IEA-I型航空植保高速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)與校測(cè)

唐 青，陳立平※，張瑞瑞，徐 旻，徐 剛，張 斌

（1.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京100097；2.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京100097；3.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710068）

IEA-I型航空植保高速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)與校測(cè)

唐 青1，2，陳立平1，2※，張瑞瑞1，2，徐 旻1，2，徐 剛1，2，張 斌1，3

（1.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京100097；2.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京100097；3.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710068）

針對(duì)固定翼農(nóng)用飛機(jī)所搭載航空噴頭施藥?kù)F滴分布研究的需要，該文依照低湍流度風(fēng)洞設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)了IEA-I型高速風(fēng)洞。該風(fēng)洞型式為直流開(kāi)口式，主要由動(dòng)力段、過(guò)渡段、擴(kuò)散段、穩(wěn)定段、收縮段及試驗(yàn)段等部分組成，風(fēng)洞總體尺寸為9.8 m×1.2 m×1.8m（長(zhǎng)×寬×高）；動(dòng)力段選用離心風(fēng)機(jī)；擴(kuò)散段為小角度擴(kuò)散，擴(kuò)散角5°；穩(wěn)定段采用六角形蜂窩器和9層阻尼網(wǎng)組合設(shè)計(jì)；收縮段縮比10.24；試驗(yàn)段截面直徑為300 mm。該文采用熱線風(fēng)速儀，皮托管和高速PIV系統(tǒng)測(cè)定了風(fēng)洞試驗(yàn)段氣流品質(zhì)，試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)段風(fēng)速7.6～98 m/s連續(xù)可調(diào)，氣流紊流度小于1.0%，試驗(yàn)段風(fēng)場(chǎng)均勻度小于0.4%，平均氣流偏角小于0.2°，氣流動(dòng)壓穩(wěn)定系數(shù)小于2.0%，歸一化軸向靜壓梯度小于0.02。該風(fēng)洞能模擬固定翼農(nóng)用飛行器作業(yè)飛行條件，為進(jìn)一步研究航空噴頭的參數(shù)優(yōu)化提供試驗(yàn)平臺(tái)。

設(shè)計(jì)；流場(chǎng)；試驗(yàn)；風(fēng)洞；航空；植保

唐 青，陳立平，張瑞瑞，徐 旻，徐 剛，張 斌.IEA-I型航空植保高速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)與校測(cè)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（6）：73-81. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.010 http://www.tcsae.org

Tang Qing,Chen Liping,Zhang Ruirui,Xu Min,Xu Gang,Zhang bin.Design and test of IEA-I high speed wind tunnel for aerial plant protection[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE）,2016,32(6):73-81.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.010 http://www.tcsae.org

0 引言

在航空植保作業(yè)過(guò)程中，飛行器噴灑的農(nóng)藥?kù)F滴隨氣流運(yùn)動(dòng)，沉積于非目標(biāo)區(qū)域的現(xiàn)象，稱為霧滴飄移。農(nóng)藥?kù)F滴的飄移問(wèn)題一直是農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一[1]。影響農(nóng)藥?kù)F滴飄移的因素有許多，如液滴在空氣中的運(yùn)動(dòng)特性[2-3]，噴灑流量，噴頭類型[4-5]，驅(qū)動(dòng)壓力[5-6]，環(huán)境因素[5]等。為解決這些問(wèn)題，美國(guó)環(huán)保部提出了飄移減少技術(shù)的草案[7]，其中的重要組成部分就是弄清實(shí)際作業(yè)中航空噴頭的噴霧粒徑分布，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

要研究航空噴頭作業(yè)過(guò)程中的噴霧粒徑分布情況，主要手段有理論分析，數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)等。理論分析能夠根據(jù)噴頭結(jié)構(gòu)，管道壓力，剪切強(qiáng)度等條件，推導(dǎo)出液滴破碎形成的粒徑范圍。但其很難獲得具體作業(yè)條件下的霧滴分布情況[8]。數(shù)值模擬手段對(duì)于大量不同粒徑的霧滴和空氣的相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的計(jì)算能力仍顯不足[9]。而風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌蚰M真實(shí)飛行環(huán)境，準(zhǔn)確控制風(fēng)速風(fēng)向等參數(shù)，試驗(yàn)重復(fù)性好，對(duì)建立航空噴頭霧滴粒徑分布數(shù)據(jù)庫(kù)十分有利[10-11]。

