CN102915395A - 基于模型的直升机航空施药飘移预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模型的直升机航空施药飘移预测方法，属于农用航空施药技术领域。该方法模拟农用直升机和喷嘴的雾化面，确定预测域和预测域的边界条件，并运行Fluent，得出施药直升机行进及旋翼产生的气流受到机身阻挡后在雾化面形成的风场，通过迭代运算，模拟边界条件下预测域各网格内的药液浓度和药液密度变化，获得药液雾滴的沉积分布，完成直升机的航空施药飘移预测。本发明将CFD思想引入到农用航空施药技术领域，可以快速有效地模拟即将进行的航空施药药液沉积分布情况及飘移范围等，从而为准确、安全、便捷评估农业航空施药作业创造条件。

Description

基于模型的直升机航空施药飘移预测方法

技术领域

本发明涉及一种航空施药飘移预测方法，属于农用航空施药技术领域。

背景技术

农业航空在上世纪得到了长足的发展，而随着人们对生态环境的越来越重视，进入本世纪以来，不再一味地追求航空施药的高效性，而同时考虑到航空施药的安全性和对环境的污染问题，而航空施药的农药飘移是最为突出的问题。

通过对药液雾滴的收集，检测航空施药的农药飘移量，确定安全施药带，在农业航空施药的时候能够有效地避免对非施药区域的环境污染以及人身安全的危害。传统方法是在试验或作业场地空中，设置方向与飞行方向垂直架设聚乙烯线（筒形）、地面按照一定的行间距大量放置采样卡或水敏纸等，进行药液雾滴或示踪剂的收集，再通过专业设备仪器如荧光光度计等对所收集的药液或示踪剂进行沉积量分析，从而确定药液雾滴的飘移距离和浓度，这样的方法简单有效，但是需要消耗大量的人力物力，且设备价格昂贵，操作专业性强。另外，上述方法都仅局限于在航空施药作业之后，对药液雾滴的沉积分布量数据进行采集，再进一步分析农药飘移范围，工作量大，且缺乏时效性和预测性。目前亟需找到一种操作简易、成本低廉，而且准确度较高的方法，能够在航空施药作业之前对药液雾滴飘移进行预测，评估农业航空施药作业的安全性。

我国农业航空发展正处于起步且蓬勃发展阶段，在航空施药安全意识和评估手段上与国外发达国家相比差距很大。据申请人了解，我国国内至今没有见到相关航空施药飘移模型的文献。因此找到一种适合我国国情的农用航空施药飘移预测方法十分重要。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种基于模型的直升机航空施药飘移预测方法，该方法可以快速有效地模拟即将进行的航空施药药液沉积分布情况及飘移范围等，从而为准确、安全、便捷评估农业航空施药作业创造条件。

目前，美国ANSYS集团的CFD商业软件FLUENT ( Aavid Thermal Technologies, Inc.开发)用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到足够的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面已得到广泛应用。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于模型的直升机航空施药飘移预测方法，在载有Fluent软件包的计算机中，按以下步骤进行预测：

第一步、模拟直升机——实测施药直升机机身曲面参数，输入计算机，进行网格化处理，生成机身网格图；

第二步、模拟喷嘴雾化面——根据安装在施药直升机机身上的喷嘴个数以及喷嘴之间的距离，按下式确定喷嘴的喷量：

上式中

为喷量（单位为升），

为每亩所需喷量（单位为升/亩），

为作业面积（单位为亩），是直升机作业飞行速度（单位为米/秒），

是直升机作业有效喷幅（单位为米），

是时间（单位为秒）；

并测得雾滴粒径的尺寸，然后将喷嘴的喷量和雾滴粒径的尺寸输入计算机，生成预定分隔精度的喷嘴雾化面网格图；

第三步、确定预测域——以施药直升机旋翼轴中心线与机身上平面交点为基准点，以距所述上平面5±0.5和8±0.5倍旋翼直径的平面分别为上边界和下边界，以距所述中心线15±1倍的旋翼直径圆周面为周向边界，建立圆柱形预测域，并生成预定精度的预测域网格图；

第四步、输入预测域边界条件——将实测外界风速、温度、压力以及喷嘴内的药液浓度和药液密度输入计算机，作为边界条件；

第五步、预测航空施药飘移——运行Fluent，得出施药直升机行进及旋翼产生的气流受到机身阻挡后在雾化面形成的风场，通过迭代运算（例如高斯-赛德尔迭代法），模拟边界条件下预测域各网格内的药液浓度和药液密度变化，获得药液雾滴的沉积分布，完成直升机的航空施药飘移预测。

在本发明中，喷嘴的开口底面为喷射面，雾化面为垂直于喷射轴线的一定距离上雾滴组成的平面。

本发明创造性的将CFD（计算流体力学）思想引入到农用航空施药技术领域，对实际的直升机尺寸进行线性化和拟合，结合实时的作业参数，实现了对航空施药作业的药液飘移情况的预测。

