楊知倫 葛魯振 祁力鈞 程一帆 吳亞壘

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

植保無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中距離作物較遠(yuǎn)，且有旋翼下洗氣流參與，其霧滴沉積分布規(guī)律與地面噴霧作業(yè)有很大差異。國(guó)外已有學(xué)者[1-6]應(yīng)用旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)不同作物進(jìn)行噴霧試驗(yàn)，探究防治效果。國(guó)內(nèi)張京等[7]、邱白晶等[8]、管賢平[9]通過(guò)試驗(yàn)探明無(wú)人機(jī)噴霧沉積濃度、沉積均勻性等指標(biāo)與飛機(jī)飛行高度、飛行速度有直接關(guān)系。王俊偉等[10]、楊帥[11]比較了不同型號(hào)旋翼無(wú)人機(jī)的有效噴幅、作業(yè)效率以及適用農(nóng)藥劑型和應(yīng)用場(chǎng)合。高圓圓等[12]通過(guò)試驗(yàn)探究了Af-811小型無(wú)人機(jī)噴灑不同劑型毒死蜱時(shí)的防治效果。薛新宇等[13]利用N-3型無(wú)人機(jī)探究航空施藥方式對(duì)稻飛虱和稻縱卷葉螟防治效果的影響，在下洗氣流的作用下，霧滴在作物上層和下層的沉積量都比傳統(tǒng)的噴霧方式增加。張宋超等[14]采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational fluid dynamic,CFD)方法對(duì)作業(yè)過(guò)程中旋翼風(fēng)場(chǎng)和農(nóng)藥噴灑的兩相流進(jìn)行模擬,模擬了實(shí)際飄移情況，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。石強(qiáng)等[15]利用CFD方法對(duì)小型無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)的噴霧場(chǎng)進(jìn)行模擬，指出為了減少飄移應(yīng)使噴桿長(zhǎng)度不超過(guò)旋翼直徑。

以往的工作主要針對(duì)無(wú)人機(jī)植保作業(yè)過(guò)程中飛行參數(shù)對(duì)霧滴沉積與飄移的影響，但飛行高度、飛行速度等參數(shù)對(duì)于噴幅影響的探索不多。噴霧幅寬是植保機(jī)械重要的作業(yè)指標(biāo)，直接影響作業(yè)效率和單位面積的農(nóng)藥沉積量。本文擬通過(guò)流體仿真，模擬無(wú)人機(jī)旋翼下洗氣流的流場(chǎng)分布，分析在氣流作用下的霧滴運(yùn)動(dòng)軌跡，預(yù)測(cè)在不同飛行高度下的噴幅寬度，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 旋翼下洗氣流場(chǎng)仿真

1.1 建模與仿真

本文研究對(duì)象為XV-2型植保無(wú)人機(jī)，如圖1所示，其主要性能參數(shù)如表1所示。

圖1 XV-2型植保無(wú)人機(jī)Fig.1 XV-2 UAV

參數(shù)數(shù)值備注飛行作業(yè)速度/(m·s-1)10安全飛行速度作業(yè)幅寬/m8～12飛行作業(yè)高度/m5～8主旋翼直徑/m4.4最大載質(zhì)量/kg70載藥量噴霧流量/(L·min-1)4.8噴頭數(shù)量/個(gè)6霧滴粒徑/μm150.2

采用Solidworks 2016軟件對(duì)XV-2型植保無(wú)人機(jī)旋翼建模。

下洗氣流屬于低速可壓縮湍流，目前大多數(shù)湍流模型都是低速不可壓縮的，但大量計(jì)算案例表明，不可壓縮湍流模型能夠較好地近似代替可壓縮湍流模型[16]。本研究計(jì)算模型選擇軟件內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，該模型假設(shè)流動(dòng)形式為湍流，并忽略分子粘性的影響，適用于完全湍流的流動(dòng)過(guò)程模擬。