目前，美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)航空研究中心已建成了一座用于研究航空噴頭霧滴粒徑分布的航空施藥風(fēng)洞USDAARS high speed wind tunnel[12]。澳大利亞昆士蘭大學(xué)也有類似的航空施藥風(fēng)洞[11]。中國(guó)目前針對(duì)地面植保機(jī)械及無(wú)人直升機(jī)等作業(yè)中的霧滴飄移現(xiàn)象也已經(jīng)進(jìn)行了大量研究工作[13-15]，南京農(nóng)機(jī)所已建成適用于霧滴飄移研究的NJS-1型植保低速風(fēng)洞[16]。但國(guó)內(nèi)尚缺乏針對(duì)固定翼農(nóng)業(yè)航空飛行器專用噴頭開(kāi)展試驗(yàn)研究的高速風(fēng)洞設(shè)備。因此，本文在國(guó)外同類風(fēng)洞設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行流場(chǎng)品質(zhì)改良，設(shè)計(jì)了IEA-I型高速風(fēng)洞，用于農(nóng)業(yè)航空噴頭霧滴粒徑，速度分布規(guī)律等方面的研究。

1 IEA-I型風(fēng)洞設(shè)計(jì)目標(biāo)

目前在低速風(fēng)洞設(shè)計(jì)領(lǐng)域，主要存在回流式風(fēng)洞和直流式風(fēng)洞2種形式?；亓魇斤L(fēng)洞的優(yōu)勢(shì)在于風(fēng)機(jī)所受背壓較小，能量利用率高，容易獲得更低的湍流度和更好的流場(chǎng)品質(zhì)。但其存在占地面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高以及流場(chǎng)易被示蹤物質(zhì)污染等缺陷。直流式風(fēng)洞優(yōu)勢(shì)在于占地面積小，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，建設(shè)成本低及流場(chǎng)不易被示蹤物質(zhì)污染。

由于本風(fēng)洞設(shè)計(jì)目的是為了研究固定翼飛行器施藥?kù)F滴粒徑及速度分布規(guī)律，而直流開(kāi)口下吹式風(fēng)洞有利于試驗(yàn)用霧滴飄出室外，減小污染，因此較為符合我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。但同時(shí)，直流開(kāi)口下吹式風(fēng)洞如果設(shè)計(jì)風(fēng)速較高，則會(huì)在風(fēng)洞出口產(chǎn)生很大背壓，很難采用流場(chǎng)品質(zhì)較好，但輸出背壓較低的軸流式風(fēng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。因此一般適合采用離心式風(fēng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)氣源。例如美國(guó)農(nóng)業(yè)部USDA-ARS的HSWT航空植保風(fēng)洞最高設(shè)計(jì)風(fēng)速達(dá)98m/s，即采用離心式風(fēng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)氣源。如圖1所示。

圖1 美國(guó)農(nóng)業(yè)部USDA-ARS的HSWT航空植保風(fēng)洞示意圖[12]Fig.1 USDA-ARS high speed wind tunnel[12]

但離心式風(fēng)機(jī)輸出流動(dòng)并不穩(wěn)定，流量脈動(dòng)很大，這將導(dǎo)致風(fēng)洞試驗(yàn)段來(lái)流湍流度較高，流場(chǎng)品質(zhì)較差。仍以USDA-ARS的HSWT航空植保風(fēng)洞為例，其將穩(wěn)定段設(shè)計(jì)于風(fēng)洞收縮段之后，優(yōu)點(diǎn)是減小了穩(wěn)定段尺寸和重量，但缺點(diǎn)是難以減小試驗(yàn)段來(lái)流湍流度，總體流場(chǎng)品質(zhì)較低。該風(fēng)洞出口尺寸為300 mm×300 mm的矩形，出口風(fēng)速達(dá)6.7～98 m/s，但并沒(méi)有發(fā)布相關(guān)流場(chǎng)品質(zhì)的校測(cè)數(shù)據(jù)。

綜合考慮以上因素之后，作者最終選用直流開(kāi)口式風(fēng)洞。為使設(shè)計(jì)的風(fēng)洞能真實(shí)復(fù)現(xiàn)固定翼飛機(jī)噴霧作業(yè)的主要特征，并在可控試驗(yàn)條件下開(kāi)展霧滴粒徑及速度分布特性的定量化研究，IEA-I型風(fēng)洞主要設(shè)計(jì)要求為：1）試驗(yàn)段風(fēng)速6.7～98 m/s連續(xù)可調(diào)，風(fēng)速范圍滿足固定翼農(nóng)用飛機(jī)作業(yè)速度范圍；2）試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻度小于0.4%；3）試驗(yàn)段氣流湍流度小于1.0%；4）動(dòng)壓脈動(dòng)量小于2.0%。5）歸一化軸向靜壓梯度小于0.02；6）平均氣流偏角小于0.2°；7）風(fēng)機(jī)最高功耗不超過(guò)75 kW。本文擬在采用離心式風(fēng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)氣源的條件下，通過(guò)合理設(shè)計(jì)的穩(wěn)定段及收縮段，盡可能減小風(fēng)洞試驗(yàn)段來(lái)流湍流度，使風(fēng)洞達(dá)到設(shè)計(jì)流場(chǎng)品質(zhì)。

