基于Porous模型的多旋翼植保无人机下洗气流分布研究

摘要

植保无人机进行果树施药时,果树冠层周围及内部的下洗气流时空分布对雾滴的附着和分布有重大影响,为明确无人机下洗气流时空分布规律,针对六旋翼植保无人机,结合RANS方程、RNGk-ε湍流模型、Porous模型、滑移网格技术及SIMPLE算法,建立了六旋翼植保无人机悬停施药下洗气流时空分布的三维CFD模型.数值模拟结果表明:无果树时,旋翼下洗气流近似呈“圆柱形”向下发展,到达地面后形成地面铺展,在旋翼正下方0.6～1.7m区域内出现速度范围为3.0 ～4.0 m/s的“Z方向(竖直向下)速度稳定区”;有果树时,冠层对旋翼下洗气流有明显的阻挡作用,不再出现“Z方向速度稳定区”.以本文模拟的3棵果树为例,Ⅰ号果树冠层周围气流从冠层上半部区域开始呈“圆锥形”向下发展,以一倾斜角发展到地面形成小范围地面铺展,地面铺展末端出现近地面卷扬,Ⅱ、Ⅲ号果树冠层周围气流卷扬严重,在计算区域内无明显地面铺展;旋翼中心正下方Z方向速度最大接近8 m/s,随着冠层压力损失系数的增大,旋翼中心正下方Z方向速度衰减加快,同时旋翼气流向四周产生扩散;计算冠层内部Z方向最大速度衰减比发现,除Ⅲ号果树冠层下半部,无果树和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号果树冠层内部Z方向最大速度衰减比依次增大.试验表明,无果树时旋翼正下方0.3、0.8、1.3、1.8m处和近地面2.3m处试验值与模拟值的相对误差分别在10％以内和不大于25％,总体拟合优度0.984 6,数值模拟准确;试验果树与模拟果树冠层内部的气流速度分布规律具有很好的一致性.