采用Flow Simulation插件對(duì)下洗氣流進(jìn)行仿真。模擬環(huán)境選擇外部流動(dòng)模擬。旋翼轉(zhuǎn)速設(shè)置為14 r/s。將槳葉所有外表面設(shè)置為真實(shí)壁面，粗糙度設(shè)置為5 μm。選擇壓強(qiáng)和平均速度作為求解目標(biāo)。生成計(jì)算域，并對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格化。檢查網(wǎng)格無(wú)誤后進(jìn)行運(yùn)算。

1.2 仿真結(jié)果與分析

1.2.1 下洗氣流仿真結(jié)果與分析

由圖2可知，氣體流線在遠(yuǎn)離槳葉中心位置的氣流有向外擴(kuò)展的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，從旋轉(zhuǎn)中心向槳尖處，氣流速度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。氣流速度從上到下，整體呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。翼尖處氣流變化復(fù)雜。槳葉下，高速氣流將低速氣流包裹在中心。由于在槳葉下中間氣流速度慢而周?chē)鷼饬魉俣瓤欤鶕?jù)伯努利原理，中間的氣流有向周?chē)鲃?dòng)的趨勢(shì)，因此在遠(yuǎn)離槳葉中心位置，氣流的流線向外彎曲，氣流有向外鋪展的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，該處氣流將霧滴的橫向鋪展面增大，造成噴幅增大。此外，翼尖處的卷?yè)P(yáng)氣流也將霧滴卷至旋翼的外圍，霧滴下落至地面將使噴幅增加。

圖2 下洗氣流場(chǎng)流線圖Fig.2 Streamlines of down-wash air flow

圖3 槳葉下各處氣流速度分布曲線Fig.3 Distribution curves of velocity on each level

選取槳葉下1.1、1.5、2.0 m 3個(gè)不同位置的速度，生成速度分布曲線圖。由圖3可知，1.1 m和1.5 m位置的曲線呈現(xiàn)中間凹陷、兩邊凸起的趨勢(shì)，中間凹陷部分速度分布較為均勻。高速氣流主要分布在距離旋轉(zhuǎn)軸2 m以外的位置。翼尖下2 m位置處的曲線幾乎無(wú)起伏，說(shuō)明隨著氣流的向下運(yùn)動(dòng)，各個(gè)位置的氣流速度趨向于相同。由此可見(jiàn)，越靠近

翼尖，霧滴運(yùn)動(dòng)受氣流的影響越明顯，在霧滴最初形成時(shí)即被卷起或被橫向鋪展。

根據(jù)下洗氣流場(chǎng)的流線圖，找出可能造成霧滴橫向鋪展區(qū)域，并劃定區(qū)域邊界。分別生成卷?yè)P(yáng)氣流特征曲線(圖4)和邊界曲線(圖5)。

由卷?yè)P(yáng)氣流特征曲線圖可知，可能發(fā)生卷?yè)P(yáng)現(xiàn)象的區(qū)域在距離旋轉(zhuǎn)軸1.8～3.0 m之間，垂直高度-0.8～0.6 m的范圍內(nèi)。

圖4 卷?yè)P(yáng)氣流特征曲線Fig.4 Characteristic curves of curling streamlines

圖5 卷?yè)P(yáng)氣流邊界曲線Fig.5 Boundary curves of curling streamlines

用三次多項(xiàng)式擬合卷?yè)P(yáng)氣流邊界曲線，并求解曲線極值點(diǎn)y1=-1.057。旋翼下方噴頭所產(chǎn)生的霧滴不可避免的會(huì)被橫向鋪展，造成噴幅增大。

1.2.2 霧滴運(yùn)動(dòng)方式分析

綜合下洗氣流的流線圖和速度分布圖可知，霧滴運(yùn)動(dòng)主要有3種方式：旋翼中心附近的霧滴豎直向下運(yùn)動(dòng)，旋翼外側(cè)的霧滴被氣流裹挾形成鋪展運(yùn)動(dòng)，翼尖處部分霧滴被氣流卷起形成卷?yè)P(yáng)運(yùn)動(dòng)。

