航空施药是提高农业生产效率的重要手段,农药喷洒作业中不可避免地会出现雾滴向非目标区域的飘移,造成药液浪费与环境污染。精准施药技术可以显著地提高农业航空施药水平。精准施药技术包括GPS导航技术,航空喷头技术,雾滴飘移预测模型,以及变量施药技术。航空飘移预测模型是农业航空精准施药中的关键技术之一。模型以雾滴的运动为基础,涉及到药液经过航空喷头的雾化,雾滴在大气边界层和飞机尾流以及重力作用下的运动,在大气温度和相对湿度影响下的蒸发,以及在地面植物冠层中的沉积过程。本文结合风洞实验,田间飞行实验,数值模拟方法,对雾滴的运动规律开展研究,建立了雾滴飘移预测模型。主要的研究内容有:(1)开展风洞实验,研究了两种压力喷头(LU-120-03标准扇形压力喷头和IDK-120-03空气诱导喷头)和一种离心喷头(Micronair AU5000转笼式雾化器)的雾化特性。采用雾滴体积中径和粒径分布跨度来描述喷雾的雾化特性。首先研究距离喷头不同距离上的药液的雾化程度,确定了进行雾滴粒径测量的最佳距离。随后针对压力喷头,研究了管道压力和风速对于雾化特性的影响,对比了空气诱导空腔的作用。针对离心喷头,研究了叶片安装角,风速和流量对雾化特性的影响。将实验数据与AGDISP的雾化器模型数据进行了对比。(2)开展Thrush 510G型飞机的航空施药飞行实验。使用三维超声风速计测量了施药作业时的风场,包括近地面大气边界层不同高度上的气流速度,计算得到了平均速度,湍动能和湍动能耗散率分布。测量了飞机尾涡所产生的垂直方向和水平方向的诱导速度型。使用水敏纸测量了雾滴在地面的沉积,采用图像处理的方法得到了雾滴的地面沉积体积中径和沉积量分布等。(3)建立飞机尾涡模型,采用CFD方法求解RANS方程,计算了Duponcheel的尾涡算例,验证了尾涡模型和数值方法的正确性。根据飞行实验得到的数据,建立大气边界层流动模型,与尾涡模型结合,形成了Thrush 510G飞机航空施药风场模型。随后模拟了无侧风和有侧风两种情况下的施药作业风场特征。无侧风时,尾涡运动轨迹对称,两涡之间产生下洗气流,两涡外侧产生上洗气流。有侧风时,两涡向下风方向运动,左侧涡的强度衰减慢。对比了数值计算与飞行实验得到的作业风场。(4)在Thrush 510G飞机航空施药风场模型的基础上,结合转笼式雾化器喷雾模型,建立雾滴飘移预测模型。使用欧拉–拉格朗日方法模拟雾滴在风场中的运动。无侧风时,两涡中间的雾滴在下洗气流的作用下沉积到地面,靠近翼尖的雾滴被卷入尾涡中,向两侧飘移。雾滴飘移之后在地面的沉积范围大于喷杆长度。有侧风时,雾滴在地面的沉积量分布与飞行实验采集到的沉积结果以及AGDISP的计算结果符合的较好,验证了飘移预测模型和数值求解方法的正确性。(5)利用上述飘移预测模型,深入研究了飞机尾涡,侧风,大气温度,相对湿度,雾滴粒径等因素对雾滴飘移和沉积的影响规律。分析了飘移出现的来源。结果可用于设计优化施药作业的相关参数,以达到减少飘移,精准施药的目的。通过统计雾滴的飘移时间,得到了描述雾滴飘移的特征粒径,可以作为施药时选取喷头的依据,以减少飘移。根据不同风速下的喷幅沉积坐标,可以规划飞行航线。分析不同风速,温度和相对湿度下的雾滴飘移量,有助于选取适合施药作业的气象条件。