八旋翼植保無人機(jī)下洗氣流對(duì)霧滴運(yùn)動(dòng)與分布特性的影響

李 雪, 徐 陶, 王 偉,3, 陸岱鵬, 唐玉新, 王士林*,

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，南京 210014；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014；3.江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

近年來，植保無人機(jī)低空低量施藥技術(shù)受到廣泛關(guān)注并取得了全面發(fā)展[1-3]。截至 2020 年底，中國植保無人機(jī)保有量已達(dá)11 萬臺(tái)，作業(yè)面積超過0.65 億公頃[4]。植保無人機(jī)低空施藥有效地解決了中國水田、丘陵山地和高桿作物植保機(jī)械化作業(yè)的瓶頸問題，為推動(dòng)植?，F(xiàn)代化做出了新的貢獻(xiàn)[5]。與傳統(tǒng)地面施藥機(jī)具不同，旋翼植保無人機(jī)作業(yè)時(shí)通過旋翼旋轉(zhuǎn)與空氣相互作用為機(jī)體提供必要的升力，同時(shí)機(jī)體下方的下洗氣流可形成“風(fēng)送”噴霧效果[6-7]。

為了能夠準(zhǔn)確地獲取無人機(jī)旋翼下洗氣流的空間分布，李繼宇等[8-9]設(shè)計(jì)了無人機(jī)立體風(fēng)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)和旋翼下方風(fēng)場(chǎng)測(cè)量平臺(tái)，胡煉等[10]設(shè)計(jì)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人機(jī)風(fēng)場(chǎng)的多點(diǎn)、多方向的實(shí)時(shí)采集。此外，基于數(shù)值模擬研究無人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)分布規(guī)律也成為一種主流方法[11]。為了明確下洗氣流時(shí)空分布規(guī)律，張豪等[12]基于Porous 模型建立了六旋翼植保無人機(jī)懸停施藥下洗氣流時(shí)空分布的三維計(jì)算流體力學(xué) (computational fluid dynamics，CFD) 模型。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所結(jié)合Navier-Stokes 方程與k-ω湍流模型分別針對(duì)單旋翼和六旋翼植保無人機(jī)下洗氣流進(jìn)行了數(shù)值模擬[13-15]。Zhang等[16]通過對(duì)無人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)下霧滴受力分析建立了運(yùn)動(dòng)方程組，并利用Matlab 軟件設(shè)計(jì)了方程求解程序，實(shí)現(xiàn)了霧滴速度和位移等參數(shù)的迭代計(jì)算，并發(fā)現(xiàn)旋翼下洗風(fēng)場(chǎng)是影響霧滴最終速度的最主要因素。以上研究雖對(duì)無人機(jī)旋翼下洗風(fēng)場(chǎng)和霧滴的最終沉降速度進(jìn)行了解析，但缺乏對(duì)霧滴沉降過程中的空中分布與運(yùn)動(dòng)特性的研究。

為探究無人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積分布的影響，研究人員開展了大量的田間試驗(yàn)。許童羽等[17]對(duì)比研究了多旋翼植保無人機(jī)飛行參數(shù)對(duì)霧滴在水稻田沉積分布的影響，發(fā)現(xiàn)作業(yè)過程中的霧滴沉積分布規(guī)律不僅與無人機(jī)的作業(yè)參數(shù)有關(guān)，還與其旋翼風(fēng)場(chǎng)存在顯著的相關(guān)性。陳盛德等[18-19]采用旋翼風(fēng)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)分別對(duì)單旋翼和多旋翼無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)航空噴霧霧滴沉積的影響進(jìn)行了研究，揭示了旋翼下風(fēng)場(chǎng)對(duì)空中霧滴沉積分布的影響機(jī)理，為減少噴霧飄移和提高農(nóng)藥利用率提供了指導(dǎo)依據(jù)。Wang 等[20-22]基于空間質(zhì)量平衡法對(duì)植保無人機(jī)旋翼下方氣流速度和霧滴空間分布進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)旋翼氣流的分布與霧滴沉積規(guī)律密切相關(guān)。王昌陵等[23]對(duì)比研究了不同飛行參數(shù)下八旋翼無人機(jī)下洗氣流場(chǎng)對(duì)霧滴沉積分布特性的影響，結(jié)果表明，豎直向下的旋翼氣流對(duì)霧滴的沉降具有直接促進(jìn)作用，在飛行速度1.0 m/s到3.0 m/s 時(shí)，沉積量與下洗氣流強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)性。此外，Shi 等[24]分析了多旋翼無人機(jī)下洗氣流對(duì)水稻植株動(dòng)力學(xué)行為的影響，發(fā)現(xiàn)旋翼下洗氣流越大，水稻植株的形變?cè)矫黠@，而植株的冠層形態(tài)與霧滴的沉積結(jié)果密不可分。Tang 等[25]使用高速粒子成像測(cè)速系統(tǒng)對(duì)不同旋翼轉(zhuǎn)速下八旋翼無人機(jī)噴霧霧滴的運(yùn)動(dòng)和沉積行為進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明下洗氣流速度不僅影響霧滴的沉積區(qū)域，同時(shí)影響霧滴沉積分布均勻性。由以上研究可知，無人機(jī)的旋翼氣流直接決定了農(nóng)藥霧滴的沉積分布特性。