為了便于討論，此處可以假設(shè)霧滴形成后的最初運(yùn)動(dòng)軌跡與下洗氣流的流線吻合，并以霧滴能覆蓋的水平范圍為噴幅范圍，在此前提下，通過(guò)分析霧滴水平位移來(lái)判斷噴幅的范圍。

(1)霧滴豎直向下運(yùn)動(dòng)

由前文分析可知，旋翼中心附近的霧滴豎直向下運(yùn)動(dòng)，且由于該位置附近氣流速度較小，壓力噴頭產(chǎn)生的霧滴在縱向具有較大的速度，因此霧滴可在短時(shí)間內(nèi)沿氣流運(yùn)動(dòng)方向在旋翼下方沉積。求解兩側(cè)卷?yè)P(yáng)氣流邊界曲線方程與橫坐標(biāo)軸交點(diǎn)，得到豎直向下運(yùn)動(dòng)的霧滴沉積范圍應(yīng)在機(jī)身左側(cè)1.650 m至機(jī)身右側(cè)1.674 m范圍內(nèi)，未超過(guò)旋翼直徑范圍，因此這一部分霧滴不會(huì)造成噴幅擴(kuò)大。

(2)霧滴鋪展運(yùn)動(dòng)

根據(jù)前文所述，旋翼外側(cè)的霧滴被氣流鋪展，因此，為了分析噴幅的水平范圍，需要研究處于卷?yè)P(yáng)氣流邊界處的霧滴在水平方向能到達(dá)的最遠(yuǎn)位置。根據(jù)石強(qiáng)等[15]提出的設(shè)計(jì)方法，使噴桿長(zhǎng)度不超過(guò)旋翼直徑，則本研究中單側(cè)霧滴釋放位置應(yīng)在旋翼半徑2.2 m范圍內(nèi)。按照霧滴此時(shí)所處流線位置的切線方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。霧滴所在流線位置的水平分速度vx和垂直分速度vy可分別表示為

vx=Vcos(arctany′)

(1)

vy=Vsin(arctany′)

(2)

式中V——?dú)饬魉俣?，m/sy′——流線位置坐標(biāo)導(dǎo)數(shù)

霧滴在一定時(shí)間內(nèi)下落的距離H可表示為

(3)

在此時(shí)間內(nèi)，霧滴水平位移s可表示為

(4)

利用Matlab 7.0計(jì)算得到左側(cè)不同釋放位置處的霧滴的水平位移，如圖6所示。

圖6 霧滴水平位移Fig.6 Horizontal movement of droplets

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)飛行高度為8 m時(shí)，單側(cè)霧滴運(yùn)動(dòng)最遠(yuǎn)水平位移為5.9 m，則噴幅為11.8 m；當(dāng)飛行高度為6 m時(shí)，單側(cè)霧滴運(yùn)動(dòng)最遠(yuǎn)水平位移為5.0 m，則噴幅為10.0 m。

(3)霧滴卷?yè)P(yáng)運(yùn)動(dòng)

槳葉尖端處的渦旋氣流將霧滴卷向空中，形成霧滴卷?yè)P(yáng)現(xiàn)象。航空噴霧時(shí)飛行速度較快，霧滴產(chǎn)生后由于慣性還會(huì)隨著無(wú)人機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，但受到空氣阻力后速度會(huì)迅速衰減為零。霧滴所受空氣阻力為[17]

(5)

式中F——霧滴所受空氣阻力，Nρ——空氣密度，kg/m3S——迎風(fēng)面積，m2v——霧滴運(yùn)動(dòng)速度，m/sC——阻力系數(shù)，取0.5

霧滴速度衰減為零的時(shí)間為

(6)

