單旋翼無(wú)人機(jī)流場(chǎng)分布特征及作業(yè)性能試驗(yàn)研究

邊永亮，李建平，王鵬飛，劉洪杰，楊 欣

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000）

丘陵山地占我國(guó)國(guó)土面積的近70%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以經(jīng)濟(jì)果林作物為主，受地形條件限制，現(xiàn)代化地面作業(yè)農(nóng)機(jī)通行困難，丘陵山地的機(jī)械化程度遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平［1］。目前，我國(guó)植保機(jī)械以手動(dòng)和半機(jī)械化為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，發(fā)生中毒事故的概率高［2］。植保無(wú)人機(jī)作為1 種新型植保機(jī)械，搭載全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化作業(yè)，省水省藥，受地理?xiàng)l件限制較少，其靈活性恰好與我國(guó)作物種植面積碎塊化的國(guó)情相適應(yīng)［3］。植保無(wú)人機(jī)在水田、高桿作物間作業(yè)和應(yīng)對(duì)爆發(fā)性病蟲(chóng)害等方面已經(jīng)表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢(shì)，而且可以應(yīng)對(duì)農(nóng)村勞動(dòng)力減少的問(wèn)題［4-6］。為了保證我國(guó)農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展，加快農(nóng)業(yè)機(jī)械化和現(xiàn)代化進(jìn)程，植保無(wú)人機(jī)作業(yè)取代傳統(tǒng)的人工噴霧機(jī)適應(yīng)了當(dāng)前農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的要求，其低空低量的噴霧技術(shù)極大地提高了我國(guó)植保機(jī)械化水平［7］。在無(wú)人機(jī)旋翼下方有劇烈湍流的情況下，表現(xiàn)出良好的霧滴葉背附著性能［8］。針對(duì)氣象條件和人為因素對(duì)無(wú)人機(jī)施藥作業(yè)性能影響很大，農(nóng)藥施用后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和地面沉降難以確定。農(nóng)藥液體在復(fù)雜氣流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)和沉積規(guī)律難以確定，導(dǎo)致農(nóng)藥利用率低、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降等問(wèn)題［9］以及農(nóng)用無(wú)人機(jī)噴霧液滴的運(yùn)動(dòng)和沉積受旋翼復(fù)雜流場(chǎng)的影響［10］。張豪等結(jié)合RNGκ-ε湍流模型、多孔介質(zhì)模型和滑移網(wǎng)格技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建虛擬果園，對(duì)六旋翼植保無(wú)人機(jī)懸停果樹(shù)施藥時(shí)的氣流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析在無(wú)人機(jī)不同懸停高度、不同果樹(shù)生長(zhǎng)階段和不同自然風(fēng)速下的氣流場(chǎng)分布特征，并進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)氣流速度測(cè)試試驗(yàn)［11］。Tan Y 等在ANSYS 軟件中采用非結(jié)構(gòu)四面體單元對(duì)物理模型和流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)六旋翼無(wú)人機(jī)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，隨著懸停高度的增加，地面效應(yīng)減小，最小流速先增大后減小，湍流所占的空間比例降低，確定了最佳懸停高度［12］。Tang Q 等采用高速粒子圖像測(cè)速技術(shù)代替現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)流場(chǎng)中不同轉(zhuǎn)速或不同橫向注入點(diǎn)下的液滴運(yùn)動(dòng)和沉積進(jìn)行了測(cè)量［13］。 陶波等探究不同作業(yè)狀態(tài)及環(huán)境對(duì)植保無(wú)人機(jī)霧滴分布影響，通過(guò)田間生物活性試驗(yàn)和田間雜草防效調(diào)查，分析了植保無(wú)人機(jī)最佳作業(yè)狀態(tài)［14］。

無(wú)人機(jī)在大田植保作業(yè)中應(yīng)用廣泛，而在果園植保中的應(yīng)用正處于研究應(yīng)用階段。本研究以紡錘形梨樹(shù)為著藥模型，分析Z-3N 單旋翼油動(dòng)植保無(wú)人機(jī)在最佳施藥狀態(tài)下的旋翼下壓流場(chǎng)特征，進(jìn)行梨園施藥作業(yè)田間試驗(yàn)、分析霧滴在梨樹(shù)冠層上的沉積效果，從而驗(yàn)證其在梨園的適用性。