大量研究表明，由植保無人機(jī)旋翼產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴的運(yùn)動(dòng)行為和沉積分布規(guī)律具有顯著的影響，研究風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴運(yùn)動(dòng)與分布特性的影響對(duì)提高農(nóng)藥霧滴在靶標(biāo)上的附著量、改善霧滴分布均勻性和降低飄移風(fēng)險(xiǎn)具有重要的科學(xué)意義[6]。而在眾多植保無人機(jī)機(jī)型中，多旋翼無人機(jī)由于具有質(zhì)量輕、操作靈活、飛行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，已成為中國植保無人機(jī)市場(chǎng)上的主流機(jī)型[26]。雖然無人機(jī)田間作業(yè)試驗(yàn)可較直觀地反映其旋翼風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積分布的影響，但由于實(shí)際飛行作業(yè)過程中田間自然環(huán)境復(fù)雜，加之受當(dāng)前檢測(cè)設(shè)備條件所限，田間試驗(yàn)難以獲取旋翼風(fēng)場(chǎng)的空間分布規(guī)律[11]。因此，本文基于八旋翼植保無人機(jī)測(cè)定其在懸停狀態(tài)下的旋翼氣流方向與空間分布，并分析旋翼風(fēng)場(chǎng)對(duì)噴霧霧滴的運(yùn)動(dòng)與空間分布特性的影響。

1 材料與方法

1.1 八旋翼植保無人機(jī)

以大疆MG-1P 型八旋翼植保無人機(jī)為研究對(duì)象，其對(duì)稱電機(jī)軸距1500 mm，單臂長度619 mm，旋翼直徑543 mm，機(jī)臂展開時(shí)機(jī)身寬度為1460 mm(不含旋翼)。旋翼系統(tǒng)如圖1 所示，系統(tǒng)由4 條以“X 型”布局的主臂構(gòu)成，各主臂的外端伸展為“Y 型”次臂，主臂和次臂共同構(gòu)成對(duì)稱結(jié)構(gòu)的八旋翼系統(tǒng)。8 個(gè)對(duì)稱布局的無刷電機(jī)分別為其對(duì)應(yīng)旋翼的動(dòng)力來源，飛控系統(tǒng)控制各旋翼的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，共同給機(jī)體提供向上的升力。

圖1 八旋翼系統(tǒng)氣動(dòng)布局示意圖Fig.1 Aerodynamic layout of the eight-rotor system

通過調(diào)整8 個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不同的升力，該無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行姿態(tài)的調(diào)整，懸停狀態(tài)下8 個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速相同，但相鄰旋翼轉(zhuǎn)向相反。在該植保無人機(jī)的俯視圖(圖1) 中，R1 和R2 為機(jī)頭，R5 和R6 為機(jī)尾，R1、R3、R5 和R7 的電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，R2、R4、R6 和R8 的電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在旋翼R3、R4、R7 和R8 的正下方33 cm 處各有一個(gè)XR11001VS 扇形霧噴頭 (TeeJet Technologies，美國)，位于機(jī)身同側(cè)噴頭的安裝距離為56 cm，機(jī)身兩側(cè)噴頭的安裝距離為135 cm。無人機(jī)的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 供試無人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和噴灑參數(shù)Table 1 Basic technical parameters and spraying parameters of the tested UAV