式中m——霧滴質(zhì)量，g

當(dāng)霧滴粒徑為150 μm，無(wú)人機(jī)前進(jìn)速度8 m/s時(shí)，可計(jì)算得到t=0.077 s，即霧滴產(chǎn)生后的極短時(shí)間內(nèi)在無(wú)人機(jī)前進(jìn)方向上的速度衰減為零，而無(wú)人機(jī)仍以8 m/s的速度沿著前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)，據(jù)此判斷霧滴與無(wú)人機(jī)在前進(jìn)方向上形成位置滯后。滯后的霧滴在脫離了下洗氣流影響之后，在空氣中依靠慣性運(yùn)動(dòng)，假設(shè)霧滴不蒸發(fā)，在水平方向上，受空氣阻力的霧滴運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程可表示為

(7)

解方程可得s關(guān)于時(shí)間t的關(guān)系式

(8)

代入數(shù)據(jù)計(jì)算，結(jié)果均為10-3數(shù)量級(jí)，水平運(yùn)動(dòng)距離極小，可以忽略不計(jì)。因此可以近似地認(rèn)為，在無(wú)風(fēng)條件下，發(fā)生卷?yè)P(yáng)運(yùn)動(dòng)的霧滴在脫離下洗氣流影響后的運(yùn)動(dòng)為豎直向下運(yùn)動(dòng)。由卷?yè)P(yáng)氣流的流線形態(tài)可知，霧滴沉積的位置為機(jī)身兩側(cè)距離旋轉(zhuǎn)中心1.8～3.0 m，這將造成該處?kù)F滴沉積量增大，噴幅范圍內(nèi)的沉積分布變異系數(shù)增大。

在豎直方向上，霧滴在空氣中下落，直至重力與空氣阻力平衡時(shí)速度達(dá)到穩(wěn)定，根據(jù)斯托克定律[18]可算得速度臨界值

(9)

式中vt——末速度，m/sd——霧滴直徑，μmg——重力加速度，m/s2ρ1——霧滴密度，kg/m3η——空氣粘度，N·s/m2

當(dāng)速度超過(guò)臨界值時(shí)，霧滴會(huì)減速達(dá)到臨界值。仍然以霧滴粒徑為150 μm為例，由式(9)計(jì)算可得臨界速度為0.69 m/s，而槳葉附近受下洗氣流作用的霧滴運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于臨界值，因此在霧滴下落過(guò)程中垂直分速度vy將會(huì)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。由前文計(jì)算可知，空氣阻力對(duì)霧滴速度衰減的作用時(shí)間極短，因此可忽略此過(guò)程，以臨界速度近似代替全過(guò)程的霧滴垂直分速度。當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行高度為H0時(shí)，霧滴下落時(shí)間t0可近似計(jì)算得到

(10)

當(dāng)飛行高度H0為6 m時(shí)，下落時(shí)間t0約為8.7 s；當(dāng)飛行高度H0為8 m時(shí)，下落時(shí)間t0約為11.6 s。作業(yè)過(guò)程中，在這一部分霧滴會(huì)明顯受到側(cè)風(fēng)影響，造成霧滴沉積變異系數(shù)增大，也會(huì)造成霧滴飄移。

2 噴幅測(cè)試

2.1 試驗(yàn)材料

取樣裝置為水敏試紙，用于收集霧滴；用清水代替農(nóng)藥作為噴霧試驗(yàn)介質(zhì)；環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置采用Harvesting NK4500型便攜氣象站，用于測(cè)試環(huán)境中的風(fēng)速和風(fēng)向。飛行作業(yè)平臺(tái)為XV-2型植保無(wú)人機(jī)。

2.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟包括采樣點(diǎn)布置、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)、測(cè)試過(guò)程、霧滴數(shù)統(tǒng)計(jì)。

2.2.1 采樣點(diǎn)布置

采樣點(diǎn)布置如圖7所示，每個(gè)圓圈代表一個(gè)試驗(yàn)支架，間隔1 m，橫跨18 m，滿足測(cè)試噴幅所需的寬度。支架上固定一張水敏試紙。按照預(yù)定的飛行參數(shù)進(jìn)行噴霧，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。噴霧結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)每張水敏試紙上單位面積的霧滴數(shù)(個(gè)/cm2)。

圖7 采樣點(diǎn)布置示意圖Fig.7 Sketch of test point

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.8 Test site

2.2.2 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)