1 旋翼流場(chǎng)分布特征研究

1.1 試驗(yàn)機(jī)型及搭載設(shè)備

試驗(yàn)機(jī)型為廣西農(nóng)博士農(nóng)業(yè)服務(wù)有限公司提供的Z-3N 型單旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)人機(jī)），由無(wú)人直升機(jī)、地面設(shè)備和噴灑設(shè)備組成，其中無(wú)人直升機(jī)采用單旋翼帶尾槳布局形式，動(dòng)力系統(tǒng)采用油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。飛行過(guò)程中傳感器可以及時(shí)準(zhǔn)確地提供姿態(tài)、位置等信息，飛行控制系統(tǒng)有速度飛行、半自動(dòng)飛行和程控飛行3 種模式，具有一鍵飛行、電子圍欄和航線自主規(guī)劃等功能，方便作業(yè)人員快速高效安全地進(jìn)行植保作業(yè)。無(wú)人機(jī)的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)人機(jī)的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)Table 1 Technical parameters of the UAV

1.2 旋翼流場(chǎng)分布特征分析

1.2.1 無(wú)人機(jī)作業(yè)模型 利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析方法模擬無(wú)人機(jī)的旋翼下壓流場(chǎng)分布特征，是定性和定量分析噴霧霧滴分布特性的1 種方法。利用Autodesk Inventor Professional（AIP）對(duì)無(wú)人機(jī)建模（見(jiàn)圖1(a)），因初步只對(duì)旋翼下壓流場(chǎng)氣流進(jìn)行研究，故該無(wú)人機(jī)未涉及噴霧系統(tǒng)。5 年生秋月梨樹(shù)樹(shù)形主要為紡錘形，種植行距3 ～4 m，株距1.0 ～1.5 m。樹(shù)層大致分3 層，下層段長(zhǎng)約為100 cm、中層段長(zhǎng)70 ～80 cm、上層段長(zhǎng)50 ～60 cm。依據(jù)樹(shù)形的外形特性，繪制梨樹(shù)全葉狀態(tài)模型（見(jiàn)圖1(b)）。

圖1 無(wú)人機(jī)逆向建模(a)和梨樹(shù)模型(b)Fig.1 UAV reverse modeling and pear tree model

數(shù)值模擬過(guò)程中將無(wú)人機(jī)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，忽略無(wú)人機(jī)機(jī)身、起落架、機(jī)臂及噴霧系統(tǒng)等其他部件影響，只考慮旋翼的存在，以使計(jì)算機(jī)資源與數(shù)值求解準(zhǔn)確性達(dá)到平衡。機(jī)身的忽略可能對(duì)原藥箱所在處的氣流場(chǎng)造成影響，但旋翼距機(jī)身的水平距離一般較遠(yuǎn)，不影響氣流的向下發(fā)展，且已有研究發(fā)現(xiàn)這種簡(jiǎn)化對(duì)旋翼氣流的整體發(fā)展演變影響不大［15］，簡(jiǎn)化后模型（見(jiàn)圖2）可用于旋翼下壓氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究。

圖2 無(wú)人機(jī)在梨園內(nèi)施藥作業(yè)模擬場(chǎng)景Fig.2 Simulation scene of drone spraying operation in pear orchard

1.2.2 旋翼流場(chǎng)分析理論依據(jù) 流體運(yùn)動(dòng)的基本控制方程主要有質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和湍流動(dòng)能方程。

（1）質(zhì)量守恒方程

式中ρ為流體的密度，kg/m3；ui為流體速度沿i方向的分量，m/s；xi為i方向的坐標(biāo)；t為時(shí)間，s。

（2）動(dòng)量守恒方程

式中ρ——靜壓力，N；xj為j方向的坐標(biāo)；uj為流 體速度沿j方向的分量，m/s；τij為應(yīng)力矢量，N/m2；gi為i方向的重力分量，N；Fi為由阻力和能源而引起的其他能源項(xiàng)，N。

（3）能量守恒方程

式中：h為熵；T為溫度，℃；k為分子傳導(dǎo)率；ki為由湍流傳遞而引起的傳導(dǎo)率；Sh為定義的體積源。

（4）湍流動(dòng)能方程

式中μ1為層流黏度系數(shù)；μt為湍流黏度系數(shù)；Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，J；ε 為湍流動(dòng)能耗散率，%。

1.2.3 工作流程模擬計(jì)算 “STAR-CCM+”［16］的工程流程為：導(dǎo)入表面→表面準(zhǔn)備→邊界條件設(shè)置→網(wǎng)格設(shè)置→物理設(shè)置→求解器設(shè)置和后處理。

