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。     

环境风速对六旋翼无人机下洗气流和雾滴沉积影响研究

小型多旋翼植保无人机存在农药飘移、雾滴沉积不均等问题,为此本文结合RANS方程、SST k-ω湍流模型和SIMPLE算法,对耦合六旋翼植保无人机下洗气流场和喷雾雾滴的两相流场进行数值模拟计算,探析环境风速对无人机下洗气流和农药雾滴沉积的影响。机身下方空间点风速试验和模拟值相对误差在15%以内,验证了数值模型的准确性。数值模拟结果表明：植保无人机飞行作业时,来流造成无人机下洗风场出现漩涡,来流速度对机身正下方流场的影响大于其对旋翼正下方流场的影响;侧风造成无人机下洗风场出现较大漩涡,下洗风场稳定性降低;两侧旋翼正下方对称布置喷嘴提高了雾滴沉积均匀性,来流造成雾滴卷积,雾滴飘移量随着来流速度提高而增大。综合各因素,无人机喷嘴应在旋翼下方对称布置,在小型六旋翼植保无人机实际作业时,无人机作业方向需要与外界环境风向保持平行,同时在晴朗环境下施药作业,从而降低雾滴飘移,提高农药利用率。     

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。     

小型植保无人机下洗气流场影响雾滴运动特性规律研究

为了研究小型无人机下洗气流场对雾滴运动特性的影响规律，以小型无人机为基础，采用Navier-Stokes(N-S)方程、realizable k-ε模型和Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations算法，对施药过程中的下洗气流场和雾滴离散运动进行了详细的数值模拟分析。研究分析无人机下洗气流的速度特性、雾滴沉积特性以及作业高度对农药沉积效果的影响。通过试验结果可知，模拟值与试验值的相对误差在20%以内，验证了下洗气流场数值模型的可行性。进一步模拟分析结果表明，在无人机喷药平台的影响下，下洗气流场在距离旋翼1 m处达到速度峰值。随着作业高度的增加，雾滴逐渐分散并扩散。雾滴主要分布在两个“气流引入区”和两个“气流导出区”,该分布特征有助于优化施药效果和提高农药的使用效率。根据分析结果，当无人机飞行作业姿态与地表保持平行，且将作业高度调整至0.8～1.0 m之间时，可显著提高农药沉积量，从而提高植保无人机的施药效果。本研究验证了下洗气流场数值模型的可行性，为小型植保无人机的对靶雾滴漂移及沉积研究提供了参考依据。     

单旋翼植保无人机翼尖涡流对雾滴飘移的影响

为研究单旋翼植保无人机翼尖涡流对雾滴飘移的影响特性,基于格子玻尔兹曼(Lattice-Boltzman,LBM)方法的自适应细化物理模型,对单旋翼无人机的旋翼流场进行了数值模拟。通过改变无人机喷杆的垂直距离和喷头在旋翼下方的位置,研究了不同飞行速度下,无人机翼尖涡流对雾滴飘移的影响规律。为捕获到不同粒径的雾滴在无人机下洗流场中的运动轨迹,采用基于拉格朗日离散相粒子跟踪法模拟了雾滴的运动轨迹。为验证数值模拟的准确性,进行了试验验证,研究结果表明:当无人机飞行速度大于3 m/s时,机身后方开始出现螺旋型尾涡,且飞行速度越大、飞行高度越高,尾涡向机身后方的扩散距离越远;当飞行速度为5 m/s、飞行高度为3 m时,38%的雾滴因螺旋尾涡而造成空中飘移,其中粒径小于100μm的雾滴约占总飘移雾滴数的80%;喷杆距离主旋翼的高度对雾滴因翼尖涡流造成的飘移影响不明显,但喷头的位置越靠近主旋翼的边缘,雾滴越容易被翼尖涡流卷吸。     

全丰全球鹰T2000油动单旋翼植保无人机简介

正一、产品介绍安阳全丰航空植保科技股份有限公司研制的全球鹰T2000油动单旋翼植保无人机是一款专用植保型油动单旋翼无人直升机,一方面,具备了直升机专有在植保方面的大风场、大喷幅、强穿透与高效率基因;另一方面,克服了传统直升机结构复杂、培训难、维修难的缺点。该机型全机使用模块化设计,结构简单,可靠性高,     