測(cè)試場(chǎng)地的溫度為11℃，空氣相對(duì)濕度68%，風(fēng)速為1.9～4.2 m/s。

2.2.3 測(cè)試過(guò)程

飛行作業(yè)速度設(shè)定為10 m/s。該無(wú)人機(jī)載質(zhì)量較大，根據(jù)以往測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，若飛行高度過(guò)低，則下洗氣流會(huì)使作物倒伏，給作物造成不可逆的傷害。若飛行高度過(guò)高，則會(huì)造成霧滴大量蒸發(fā)和飄移，達(dá)不到防治效果。綜合考慮，將此次噴霧試驗(yàn)的飛行高度設(shè)定為距離地面6 m和8 m。飛行作業(yè)過(guò)程由操控手全程操作，并配有地面站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)人員通過(guò)對(duì)講機(jī)將飛行高度和速度實(shí)時(shí)報(bào)給操控手，以便隨時(shí)調(diào)整飛行參數(shù)，保證整個(gè)過(guò)程的可靠性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

各采樣點(diǎn)霧滴分布如圖9所示。

圖9 霧滴數(shù)分布圖Fig.9 Distribution of droplet numbers

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 有效噴幅判定

由圖9可知，霧滴的分布呈現(xiàn)出中間多兩側(cè)少的形態(tài)，且在中間集中分布的區(qū)域出現(xiàn)2個(gè)高峰值，整體呈現(xiàn)出類似M形的分布。當(dāng)飛行高度增加時(shí)，仍然呈現(xiàn)M形，但峰值有明顯下降，寬度有明顯增加。本研究采用霧滴密度判定法來(lái)判定有效噴幅，根據(jù)MH/T 1002—1995《農(nóng)業(yè)航空噴灑作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)》的規(guī)定:在飛機(jī)進(jìn)行超低容量的農(nóng)業(yè)噴灑作業(yè)時(shí)，作業(yè)對(duì)象的霧滴覆蓋密度達(dá)到15個(gè)/cm2以上的范圍即可視為有效噴幅[19]。由圖9可知，飛行高度6 m時(shí)，噴幅約為10 m；飛行高度8 m時(shí)，噴幅約為12 m。噴幅范圍約為噴桿長(zhǎng)度的2～3倍，超出此范圍的霧滴則視為飄移。

3.2.2 霧滴沉積分布均勻性分析

霧滴沉積分布均勻度采用變異系數(shù)Cv作為度量[20]

(11)

經(jīng)計(jì)算，在有效噴幅范圍內(nèi)，飛行高度6 m時(shí)的變異系數(shù)為33.88%，8 m時(shí)的變異系數(shù)為33.21%。該植保無(wú)人機(jī)處于不同飛行高度時(shí)，霧滴沉積分布均勻性基本一致。

4 討論

4.1 霧滴數(shù)分布呈M形

旋翼外沿處存在霧滴卷?yè)P(yáng)現(xiàn)象，卷?yè)P(yáng)氣流將噴幅外側(cè)的部分霧滴卷到內(nèi)側(cè)，與噴幅內(nèi)側(cè)原有的霧滴疊加，造成噴幅范圍內(nèi)的霧滴數(shù)分布出現(xiàn)2個(gè)峰值，與前文理論推斷結(jié)果基本一致。飛行高度6 m時(shí)，沉積量分布呈現(xiàn)較為明顯的M形，且左側(cè)峰值高于右側(cè)?？赡艿脑蚴牵硌刂槙r(shí)針的方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)無(wú)人機(jī)向前飛行時(shí)，左槳葉向前運(yùn)動(dòng)，與空氣的相對(duì)速度為槳葉線速度加飛行速度；而右槳葉向后運(yùn)動(dòng)，與空氣的相對(duì)速度為槳葉線速度減飛行速度，此時(shí)左槳葉產(chǎn)生的下洗氣流強(qiáng)度高于右槳葉，左槳葉翼尖處的卷?yè)P(yáng)氣流較右槳葉尖端處更強(qiáng)，因此會(huì)有更多霧滴被搬運(yùn)到內(nèi)側(cè)，使得霧滴沉積量的左側(cè)峰值高于右側(cè)。隨著飛行高度的增加，霧滴沉降到靶標(biāo)的時(shí)間被延長(zhǎng)，霧滴的運(yùn)動(dòng)軌跡更容易受到環(huán)境中側(cè)風(fēng)的影響，使得地面沉積情況被重新排布，造成飛行高度8 m時(shí)M形分布的峰值明顯下降。應(yīng)當(dāng)盡量選擇無(wú)風(fēng)的天氣進(jìn)行噴霧作業(yè)，以此減少霧滴飄移，保證沉積效果。

