)和底部(0.31),整体喷雾的雾滴扩散比与相对粒谱宽度的数值均低于正常值(0.67)。     

航空植保喷施参数对苹果树雾滴沉积特性影响

为提高植保无人机在果树上的喷施效果、增加雾滴在果树上的穿透力和分布均匀性,进行了系列试验,研究了喷头间距和飞行高度参数对雾滴沉积分布的影响,并优化出最佳喷头间距参数。确定了喷洒系统喷头安装位置参数,并通过正交试验,研究了飞行高度、飞行速度和喷洒系统喷头安装位置参数对雾滴在苹果树上分布的影响。试验以S40电动直升机为载体,以诱惑红为液体染色剂、铜版纸为雾滴采集卡。结果表明:飞行高度Sig.=0.811,P0.01,喷嘴间距Sig.=0.006,P0.01,喷头间距对喷幅影响极其显著;当飞行高度为2m,喷头间距为55、50、50、55cm时,喷幅最大均为7m,雾滴密度变异系数最小为63%和44.5%。苹果树喷施正交试验中,飞行高度2m、飞行速度1m/s、喷洒系统中4个喷头位于交叉角度为90°的十字形喷杆上且距离交叉点均为105cm时,雾滴在苹果树上的沉积较好。     

植保无人机飞行作业参数对玉米施药作业效果影响研究

为了研究植保无人机在玉米病虫害防治及叶面肥喷洒中的作业效果,以无人机的飞行高度和飞行速度为试验因素进行正交试验,分析植保无人机在不同的作业参数下,玉米上、中、下3个层级的雾滴沉积密度和雾滴沉积均匀度,并结合极差和方差分析选择最优作业参数。试验结果表明：无人机在飞行高度为2.5 m、飞行速度为5 m/s时,无人机施药作业效果较好,上、中、下层的雾滴沉积密度分别为10.89、4.18、2.65个/cm²,雾滴沉积均匀度分别为25.06%、27.40%、48.56%。同时,考虑无人机作业参数受作业地点限制,无人机在不同飞行高度下的最优飞行速度参数分别为：高度2 m时速度为5 m/s、高度2.5 m时速度为5 m/s、高度3 m时速度为5 m/s。     

水田慈姑植保无人机施药装置设计与试验

针对水田慈姑蚜虫虫害防治的低量定向施药需求,在对水田环境、慈姑植株特性以及慈姑蚜虫防治等调研的基础上,设计了水田慈姑植保无人机施药装置。利用有限元软件进行四旋翼植保无人机旋翼下风场和施药场数值模拟,并对平台进行不同工况的喷雾试验研究。结果表明：悬停高度提高,旋翼下流场强度分布层次丰富,更容易产生雾滴偏移;飞行速度降低,来流造成的雾滴飘移减小;喷头流量为20mL/min、压力增加达到0.07MPa时,喷头雾化达到最佳工况。无人机高度降低,喷洒雾滴附着率增加,无人机速度降低,喷洒雾滴附着率增加。因此,低空低速条件下雾滴叶片附着率更高、施药效果更佳,可实现可靠高效的慈姑病虫害防治。     

果树叶片雾滴沉积量检测系统设计与试验

为了获取植保无人机喷药后雾滴在果树叶片表面的沉积量，设计了面向植保无人机果树低空施药的果树叶片雾滴沉积量检测系统。该系统由LWS型叶面湿度传感器、数据传输模块、上位机检测软件组成。通过LWS型叶面湿度传感器的标定试验，建立了电导率为553μS/cm自来水、860μS/cm甲基硫菌灵溶液、1525μS/cm磷酸二氢钾叶面肥溶液的回归方程，通过分光光度计验证试验验证了方程的准确性。之后，建立基于ZigBee的传感器系统数据无线传输网络。同时，利用Qt编写了具有数据分析和显示功能的上位机程序，建立了完整的果树叶片雾滴沉积量检测系统。最后，利用WSZ-4X型植保无人机在樱桃果园中进行了检测系统与水敏纸的对比试验。对比结果显示，使用两种方法获得的雾滴沉积密度曲线的拟合度可达0.9266。对于单个测量点的雾滴沉积密度，其平均误差为22.8%。在果园中进行试验时，受风速和无人机气流等环境因素的影响，传感器和水敏纸的雾滴分布会出现一定的差异，忽略环境因素影响，可认为两种方法在樱桃果园中测量得到的雾滴沉积密度一致性较好，而使用果树叶片雾滴沉积量检测系统可以更加快速、方便、实时地采集农药雾滴在叶面上的沉积量。     

无人机喷雾参数对粳稻冠层沉积量的影响及评估

主要研究了植保无人机在水稻灌浆期喷施磷酸二氢钾(KH2PO4)的作业效果及八旋翼无人机喷雾参数对水稻叶片雾滴沉积分布的影响,测试分析了无人机在水稻灌浆期植保作业时雾滴的沉积效果。研究采用雾滴测试卡接收雾滴,通过调节无人机的作业高度进行雾滴沉积量评估试验。根据作业高度不同,共设计3组试验,高度分别是3、4、5m。结果表明:不同作业高度时,雾滴在水稻冠层和下层具有不同的沉积效果,且分布均匀性的变异系数也不同。作业高度5m时,雾滴在水稻叶片上的总沉积量最少,均匀性最差,冠层和下层的变异系数分别为92.11%、150.29%;作业高度3m时,雾滴在水稻叶片上的总沉积量高于4m和5m时的沉积量,均匀性较好,冠层和下层的变异系数分别为32.94%、49.47%。3组作业高度均显示:雾滴在水稻冠层的沉积量高于下层叶片,叶片正面的沉积量高于反面,叶片反面沉积量可达到正面叶片的1/2以上。本研究对八旋翼无人机高效利用、提高农药喷施作业效率、增加水稻产量具有深远的意义。