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。     

不同飞行参数下八旋翼植保无人机下洗气流场对雾滴沉积分布特性的影响

近年来,应用植保无人机防治农业有害生物已成为中国植保机械发展的一大新亮点。无人机旋翼提供飞行升力的同时具有下洗气流场,低空低量施药作业雾滴沉积分布质量优劣与旋翼下洗气流场的作用密不可分。为探究植保无人机旋翼下洗气流场对喷雾效果的影响,本研究以当前植保无人机主流机型——“X型”布局八旋翼无人机为研究对象,采用实际作业测试方式,利用微气象测量系统测定无人机飞行状态下旋翼下方不同水平位置下洗气流场风速,同时采用诱惑红示踪剂水溶液代替农药喷雾获取喷雾沉积分布情况,重点对下洗气流场分布实测结果进行可视化分析,包括不同飞行高度、不同速度下旋翼下洗气流场分布特性与雾滴沉积分布特性以及二者的相互关系。测试结果显示：八旋翼植保无人机飞行过程中随着飞行速度加快（1.0~6.0 m/s）和飞行高度升高（1~2 m）,冠层位置X、Y、Z三向下洗气流场总体表现为气流强度由强到弱、分布状态由集中到分散的变化趋势;X方向气流来源于下洗气流与外界空气相互作用产生的卷扬气流,对喷施雾滴的作用为逆飞行方向;Y方向为下洗卷扬气流以及地面效应共同作用的结果,对雾滴的作用为垂直于航线朝向两侧;Z方向为下洗气流竖直向下方向分量,对雾滴下降沉积具有直接促进作用;飞行速度与下洗气流场范围内风速峰值（P＜0.05,r=-0.836）和有效喷幅内平均沉积量（P＜0.05,r=-0.833）均表现出显著负相关;在飞行速度为1.0 m/s和3.0 m/s时,雾滴沉积量与下洗气流场风速均呈现极显著正相关关系（P＜0.01,r＞0）,即垂直地面方向的下洗气流场越强,有效喷幅内沉积的雾滴越多;速度加快至6.0 m/s,风速显著降低,气流场对雾滴沉积的促进作用逐步消失（P＞0.05）。因此,植保无人机作业时飞行速度不应设置超过6.0 m/s,避免因下洗气流场作用减弱而导致雾滴损失。本研究结果可为改善低空低量施药作业质量和无人机田间作业规范的制定提供技术参考和支撑。     

农业植保无人机的飞行安全知识

正教学目标:了解中国农林病虫害防治现状;了解无人机在农业植保应用中的优势;掌握植保无人机安全操控的基础知识。1.无人机简介无人驾驶飞机简称"无人机"(Unmanned Aerial Vehicle),英文缩写为"UAV",是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机从技术角度定义可以分为无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。无人机按应用领域,可分为军用与民     

农业植保无人机的飞行安全知识(续1)

正教学目标:了解四旋翼无人飞行器的组成;了解四旋翼无人飞行器的飞行原理;掌握植保无人机安全飞行的注意事项;了解飞行器的性能;掌握飞行器的语言;掌握无人机遥控操作注意事项。5.四旋翼无人飞行器的组成四旋翼无人飞行器(见图1)主要由以下部件组成:(1)动力组(包括螺旋桨、无刷马达等),它是无人飞行器在飞行时产生升力的装置。(2)控制组(包括无刷电机调速器、飞控系统等),它可使飞行器完成前进、后退、左右、转向、升降等一系列的     

植保无人机施药数值建模关键技术与验证方法研究进展

随着植保无人机在精细农业上的应用日益增长,目前在植保无人机下洗风场演化及其作用下的雾滴沉积飘移过程的数值模拟方法取得了快速多样化发展,但对各方法的优势、缺陷、适用范围及验证手段仍缺乏系统的梳理。本文针对无粘模型、计算流体力学模型及格子玻尔兹曼模型分别开展论述。基于涡元法的无粘尾涡模型优势在于计算过程简单,但由于缺乏粘性和湍流模型,其雾滴沉积飘移模拟精度较低。计算流体力学模型又分为有限体积法与有限差分法。其中,有限体积法鲁棒性高,可适用于各种复杂环境的模拟,但格式精度有限,其模拟的翼尖涡耗散速度远快于实际情况;有限差分法能够实现对翼尖涡演化的高时空精度模拟,但其存在网格结构化要求高,算力要求过大等问题。格子玻尔兹曼方法在计算具有复杂边界条件和非平稳运动物体的三维流场问题中具备优势,但其在功能多样性和完备性上还存在不足。上述数值模型精度还需综合运用田间实验及室内实验,如高速粒子图像测速（Particle Image Velocimetry,PIV）或相位多普勒测速（Phase Doppler Interferometry,PDI）方法进行验证和优化。最后,本文提出了未来植保无人机施药模拟及验证方法发展方向。     