造成霧滴數(shù)M形分布是無(wú)人機(jī)旋翼自身的氣流特性造成的。在無(wú)法改變無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的情況下，欲改善霧滴分布均勻性，則需改進(jìn)噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？蓢L試將不同型號(hào)的噴頭搭配使用，將大噴頭安裝在噴桿中間位置，將小噴頭安裝在噴桿外側(cè)，或在噴桿中間加裝噴頭，以改善噴幅中間霧滴沉積數(shù)量不足的情況。

旋翼下洗氣流可以在作業(yè)過(guò)程中使作物葉片翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而使霧滴沉積到葉片背面，增強(qiáng)霧滴在作物冠層的穿透性。本次試驗(yàn)使用鐵支架將水敏試紙固定，在下洗氣流作用下水敏試紙無(wú)法實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，因此靶標(biāo)背面的霧滴沉積情況尚未知。

4.2 飛行高度對(duì)幅寬的影響

由計(jì)算可知，飛行高度由6 m增加到8 m時(shí)，噴幅由10 m增加到11.8 m。試驗(yàn)也驗(yàn)證了當(dāng)飛行高度增加時(shí)，噴幅隨之增大。在合理作業(yè)高度范圍6～8 m內(nèi)，當(dāng)噴桿長(zhǎng)度相同時(shí)，無(wú)人機(jī)噴霧的噴幅約為地面植保機(jī)械噴幅的2～3倍，是由于旋翼外沿下洗氣流的鋪展效應(yīng)而造成的結(jié)果。鋪展運(yùn)動(dòng)可分解為豎直分運(yùn)動(dòng)和水平分運(yùn)動(dòng)，隨著飛行高度增加，豎直分運(yùn)動(dòng)過(guò)程延長(zhǎng)，水平分運(yùn)動(dòng)過(guò)程也隨之延長(zhǎng)，因此造成噴幅增大。用線性關(guān)系擬合噴幅(W/m)與飛行高度(H0/m)的關(guān)系為

W=0.9H0+4.6

(12)

噴幅增大可以提高無(wú)人機(jī)的作業(yè)效率，但受到其他因素，如飄移、分布均勻性、單位面積沉積量等的限制。由霧滴沉積數(shù)據(jù)可知，當(dāng)飛行高度增加到8 m時(shí)，沉積曲線位置明顯下降，即單位面積上的霧滴數(shù)減少。若飛行高度過(guò)高，則會(huì)造成各個(gè)采樣點(diǎn)的霧滴沉積數(shù)據(jù)均小于15個(gè)/cm2，達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，則視為無(wú)效作業(yè)。其次，過(guò)高的作業(yè)高度會(huì)因環(huán)境中的風(fēng)而造成霧滴大量飄移[21]，導(dǎo)致環(huán)境污染。但也不能為了減少飄移而使飛行高度過(guò)低。研究表明，使用小型四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行噴霧作業(yè)時(shí)，若飛行高度小于1 m，則霧滴沉積效果相對(duì)變差[22]。對(duì)于單旋翼無(wú)人機(jī)，為其提供升力的旋翼只有一個(gè)，當(dāng)載質(zhì)量相同時(shí)，單旋翼無(wú)人機(jī)的下洗氣流場(chǎng)比多旋翼無(wú)人機(jī)的下洗氣流場(chǎng)更強(qiáng)，距離作物太近容易使作物形成倒伏現(xiàn)象，對(duì)作物造成不可恢復(fù)的損傷。因此，在使用單旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行噴霧作業(yè)時(shí)，應(yīng)選擇合理的作業(yè)高度。