（1）網(wǎng)格設(shè)置與處理

流場(chǎng)空間由螺旋槳和2 棵梨樹(shù)模型組成（見(jiàn)圖5）。在CFD 模擬中，圖中的所有固體部分都在流場(chǎng)中移除。根據(jù)無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)和尺寸，將整個(gè)流場(chǎng)分為旋轉(zhuǎn)區(qū)和固定區(qū)。無(wú)人機(jī)的機(jī)翼直徑為3.2 m，考慮到要模擬的空間大小，總風(fēng)場(chǎng)直徑設(shè)置為3.2 m；根據(jù)梨樹(shù)高度為4.0 m，設(shè)定無(wú)人機(jī)飛行高度為7 m。在STAR-CCM+工程軟件中對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行劃分，圖3顯示了整個(gè)流場(chǎng)的劃分，其中中間部分是無(wú)人機(jī)的旋轉(zhuǎn)域。上風(fēng)場(chǎng)與下風(fēng)場(chǎng)之間為邊界區(qū)。模型網(wǎng)格的構(gòu)建基于圖4 的模型空間進(jìn)行流場(chǎng)劃分，采用非結(jié)構(gòu)四面體單元。

圖3 網(wǎng)格處理后的模型Fig.3 Model after mesh processing

（2）物理模型選擇

求解計(jì)算時(shí)主流區(qū)域的入口邊界為滯止入口邊界條件，出口邊界為壓力出口，流體為空氣。旋翼旋轉(zhuǎn)域處理為3 600 r/min。湍流模型選擇為標(biāo)準(zhǔn)κε 模型［16］。設(shè)置完成后執(zhí)行計(jì)算，整理結(jié)果獲得不同基準(zhǔn)尺寸對(duì)整機(jī)流場(chǎng)計(jì)算求解的影響如圖5 所示。

（3）計(jì)算結(jié)果

無(wú)人機(jī)下壓流場(chǎng)分布特征主要依據(jù)流場(chǎng)作用在樹(shù)形上的壓力分布和速度狀態(tài)。旋翼風(fēng)場(chǎng)作用下的壓力云圖如圖4(a)所示，梨樹(shù)受藥面的壓強(qiáng)分布：上層＞中層＞下層，下層最低壓強(qiáng)在3.54 N/m2以上，中上層的風(fēng)壓在40.31 N/m2以上，且風(fēng)壓均布在梨樹(shù)受藥側(cè)，噴霧霧滴受風(fēng)壓影響會(huì)較好地附著到果樹(shù)冠層。旋翼產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)可以較好地傳遞到果樹(shù)下層，且上層、中層的效果顯著。

圖4 旋翼風(fēng)場(chǎng)作用的壓力云圖Fig.4 Pressure cloud diagram of rotor downwind field and speed vector of rotor downwind

無(wú)人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)作用的速度矢量圖如圖4(b)所示，旋翼風(fēng)場(chǎng)作用到果樹(shù)上的風(fēng)速和流向可以說(shuō)明，風(fēng)場(chǎng)可以將噴霧霧滴較好地送到果樹(shù)上，傳遞到果樹(shù)上的風(fēng)速最小為3 m/s 以上，3 m/s 以上的速度可以抵御自然風(fēng)速產(chǎn)生的影響，可以讓樹(shù)葉翻動(dòng)，有助于霧滴更好地附著在葉片背面。由于行間距的存在，旋翼產(chǎn)生的風(fēng)速在行間縮減緩慢，會(huì)有大量霧滴會(huì)被吹到行間，可能導(dǎo)致行間漂移加大，但這種影響可以通過(guò)調(diào)節(jié)噴頭位置而減小。

無(wú)人機(jī)的風(fēng)場(chǎng)不僅可以改變液滴的沉積區(qū)、影響液滴的分布，也會(huì)影響液滴的沉積均勻性。由仿真結(jié)果可知，該機(jī)型旋翼風(fēng)場(chǎng)在梨樹(shù)受藥側(cè)的風(fēng)壓分布及大小和風(fēng)速大小及風(fēng)向滿(mǎn)足施藥要求，有助于助推霧滴到達(dá)梨樹(shù)葉面葉背。為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果，設(shè)置如下無(wú)人機(jī)在梨園的施藥試驗(yàn)。

