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。     

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。     

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。     

六旋翼植保无人机风场竖直分布特性数值模拟与验证

植保无人机作业过程中,旋翼风场竖直方向分布特性对雾滴的输运效应及作物冠层的扰动作用直接影响施药沉积效果。本文以六旋翼植保无人机风场竖直分布为研究对象,采用基于格子玻尔兹曼方法的数值模拟技术建立了无人机前飞作业时旋翼风场仿真模型,并根据正交试验方法研究了多特征参数融合对风场竖直分布特性的影响。仿真结果表明,竖直分布风场垂直于飞行方向对称分布,当飞行高度和飞行速度增加或作业载荷减小时,风场强度逐渐减弱;竖直分布风场沿侧风方向倾斜,侧风风速大于3m/s时,风场横向倾斜超45°。基于此,采用恒温差热敏芯片研制了微型无线风速采集系统,并开展了植保无人机风场竖直分布特性的多因素田间验证试验,试验结果表明：仿真模拟与田间试验旋翼风场竖直分布规律基本一致,相对误差较小,风场竖直分布特性具有较好的一致性;数值模拟方法可有效模拟植保无人机飞行过程的非定常流动,仿真与田间试验结果为植保无人机雾滴沉积的研究提供了理论基础。     

飞行速度对无人机喷雾流场影响规律数值分析

为了解单旋翼无人机飞行速度对于其喷雾流场和雾滴沉积分布的影响,采用ANSYS FLUENT开展了单旋翼无人机喷雾作业气液两相流场的数值分析研究,重点分析了单旋翼无人机的飞行速度对于其喷雾流场的影响规律。数值分析的结果表明:单旋翼无人机下方的旋翼风场沿主旋翼的旋转方向具有一定的旋转分量,气流流速随离地高度的增大而增大;随着单旋翼无人机飞行速度由3m/s增加至5m/s,雾滴轨迹与水平线的夹角由25°减小到17°,沉积采样带上的变异系数CV均值由0.95减小到0.3;随着飞行速度的增大,雾滴沉积均匀性随之提高,单旋翼无人机的飞行速度对于其雾滴沉积均匀性具有显著影响。本文采用了更为贴近于实际的CFD模拟方法,可以比较准确地模拟出实际的雾滴沉积情况,为单旋翼无人机实际作业提供具有参考价值的指导。     

植保无人机下洗气流对作物冠层作用规律研究

植保无人机作业过程中,旋翼下洗气流不仅会对雾滴沉积效果产生影响,还会对作物冠层产生扰动作用.揭示冠层扰动区域的特点,有助于理解无人机作业特征,可为优化雾滴沉积效果和施药系统提供理论依据.本文通过航拍方法和机器视觉技术研究了无人机下洗气流对作物冠层的影响.结果表明:单旋翼和多旋翼无人机下洗气流所引起的作物冠层扰动区域特征...     

环境风速对四旋翼植保无人机喷施雾滴飘移的影响研究

为了研究四旋翼植保无人机田间施药过程中风速对雾滴飘移的影响,分别在风速为0.1、2.4、2.5、3.1、3.4、4.0m/s6种不同风速下进行喷施试验。试验结果表明:随着风速的增大,沉积区雾滴起始点会产生位移,当风速增大到3.1m/s时,雾滴沉积的起始点移动1.75m,风速增大到4m/s时,雾滴沉积的起始点移动3.5m;风速对沉积区采集点上的雾滴覆盖度影响显著,对雾滴密度影响不显著;风速对飘移区采集点上的雾滴覆盖度和雾滴密度影响均显著;风速越大,雾滴飘移距离越远,风速为4m/s时,采集点50m处仍有雾滴沉积。研究可为植保无人机在不同环境风速下作业时的飘移缓冲区的设置提供参考。     

植保无人机旋翼下洗气流对喷幅的影响研究

基于XV-2植保无人机,利用流体仿真,探究了该无人机旋翼下洗气流的速度分布特性。在此基础上,分析了在下洗气流影响下的雾滴运动方式,并进行实地测试。仿真分析说明:旋翼下洗气流从中心向外的流速差使流场从上向下有向外的铺展效应,使得喷幅增大,且喷幅与飞行高度成正比;旋翼外沿的卷扬气流使得喷幅范围内的雾滴沉积数出现2个峰值。试验结果表明:当飞行高度为6 m时,有效喷幅为10 m;飞行高度8 m时,有效喷幅为12 m。2种飞行高度下的雾滴分布均匀性基本一致。试验结果与仿真结果基本一致。研究结果可为无人机喷雾系统设计和航空植保作业参数的选择提供参考依据。     

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。     

带状间作残茬高度抗风蚀效应的测试

通过风蚀风洞试验,针对农田采用带状间作种植时保护性耕作带的防风效应进行了研究.通过改变中心风速以及茬高,分析了保护性耕作带对风速降低的影响程度.试验结果表明:以作物留茬形成保护带可有效降低相邻传统耕作带的风速值,但随着风速的增大,保护性耕作带降低风速的幅度有所减小;留茬越高,对相邻传统耕作带的保护作用越明显;沿地表垂直方向基本上呈现出越接近地表的位置风速降低率越大的规律.为保证其具有一定的防护效应,建议保留残茬高度不低于25cm.     