5 結(jié)論

(1)單旋翼無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的下洗氣流從旋轉(zhuǎn)中心向外氣流呈現(xiàn)依次增大的階梯分布，形成向外鋪展的形態(tài)，脅迫霧滴使得噴幅擴(kuò)大。

(2)計(jì)算和試驗(yàn)均表明，飛行高度是影響噴幅大小的重要因素，植保無(wú)人機(jī)當(dāng)飛行高度為6 m時(shí)，噴幅約為10 m；飛行高度為8 m時(shí)，噴幅約12 m。實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算基本吻合。不同飛行高度時(shí)，有效噴幅內(nèi)的霧滴沉積分布均勻性基本一致。

(3)造成霧滴分布不均勻(M形)的原因是旋翼外沿處的卷?yè)P(yáng)氣流將一部分霧滴卷到內(nèi)側(cè)?？蓪⒉煌吞?hào)的噴頭組合使用、在噴桿中間加裝噴頭等進(jìn)行改進(jìn)。

1 THISTLE H W, WHITE J A, BACKER D M, et al. A buffelgrass aerial spraying pilot project: spray application and deposition[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2014, 30(1):17-24.

2 GOUS S, RAAL P, WATT M S. The evaluation of aerially applied triclopyr mixtures for the control of dense infestations of wilding Pinuscontorta, in New Zealand[J]. New Zealand Journal of Forestry Science, 2015, 45(1):1-4.

3 VIRET O, SIEGFRIED W, HOLLIGER E, et al. Comparison of spray deposits and efficacy against powdery mildew of aerial and ground-based spraying equipment in viticulture[J]. Crop Protection, 2003, 22(8):1023-1032.

4 KGORI P M, MODO S, TORR S J. The use of aerial spraying to eliminate tsetse from the Okavango Delta of Botswana[J]. Acta Tropica, 2006, 99(2-3):184-199.

5 RUKTANONCHAI D J, STONECIPHER S, LINDSEY N, et al. Effect of aerial insecticide spraying on West Nile virus disease-north-central Texas, 2012[J]. American Journal of Tropical Medicine & Hygiene, 2014, 91(2):240-245.

6 TSAI M Y, KAI E, YOST R M G, et al. The Washington aerial spray drift study: modeling pesticide spray drift deposition from an aerial application[J]. Atmospheric Environment, 2005, 39(33):6194-6203.

7 張京,何雄奎,宋堅(jiān)利,等.無(wú)人駕駛直升機(jī)航空噴霧參數(shù)對(duì)霧滴沉積的影響[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2012, 43(12):94-96.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20121217&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2012.12.017. ZHANG Jing, HE Xiongkui, SONG Jianli, et al. Influence of spraying parameters of unmanned aircraft on droplets deposition[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(12): 94-96. (in Chinese)

8 邱白晶, 王立偉, 蔡?hào)|林,等. 無(wú)人直升機(jī)飛行高度與速度對(duì)噴霧沉積分布的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013,29(24):25-32. QIU Baijing, WANG Liwei, CAI Donglin, et al. Effects of flight altitude and speed of unmanned helicopter on spray deposition uniform[J]. Transactions of the CSAE, 2013,29(24): 25-32. (in Chinese)

9 管賢平. 無(wú)人機(jī)作業(yè)參數(shù)對(duì)噴霧沉積的影響[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 53(3):678-680. GUAN Xianping. Effects of operating parameters for unmanned aerial vehicles on spraying deposition[J]. Hubei Agricultural Sciences,2014, 53(3):678-680. (in Chinese)

10 王俊偉, 賈峰勇, 張梁. 3種旋翼無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)參數(shù)測(cè)定及農(nóng)藥劑型比較[J]. 中國(guó)植保導(dǎo)刊, 2014(增刊1):55-58.