对上述技术方案的改进是：在第一步、第二步及第三步中均使用贴体坐标法生成机身、雾化面以及预测域的网格图。

对上述技术方案的进一步改进是：在第三步中确定预测域的方法为，以直升机旋翼轴中心线与机身上平面交点为基准点，所述预测域的上边界距直升机5倍旋翼直径距离，预测域的下边界面距直升机8倍旋翼直径距离，预测域的周向边界面距离直升机15倍旋翼直径距离。

预测域选取的目的是取到受影响的流场区域，预测域选取如果过小，则仿真出的最终结果不准确，不能够完全体现药液雾滴飘移的距离；预测域选取如果过大，会造成运算的时间过长，对资源造成浪费。

对上述技术方案的再进一步改进是：在第五步中采用高斯-赛德尔算法对预测域进行迭代计算，在网格化后的预测域上使用有限体积法将所述控制方程离散成线性方程组，并求解离散得到的线性方程组。

对上述技术方案的更进一步改进是：在执行第一步前，对实测的直升机的机身生成曲面，具体方法如下：

A、对机身用非均匀有理B样条（NURBS）曲线进行过度；

B、对应边界进行相容性处理；

C、生成NURBS的u向和v向直纹面；

D、生成基于NURBS的张量积曲面；

E、NURBS边界曲面生成。

本发明的有益效果是：本发明根据我国旋翼机的使用现状，引入计算流体力学（CFD）方法，对直升机进行了模型化处理，并引入实际作业的参数和条件，构建了直升机施药模型，通过结合实际作业参数和环境因子进行CFD计算，对整个作业过程动态模拟，来分析复杂的农业航空施药中药液雾滴的沉积、飘移规律，准确地预测了航空施药药液的飘移范围。

本发明将飞机尾流、翼尖涡流、直升机旋翼下旋气流和机身周边空气扰动纳入到对雾滴的影响因素，通过模拟仿真的手段来预测雾滴的运动和地面沉积情况，从而实现低成本、快速、有效地预测出即将作业的效果。

附图说明

下面结合附图对本发明的基于模型的基于模型的直升机航空施药飘移预测方法作进一步说明。

图1是本发明实施例的直升机机身的网格图。

图2是本发明实施例的雾化面网格图。

图3是本发明实施例的预测域网格化图。

图4是本发明实施例预测出来的空气中等浓度线分布图。

图5是本发明实施例预测出来的地面上等浓度线分布图。

具体实施方式

本实施例中直升机的翼型剖面段长度L=1200mm；桨叶弦长C=140mm；桨叶安装角（r=0.2m处）a_min=2.4°，a_max=12.1°，总矩可调范围0%—99%，工作总矩为50%；翼型剖面段翼根段扭转角为9.05°，翼型剖面段翼尖段扭转角为3.05°。

本实施例的基于模型的直升机航空施药飘移预测方法，包括以下步骤：

第一步、模拟直升机——实测施药直升机机身曲面参数，输入计算机，进行网格化处理，生成机身网格图。

本实施例中首先对本发明在执行第一步前对实测的直升机的机身生成曲面，具体方法如下：

A、对机身用非均匀有理B样条（NURBS）曲线进行过度；

B、对应边界进行相容性处理；

C、生成NURBS的u向和v向直纹面；

D、生成基于NURBS的张量积曲面；

E、NURBS边界曲面生成。

本实施例使用贴体坐标法生成直升机的机身曲面的网格图，直升机机身的网格图如图1所示。

贴体坐标法的具体算法可以参考任玉新、陈海昕编著的《计算流体力学基础》，清华大学出版社，2006年6月第一版P93～P110。

第二步、模拟喷嘴的雾化面——根据安装在施药直升机机身上的喷嘴个数以及喷嘴之间的距离，按下式

确定喷嘴的喷量，其中

为喷量（单位为升），

为每亩所需喷量（单位为升/亩），

为作业面积（单位为亩），

是直升机作业飞行速度（单位为米/秒），

是直升机作业有效喷幅（单位为米），

是时间（单位为秒）；并利用雾滴测试仪（ 例如南京万朝检测技术有限公司经销的Mastersizer 2000型激光粒度仪）测得雾滴粒径的尺寸，然后将喷嘴的喷量和雾滴粒径的尺寸输入计算机，生成预定分隔精度的喷嘴雾化面网格图。

本实施例中，每亩所需喷量

为1L/亩，是直升机作业飞行速度

为3m/s，直升机作业有效喷幅

取7m；雾滴粒径尺寸测得为DV₅₀ 400μm，直升机桨盘面积约为7.69㎡，在机身两侧各安装1个喷嘴，喷嘴间距为1.0m，药箱容量15L，每个喷嘴喷量750ml/min，单架次作业时间为10min，采用离心雾化方式，在药液喷嘴所产生的雾化面约为半径1.5m的圆面；雾化面网格的生成方法与对直升机的机身曲面进行网格化处理的方法相同。本实施例中生成的雾化面网格图如图2所示。

第三步、确定预测域——以施药直升机旋翼轴中心线与机身上平面交点为基准点，以距所述上平面5±0.5和8±0.5倍旋翼直径的平面分别为上边界和下边界，以距所述中心线15±1倍的旋翼直径圆周面为周向边界，建立圆柱形预测域，并生成预定精度的预测域网格图。