2 IEA-I型風(fēng)洞設(shè)計(jì)方案

本試驗(yàn)所用風(fēng)洞位于北京市農(nóng)林科學(xué)院小湯山精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地。風(fēng)洞由離心風(fēng)機(jī)，方轉(zhuǎn)圓段，軟連接，漸擴(kuò)段，穩(wěn)定段，收縮段等主要部件構(gòu)成，總長(zhǎng)度約7.8 m。其中離心風(fēng)機(jī)可提供8000Pa的出口背壓，能夠支持直流開(kāi)口式風(fēng)洞達(dá)到98m/s的出口風(fēng)速。風(fēng)洞洞體總長(zhǎng)度6.334m，其中方轉(zhuǎn)圓段能夠?qū)L(fēng)機(jī)段的矩形出口轉(zhuǎn)換為圓形出口，便于與下游部件對(duì)接。軟連接的作用是將風(fēng)機(jī)和風(fēng)洞洞體的震動(dòng)隔開(kāi)，避免因?yàn)轱L(fēng)洞洞體振動(dòng)導(dǎo)致的氣流擾動(dòng)，漸擴(kuò)段的作用是將動(dòng)力段出口流動(dòng)平緩的導(dǎo)入穩(wěn)定段，并避免使其產(chǎn)生分離。穩(wěn)定段內(nèi)部通過(guò)安裝蜂窩器，阻尼網(wǎng)等整流裝置，起到均勻氣流的作用。收縮段起到加速氣流和減小氣流擾動(dòng)的作用。該風(fēng)洞實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 IEA-I高速風(fēng)洞實(shí)物圖Fig.2 IEA-I high speed wind tunnel

該風(fēng)洞整體側(cè)視剖面圖，圖注及相關(guān)尺寸標(biāo)注見(jiàn)圖3，其中穩(wěn)定段內(nèi)的阻尼網(wǎng)及蜂窩器等的詳細(xì)安裝尺寸參見(jiàn)圖4。該風(fēng)洞的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖3 IEA-I高速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of IEA-I high speed wind tunnel

表1 IEA-I高速風(fēng)洞技術(shù)指標(biāo)Table 1 Parameters of IEA-I high speed wind tunnel

2.1 動(dòng)力段設(shè)計(jì)

2.1.1 風(fēng)機(jī)選型

動(dòng)力段在低速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位，動(dòng)力段輸出氣流品質(zhì)的好壞將直接對(duì)風(fēng)洞性能產(chǎn)生影響。風(fēng)洞的動(dòng)力段驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)類型一般有離心式與軸流式兩種。離心式風(fēng)機(jī)風(fēng)壓大、紊流度高；軸流式風(fēng)機(jī)軸向動(dòng)壓平穩(wěn)、風(fēng)壓小[17]。由于本文設(shè)計(jì)的IEA-I型風(fēng)洞為高速直流式開(kāi)口型風(fēng)洞，出口風(fēng)速較高，所需氣流風(fēng)壓達(dá)5 000 Pa以上，考慮到沿程損失，所需風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓更大。如果采用軸流式風(fēng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，則所需風(fēng)機(jī)功率過(guò)大。綜合考慮能效比，IEA-I型高速風(fēng)洞動(dòng)力段選用離心式風(fēng)機(jī)。

2.1.2 參量計(jì)算

風(fēng)洞試驗(yàn)段截面尺寸和風(fēng)洞的設(shè)計(jì)風(fēng)速確定之后，風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算如式：

風(fēng)洞最高速度v=98 m/s，風(fēng)洞試驗(yàn)段直徑300 mm，截面積S=0.0707 m2，風(fēng)機(jī)流量Q=6.93 m3/s。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，我們選用美國(guó)Chicago公司生產(chǎn)的離心風(fēng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，流量25 161 m3/h，最高轉(zhuǎn)速3 600 r/min，并配套75 kW的變頻電機(jī)一臺(tái)，通過(guò)ABB變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于離心風(fēng)機(jī)出口為矩形，須利用方轉(zhuǎn)圓段將風(fēng)機(jī)出口轉(zhuǎn)為圓形，并利用軟連接將動(dòng)力段和風(fēng)洞洞體隔開(kāi)，避免風(fēng)機(jī)振動(dòng)傳導(dǎo)到風(fēng)洞洞體，引起洞體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。軟連接材料采用尼龍布和螺旋形金屬框架結(jié)構(gòu)組成，外包金屬防護(hù)材料。