直叶片达里厄风轮流场非定常数值计算

为了提高达里厄风轮复杂内部湍流流场的认知程度,采用非定常k-ω湍流模型和滑移网格技术,对采用NACA0012翼型的直叶片达里厄风轮的空气动力流场进行二维数值研究,分析叶片流场、叶片动力矩特性、转速对风轮流场的影响规律.叶片流场研究结果给出了叶轮不同时刻、不同位置的流场,揭示叶片攻角随方位角的变化规律为非简单地遵循正弦曲线.动力矩特性曲线揭示叶片在90°方位角时产生最大力矩值,在下盘面动力矩极小并接近于0甚至为负值,证明攻角均极小.比较同一风速、不同转速下的流场发现,随着转速增大,内流场风速逐渐减小;比较动力矩曲线发现,随着转速增大,上盘面动力矩最高值先增大后减小,存在最大值;下盘面动力矩极低值逐渐减小且范围变广.计算结果与试验结果的对比证明,滑移网格技术和湍流模型的模拟计算能够较好地反映直叶片立轴风轮流场特性.     

多旋翼无人机旋翼下方风场对航空喷施雾滴沉积的影响

风场是影响航空喷施雾滴沉积分布特性的重要因素之一。为了揭示多旋翼无人机旋翼下方风场对雾滴沉积分布的影响机理,通过无人机旋翼风场测量系统测量多旋翼电动无人机旋翼下方的风场分布,同时结合航空喷施雾滴在水稻冠层的沉积情况,分析旋翼下方X、Y、Z 3个方向的风场对雾滴沉积分布的影响,并对试验结果进行了方差分析和回归分析。结果表明:在无人机旋翼下方3向风场中,X和Y向风速对有效喷幅区内雾滴沉积量的影响不显著,Z向风速的影响极显著;X向风速对有效喷幅区内雾滴沉积穿透性的影响不显著,Y和Z向风速的影响分别为显著和极显著;X和Y向风速对雾滴沉积飘移的影响均不显著,Z向风场的影响显著;且当水平方向上X、Y向风速峰值越小、垂直方向上Z向风速峰值越大时,雾滴沉积均匀性越好,最佳值达到36.44%。另外,有效喷幅区内雾滴沉积量与因素Z向风速之间的回归模型及有效喷幅区内雾滴沉积穿透性与因素Y和Z向风速之间的回归模型的决定系数R~2分别为0.868和0.842,表明模型可以为实际作业提供指导。     

基于CFD的双螺杆膨胀机瞬态特性

为研究双螺杆膨胀机的瞬态特性,以4/6齿双螺杆空气膨胀机模型为研究对象,使用SCORG和Pumplinx软件对膨胀机内部流体域以及进出口处流体域进行静止网格和动网格的划分.采用CFD分析方法对膨胀机进行全流场瞬态数值模拟,得到双螺杆膨胀机内部的压力场和速度场以及不同转角下流量、扭矩和转子的受力情况. 结果表明:膨胀机内部流体域从进口高压端至出口低压端可区分为4个压力等级,且从进口端到出口端压力逐级递减,而阴、阳转子接触线将螺杆流域分为上高压区和下低压区;内泄漏主要包括径向间隙泄露、齿间间隙泄漏和泄漏三角形这3种泄露方式,三者中齿间间隙泄漏的速度最大.整个流场中的最高流速和最低压力均出现在接触线附近;吸气阶段的节流损失和预膨胀带来的压降损失使阳转子对外做功能力下降,并使螺杆膨胀机效率降低;流量、扭矩、径向力和轴向力呈周期性变化,阳转子所受径向力对螺杆膨胀机工作性能影响最大.     