1.2 無人機(jī)旋翼下洗氣流測(cè)試

采用SP500 型三維風(fēng)速風(fēng)向自動(dòng)記錄儀 (意大利 LSI-LASTEM) 對(duì)懸停狀態(tài)下八旋翼植保無人機(jī)的下洗氣流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定。由于無人機(jī)在田間施藥過程中藥箱內(nèi)藥液體積持續(xù)減少，旋翼風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度也隨之變化。為更準(zhǔn)確地對(duì)旋翼風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定并確保電池正常續(xù)航能力的條件下，測(cè)試期間無人機(jī)的藥箱載荷保持為2 L，懸停高度設(shè)定為230 cm，在機(jī)體正下方放置邊長為2 m 的正方體金屬架框選旋翼下洗氣流測(cè)試區(qū)域，并參照?qǐng)D2 所示對(duì)氣流場(chǎng)空間測(cè)試層和測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行劃分。

圖2 下洗氣流空間分布測(cè)試采樣示意圖Fig.2 Sampling diagram of downwash airflow spatial distribution test

為確保各測(cè)試層間旋翼風(fēng)場(chǎng)速度和方向有較明顯差異，并盡可能多地獲取不同測(cè)試層的風(fēng)場(chǎng)分布特性，因此將相鄰測(cè)試截面的層間距設(shè)定為40 cm，共計(jì)5 個(gè)測(cè)試截面 (圖2a)。分別對(duì)無人機(jī)機(jī)體下方不同距離的橫截面進(jìn)行編號(hào)，橫截面由高向低依次標(biāo)號(hào)為L1～L5，L1截面位于機(jī)體正下方50 cm 處 (h= 180 cm)。在每個(gè)測(cè)試截面上分別選取圖2b 中所示Ai、Bi、Ci、...、Mi(i為截面編號(hào)) 共計(jì)13 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，其中Fi為測(cè)試截面的中心點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)Li、Bi、Fi、Ji、Mi的間距為50 cm，測(cè)量點(diǎn)Di、Ei、Fi、Gi、Hi的間距同樣為50 cm。三維風(fēng)速風(fēng)向記錄儀的采樣頻率設(shè)定為1 Hz，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別測(cè)試3 次取平均值，每次測(cè)試時(shí)間不低于30 s。

1.3 霧滴粒徑與速度測(cè)試

為明確該無人機(jī)旋翼下洗氣流對(duì)噴霧霧滴粒徑和速度的影響，分別對(duì)旋翼靜止和懸停狀態(tài)下的霧滴粒徑和速度進(jìn)行測(cè)定。在噴霧壓力為0.3 MPa時(shí)，使用PDIA 霧滴成像測(cè)速系統(tǒng) (VisSize P15，Oxford Lasers) 對(duì)其噴霧霧滴的瞬時(shí)圖像和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，獲取霧滴的粒徑分布和沉降速度。旋翼靜止?fàn)顟B(tài)下的植保無人機(jī)使用金屬桁架固定在高度230 cm 處，懸停狀態(tài)無人機(jī)的載液體積為2 L，懸空高度為230 cm，霧滴成像測(cè)速系統(tǒng)的采樣點(diǎn)設(shè)置與圖2 一致。

為確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)試前在光源面板中緩慢調(diào)節(jié)霧滴成像測(cè)速系統(tǒng)的脈沖間隔，確保測(cè)試點(diǎn)圖像中的霧滴間有一定的間距，以滿足霧滴速度計(jì)算要求。設(shè)定霧滴成像測(cè)速系統(tǒng)的霧滴粒徑測(cè)試范圍為10～1000 μm，霧滴速度范圍為0～15 m/s，單次測(cè)量時(shí)長為10 s，并排除球形度低于0.7 和圖像邊界處的霧滴。每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)測(cè)試3 次，計(jì)算并分析其平均值。

1.4 霧滴空間分布測(cè)試

為探究植保無人機(jī)旋翼下洗氣流對(duì)噴霧霧滴空間分布的影響，在噴霧壓力為0.3 MPa 下，分別對(duì)旋翼靜止和懸停狀態(tài)下的霧滴在不同測(cè)試點(diǎn)的含量進(jìn)行測(cè)定。懸停狀態(tài)下藥箱載藥體積和懸停高度與旋翼下洗氣流測(cè)試保持一致，旋翼靜止?fàn)顟B(tài)下無人機(jī)的固定高度和方法與霧滴粒徑與速度測(cè)量部分一致，霧滴空間分布含量的采樣點(diǎn)與圖2 一致。參照?qǐng)D2b 中同一層的采樣點(diǎn)，使用金屬支架將直徑為90 mm 的一次性培養(yǎng)皿分別固定在采樣點(diǎn)位置用于接收該區(qū)域內(nèi)沉降霧滴，為防止培養(yǎng)皿和支架對(duì)其他測(cè)試層樣品的干擾，測(cè)試應(yīng)分層進(jìn)行。各層采樣點(diǎn)接收沉降霧滴的時(shí)間為10 s，重復(fù)3 次并取平均值。

