王軍鋒 徐文彬 聞建龍 王曉英 羅博韜

(江蘇大學能源與動力工程學院， 鎮(zhèn)江 212013)

大載荷植保無人直升機噴霧氣液兩相流動數值模擬

王軍鋒 徐文彬 聞建龍 王曉英 羅博韜

(江蘇大學能源與動力工程學院， 鎮(zhèn)江 212013)

為研究大載荷植保無人直升機噴霧流場特性，基于FR-200型大載荷植保無人直升機噴灑系統(tǒng)，建立FR-200型大載荷植保無人直升機無植物冠層三維霧滴沉降仿真模擬平臺，利用Fluent軟件的SSTk-ω湍流模型和DPM離散相模型對無人直升機噴霧沉降過程進行了仿真模擬，分別研究了飛行速度、噴桿相對位置、噴施角度對噴霧流場的影響，并進行戶外試驗驗證。試驗結果表明，下洗流場垂直方向速度(Z向)呈不對稱分布，旋翼x/R為0.8處垂直方向速度(Z向)最大；仿真模擬的霧滴沉積總量與戶外試驗的霧滴沉積密度基本一致，線性決定系數R2為0.999 6，無人直升機前飛速度與霧滴群抗飄移系數及沉積量呈線性關系，前飛速度3 m/s時，靶標上霧滴總沉積密度為4.208 μL/cm2，前飛速度5 m/s時，靶標上霧滴總沉積密度為1.766 μL/cm2；隨著采樣面的升高，霧滴群抗飄移性能增強；位于噴桿不同位置處噴頭的抗飄移性能不同，主要表現在位于噴桿兩端的噴頭1和9受到旋翼尾渦的影響，霧滴群抗飄移性能變差，機身正下方的噴頭5由于機身阻擋作用，造成霧滴群分散性增加，霧滴因垂直方向動能衰減而難以到達采樣面；噴施角度越小，霧滴群總體抗飄移性能越好。

無人直升機； 大載荷； 植保； 數值模擬

引言

航空植保能夠有效地完成病蟲害防治，同時植保作業(yè)一般不受作物生長態(tài)勢、地理位置的限制[1-2]。植保無人機低空施藥具有作業(yè)效率高、防治效果好、農藥利用率高、一次性作業(yè)面積廣等優(yōu)點，噴灑作業(yè)采用人藥分離模式，從根本上解決植保作業(yè)過程中農藥對作業(yè)人員危害的難題[3]。但是無人直升機旋翼產生的下洗流場為非定常流場，噴灑作業(yè)時霧滴的沉積和飄移受到下洗流場的影響較大，特別是無人直升機作業(yè)過程中受到旋翼尾渦的影響，霧滴在旋翼尾渦的作用下產生嚴重的農藥飄移現象[4-10]。美國是農業(yè)航空最發(fā)達的國家，開發(fā)了多種預測霧滴沉積和飄移的計算機模型，應用最廣泛的是FSCBG模型和AGDISP模型，其中AGDISP模型是基于拉格朗日方法求解翼尖渦，同時考慮當地風速、螺旋槳和重力等因素綜合影響，可以很好地模擬真實環(huán)境下航空噴灑作業(yè)霧滴沉積和飄移情況[11-15]。RYAN等[16]利用計算流體力學軟件ANSYS CFX，建立了AT-802固定翼飛機噴霧多相流數值仿真平臺，研究了不同側風對飛機尾渦結構以及霧滴運動軌跡的影響，研究表明隨著側向風速的增加，飛機尾渦變得復雜，霧滴的空間分布不均勻性增加。目前，國內一些學者也開始了無人機霧滴沉積和飄移的研究，薛新宇團隊[17]對N-3型植保無人機的作業(yè)過程進行了模擬研究，結果表明小型植保無人機農藥噴灑飄移現象只發(fā)生在側風風向的下方，農田作業(yè)時需要預留8～10 m的緩沖區(qū)域，以免藥液飄移造成危害。陳盛德等[18]利用HY-B-10L型單旋翼電動無人機通過改變不同飛行參數研究了不同噴霧參數對水稻冠層的霧滴沉積分布的影響，研究發(fā)現靶標區(qū)霧滴沉積量隨著高度的增加而減小，作業(yè)高度為1.92 m時霧滴沉積均勻性最佳，且霧滴飄移量最少。綜上所述國內外研究成果，國內學者的研究主要集中在小型植保無人機，國外學者研究主要集中在有人駕駛固定翼飛機方面，但是關于載量30 kg以上的大載荷植保無人直升機噴霧多相流動的研究未見報道。