2 材料與方法

2.1 材料

采用重慶六六山下植?？萍加邢薰旧a(chǎn)的水敏紙檢測(cè)霧滴；型號(hào)為EPSON PERFECTION 1670激光掃描儀掃描處理水敏紙；精創(chuàng)RC-4 濕度測(cè)試儀測(cè)量環(huán)境濕度；?，擜S856S 風(fēng)速測(cè)試儀測(cè)量風(fēng)速等。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程及方法

2.2.1 試驗(yàn)環(huán)境 供試?yán)鎴@為河北省邢臺(tái)市威縣綠色A 級(jí)梨產(chǎn)業(yè)園區(qū)。以5 年生秋月梨樹(shù)為試驗(yàn)對(duì)象，株距1.0 ～1.5 m、行距4.0 m，樹(shù)高3.5 ～4.0 m，紡錘形樹(shù)冠，寬行密植，南北走向，梨園采用水肥一體化灌溉；環(huán)境溫度15 ℃，環(huán)境濕度45%，環(huán)境風(fēng)速1 ～2 級(jí)。試驗(yàn)時(shí)間為2019 年10 月21 日14:00-16:30，噴灑液體為純水。

2.2.2 采樣布置 靶標(biāo)果樹(shù)選擇樹(shù)形規(guī)整、枝繁葉茂的6 棵樹(shù)為試驗(yàn)樣本，在同一行間的兩行取樣，取樣時(shí)隔1 棵取樣，這樣可以防止樣本離得太近的相互干擾。試驗(yàn)果樹(shù)行長(zhǎng)度為20 m，按照“留白距離”的方法進(jìn)行選擇放置水敏紙的果樹(shù)［17］，6 棵靶標(biāo)樹(shù)分別從南到北編號(hào)為T(mén)1 ～T6。靶標(biāo)樹(shù)距離地頭分別為4 、5.2 、6.4、7.6、8.7、10.1 m。放置水敏紙的樹(shù)木冠層高度：下層離地高度在0.7 m，中層在1.8 m，上層在3.2 m，果樹(shù)樹(shù)層劃分見(jiàn)圖5。

圖5 梨樹(shù)樹(shù)層劃分示意圖Fig.5 Schematic diagram of the division of the fruit tree layer

梨樹(shù)樹(shù)形呈紡錘形，上面冠層薄，下面冠層逐漸增厚。為了測(cè)量出藥液的穿透情況和了解藥液的附著情況，按照樹(shù)形規(guī)律均勻布置水敏紙。故采用將1 棵樹(shù)在縱向分為上層、中層、下層。這樣劃分可將樹(shù)形實(shí)現(xiàn)較好的擬合劃分，可大致表征果樹(shù)的藥液附著情況。

2.2.3 試驗(yàn)過(guò)程 在測(cè)試果園中選擇樹(shù)行和靶標(biāo)樹(shù)，張貼好水敏紙后進(jìn)行無(wú)人機(jī)的噴霧作業(yè)試驗(yàn)。作業(yè)場(chǎng)景見(jiàn)圖6。

圖6 無(wú)人機(jī)在梨園噴灑作業(yè)Fig.6 The UAV spraying operation in pear orchard

2.2.4 數(shù)據(jù)處理 通過(guò)Image-master 軟件進(jìn)行霧滴信息采集。將掃描好的文件導(dǎo)入到軟件，經(jīng)區(qū)域選取、提取分析區(qū)域、調(diào)節(jié)區(qū)域前進(jìn)背景的像素，設(shè)置參數(shù)Sigma、Weight 均為5，然后經(jīng)閾值調(diào)節(jié)將前景背景剝離，再經(jīng)“去除前景”、“降噪處理”等步驟之后，軟件將自行分析出霧滴直徑參數(shù)、總霧滴數(shù)、霧滴沉積覆蓋率等。而后進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總分析并進(jìn)行圖表繪制。

（1）霧滴體積中值直徑

霧滴大小以體積中值直徑（VMD）表示，采用式（5）計(jì)算：

式中：VMD為體積中值直徑，μm；Dmax為最大霧滴直徑，μm；F為折合系數(shù)（F=2.2）。

（2）霧滴分布均勻度

霧滴分布均勻度以霧滴覆蓋密度的變異系數(shù)表示，由各個(gè)采樣點(diǎn)的霧滴覆蓋密度計(jì)算得出，變異系數(shù)越小，霧滴分布越均勻，變異系數(shù)（CV）采用式（6）計(jì)算、標(biāo)準(zhǔn)差S采用式（7）計(jì)算：

