多旋翼植保无人机悬停下洗气流及大豆冠层对雾滴运动规律影响研究

作     者：张亚辉 

作者单位：河南农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李赫

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0828[工学-农业工程] 

主      题：植保无人机 大豆冠层 CFD 下洗气流 雾滴运动 

摘      要：多旋翼植保无人机在大豆田间植保作业已得到广泛应用,但存在针对大豆冠层特点风场分布及雾滴沉积相关机理不明晰等问题,导致植保无人机作业效果不理想。为了进一步提高多旋翼植保无人机在大豆冠层雾滴沉积效果,本文利用CFD数值模拟和室内试验相结合的方法研究了多旋翼植保无人机悬停下洗气流及大豆冠层对雾滴运动的相互作用机理。主要研究工作如下:1)无人机旋翼风场分布和气流辅助雾滴沉积理论研究根据流体力学中相对静力学原理探究了多旋翼无人机向上升力和风场分布的形成原因,探明了决定风场分布的主要因素是旋翼几何结构、上下表面压差、旋翼转速和高度;分析了雾滴在旋翼风场作用下运动过程,结合空气曳力、压差力、Basset力、Magnus力以及Saffman力等探明了雾滴沉积过程主要受旋翼风速、运动时间、距离等的影响。为多旋翼植保无人机悬停下洗气流和大豆冠层对雾滴沉积分布的CFD数值模拟提供基础理论支撑。2)基于CFD的多旋翼植保无人机悬停下洗气流对大豆冠层作用规律研究为了研究无人机悬停下洗气流与大豆植株之间的交互作用,基于雷诺平均方程,结合RNG k-ε模型与非结构化网格建立高效的无人机悬停流场计算区域,利用静态孔隙率相似的办法建立了大豆结荚期的作物模型,分别探究了有无大豆植株条件下旋翼转速300～500rad/s区间内悬停下洗气流分布,得出了悬停下洗流场分布因大豆冠层影响的差异性规律,即受大豆植株的影响,旋翼风场在接触到大豆植株冠层开始,速度开始减弱,随后速度和压力大小存在明显起伏,在冠层部分风场分布较为分散,气流到达作物冠层高度时的速度大小范围为1～3.5 m/s。3)基于气液两相流的多旋翼植保无人机悬停下洗气流—雾滴交互作用机理研究基于Fluent离散相模型分析多旋翼植保无人机悬停下洗气流与雾滴之间的气液两相流交互作用,探究雾滴在旋翼下洗流场作用下耦合场的复杂运动过程和轨迹;通过对比单个雾滴和多个雾滴在不同旋翼转速下的空间分布,重点分析了雾滴在不同旋翼转速下大豆冠层内部运动轨迹,探明下洗气流辅助雾滴在大豆冠层中的沉积运动特性。数值模拟结果表明:对无大豆植株模型雾滴喷雾仿真模拟,旋翼转速为300rad/s时,雾滴沉积分布均匀性较差。旋翼转速为400rad/s时,雾滴沉积分布均匀性较好。旋翼转速为500rad/s时,雾滴沉积分布均匀性一般。且随着喷雾时间的增大,整体雾滴分布差别不大。旋翼下洗气流和大豆冠层对雾滴运动有较大影响,通过不同旋翼转速下整体和单个雾滴运动轨迹和雾滴浓度来看,旋翼转速为400rad/s时,雾滴沉积分布较好。4)多旋翼植保无人机悬停下洗流场和大豆冠层对雾滴运动规律影响试验研究设计了多旋翼植保无人机试验台,对有无大豆植株模型的整体风场分布、不同高度的风场分布、以及大豆植株冠层内部风场等进行测试,通过对冠层内部气流分布测试后分析可知:与模拟仿真数据相比,实际测试速度分布波动性较大,气流整体性分布存较大的误差,但实际测量数据与模拟仿真整体趋势一致性较好;对不同旋翼转速下雾滴沉积喷雾均匀性与模拟仿真进行对比,分析了误差变化情况,发现当旋翼转速为400rad/s时,喷雾变异系数为36.79%最低值,喷雾分布均匀性相对最好,室内试验结果与模拟仿真结果一致。