鑒于此，為了研究大載荷植保無人直升機噴霧流場的特性及噴霧場中霧滴的沉降規(guī)律，本文基于飛瑞航空科技(江蘇)有限公司研發(fā)的FR-200型大載荷植保無人直升機，建立大載荷植保無人直升機無植物冠層三維霧滴沉降仿真模擬平臺，并運用數值仿真軟件(Fluent)對其氣液兩相流場進行模擬分析。

1 物理模型

根據FR-200型無人直升機實際測量尺寸和簡化建模的需要，使用CATIA軟件建立FR-200型無人直升機三維物理模型，無人直升機基本結構如圖1所示。機身下方安裝有9個VP110-015型扇形噴頭(編號1～9)，噴頭安裝間距為50 cm，當霧化壓力為0.3 MPa時，單個噴頭的流量為480 mL/min(質量流量0.008 kg/s)，距離噴頭下方50 cm處霧滴索泰爾平均直徑為81 μm，測試儀器采用濟南維納儀器有限公司生產的winner318 A型激光粒度分析儀；槳葉具體參數如下：槳葉類型為NACA0012，槳葉半徑R為2.1 m，弦長0.2 m，槳距10°，負扭轉0°，槳葉2片，轉速為850 r/min，FR-200型無人直升機最大載荷可達80 kg，單架次起降作業(yè)面積可達2 hm2。

方向定義：如圖1所示坐標系，定義無人機行進方向為X負方向，上升方向為Z正方向，機身左側至右側為Y正方向。

圖1 FR-200型無人直升機基本結構Fig.1 Fundamental structure of FR-200 UAV1～9.噴頭 10.噴桿 11.機身 12.機翼

2 數值模擬

2.1 網格化處理

在ICEM中，對機身和計算域進行網格化處理。選擇如圖2所示長度為60 m、寬為60 m、高度為30 m的長方形計算域，其中旋翼距離底面(BCGH面)3 m，設定旋翼中心軸為坐標原點。采用貼體坐標法生成無人機的機身曲面和計算域的網格，不同網格區(qū)域通過設置interface面連接，網格數為675萬[19-20]，模擬計算區(qū)域如圖2所示。

機身及機翼處網格分別如圖3a和3b所示。

圖2 模擬計算區(qū)域Fig.2 Simulation area

圖3 網格化處理結果Fig.3 Grid processing results

2.2 數值模擬方法

2.2.1邊界條件設定

(1)速度進口邊界條件

設定無人直升機前飛速度邊界為速度進口邊界條件(ABCD面)，速度設定為3～6 m/s，方向由前向后，見圖2中X向。

(2)壓力出口邊界條件

設定除速度進口邊界條件以外的出口邊界均為壓力出口邊界。

(3)壁面邊界條件

無人直升機機身及旋翼表面設置為無滑移壁面邊界條件。

2.2.2模型選擇

噴霧兩相流場基于N-S方程中的質量、動量、能量守恒方程，選擇湍流模型中SSTk-ω湍流模型，其數學通用式為

(1)

式中u、v、w——x、y、z方向上的速度矢量分量ψ——通用變量ζ——廣義擴散系數S——廣義源項ρ——流體密度

選取9個扇形噴頭的扁平噴口所在位置為霧滴釋放口，設定霧化模型為平板扇形霧化噴頭模型，其各項參數根據實測結果以及理論計算得出，噴口位置及扇葉向量根據實際工況確定，噴霧半角為55°，噴嘴等效寬度為0.1 mm，擴散角度為6°。