2.2 漸擴(kuò)段設(shè)計(jì)

由于風(fēng)機(jī)出口直徑相對(duì)穩(wěn)定段直徑來(lái)說(shuō)較小，因此需要在風(fēng)機(jī)出口和穩(wěn)定段入口之間設(shè)置一漸擴(kuò)段，為防止流動(dòng)分離，流體從較細(xì)的動(dòng)力段進(jìn)入較粗的穩(wěn)定段過(guò)程中,其擴(kuò)張角度一般為5～8°[18]。

漸擴(kuò)段造成的流動(dòng)壓力損失系數(shù)可按下式計(jì)算

式中D1為漸擴(kuò)段入口直徑，m；D2為漸擴(kuò)段出口直徑，m；為漸擴(kuò)段平均阻力系數(shù)；Re為漸擴(kuò)段平均雷諾數(shù)；α為漸擴(kuò)段擴(kuò)張角，°。

本風(fēng)洞擴(kuò)散段平均雷諾數(shù)

其中風(fēng)速u≈13.8 m/s,擴(kuò)散段長(zhǎng)度L=1.196 m,空氣運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)v=14.8×10-6m2/s。

2.3 穩(wěn)定段設(shè)計(jì)

依文獻(xiàn)[19-20]分析,為了破碎旋渦,導(dǎo)順和拉勻氣流,減弱尖跳流動(dòng),且主要是減少湍流的橫側(cè)分量,傳統(tǒng)大孔徑蜂窩器對(duì)減少湍流度作用不大。本風(fēng)洞采用不銹鋼材料制成的小孔型蜂窩器,選擇孔型為正六邊形，當(dāng)量直徑為10 mm,孔深10倍孔型當(dāng)量直徑（100 mm）。

依照文獻(xiàn)[21]，在蜂窩器出口下游150 mm處增設(shè)了一層細(xì)絲阻尼網(wǎng)，開(kāi)度比約60%。在該層阻尼網(wǎng)下游我們共設(shè)置了8層阻尼網(wǎng)，阻尼網(wǎng)的設(shè)置方案遵循兩點(diǎn)原則：

1）阻尼網(wǎng)之間間隔和阻尼網(wǎng)絲徑選擇合理，阻尼網(wǎng)絲徑d，對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)Red＜60，阻尼網(wǎng)間距L＞500 d[21]。由于絲徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致流體通過(guò)阻尼網(wǎng)絲產(chǎn)生較強(qiáng)的圓柱繞流尾渦，因此以絲徑為特征長(zhǎng)度的雷諾數(shù)不能超過(guò)圓柱繞流的臨界雷諾數(shù)。而阻尼網(wǎng)之間需要留出足夠距離使上游阻尼網(wǎng)絲產(chǎn)生的尾流擾動(dòng)完全耗散。

2）阻尼網(wǎng)目數(shù)選取需要遵循適當(dāng)規(guī)律。一般來(lái)說(shuō)上游阻尼網(wǎng)的絲徑要大于下游阻尼網(wǎng)，其目數(shù)相應(yīng)也會(huì)少于下游阻尼網(wǎng)。另外兩層目數(shù)較少的阻尼網(wǎng)組合效果會(huì)好于一層目數(shù)較多的阻尼網(wǎng)[20]。綜合以上規(guī)律，我們最終選擇兩層18目，兩層24目，兩層30目和兩層48目阻尼網(wǎng)沿流向排列。

最后一層48目阻尼網(wǎng)下游還需要留出一定的旋渦衰減距離L＞0.2D（D為穩(wěn)定段出口處的當(dāng)量直徑）。本風(fēng)洞設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留漩渦衰減距離L=0.3m。穩(wěn)定段剖面及內(nèi)部構(gòu)造見(jiàn)圖4。

圖4 穩(wěn)定段截面和內(nèi)部構(gòu)造Fig.4 Profile of settling chamber and its structures

2.4 收縮段設(shè)計(jì)

收縮段是低湍流度風(fēng)洞中至關(guān)重要的部分,其中收縮曲線的選取十分關(guān)鍵,大的收縮比可以使試驗(yàn)段的氣流均勻.收縮段的性能主要取決于收縮比與收縮曲線。收縮比C為收縮段入口與出口面積之比，即穩(wěn)定段與試驗(yàn)段面積之比，其大小決定了試驗(yàn)段氣流紊流度、均勻性及風(fēng)洞能量比等。為保證風(fēng)洞出口流場(chǎng)品質(zhì)，一般風(fēng)洞收縮段面積比不小于4。