式中：CV為變異系數(shù)，%；SD為標(biāo)準(zhǔn)差；X為霧滴平均覆蓋密度，滴/cm2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 霧滴沉積覆蓋率

植保機(jī)械作業(yè)時(shí)，目標(biāo)物上霧滴所覆蓋的面積與目標(biāo)物總面積的比值稱(chēng)為覆蓋率，是評(píng)價(jià)作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo)［18］。利用計(jì)算機(jī)圖像分析系統(tǒng)（Image-master 軟件）可直接讀出水敏紙樣片的霧滴沉積覆蓋率［19-20］。6 棵靶標(biāo)樹(shù)各冠層平均霧滴沉積覆蓋率見(jiàn)表2。

表2 果樹(shù)冠層平均霧滴沉積覆蓋率Table 2 Average droplet deposition coverage of pear canopy

無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)后的靶標(biāo)果樹(shù)上層葉面平均覆蓋率為2.97% ～14.98%，均值為9.31%；葉背為0.75%～1.95%，均值為1.34%。中層葉面平均覆蓋率為2.83% ～12.17%，均值為10.79%；葉背為0.44%～5.56%，均值為3.46%。下層葉面為 1.29% ～4.34%，均值為2.47%；葉背為0.38% ～ 3.46%，均值為1.58%。中層和上層的覆蓋率較為接近，但下層的覆蓋率較低。葉背的覆蓋率分布上層和下層的值接近，說(shuō)明無(wú)人機(jī)旋翼的風(fēng)場(chǎng)越強(qiáng)，距離風(fēng)場(chǎng)越近，霧滴沉積覆蓋率越高。中層葉面葉背的霧滴沉積效果較好，說(shuō)明風(fēng)速風(fēng)壓太大或太弱對(duì)霧滴沉積覆蓋率有影響，在適宜風(fēng)速風(fēng)壓下，霧滴沉積覆蓋率才可能達(dá)到最優(yōu)效果。

3.2 霧滴分布均勻性

由公式（5）、（6）、（7）計(jì)算得出噴灑的果樹(shù)冠層霧滴體積中值直徑及霧滴分布均勻度如表3 所示。

表3 各冠層霧滴分布均勻性Table 3 Uniformity of droplet distribution in each canopy

無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)后，靶標(biāo)果樹(shù)冠層葉面的平均體積中值直徑為上層＞中層＞下層，葉背的平均體積中值直徑為中層＞上層＞下層。從變異系數(shù)來(lái)看，中層的葉面附著的霧滴分布比上層和下層均勻，上層的葉背附著的霧滴分布比下層和中層均勻。各層葉背的霧滴分布均勻度在11.51%～19.52%，綜合來(lái)看，無(wú)人機(jī)的葉面變異系數(shù)整體大于葉背的，說(shuō)明無(wú)人機(jī)噴灑的霧滴在葉背的霧滴分布較為均勻。

4 結(jié)論

為探究Z-3N 單旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)在梨園的作業(yè)效果，模擬分析了該無(wú)人機(jī)的旋翼下壓風(fēng)場(chǎng)，并試驗(yàn)其噴灑的霧滴在梨樹(shù)冠層沉積情況：

（1）單旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行果樹(shù)施藥，懸停高度7.0 m，無(wú)自然風(fēng)時(shí)，旋翼產(chǎn)生的氣流向四周的擴(kuò)散作用較強(qiáng)。旋翼下壓風(fēng)場(chǎng)分布較為均勻，壓強(qiáng)分布為上層＞中層＞下層，下層最低壓強(qiáng)為3.54 N/m2， 說(shuō)明旋翼下壓風(fēng)場(chǎng)可以較好地穿透到果樹(shù)下層，且風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速可以達(dá)到噴霧要求。

（2）霧滴沉積覆蓋率在各冠層葉面葉背沉積分布情況為中層≥上層＞下層，無(wú)人機(jī)的霧化相對(duì)均勻，霧滴分布均勻度較高且噴灑的葉背的霧滴分布更加均勻，霧滴分布均勻度為中層最優(yōu)，上層優(yōu)于下層。

（3）中層葉面葉背的霧滴沉積效果較好，說(shuō)明風(fēng)速風(fēng)壓太大或太弱對(duì)霧滴沉積覆蓋率都有影響；在適宜風(fēng)速風(fēng)壓下，霧滴沉積覆蓋率才可能達(dá)到最優(yōu)效果。適宜的風(fēng)速風(fēng)壓范圍有待進(jìn)一步研究。