2.2.3模擬研究

圖4 噴桿相對位置及噴施角度示意圖Fig.4 Sketch of relative position of spray boom and spraying angle1.機翼 2.機身 3.噴桿 4.噴頭

FR-200型植保無人直升機田間植保作業(yè)過程中旋翼與農作物的垂直距離一般為2～7 m，因此為了模擬霧滴在農作物上的沉積分布情況，選取如圖4所示0、0.5、1.0 m平面為霧滴采樣面，對所模擬工況進行霧滴采樣，采樣步長為0.01 s，采樣步數10步。本文通過統(tǒng)計霧滴到達采樣面的質量，定量評估霧滴沉積和飄移特性。霧滴到達作物冠層實現霧滴沉積，故穿過采樣面的粒子記為霧滴沉積。霧滴沉積質量md計算式為

(2)

式中N——通過采樣面沉積的粒子包個數ρs——液滴的密度，kgni——第i個粒子包中粒子個數ri——第i個粒子包中粒子半徑，m

霧滴群抗飄移系數η定義為

(3)

式中M——噴頭在采樣時間段內釋放的液滴質量，kg

在CFD中定義霧滴收集平面，采用CFD中DPM模型的DEFINE_DPM _OUTPUT宏統(tǒng)計流過目標平面的所有粒子包以及粒子包的信息。所收集粒子包的信息包括x、y、z坐標，粒子包內的粒子個數，直徑等。

(1)旋翼與噴頭水平相對位置xg對噴霧流場的影響

固定旋翼轉速，旋翼與噴桿垂直距離zg=1 m，噴施角度θ=0°，對前飛速度v為3、4、5、6 m/s，水平距離xg為0、0.25、0.50 m的工況進行模擬。

(2)旋翼與噴頭垂直相對位置zg對噴霧流場的影響

固定旋翼轉速，水平距離xg=0 m，噴施角度θ=0°，對前飛速度v為3、4、5、6 m/s，垂直距離zg為1.00、1.25、1.50 m的工況進行模擬。

(3)噴施角度θ對噴霧流場的影響

固定旋翼轉速，水平距離xg=0 m，垂直距離zg=1 m，對前飛速度v為3、4、5、6 m/s，噴施角度θ為0°、15°、30°的工況進行模擬。

3 模擬結果與分析

3.1 下洗氣流分布情況

選取計算區(qū)域內y=0 m剖面為觀察面，圖5給出了y=0 m觀察面上旋翼氣相流場的垂直方向速度(速度顯示范圍為-14～0 m/s，負值代表速度方向向下)。觀察旋翼下洗氣流可知：在旋翼正下方y(tǒng)=0 m時，由于受到機身阻擋的作用，機身下方的速度較為紊亂，y=0 m處噴頭5的垂直方向的速度方向朝上，對于霧滴的沉降有阻礙作用。

圖6表示噴桿固定在旋翼正下方zg=1 m，xg=0 m時，噴桿位置處垂直方向速度分布，可知Y軸左右兩側的速度呈現不對稱分布，由于機身阻擋作用，y=0 m處速度最大值為4 m/s(方向朝上)。在旋翼x/R=0.8位置處下洗流場垂直方向速度最大，最大值為-12 m/s，在y為-2.1～2.1 m范圍內隨著y值的增大，呈現先減小后增大再減小再增大的趨勢。

圖5 y=0 m處氣相流場垂直方向分速度Fig.5 Vertical speed of gas phase flow field at y=0 m

圖6 噴桿位置處垂直方向速度分布Fig.6 Vertical speed distribution of spray boom

統(tǒng)計3個采樣面上霧滴沉積情況，根據式(3)得到霧滴群抗飄移系數η，利用Origin得出數據散點趨勢線，如圖7所示。由圖7可知，無人直升機前飛速度與抗飄移系數呈線性關系，當前飛速度v為3、4、5、6 m/s時，h=1.0 m采樣面上抗飄移系數依次為94.2%、87.5%、76.5%、75.0%，表明隨著前飛速度的增大，霧滴群抗飄移性減弱。當前飛速度一定時， 隨著采樣面的升高，霧滴群抗飄移性能增強。