為對(duì)沉降霧滴進(jìn)行定量，選用食用色素誘惑紅85 (上海染料研究所有限公司) 作為示蹤劑，將其配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2‰的水溶液作為噴霧液。待測(cè)試完成后向培養(yǎng)皿中加入定量體積的去離子水對(duì)示蹤劑進(jìn)行洗脫，使用722s 型紫外可見光分光光度計(jì) (上海儀電分析儀器有限公司) 在501 nm 條件下測(cè)定洗脫液的吸光值。參照國際標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)ISO 24253植保機(jī)械田間噴霧沉積測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[27]，根據(jù)公式 (1)計(jì)算采樣點(diǎn)單位面積霧滴沉積量。

式中βdep為單位面積霧滴沉積量，mL/cm2；Vdil為加入洗脫液的體積，mL；Asmpl為洗脫液的吸光值；Ablk為空白培養(yǎng)皿洗脫液的吸光值；ρspray為噴霧液中示蹤物質(zhì)的質(zhì)量濃度，g/L；Fcal為吸光值與示蹤劑濃度的關(guān)系系數(shù)，μg/L；Scol為霧滴收集器面積，cm2。

同一層采樣區(qū)域內(nèi)霧滴沉積量的變異系數(shù)(CV) 為各采樣點(diǎn)沉積量的標(biāo)準(zhǔn)差與其平均數(shù)的比值，用于評(píng)估采樣區(qū)域內(nèi)沉降霧滴的分布均勻性，數(shù)值越小說明各采樣點(diǎn)霧滴分布越均勻[28]。其計(jì)算公式見公式 (2)。

式中：Xi為第i個(gè)取樣點(diǎn)的測(cè)試值，X為所有取樣點(diǎn)測(cè)試值的平均值，n為取樣點(diǎn)總數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 無人機(jī)旋翼下洗氣流分布測(cè)試結(jié)果

以無人機(jī)機(jī)體正下方F 點(diǎn)為原點(diǎn)，機(jī)頭方向(G 點(diǎn)和H 點(diǎn)) 為0°，按照順時(shí)針方向繪制各測(cè)試層旋翼下洗氣流的極坐標(biāo)等高線圖，將氣流場(chǎng)的范圍設(shè)定至圖層邊界。圖3 為不同測(cè)試層旋翼下洗氣流的分布結(jié)果。當(dāng)測(cè)試高度 (h) 為180 cm 時(shí)，距離F 點(diǎn)40～60 cm 處的氣流速度較強(qiáng)，其下洗氣流核心區(qū)域的平均速度約為8 m/s，而由于機(jī)體對(duì)其正下方區(qū)域的遮擋，靠近F 點(diǎn)區(qū)域的氣流速度較小，其在F 點(diǎn)的風(fēng)速僅為1.12 m/s。

圖3 不同采樣層高度下無人機(jī)旋翼下洗氣流分布Fig.3 Downwash airflow distribution of UAV on different measurement layers

隨著測(cè)試層高度的降低，無人機(jī)旋翼下洗氣流的分布范圍進(jìn)一步擴(kuò)散，當(dāng)測(cè)試層高度為60～140 cm 時(shí)，同一測(cè)試層內(nèi)距離F 點(diǎn)10～70 cm 范圍內(nèi)的風(fēng)速明顯高于其他區(qū)域。同時(shí)，旋翼下洗氣流的強(qiáng)度伴隨測(cè)試層高度的下降略有降低，在測(cè)試層高度為140、100 和60 cm 時(shí)，各層測(cè)試點(diǎn)的最大風(fēng)速分別為7.75、6.95 和6.50 m/s。

當(dāng)測(cè)試層高度下降至20 cm 時(shí)，由于地面的阻擋效應(yīng)致使無人機(jī)旋翼下洗氣流核心區(qū)域再次向外圍擴(kuò)散。此時(shí)，該測(cè)試層內(nèi)各測(cè)試點(diǎn)的氣流速度相對(duì)平均，測(cè)試層內(nèi)各測(cè)試點(diǎn)的平均氣流速度為3.24 m/s，而機(jī)身左右兩側(cè)區(qū)域的平均氣流速度約為4 m/s，略高于其他區(qū)域。