预测域选取的目的是取到受影响的流场区域，预测域选取如果过小，则仿真出的最终结果不准确，不能够完全体现药液雾滴飘移的距离，预测域选取如果过大，会造成运算的时间过长，对资源造成浪费。

本实施例中确，直升机旋翼直径约3m，以直升机旋翼轴中心线与机身上平面交点为基准点，预测域的上边界距直升机15m，预测域的下边界面距直升机24m，预测域的周向边界面距离直升机60m。

本实施例中生成预测域的网格图的方法与对直升机的机身曲面进行网格化处理的方法相同，最终得到的预测域网格图如图3所示。

第四步、确定预测域的边界条件——将实测外界风速、温度、压力以及喷嘴内的药液浓度和药液密度输入计算机，作为边界条件。

预测域的几何边界定义了流场的范围，也就是说预测域是由几何边界确定的，而边界点的参数常常是给定的，这就是边界条件。本实施例引入外界的风速、温度、压力以及喷嘴数、喷嘴内的药液浓度和药液密度作为边界条件，将实际作业参数和测量参数喷雾高度5m、喷嘴数2个、风速3m/s、温度18.33℃、空气相对湿度50%、雾滴粒径的体积中径DV₅₀400μm。

第五步、预测航空施药的飘移——运行Fluent，得出施药直升机行进及旋翼产生的气流受到机身阻挡后在雾化面形成的风场，通过高斯-赛德尔迭代法模拟边界条件下预测域各网格内的药液浓度和药液密度变化，获得药液雾滴的沉积分布，完成直升机的航空施药飘移预测。

本实施例在Fluent中完成对预测域内的所有网格的迭代计算，在网格化后的预测域上使用有限体积法（详见国防工业出版社2008年3月出版的《有限体积法基础（第2版）》，作者为李人宪）将控制方程离散成线性方程，求解离散得到的线性方程组，得到如图4所示的空气中等浓度线分布图以及如图5所示的地面上等浓度线分布图，上述两图中均以浓度等高线形式表示，如8E-06,单位为ppm。

本实施例中对预测域内的所有网格进行迭代计算的高斯-赛德尔方法可以参考东南大学出版2000年7月出版的《计算方法与实习》第三版中P62～P70，作者是袁慰平，孙志忠，吴宏伟，闻震初。

本发明的基于模型的基于模型的直升机航空施药飘移预测方法不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于模型的直升机航空施药飘移预测方法，在载有Fluent软件包的计算机中，按以下步骤进行预测：

第一步、模拟直升机——实测施药直升机机身曲面参数，输入计算机，进行网格化处理，生成机身网格图；

第二步、模拟喷嘴雾化面——根据安装在施药直升机机身上的喷嘴个数以及喷嘴之间的距离，按下式确定喷嘴的喷量：

上式中

为喷量（单位为升），

为每亩所需喷量（单位为升/亩），

为作业面积（单位为亩），是直升机作业飞行速度（单位为米/秒），

是直升机作业有效喷幅（单位为米），

是时间（单位为秒）；

并测得雾滴粒径的尺寸，然后将喷嘴的喷量和雾滴粒径的尺寸输入计算机，生成预定分隔精度的喷嘴雾化面网格图；

第三步、确定预测域——以施药直升机旋翼轴中心线与机身上平面交点为基准点，以距所述上平面5±0.5和8±0.5倍旋翼直径的平面分别为上边界和下边界，以距所述中心线15±1倍的旋翼直径圆周面为周向边界，建立圆柱形预测域，并生成预定精度的预测域网格图；

第四步、输入预测域边界条件——将实测外界风速、温度、压力以及喷嘴内的药液浓度和药液密度输入计算机，作为边界条件；

第五步、预测航空施药飘移——运行Fluent，得出施药直升机行进及旋翼产生的气流受到机身阻挡后在雾化面形成的风场，通过迭代运算，模拟边界条件下预测域各网格内的药液浓度和药液密度变化，获得药液雾滴的沉积分布，完成直升机的航空施药飘移预测。

2.根据权利要求1所述的直升机航空施药飘移预测方法，其特征在于所述迭代运算采用高斯-赛德尔迭代法。

3.根据权利要求1所述的直升机航空施药飘移预测方法，其特征在于，使用贴体坐标法生成机身、雾化面以及预测域的网格图。

4.根据权利要求1所述的直升机航空施药飘移预测方法，其特征在于：第五步中在网格化后的预测域上使用有限体积法将所述控制方程离散成线性方程组，并求解离散得到的线性方程组。

5.根据权利要求1所述的直升机航空施药飘移预测方法，其特征在于，第一步中将实测的直升机的机身生成曲面的方法具体如下：

A、对机身用非均匀有理B样条（NURBS）曲线进行过度；

B、对应边界进行相容性处理；

C、生成NURBS的u向和v向直纹面；

D、生成基于NURBS的张量积曲面；

E、NURBS边界曲面生成。

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