圖7 抗飄移系數與前飛速度之間的關系曲線Fig.7 Relationship between droplets deposition and speed of UAV

3.2水平相對位置xg對霧滴沉積分布的影響

對幾種工況進行采樣，采樣結束后將采樣面沿水平方向分為17個區(qū)間，區(qū)間正值代表霧滴位于噴口的順自然風方向，負值代表位于其逆自然風方向。

圖8表示噴桿垂直距離zg=1 m，噴施角度θ=0°，水平距離xg為0、0.25、0.50 m時，采樣面h=0 m上霧滴分布情況。當前飛速度v=3 m/s，xg=0 m時，霧滴主要沉積在0.6～1.0 m范圍內，霧滴沉積質量最大值為1.7 g，當xg=0.25 m時，霧滴主要沉積在0.4～0.8 m范圍內，霧滴最大沉積量為1.5 g；而當前飛速度v=5 m/s，xg=0 m時，霧滴主要沉積在1.0～1.6 m區(qū)間范圍內，霧滴最大沉積量為1.5 g，當xg=0.25 m時，霧滴主要沉積在0.6～1.4 m范圍內，霧滴最大沉積量為1.0 g，對比可知無人機飛行速度v增加，霧滴主要沉積區(qū)間范圍擴大，區(qū)間內霧滴沉積質量最大值減小，同時噴桿位置前移造成霧滴沉積總量減小。

圖8 不同水平距離時采樣面的霧滴沉積分布Fig.8 Droplets deposition distributions under different horizontal distances

圖9 不同水平距離時霧滴群抗飄移系數Fig.9 Droplet swarm anti-drift coefficient under different horizontal distances

無人直升機噴灑作業(yè)時，噴霧受到下洗氣流的影響，下洗氣流分布的不均勻性造成在噴桿不同位置處噴頭沉積量有較大的區(qū)別。由圖9可知，噴桿垂直距離zg=1 m，噴施角度θ=0°，水平距離xg=0.5 m，前飛速度v=3 m/s，噴頭1和9霧滴群抗飄移系數分別為40%和25%，數值遠小于其他噴頭的抗飄移系數，主要原因是噴頭1和9位于旋翼尾渦附近，在旋翼尾渦的作用下霧滴被卷吸并出現上揚現象，造成沉積到采樣面需要更長的時間從而減少了霧滴的沉積量，霧滴群整體抗飄移性能減弱。位于噴桿不同水平位置處的噴頭抗飄移系數也存在一定的差別。

圖10 不同垂直距離時采樣面的霧滴沉積分布Fig.10 Droplets deposition distributions under different vertical distances

3.3垂直相對位置zg對霧滴沉積分布的影響

對幾種工況進行采樣，圖10表示噴桿水平距離xg=0 m，噴施角度θ=0°，垂直距離zg為1.00、1.25、1.50 m時，h=0 m采樣面上霧滴分布情況。由圖10可知，霧滴分布的峰值區(qū)間沿逆風方向向前移動，整個采樣面上霧滴的分散程度隨著垂直距離的增大而減小。前飛速度v=3 m/s時，霧滴沉積分布基本上一致，不同垂直高度zg霧滴的沉積量在0.2～0.6 m區(qū)間內上升，在0.6 m以后的區(qū)間沉積量逐漸下降。前飛速度v=5 m/s時，霧滴的沉積量主要集中在0.8～1.6 m范圍內，表明前飛速度v增加了霧滴水平方向上的初始動能，使得霧滴沉積到更遠的區(qū)域，造成一定的飄移，同時垂直距離zg為1.00、1.25、1.50 m時，霧滴最大沉積量分別為1.5、1.4、1.3 g，霧滴沉積總量分別為6.1、6.3、6.5 g，表明隨著噴桿垂直距離的增加，霧滴沉積分布均勻性增加。