IEA-I型高速風(fēng)洞的收縮段出口直徑為D=300 mm，收縮段入口直徑為960 mm，收縮比為C=10.24，能夠?qū)⒎€(wěn)定段內(nèi)擾動(dòng)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)?？紤]收縮效果，收縮段長(zhǎng)度一般不短于穩(wěn)定段直徑，取L=1 m。常見(jiàn)的幾種收縮曲線包括維辛斯基曲線、雙3次曲線、5次方曲線和多軸維辛斯基曲線[22]。比較這幾種曲線可以知道,維辛斯基曲線進(jìn)口處收縮快,后部收縮緩慢,出口速度較均勻.但因進(jìn)口處收縮太快,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的逆壓梯度.而雙3次曲線和5次方曲線進(jìn)口處收縮較平滑,無(wú)逆壓梯度現(xiàn)象的出現(xiàn)。本風(fēng)洞設(shè)計(jì)時(shí)采用5次方曲線設(shè)計(jì)收縮段壁面型線。控制方程如下：

式中R為收縮段流向不同截面半徑，mm；C為收縮比；L為收縮段長(zhǎng)度，mm；X為收縮段流向位置，mm；D為收縮段出口直徑，mm。其余系數(shù)參考侯志勇等人提出的公式[21]。

設(shè)計(jì)完成的收縮段曲線如圖5所示，左側(cè)為收縮段入口處半徑480 mm，右側(cè)為收縮段出口處半徑150 mm。

圖5 收縮段設(shè)計(jì)曲線Fig.5 Wall shape curves of contraction section

3 IEA-I型風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)測(cè)試

風(fēng)洞試驗(yàn)段氣流品質(zhì)的優(yōu)劣將直接決定風(fēng)洞試驗(yàn)的效果。因此該風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)完成后，于2015年7月在小湯山國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地農(nóng)業(yè)航空施藥試驗(yàn)室進(jìn)行了試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)校測(cè)試驗(yàn)。主要校測(cè)指標(biāo)為試驗(yàn)段風(fēng)速，試驗(yàn)段中心區(qū)湍流度，流場(chǎng)均勻度，平均氣流偏角，動(dòng)壓穩(wěn)定性和軸向靜壓梯度等。

3.1 試驗(yàn)段風(fēng)速及湍流度測(cè)定

試驗(yàn)采用TSI公司IFA300型熱線風(fēng)速儀對(duì)風(fēng)洞流速進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量，同時(shí)通過(guò)所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算風(fēng)洞湍流度指標(biāo)。熱線探針布置于風(fēng)洞試驗(yàn)段中心線，位于收縮段出口外200 mm處。符合國(guó)軍標(biāo)GJB1067-1991對(duì)于開(kāi)口式風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)測(cè)量范圍為出口直徑70%區(qū)域的要求[23]，熱線風(fēng)速儀布置如圖6所示。

圖6 熱線風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)洞速度及湍流度Fig.6 IFA 300 hot film system used to measure velocity and turbulence intensity of wind tunnel

通過(guò)調(diào)節(jié)控制離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的ABB變頻器輸出頻率，利用熱線風(fēng)速儀測(cè)量相應(yīng)輸出風(fēng)速，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)洞運(yùn)行風(fēng)速的標(biāo)定，并同時(shí)獲得相應(yīng)風(fēng)速下的流場(chǎng)湍流度指標(biāo)。

表2 不同頻率下的試驗(yàn)段風(fēng)速和中心區(qū)湍流度Table 2 Test section wind speeds and turbulence intensity under different frequencies

從表2中提取電機(jī)頻率和試驗(yàn)段風(fēng)速，繪制其相關(guān)曲線，如圖7所示。

圖7 不同頻率下試驗(yàn)段風(fēng)速Fig.7 Test section wind speeds under different frequencies

從圖7中可以看出，風(fēng)洞試驗(yàn)段風(fēng)速和風(fēng)機(jī)頻率成良好的線性正比關(guān)系，符合風(fēng)機(jī)性能特性，其相關(guān)曲線為y=0.58x+0.13，決定系數(shù)R2=0.9678。試驗(yàn)段最高風(fēng)速可達(dá)98 m/s，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

從圖8可見(jiàn)，風(fēng)洞湍流度隨著試驗(yàn)段風(fēng)速增加成增加趨勢(shì)。風(fēng)洞總體運(yùn)行湍流度水平小于1%。在10～70 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，湍流度均保持在0.5%以下。由于固定翼農(nóng)用飛行器的噴灑作業(yè)高度一般低于5 m，位于大氣邊界層內(nèi)部，其來(lái)流湍流度約5%。因此IEA-I型高速風(fēng)洞的設(shè)計(jì)湍流度足夠達(dá)到模擬真實(shí)飛行環(huán)境湍流度的要求。