為對(duì)無人機(jī)旋翼下洗氣流方向進(jìn)行表征，選取由測(cè)試點(diǎn)L、B、F、J 和M 在豎直方向構(gòu)成的截面繪制該截面下洗氣流分布矢量圖。結(jié)果 (圖4)顯示，機(jī)體正下方F 點(diǎn)的氣流速度由高到低呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，F(xiàn) 點(diǎn)在最高層和最底層的氣流速度明顯低于中間3 個(gè)測(cè)試層，同時(shí)中間3 層的氣流速度隨著測(cè)試層高度的降低呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。位于機(jī)身左右兩側(cè)的B 點(diǎn)和J 點(diǎn)的氣流速度明顯高于其他區(qū)域，且氣流速度隨著測(cè)試層高度的降低而降低。位于機(jī)身外圍兩側(cè)的L 點(diǎn)和M 點(diǎn)的氣流速度最低，但其在L5層 (h= 20 cm) 的氣流速度最高。

圖4 L-B-F-J-M 截面下洗氣流分布矢量圖Fig.4 Vector diagram of downwash airflow distribution in L-B-F-J-M section

位于無人機(jī)機(jī)身正下方區(qū)域的F 點(diǎn)的氣流速度方向近似于豎直向下，而位于機(jī)體兩側(cè)區(qū)域的氣流呈“先收縮、后擴(kuò)張”的喇叭狀，這一測(cè)試結(jié)果與楊風(fēng)波等[15]基于三維CFD 模型的仿真結(jié)果一致。當(dāng)測(cè)試高度為180 cm 時(shí)，測(cè)試點(diǎn)L 和M 的氣流方向均指向測(cè)試區(qū)域內(nèi)側(cè)斜下方，其與豎直方向的夾角分別為43.6°和49.2°；當(dāng)測(cè)試高度為20 cm 時(shí)，測(cè)試點(diǎn)L 和M 的氣流方向均指向測(cè)試區(qū)域外側(cè)斜下方，其與豎直方向的夾角分別為71.3°和81.5°。整體而言，無人機(jī)機(jī)身兩側(cè)旋翼下洗氣流的速度和方向呈現(xiàn)對(duì)稱分布。

2.2 霧滴粒徑與速度測(cè)試結(jié)果

表2 為不同采樣層高度下噴霧霧滴的速度分布結(jié)果。當(dāng)無人機(jī)旋翼靜止時(shí)，由于噴霧系統(tǒng)所安裝的4 個(gè)噴頭的噴霧扇面均與機(jī)頭方向垂直，因此L1層中距離噴頭安裝距離較遠(yuǎn)的D 點(diǎn)和H 點(diǎn)未檢測(cè)到噴霧霧滴。隨著噴頭下方距離的增大，噴頭的噴霧范圍進(jìn)一步擴(kuò)散，部分霧滴斜向運(yùn)動(dòng)至機(jī)頭和機(jī)尾方向，因此旋翼靜止時(shí)L2至L5層的D 點(diǎn)和H 點(diǎn)檢測(cè)到部分霧滴。但當(dāng)無人機(jī)處于懸停狀態(tài)時(shí)，旋翼高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的下洗氣流將影響霧滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和空間分布[6,12,29]，Tang等[25]也研究發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)可降低噴頭的噴霧角。因此當(dāng)植保無人機(jī)懸停時(shí)，噴頭的噴霧區(qū)域減小，在多個(gè)測(cè)試點(diǎn)未能檢測(cè)到噴霧霧滴，且測(cè)試層的高度越高，未檢出測(cè)試點(diǎn)越多。

表2 不同采樣層高度下噴霧霧滴速度分布Table 2 Droplet velocity distribution on different measurement layers

在無人機(jī)旋翼靜止條件下噴霧霧滴的沉降速度較慢，各測(cè)試層及測(cè)試點(diǎn)的霧滴沉降速度均低于1 m/s。其中：L1層J 點(diǎn)的霧滴速度最高，為0.48 m/s；位于機(jī)身中間區(qū)域的E、F 和G 點(diǎn)的霧滴速度相對(duì)較低，約為0.2 m/s；截面L-B-F-JM 在 L3層上霧滴速度為0.68～0.87 m/s，各測(cè)試點(diǎn)的霧滴速度無顯著差異，且均明顯高于同層其他測(cè)試點(diǎn)；L4和L5層各測(cè)試點(diǎn)的霧滴速度分布規(guī)律與L3層相近。整體而言，旋翼靜止?fàn)顟B(tài)下L3至L5層的霧滴速度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但L5層的各測(cè)試點(diǎn)的霧滴速度相對(duì)接近，此時(shí)霧滴可能達(dá)到勻速下降狀態(tài)。