基于CAN总线的旋翼无人机喷洒模拟系统

设计了一套高精度、高可控性的无人机喷洒模拟平台,并进行了试验验证。该系统机械部分采用直线导轨结合伺服电机,最大承载质量50 kg,控制部分采用MFC设计上位机控制软件,与主控板STM32通过串口进行通讯,实现对水平和垂直2个方向上伺服电机的控制,同时采用CAN总线与喷洒控制器通讯和远程操控,可以实现喷洒流量控制以及旋翼风速控制。为评价系统运行精度,采用激光测距仪分别对系统在水平运动速度0.05、0.10、0.15、0.20 m/s下和垂直运动速度0.01、0.02、0.03、0.04 m/s下的控制距离进行距离测量,结果显示,垂直和水平方向上,控制参数与实际行程决定系数R2=1,水平与垂直重复精度优于2 mm,系统控制精度高;采用振动测试仪对系统在0.05、0.10、0.15 m/s运行速度下进行测试,通过分析振动数据,在不同运动速度下系统振动均不超过20 m/s2,其中X向和Y向在运行中存在较为稳定的4~5 m/s2的加速度,系统运行稳定。本系统可以有效降低喷洒试验载具成本,降低试验风险。     

U型渠道板柱复合式流量量测装置水力特性数值模拟

为了发展节水农业、促进灌区高效用水、合理分配水资源,研发了一种携带方便、计量准确、可移动的U型渠道流量量测装置--板柱复合式流量量测装置.基于Flow-3D软件,采用RNG k-ε湍流模型,对板柱复合式流量量测装置水力特性进行了数值计算,并对模拟结果进行试验验证.结果表明:模拟得到的渠道水流横向流速、垂向流速及量测装置旋转角度与流量之间的关系与试验结果一致,且最大相对误差不超过5.4%;渠道自由液面横向流速从中心到近壁面呈现先增大后减小的变化趋势;渠道上游中心断面垂向流速从底部到自由液面呈现增大的变化趋势,而下游中心断面垂向流速却呈现先增大后减小的变化趋势,最大垂向流速位于自由液面以下某一位置;板柱复合式流量量测装置对渠道内水流最大影响范围是距量测装置上游0.35 m到其下游0.94 m之间的流场区域.     

小型油动无人直升机机架振动特性与试验研究

农用油动植保无人直升机在航空作业时因受到发动机、旋翼、传动箱动力载荷激励作用与无人机表面附面层紊流强度的影响,导致机身及相连施药关键部件的振动。若机架与喷杆连接点的激励频率与喷杆固有频率接近或相等,则会引起两者共振,强烈的振动甚至会影响无人机的飞行姿态。因此,为了保证植保无人机的安全飞行,获得机架的振动特性是研究的首要任务。为此,以小型油动无人直升机为研究对象,建立无人机机架的有限元模型,应用ANSYS Workbench对模型进行自由振动状态下的模态分析,获得前8阶非刚体模态固有频率和振型,通过模态试验验证模型的准确性。试验中,试验模态与解析模态模态频率差均小于10%,模态置信准则均大于0.8,试验结果表明:有限元模型能够反映机架振动特性,随着机架固有频率的增长,振型变化越来越复杂,由机体单向摆动向机体多向同时扭摆转变,变形最大部位在喷杆、起落架、尾管处。该研究为后续展开谐响应分析与喷杆结构优化研究提供了理论依据,旨在避免喷杆与机体产生共振。     

基于CFD的球阀三维流场数值模拟

为了探索新型转子式油气混输泵出口球阀内流场规律,建立球阀流场的三维模型,利用Fluent软件,将标准k-ε湍流模型与多相流技术相结合,采用SIMPLE算法,对新型转子式油气混输泵出口球阀内的三维气液两相流场进行数值模拟.在容积含气率为25％,50％,75％的不同工况下,通过对球阀开启高度分别为3,5,7 mm时的速度场、压力场与气液相分布的分析,探讨在气液混输过程中阀的开启高度及不同气液比对阀内流场的影响规律.模拟结果表明:球阀开启高度越大,阀球上下压差越小;阀隙流速随着开启高度的增大而减小.在气液混输过程中气相介质主要靠近阀球壁流动,同一开启高度下气液比对阀隙流速的影响较小.研究结果直观展现了球阀内流场形态,在一定程度上揭示了气液两相介质在阀内的流动规律,为新型转子式油气混输泵出口球阀的设计与优化提供理论指导.     

基于CFX的消声器改进设计及试验验证

以某农用型无人直升机用双缸四冲程水冷发动机消声器为研究对象,建立了消声器结构模型并运用流体动力学软件CFX进行仿真分析。对消声器进行了空气动力特性分析,并对消声器进行改进设计。改进后发动机功率损失降低到2.5%左右,消声器性能提升明显。