圖8 不同風(fēng)速下流場(chǎng)湍流度Fig.8 Turbulence intensity under different wind speeds

3.2 風(fēng)洞流場(chǎng)均勻度測(cè)量

在風(fēng)洞流場(chǎng)校測(cè)中，對(duì)跨聲速和超聲速風(fēng)洞，一般采用風(fēng)洞試驗(yàn)段馬赫數(shù)在空間上的變異系數(shù)作為衡量風(fēng)洞流場(chǎng)均勻度的指標(biāo)[23]。而對(duì)低速風(fēng)洞流場(chǎng)均勻度則并沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)[24]。采用風(fēng)洞試驗(yàn)段風(fēng)速在空間上的變異系數(shù)衡量風(fēng)洞流場(chǎng)均勻度是一種常見(jiàn)方式。

本文采用高速PIV（particle image velocimitry）系統(tǒng)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)段風(fēng)速在垂直于水平面的試驗(yàn)段寬度方向上的變異系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。PIV是一種利用間隔時(shí)間很短的激光片光源激發(fā)示蹤粒子發(fā)光，通過(guò)粒子圖像相關(guān)性計(jì)算速度場(chǎng)的試驗(yàn)方法。其工作原理如圖9所示：

圖9 PIV技術(shù)原理圖[25]Fig.9 Schematic diagram of PIV[25]

在風(fēng)洞風(fēng)機(jī)入口處利用癸二酸二異辛酯DEHS（Di（2-ethylhexyl）sebacate）粒子發(fā)生器產(chǎn)生直徑約1微米的示蹤粒子，通過(guò)高頻CMOS相機(jī)拍攝獲取風(fēng)洞收縮段出口處的速度場(chǎng)，對(duì)200張瞬態(tài)速度場(chǎng)進(jìn)行平均后，提取平均速度剖面并以此評(píng)估風(fēng)洞流場(chǎng)均勻度。以89 m/s風(fēng)速狀態(tài)為例，該狀態(tài)下通過(guò)PIV計(jì)算獲得的試驗(yàn)段平均速度場(chǎng)見(jiàn)圖10。可以看出該風(fēng)洞流場(chǎng)十分均勻，速度范圍集中在90 m/s左右。

圖10 試驗(yàn)段平均速度場(chǎng)Fig.10 Average velocity field of test section

從圖10中截取距離收縮段出口100 mm外，沿試驗(yàn)段寬度方向的平均速度剖面，繪制沿試驗(yàn)段寬度方向的速度剖面圖，如圖11所示。

圖11 速度的空間分布Fig.11 Spatial distribution of wind speeds

最后統(tǒng)計(jì)不同風(fēng)速條件下，收縮段出口平均速度沿試驗(yàn)段寬度方向的變異系數(shù)，如圖12所示。

圖12 不同風(fēng)速條件下，試驗(yàn)段風(fēng)速的空間變異系數(shù)Fig.12 Coefficient of wind speed variation under different wind speeds

可以看出，在不同風(fēng)速條件下，該風(fēng)洞試驗(yàn)段風(fēng)速的空間變異系數(shù)均保持在0.4%以下水平。風(fēng)洞流場(chǎng)均勻度良好。

3.3 風(fēng)洞平均氣流偏角

一般來(lái)說(shuō)，測(cè)定風(fēng)洞試驗(yàn)段平均氣流偏角需要采用校驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)正反安裝后分別測(cè)定模型零升迎角的方式來(lái)獲得平均氣流偏角。

由于我們已經(jīng)能夠通過(guò)高速PIV計(jì)算出試驗(yàn)段的平均速度場(chǎng)，因此本文采用直接從速度場(chǎng)中提取氣流偏角并對(duì)其進(jìn)行空間平均的方式來(lái)求得試驗(yàn)段的平均氣流偏角。

仍以89m/s風(fēng)速狀態(tài)為例，其局部氣流偏角分布如圖13所示。

圖13 局部氣流偏角分布Fig.13 Distribution of local flow deflection angles

我們通過(guò)截取距離收縮段出口100 mm外，沿試驗(yàn)段寬度方向的局部氣流偏角剖面，并進(jìn)行平均來(lái)獲得試驗(yàn)段的平均氣流偏角。最終計(jì)算出風(fēng)洞試驗(yàn)段在不同速度條件下的平均氣流偏角如圖14所示。