霧滴在風(fēng)場(chǎng)條件下其運(yùn)動(dòng)特性也將發(fā)生顯著變化[16,30-31]。無人機(jī)懸停狀態(tài)下，其噴霧霧滴的速度均遠(yuǎn)高于相同測(cè)試點(diǎn)下旋翼靜止時(shí)的霧滴速度。L1層的B 點(diǎn)和J 點(diǎn)的霧滴速度分別為8.6 和10.3 m/s，而位于機(jī)身正下方的F 點(diǎn)的霧滴速度僅為3.0 m/s，這一測(cè)試結(jié)果與圖3a 中的下洗氣流分布特性高度吻合。與L1層測(cè)試結(jié)果相似，L2至L5層的霧滴速度分布特性同樣與其對(duì)應(yīng)測(cè)試層的旋翼下洗氣流分布結(jié)果一致。整體而言，由L1至L5層的霧滴速度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這一結(jié)果也與其對(duì)應(yīng)氣流衰減趨勢(shì)相同。由于無人機(jī)機(jī)身的遮擋，F(xiàn) 點(diǎn)的霧滴速度呈先增大后降低趨勢(shì)，其在L1至L5層的速度分別為3.0、6.5、8.3、7.3 和4.0 m/s；對(duì)于同一測(cè)試層而言，位于測(cè)試區(qū)域邊緣的L 點(diǎn)和M 點(diǎn)的霧滴速度最低。這一霧滴速度分布結(jié)果也與圖4 中該截面上的下洗氣流分布特性完全一致。以上結(jié)果表明：無人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)極大地提高了霧滴速度，且霧滴速度分布特性與旋翼風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度高度吻合。

表3 為不同采樣層高度下噴霧霧滴的粒徑測(cè)試結(jié)果。當(dāng)旋翼靜止時(shí)，距離噴頭位置較遠(yuǎn)的D 點(diǎn)和H 點(diǎn)的霧滴粒徑較小，除L4層H 點(diǎn)的霧滴粒徑為74.4 μm 以外，L2至L4層的D 點(diǎn)和H點(diǎn)的霧滴粒徑均在50～60 μm 范圍內(nèi)。相比而言，L5層的D 點(diǎn)和H 點(diǎn)的霧滴粒徑有所增加，分別為93.9 和94.0 μm，這可能是由于近地位置中間區(qū)域較大霧滴向外擴(kuò)散所致。旋翼靜止時(shí)：L1層至L5層F 點(diǎn)的霧滴粒徑分別為82.3、132.0、131.2、145.1 和151.8 μm，其中L2至L5層F 點(diǎn)的霧滴粒徑相對(duì)較大；L1層L 點(diǎn)和M 點(diǎn)的霧滴粒徑分別為80.0 和66.4 μm，除L3層L 點(diǎn)的霧滴粒徑為105.8 μm 以外，L2至L5層的L 點(diǎn)和M 點(diǎn)的霧滴粒徑均高于115.2 μm。王雙雙等[32]對(duì)ST 型扇形噴頭進(jìn)行霧滴粒徑測(cè)試，發(fā)現(xiàn)位于噴霧扇面外側(cè)邊緣位置的霧滴粒徑大于扇面內(nèi)部區(qū)域。而本研究中的L 點(diǎn)和M 點(diǎn)恰巧位于噴霧邊緣位置，而F 點(diǎn)為兩個(gè)扇形噴頭噴霧邊緣重合處。由于L1層位置較高，噴霧扇面暫未完全展開，因此，其霧滴粒徑低于高度較低的測(cè)試層。

表3 不同采樣層高度下霧滴體積中值中徑分布Table 3 Volume median diameter of droplets on different measurement layers/μm