圖11表示在h=0 m采樣面，噴桿水平距離xg=0 m，噴施角度θ=0°，垂直距離zg為1.00、1.25、1.50 m時霧滴群抗飄移系數。前飛速度v=5 m/s，垂直距離zg為1.00、1.25、1.50 m時，噴頭1和9霧滴群抗飄移系數分別為61.7%和44.5%、72.9%和59.8%、84.2%和65.1%，因此隨著垂直距離zg的增加，噴頭1和9霧滴群抗飄移系數增加，抗飄移性能增強，主要原因是噴桿垂直距離增加，旋翼尾跡對噴頭1和9的影響減小，旋翼尾渦對霧滴的卷吸作用降低，使得霧滴的沉積量增加。

圖11 不同垂直距離時霧滴群抗飄移系數Fig.11 Droplet swarm anti-drift coefficient under different vertical distances

圖12 不同噴施角度時霧滴群抗飄移系數Fig.12 Droplet swarm anti-drift coefficient at different spray angles

3.4噴施角度θ對霧滴沉積分布的影響

圖12表示噴桿水平距離xg=0 m，垂直距離zg=1 m時，噴施角度θ為0°、15°、30°，h=0 m采樣面上霧滴群抗飄移系數。前飛速度v=5 m/s時，噴施角度θ為0°、15°、30°，噴頭5抗飄移系數分別為96.2%、70.6%和63.5%，不同噴施角度下機身正下方噴頭5抗飄移系數變化較大，主要是旋翼產生的下洗氣流受到機身的阻擋作用，機身正下方流場分布紊亂，垂直方向速度朝向Z軸正方向，使得霧滴群分散性增加，同時由于空氣對霧滴的運動存在阻力，霧滴向下運動直至到達采樣面的過程伴隨著垂直方向動能的衰減，由于機身正下方霧滴群分散性增加，其垂直方向動能衰減難以到達采樣面，從而造成霧滴群抗飄移系數減小，抗飄移性能變差。噴施角度越大，霧滴群總體抗飄移系數越小，抗飄移性能越差，主要原因是噴施角度越大，霧滴垂直方向初始速度越小，造成霧滴垂直方向初始動能越小，到達采樣面需要更長的時間。

4 試驗

4.1 無人直升機噴霧沉積試驗

為了檢驗無人直升機噴霧沉積特性，對FR-200型無人直升機進行了霧滴沉積試驗，噴桿水平距離xg=0 m，垂直距離zg=1 m，噴施角度θ=0°，戶外試驗在江蘇省鎮(zhèn)江航空航天產業(yè)園進行，試驗主要研究無人直升機不同飛行速度下霧滴的沉積分布規(guī)律，主要圍繞速度參數進行試驗設計。飛行速度為3、4、5、6 m/s，飛行高度為3 m，試驗區(qū)域長12 m，區(qū)域內25張水敏紙0.5 m水平間隔安放在收集桿上收集霧滴，收集桿高度為1 m，水敏紙排布方式如圖13a所示，重復試驗3次，圖13b為噴灑試驗現場。

圖13 噴灑試驗Fig.13 Spray test

每次試驗完成后，將收集的水敏紙進行掃描，并用Deposition Scan軟件進行分析，得到不同作業(yè)參數下霧滴的密度、沉積量及覆蓋率。

為了描述試驗中各采集點之間的霧滴沉積均勻分布性，本文采用變異系數來衡量各個采集點之間的霧滴沉積均勻性，變異系數表達式為

(4)

其中

(5)

n——試驗采集點個數

圖14 霧滴沉積分布Fig.14 Droplets deposition distribution

4.2 試驗結果分析

無人直升機噴霧試驗結果如圖14所示，隨著前飛速度的增加，靶標區(qū)霧滴總沉積密度逐漸減小，分別為4.208、3.124、1.766、1.255 μL/cm2，平均沉積分布為0.168、0.093、0.071、0.062 μL/cm2，平均霧滴數為151、126、92、53個/cm2，且靶標中心位置處靶標13(對應噴頭5)小于靶標12(對應噴頭4)和靶標14(對應噴頭6)霧滴沉積密度。對仿真模擬霧滴沉積總量及實測霧滴沉積密度進行線性擬合分析，結果如圖15所示，仿真模擬霧滴沉積總量與實測霧滴沉積密度之間呈線性關系，擬合線性方程y=-10.30+2.144x，其決定系數R2=0.999 6，說明仿真模擬霧滴沉積總量與實測霧滴沉積密度基本一致，基本符合農田現場測量情況。