圖14 不同風(fēng)速下平均氣流偏角Fig.14 Averaged local flow deflection angles under different wind speeds

可以看出，在不同風(fēng)速條件下，該風(fēng)洞試驗(yàn)段的平均氣流偏角均保持在0.2°以下水平。風(fēng)洞流場(chǎng)的方向性良好。

3.4 風(fēng)洞動(dòng)壓穩(wěn)定性測(cè)量

我們將L型皮托管布置于風(fēng)洞收縮段出口外100 mm處，測(cè)量示意圖見(jiàn)圖15。皮托管的總壓孔和靜壓孔均通過(guò)軟管連接于Scanivalve壓力掃描閥。壓力掃描閥采集的數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄并讀取。

圖15 L型皮托管測(cè)量風(fēng)洞動(dòng)壓穩(wěn)定性Fig.15 L type pitot tube measuring dynamic pressure stability of wind tunnel

壓力掃描閥的采樣頻率為7.8 Hz，采樣時(shí)間60 s。通過(guò)公式：

計(jì)算風(fēng)洞動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)。其中qmax為采樣時(shí)間內(nèi)動(dòng)壓峰值，Pa；qmin為采樣時(shí)間內(nèi)動(dòng)壓谷值，Pa；不同頻率下的動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)η見(jiàn)表3。

表3 不同頻率下的動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)Table 3 Dynamic pressure stability coefficients under different frequencies

從表3可以看出，風(fēng)洞在各個(gè)頻段內(nèi)，其運(yùn)行的動(dòng)壓穩(wěn)定性均保持在2%以下，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 風(fēng)洞軸向靜壓梯度測(cè)量

由于本風(fēng)洞為直流開(kāi)口式風(fēng)洞，其在軸向上的有效試驗(yàn)區(qū)域范圍需要進(jìn)行標(biāo)定。因此我們采用皮托管沿軸向移動(dòng)的方式確定風(fēng)洞的軸向靜壓梯度。

測(cè)量范圍為風(fēng)洞收縮段出口0～460 mm范圍，測(cè)點(diǎn)間距為20 mm。我們將收縮段出口200 mm處?kù)o壓PC設(shè)為參考點(diǎn)靜壓。

各點(diǎn)靜壓系數(shù)：

式中ξ為皮托管靜壓孔修正系數(shù)，q為參考點(diǎn)動(dòng)壓，Pa；P為各點(diǎn)總壓，Pa。模型區(qū)軸向靜壓梯度由下式計(jì)算獲得：

其中Xi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)距離試驗(yàn)段入口距離，Cpi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的靜壓系數(shù)，m為測(cè)量點(diǎn)數(shù)。用試驗(yàn)段長(zhǎng)度L歸一化后的軸向靜壓梯度為：

不同風(fēng)速條件下，歸一化后的軸向靜壓梯度見(jiàn)表4。

表4 不同頻率下軸向靜壓梯度（長(zhǎng)度歸一化）Table 4 Normalized axial static pressure gradient under different frequencies

從上表可見(jiàn)，該風(fēng)洞在收縮段出口0～460 mm范圍以及設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)，其歸一化軸向靜壓梯度均小于0.02。

4 結(jié)論

1）針對(duì)固定翼農(nóng)用飛行器航空植保作業(yè)環(huán)境，設(shè)計(jì)并建成了IEA-I型高速風(fēng)洞，主要用于航空噴頭噴霧粒徑分布和速度分布的測(cè)量和標(biāo)定。

2）該風(fēng)洞結(jié)構(gòu)為直流開(kāi)口式，試驗(yàn)段直徑為300 mm，最大風(fēng)速可達(dá)98 m/s，風(fēng)機(jī)功率75 kW，能夠模擬高速飛行的農(nóng)用植保固定翼飛機(jī)作業(yè)條件并進(jìn)行相關(guān)噴霧試驗(yàn)。

3）IEA-I型高速風(fēng)洞風(fēng)速和湍流度均采用IFA-300熱線風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示試驗(yàn)段風(fēng)速和變頻器頻率變化成線性相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)曲線為y=0.58x+ 0.13，決定系數(shù)R2=0.967 8。其湍流度在全部風(fēng)速范圍內(nèi)均小于1.0%。

4）IEA-I型高速風(fēng)洞動(dòng)壓脈動(dòng)量和軸向靜壓梯度采用皮托管配合壓力掃描閥進(jìn)行測(cè)量。其動(dòng)壓脈動(dòng)量在全部風(fēng)速范圍內(nèi)均小于2.0%，歸一化軸向靜壓梯度均小于0.02。