自然侧风作用下汽车空气动力学数值模拟研究

在传统汽车风洞数值模拟的基础上引入侧风阵风模型,对阶背式MIRA模型在自然侧风下的风阻、压力场、外流场等表现进行了数值模拟仿真研究。研究结果表明,随着侧风风速的增加,车身表面逐渐产生较大的压力分布变化,且尾部附着涡系逐渐变复杂,均匀流起始位置逐渐向后移动,为侧风工况下的车身表面及结构优化提供了参考。     

风切变下塔影效应对大型水平轴风力机气动性能的影响

以NH1500三叶片上风向型水平轴风力机为研究对象,基于CFD方法分析了风剪切来流下塔影效应对风力机叶片与风轮的气动载荷、空间流场的影响.结果表明:对于风剪切条件下有/无塔架的2种模型,叶片表面压力分布的差异主要体现在前缘和吸力面;在1个旋转周期内,有塔模型的载荷波动幅值大于无塔的风轮模型,风轮的载荷波动幅值相对于单支...     

低风速下H型垂直轴风力机气动性能

为了准确地研究低风速下H型垂直轴风力机的特性,以自主研发的H型垂直轴风力机为研究对象,采用数值模拟方法,分析了低风速下H型垂直轴风力机的气动性能和三维效应特征.分析结果表明:低风速区域,保持叶尖速比不变,改变风轮转速或来流风速,对H型垂直轴风力机的功率系数影响较大,且风速对叶尖速比的影响比转速的影响更敏感;在低风速区域,即使转速较大,风力机实际仍工作在低叶尖速比区域;在数值模拟中,设定合理的风速和转速的匹配有利于提高模拟结果的可靠性;在不考虑风剪切的情况下,三维效应受叶尖涡影响,且叶尖涡在0°方位角的位置时影响较大,同时还受风轮内流场的作用,且这种作用随着转速的增加而增强.计算结果为进一步研究H型垂直轴风力机提供了参考.     

固定床烘干设备匀风系统结构优化与验证

针对花生荚果固定床干燥设备风道内流场分布不均匀的问题,提出了一种基于流体力学的结构优化方案。通过在烘干箱风道内加装一定数量的匀风挡板,可有效提高风道内风量分布的均匀程度。依据烘干现场的机型,构建三维几何模型,测得箱内27个测点的模拟值与实际测量值均方根误差为0.163m/s,最大绝对误差为0. 46 m/s,验证了分析模型的准确性。根据不同的优化方案模拟了27种改造后的烘干箱内流场分布情况,得出最优组合方案:在6m长的烘干箱内加装6块长度为1m、板间距1m,将风道均匀划分的匀风挡板,对比改造前后的气流不均匀系数降低了49.44%。该试验结果可为固定床烘干设备风道均匀性的研究及优化提供参考。     

空气净化机净化动力学分析及气流场数值模拟

采用动力学方法分析空气净化机理,对过滤网在吸收过程中的阻力进行了理论推导,为空气净化机滤纸、进出口风道的优化设计提供依据.从空气净化机内部气流场出发,建立内部气流场的几何模型,以多孔介质模型来模拟过滤网;通过Fluent软件数值模拟空气净化机内部气流,分析了进口风速在1 ～5 m/s变化过程中,不同高度(0.05,0.10,0.15 m)截面上的压力场和速度场变化.结果表明:风速在l ～2 m/s时,气流稳定;HEPA滤纸在高度为0.10m截面上对气流的阻力最大.为了获得更好的内部气流场,应尽量增大进风口和出风口的面积,使之覆盖的面积与主流风道大体一致,这样可减少涡流现象,并可降低出风口处的气流叠加效应.通过Fluent软件模拟效果良好,可为实际使用中的现场流场问题提供理论指导.     

从纵横向流场分析垂直轴风力机功率随转速的变化

为了进一步明晰风轮转速对垂直轴风力机功率输出的影响,以某垂直轴风力机为研究对象,基于Fluent计算软件,采用SST k-ω湍流模型结合滑移网格技术,利用SIMPLE算法迭代,采用二阶迎风格式对垂直轴风力机进行非稳态计算.计算得到了不同转速下的风轮输出功率,通过将计算结果与试验结果进行对比分析,进一步验证了风轮功率随转速变化的规律.风轮速度场研究给出了尾迹不同位置处的纵向剖面速度云图,其中尾迹纵向剖面速度云图中的低速区出现了竖直方向对称而横向不对称现象.同时,通过对比风轮在不同转速下的尾迹流场纵向剖面速度云图和横向涡量场云图的差异发现风轮在额定转速下吸收风能最多,涡量损耗最小,并分析这种现象的诱因,从纵向流场和横向流场双重角度解析了风轮在额定转速下输出功率最大的原因,更加清晰地揭示了风轮输出功率随转速变化规律的机理.研究内容通过纵向截面和横向截面双重角度展现了风轮流场的变化,可为垂直轴风力机的设计和气动性能改善提供参考.     

气力辅助静电雾化的PIV试验研究

为了研究气力辅助作用下静电雾化的流场特性,采用粒子图像测速技术（PIV）对风速、荷电电压及通气管与喷头间距等参数影响下的喷雾流场进行测量,并结合Tecplot后处理软件对所储存图片进行处理和分析,获得了不同参数下的静电喷雾流场特性.结果表明：通气管和喷头的间距以及风速一定时,不同的荷电电压形成不同程度的卷吸,且电压越大,卷吸现象越明显,卷吸区域沿着喷雾的轴向逐渐向下延伸;通气管和喷头的间距以及荷电电压一定时,随着风速的增大,气动力的主导作用越来越明显,在气流区的卷吸程度逐渐减弱,卷吸现象逐渐消失,卷吸区域逐渐向喷雾核心区收缩;风速以及荷电电压一定时,随着通气管与喷头间距的拉大,雾滴的漂移现象越来越严重,同时喷雾流场的卷吸现象越来越明显并逐渐向喷雾核心区靠近.