而由于旋翼氣流的影響，無人機(jī)在懸停狀態(tài)時(shí)在較多測(cè)試點(diǎn)并未檢測(cè)到霧滴，尤其是各測(cè)試層的D 點(diǎn)和H 點(diǎn)，但在可檢測(cè)到霧滴的各測(cè)試點(diǎn)的霧滴粒徑均普遍大于旋翼靜止時(shí)的霧滴粒徑，多數(shù)測(cè)試點(diǎn)的霧滴粒徑在200 μm 以上，個(gè)別粒徑較小的測(cè)試點(diǎn)的霧滴粒徑也達(dá)到150 μm 左右。霧滴的霧化是由液膜與空氣間的剪切力造成的，剪切力越強(qiáng)霧化效果越好[33]。王士林等[34]基于電動(dòng)背負(fù)式噴霧器研究，發(fā)現(xiàn)位于噴頭正后方的電動(dòng)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流可顯著增大噴頭霧化的霧滴粒徑。本研究中無人機(jī)旋翼氣流與噴頭的噴霧方向一致，因此猜測(cè)旋翼產(chǎn)生的高速下洗氣流削弱了空氣與噴頭出口處液膜剪切的相對(duì)速度，致使旋翼風(fēng)場(chǎng)條件下霧滴的粒徑變大。此外，無人機(jī)懸停在空中時(shí)機(jī)體會(huì)產(chǎn)生一定程度的震動(dòng)，該震動(dòng)將極有可能影響液泵和管路對(duì)噴霧液輸送的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響噴頭的霧化效果，最終可能會(huì)導(dǎo)致霧滴粒徑增大。

與旋翼停止?fàn)顟B(tài)下霧滴粒徑的分布結(jié)果相似，位于無人機(jī)機(jī)身兩側(cè)噴頭噴霧邊緣重疊處的F 點(diǎn)的霧滴粒徑較大，其在各層的霧滴粒徑均大于200 μm。相比于其他測(cè)試點(diǎn)的霧滴粒徑，位于噴霧邊緣的L 點(diǎn)和M 點(diǎn)的也較大，2 個(gè)測(cè)試點(diǎn)在L2和L3層的霧滴粒徑均大于200 μm，但其在L4層的霧滴粒徑分別降低至181.8 和194.3 μm，其在L5層的粒徑進(jìn)一步下降至151.1 和193.9 μm。結(jié)合圖4 中下洗氣流分布矢量圖可知，氣流自L4層開始向外圍擴(kuò)散，其在擴(kuò)散過程中必將脅迫部分噴霧內(nèi)部區(qū)域的小霧滴向L 點(diǎn)和M 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，致使該2 點(diǎn)在L4和L5層的霧滴粒徑減小。

2.3 霧滴空間分布結(jié)果

表4 為各測(cè)試點(diǎn)噴霧液的沉積分布結(jié)果，可知無論無人機(jī)旋翼處于靜止還是懸停狀態(tài)時(shí)，機(jī)身左右對(duì)稱位置的B 點(diǎn)和J 點(diǎn)的沉積量均最高，位于外側(cè)的L 點(diǎn)和M 點(diǎn)的沉積量次之，相較于其他測(cè)試點(diǎn)位，正下方區(qū)域的F 點(diǎn)的沉積量也較高，D 點(diǎn)和H 點(diǎn)的沉積量最低?；谠摪诵碇脖o人機(jī)噴頭的安裝位置，B 點(diǎn)和J 點(diǎn)分別位于機(jī)身左右兩側(cè)的2 個(gè)噴頭之間且距離噴頭距離最近，L、M 和F 點(diǎn)也位于兩個(gè)噴頭噴霧扇面的中間區(qū)域，但F 點(diǎn)距離噴頭的距離稍遠(yuǎn)。

表4 不同采樣層高度下各測(cè)試點(diǎn)的噴霧液沉積量Table 4 Deposition of spraying liquid on different measurement layers

無人機(jī)懸停狀態(tài)下距離噴頭距離較遠(yuǎn)的測(cè)試點(diǎn) (D、H、E 和G 點(diǎn)) 的沉積量與旋翼靜止時(shí)相應(yīng)測(cè)試點(diǎn)的沉積量相比較為接近。由于測(cè)試點(diǎn)均不在噴頭及其噴霧扇面的正下方區(qū)域，但無人機(jī)懸停時(shí)，霧滴在下洗氣流誘導(dǎo)下易發(fā)生周向運(yùn)動(dòng)至臨近區(qū)域[15]，因此靠近噴頭的幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)的沉積量均明顯高于旋翼靜止時(shí)對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)的沉積量，尤其是位于兩個(gè)噴頭噴霧扇面中間的B、J、L、M 和F 點(diǎn)。無人機(jī)懸停時(shí)B 點(diǎn)和J 點(diǎn)在L1至L4層的沉積量均高于10 μL/cm2，2 個(gè)測(cè)試點(diǎn)在L5層的沉積量也分別達(dá)到了8.77 和6.84 μL/cm2，而當(dāng)旋翼靜止時(shí)，噴霧液在L2層B 點(diǎn)的沉積量最高僅為7.32 μL/cm2。同理，無人機(jī)懸停時(shí)，噴霧液在F、L 和M 點(diǎn)的沉積量也高于旋翼靜止時(shí)，但隨著測(cè)量層高度的降低，兩種噴霧狀態(tài)下噴霧液的沉積量差異性降低。