圖15 數值模擬值與田間測量值線性回歸分析Fig.15 Linear regression analysis of simulated and measured values

5 結論

(1)旋翼左右兩側的速度呈現不對稱分布，旋翼x/R=0.8位置處下洗流場垂直方向速度最大，可達-12 m/s。

(2)通過不同飛行速度下沉積量模擬值與試驗值對比可以看出，無人直升機前飛速度與抗飄移系數及沉積量呈直線關系，前飛速度越大，霧滴群的抗飄移性越差，采樣面上霧滴沉積量越?。浑S著采樣面高度的增加，霧滴群抗飄移性能增強。

(3)位于噴桿不同位置處噴頭的抗飄移性能不同，主要表現在位于噴桿兩端的噴頭1和9受到旋翼尾渦的影響，霧滴群抗飄移性能變差，機身正下方的噴頭5由于機身阻擋作用，造成霧滴群分散性增加，霧滴因垂直方向動能衰減而難以到達采樣面，霧滴群抗飄移系數減小。

(4)噴施角度越大，霧滴垂直方向初始速度越小，造成霧滴垂直方向初始動能越小，到達采樣面需要更長的時間，抗飄移性能越差。

(5)無論是飛行速度、噴桿相對位置還是噴施角度，對大載荷無人直升機噴霧霧滴沉積和飄移都產生了影響，因此無人直升機的下洗流場是影響無人直升機航空植保作業(yè)中霧滴沉積和飄移的重要因素。在植保無人直升機設計中，需要充分考慮飛行參數、噴桿相對位置、噴施角度的設計，充分利用無人直升機的下洗氣流增加霧滴的沉積量，綜合各個因素將霧滴的飄移量降到最低。

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NumericalSimulationonGas-liquidPhaseFlowofLarge-scalePlantProtectionUnmannedAerialVehicleSpraying

WANG Junfeng XU Wenbin WEN Jianlong WANG Xiaoying LUO Botao

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

In order to study the spray flow filed characteristic of large-scale plant protection unmanned aerial vehicle (UAV), based on the spray system of FR-200 large-scale plant protection UAV, the simulation platform of depositing spray droplets without plant canopy was established. The SSTk-ωturbulence model and the DPM discrete phase model were adopted to simulate the deposition process of UAV spray droplets. By means of numerical Fluent simulation software, the flight speed, spray boom relative position and spraying angle impact on the spray flow field were studied，field test was done to verify the results of simulation. The vertical velocity distribution of FR-200 UAV downwash flow field was unsymmetrical. The UAV speed had linear relationships with both the droplet swarm anti-drift coefficient and deposition, the total amount of the target droplets deposition density were 4.208 μL/cm2when flying speed was 3 m/s, the total amount of the target droplets deposition density were 1.766 μL/cm2when flying speed was 5 m/s. The anti-drift coefficient was 87.5%, 93.0% and 96.4% at sampling plane height of 0 m, 0.5 m and 1.0 m when flying speed was 4 m/s, respectively. With the increase of sample surface height, the anti-drift performance of droplets was promoted. The drift phenomenon of nozzles was serious which was installed on both sides of the spray boom. The nozzles were affected by the trailing vortex which caused the droplets drift. The rotor downwash flow increased spray droplets initial kinetic energy, the spray droplets acceleration was caused by gravity and downwash flow. The dispersion of number 5 nozzle spray droplets was increased due to the blocking effect, and it was hard to reach the sample surface due to the vertical kinetic energy attenuation of droplets. The smaller the spraying angle was, the stronger the droplets total anti-drift performance became.

unmanned aerial vehicle; large-scale; plant protection; numerical simulation

S252

A

1000-1298(2017)09-0062-08

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.008

2016-11-20

2017-03-26

江蘇省農業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目(CX(15)1038)

王軍鋒(1975—)，男，教授，博士生導師，主要從事荷電多相流研究，E-mail: wangjunfeng@ujs.edu.cn