基于无人机旋翼流场的雾滴飘移沉积模型及试验研究

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旋翼植保无人机在航空施药过程中容易受到旋翼气流的影响而造成雾滴的飘移与沉积不均匀,因此准确描述旋翼流场是预测雾滴在旋翼植保无人机下洗流场下的运动轨迹的前提。本文基于格子玻尔兹曼方法的自适应细化物理方法,对单旋翼与四旋翼无人机的下洗流场进行了数值分析。在该研究中,首先选取格子玻尔兹曼方程作为求解方程,利用WMLES(wall-modified large eddy simulation)方法作为边界条件,并使用壁面函数对边界进行建模。其次,应用三维扫描仪的重建技术,建立了较为准确的单旋翼与四旋翼植保无人机的物理模型,并对无人机在不同飞行高度和速度等条件下的流场特性进行了详细分析。为了能够更加准确的捕获不同粒径的雾滴在单旋翼与四旋翼植保无人机的下洗流场中因受到翼尖涡流的作用而产生的飘移,采用基于拉格朗日离散相粒子跟踪法分析不同粒径雾滴的运动轨迹。最后,为了验证数值模拟的准确性,进行了大田试验和风洞试验验证。主要工作体现在以下几个方面:(1)对单旋翼与四旋翼无人机在飞行速度为1~7m/s、不同飞行高度条件下的流场特性进行了研究。准确地捕捉到无人机的翼尖涡流与下洗流场中无人机的马蹄形尾涡,并对无人机的流场进行了详细的数学分析。结果表明,当飞行速度大于3m/s单旋翼植保无人机会在机身后方形成马蹄形尾涡,当飞行速度大于5m/s四旋翼植保无人机会在机身后方形成马蹄形尾涡。(2)采用拉格朗日离散相粒子跟踪方法模拟了不同粒径的液滴的运动轨迹。通过改变飞行速度、飞行高度、喷杆高度与喷嘴之间的横向距离,研究了这些条件对雾滴在机身后沉积和飘移的影响规律。并通过数值模拟与试验得出单旋翼植保无人机飞行速度2m/s、5m/s、7m/s时的飘移高度为2.92m、3.54m、3.62m。以及喷头位置间隔距离为0.1m,喷杆垂直高度为0.55m,对应的飘移高度为3.39m、3.48m。结果表明,飞行速度与飞行高度对雾滴运动轨迹的影响显著,喷杆高度与喷嘴之间的横向距离对雾滴的运动轨迹影响相对较低。(3)通过大田试验与风洞试验验证了数值模拟的准确性。数值模拟结果与试验数据吻合度较高,且当飞行速度为2m/s,飞行高度为1m,喷杆高度为0.25m,喷嘴间距为0.4m时为最佳的作业参数。结果表明,通过大田试验与风洞试验拟合的雾滴飘移与飞行速度、飞行高度、喷杆高度、喷嘴之间的横向距离的数学模型有较高的准确度。并且试验数据验证了数值分析的准确性较高。
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