由表4 可知，無人機(jī)噴霧霧滴主要集中于LB-F-J-M 截面附近，該截面的霧滴分布效果直接決定了植保無人機(jī)施藥時(shí)的有效噴幅和均勻性。因此分別計(jì)算無人機(jī)旋翼靜止和懸停噴霧時(shí)該截面上噴霧液的平均沉積量、沉積量的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。結(jié)果(表5)顯示，由于旋翼氣流的誘導(dǎo)作用，導(dǎo)致大量霧滴沉積到該截面上。當(dāng)無人機(jī)懸停時(shí)，霧滴在L1至L4層的平均沉積量均在8 μL/cm2以上；而旋翼靜止時(shí)，霧滴在L3層的平均沉積量最高為4.81 μL/cm2。但旋翼靜止時(shí)，霧滴在L1至L4層沉積量的標(biāo)準(zhǔn)差均低于懸停時(shí)，說明因無人機(jī)旋翼下洗氣流不穩(wěn)定而降低了測(cè)量的重復(fù)性。無人機(jī)懸停時(shí)，霧滴在L5層的平均沉積量為5.85 μL/cm2，略高于旋翼靜止時(shí)的4.69 μL/cm2，同時(shí)懸停時(shí)霧滴在該層的標(biāo)準(zhǔn)差低于旋翼靜止時(shí)的。

表5 L-B-F-J-M 截面各測(cè)試層噴霧液的平均沉積量、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)Table 5 Average deposition, standard deviation, and coefficient of variation of spraying liquid on each measurement layer of L-B-F-J-M section

此外，無人機(jī)旋翼產(chǎn)生的下洗氣流也可以改善霧滴在該截面的沉積分布均勻性。當(dāng)旋翼靜止時(shí)，霧滴在L1層沉積量的變異系數(shù)高達(dá)89.31%，其在L2至L4層的變異系數(shù)均為60%左右；而當(dāng)懸停時(shí)霧滴在L1至L4層的變異系數(shù)均為50%左右。霧滴在接近地面位置 (L5層) 的沉積分布均勻性最好。旋翼靜止時(shí)，霧滴在該層沉積量的變異系數(shù)為51.81%；而懸停時(shí)，由于旋翼氣流在近地附近向外圍擴(kuò)散形成地面鋪展[12]進(jìn)一步提高了霧滴分布均勻性，其變異系數(shù)降低至36.87%。

3 結(jié)論

本研究采用三維風(fēng)速風(fēng)向自動(dòng)記錄儀對(duì)懸停狀態(tài)下大疆MG-1P 型八旋翼植保無人機(jī)的下洗氣流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)比分析了旋翼氣流對(duì)噴霧霧滴的速度、粒徑和沉積分布均勻性的影響。結(jié)果表明，無人機(jī)旋翼下洗氣流的強(qiáng)度隨測(cè)試層高度的下降而降低并向外圍擴(kuò)散，當(dāng)高度降至20 cm時(shí)各測(cè)試點(diǎn)的氣流速度較為均勻，其平均速度為3.24 m/s。整體而言，無人機(jī)旋翼下洗氣流的速度和方向呈對(duì)稱分布，位于機(jī)體正下方的氣流速度方向近似于豎直向下且呈先增加后減小的趨勢(shì)，位于機(jī)體兩側(cè)區(qū)域的氣流呈“先收縮、后擴(kuò)張”的喇叭狀。無人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)在增大了霧滴的沉降速度和粒徑的同時(shí)也提高了噴霧霧滴在近地處 (20 cm)的沉積量和分布均勻性。本研究可對(duì)多旋翼植保無人機(jī)下洗氣流優(yōu)化、霧流場(chǎng)與氣流場(chǎng)的耦合以及提高噴霧液的利用率和分布均勻性提供參考。