11 楊帥. 無(wú)人機(jī)低空噴霧霧滴在作物冠層的沉積分布規(guī)律及防治效果研究[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2014. YANG Shuai. Spray droplet deposition and distribution inside crop canopy and control efficiency applied by unmanned aerial vehicle[D]. Beijing:China Academy of Agriculture Sciences Dissertation,2014.(in Chinese)

12 高圓圓, 張玉濤, 趙酉城,等. 小型無(wú)人機(jī)低空噴灑在玉米田的霧滴沉積分布及對(duì)玉米螟的防治效果初探[J]. 植物保護(hù), 2013, 39(2):152-157. GAO Yuanyuan,ZHANG Yutao,ZHAO Youcheng,et al. Primary studies on spray droplet distribution and control effects of aerial spraying using unmanned aerial vehicle(UAV)against the corn borer[J]. Plant Protection,2013,39(2):152-157. (in Chinese)

13 薛新宇, 秦維彩, 孫竹,等. N-3型無(wú)人直升機(jī)施藥方式對(duì)稻飛虱和稻縱卷葉螟防治效果的影響[J]. 植物保護(hù)學(xué)報(bào), 2013, 40(3):273-278. XUE Xinyu, QIN Weicai, SUN Zhu, et al. The influence of control effect of aerial spray drift on N-3 unmanned spray helicopter on rice planthopper and rice leaf roller[J]. China Plant Protection, 2013,40(3):273-278. (in Chinese)

14 張宋超, 薛新宇, 秦維彩,等. N-3型農(nóng)用無(wú)人直升機(jī)航空施藥飄移模擬與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(3):87-93. ZHANG Songchao, XUE Xinyu, QIN Weicai, et al. Simulation and experimental verification of aerial spraying drift on N-3 unmanned spraying helicopter[J]. Transactions of the CSAE,2015, 31(3): 87-93. (in Chinese)

15 石強(qiáng), 管賢平, 孫宏偉. 基于CFD的小型植保無(wú)人直升機(jī)噴霧場(chǎng)數(shù)值模擬[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 44(9):360-364.

16 高歌. 計(jì)算流體力學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2015.

17 周雨青, 葉兆寧, 吳宗漢. 球類運(yùn)動(dòng)中空氣阻力的計(jì)算和分析[J].物理與工程, 2002, 12(1):55-59.

18 MATTHEWS G A. Pesticide application methods[M]. London: Longman, 1979.

19 中國(guó)民用航空總局運(yùn)輸管理司.農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo):MH/T 1002—1995[S].北京：中國(guó)民用航空局，1995：11.

20 王昌陵, 何雄奎, 王瀟楠,等. 基于空間質(zhì)量平衡法的植保無(wú)人機(jī)施藥?kù)F滴沉積分布特性測(cè)試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016, 32(24):89-97. WANG Changling, HE Xiongkui, WANG Xiaonan,et al. Testing method of spatial pesticide spraying deposition quality balance for unmanned aerial vehicle[J]. Transactions of the CSAE, 2016, 32(24): 89-97. (in Chinese)

21 王玲,蘭玉彬, HOFFMANN W Clint,等.微型無(wú)人機(jī)低空變量噴藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與霧滴沉積規(guī)律研究[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016,47(1):15-22.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160103&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.01.003. WANG Ling, LAN Yubin, HOFFMANN W Clint, et al. Design of variable spraying system and influencing factors on droplets deposition of small UAV[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(1):15-22.(in Chinese)

22 張盼, 呂強(qiáng), 易時(shí)來(lái),等. 小型無(wú)人機(jī)對(duì)柑橘園的噴霧效果研究[J]. 果樹(shù)學(xué)報(bào), 2016,33(1):34-42. ZHANG Pan, Lü Qiang, YI Shilai,et al.Evaluation of spray effect using small unmanned aerial vehicle (UAV) in citrus orchard[J]. Journal of Fruit Science,2016,33(1):34-42. (in Chinese)