5）IEA-I型高速風(fēng)洞流場(chǎng)均勻度和平均氣流偏角均采用高速PIV計(jì)算平均速度場(chǎng)后提取?？梢钥闯鲈诓煌L(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)速變異系數(shù)均小于0.4%，平均氣流偏角均小于0.2°。

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Design and test of IEA-I high speed wind tunnel for aerial plant protection

Tang Qing1,2,Chen Liping1,2※,Zhang Ruirui1,2,Xu Min1,2,Xu Gang1,2,Zhang bin1,3
(1.National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture,Beijing 100097,China; 2.Beijing Key laboratory of Intelligent Equipment Technology for Agriculture,Beijing 100097,China; 3.Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710068,China)

Agricultural aerial spray is one of the most efficient methods for large area plant protection.However,it suffers from the great loss of pesticide droplets,which is caused by the drift.Besides the impact of external environment(wind speed,flight altitude,relative humidity,and so on),the droplet distribution scope generated by the aerial spray nozzle dominates its drift potential.The high speed wind tunnel becomes one of the most important tools for quantitatively evaluating the aerial spray nozzles,because of its repeatability and stability in providing different test conditions.The IEA-I high speed wind tunnel was designed by the authors to estimate the performance of the aerial spray nozzles mounted on the fixed-wing agricultural aircraft.In order to obtain a good flow quality,a low-turbulence wind tunnel design principle wasused to design this wind tunnel.The IEA-I high speed wind tunnel was built up at the National Engineering Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture in Beijing in April 2015.It was an open-circuit blowing type,and composed of power section,flexible section,diffusion section,settling chamber,contraction section and test section.The total length of the wind tunnel was about 7.8 m,the height was about 2 m,and the roughness of the internal faces of the wind tunnel was less than 5 μm.A 75 kW centrifugal blower was used in the power section,which could provide a volume flow rate of 25 161 m3/h at the rated fan speed of 3 000 RPM.A flexible section was used to insulate the wind tunnel body from the vibration of the power section.The diffusion section had a 5°diffusion angle to avoid flow separation.A specially designed hexagon honeycomb of stainless steel and 9 stainless steel screens with carefully selected mesh size were embedded inside the settling chamber.These kinds of structures could reconcile the flow and reduce the flow disturbances in the settling chamber.The contraction section was designed with a 5th power wall surface shape curve,a contraction ratio of 10.24,and an exit diameter of 300 mm.In July 2015,the flow quality of the wind tunnel was tested carefully with hot film,pitot tube and high-speed PIV(particle image velocimetry),which strictly followed the flow field specification on high-speed and lowspeed wind tunnel(GJB1179-1991).The objective of the test was to determine if the wind tunnel could reach its standard of design on speed range,turbulence intensity,flow field uniformity,and so on.The hot film was used to measure the wind speed and the turbulence intensity of the wind tunnel.It was found that the wind speed of the tunnel varied from 7.6 to 98 m/s and the turbulence intensity of the flow was less than 1.0%.There were linear relations between the wind speed of the tunnel and the frequency of the centrifugal blower,and the determination coefficient(R2)was 0.967 8.The high-speed PIV system was used to measure the instantaneous flow field in the test section of the tunnel.The flow field uniformity (coefficient of wind speed variation)under different wind speeds was found to be less than 0.4%and the averaged flow inclination angle was no more than 0.2°.The pitot tube was used to measure the static and dynamic pressures of the flow in the test section.The stability coefficient of dynamic pressure was less than 2.0%.The axial length of the test section was determined to 460 mm and the normalized axial static pressure gradient was no more than 0.02 in this range.After being tested comprehensively,the IEA-I high speed wind tunnel has achieved the design specification,and it can be a suitable test platform for aerial spray nozzles by providing real flight flow field of the fixed-wing agricultural aircraft.

design;flow field;experiments;wind tunnel;aerial;plant protection

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.010

V211.7

A

1002-6819（2016）-06-0073-09

2015-08-03

2015-11-02

植保無(wú)人機(jī)作業(yè)風(fēng)場(chǎng)測(cè)量及霧滴飄移控制技術(shù)研究（GJHZ2015-7）；農(nóng)業(yè)植保無(wú)人直升機(jī)作業(yè)技術(shù)與遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)（D151100001215003）；2015年度科技創(chuàng)新基地培育與發(fā)展專項(xiàng)項(xiàng)目（Z151100001615016）

唐 青，男，湖北武漢人，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)研究。北京 國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，100097。

Email：tangq@nercita.org.cn

※通信作者：陳立平，女，福建惠安人，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)植保、農(nóng)用智能裝備技術(shù)研究。北京 國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，100097。