CN111859818A - 平流-扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及植保喷雾数值仿真计算领域，具体为平流‑扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法。本专利所述的方法用于多旋翼喷雾植保无人机，考虑喷出雾滴在受旋翼下洗流场的作用下，再次受到侧风的影响对雾滴飘移作出预测；相对于地面式喷杆喷雾机影响雾滴飘移的因素，本发明考虑到无人机飞行高度，飞行速度，载药量，喷雾雾滴粒径特征，侧风风速，喷雾压力作为雾滴漂移影响参数，拟合平流‑扩散模型中的有效参数，来对多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移作出预测。
Description
技术领域
本发明涉及植保喷雾数值仿真计算领域，具体为平流-扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法。
背景技术
电动多旋翼喷雾植保无人机在大田进行农药喷施时，喷雾雾滴飘移易受无人机自身工作参数，喷雾系统，雾滴粒径特性和侧风的影响，造成大田周围环境的污染。
数值模拟的方法可以对无人机雾滴飘移进行预测，进而为电动多旋翼喷雾植保无人机大田喷施农药，减少雾滴的飘移，保护农田周围的环境提供了一定的指导方法。
在ANSYS Fluent软件中创建电动多旋翼喷雾植保无人机三维模型，并调用DPM模块模拟雾滴运动情况，并对雾滴的飘移做出预测，但该方法仿真时间长，给数值模拟工作带来了一定的困难。
区别于ANSYS Fluent软件计算喷雾雾滴运动特性，平流-扩散模型可模拟雾滴浓度随时间和空间的变化。平流-扩散模型在预测大气污染物微粒运动、地面自走式喷杆喷雾机雾滴飘移运动前人已有相应的研究。平流-扩散模型在预测电动多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移鲜有报道。该方法相对于其他数值计算的方式可极大提高计算速度，缩短计算时间，为多旋翼喷雾植保无人机在大田中工作参数选择和减少雾滴飘移提供了指导参考。
发明内容
本发明是基于解决多旋翼喷雾植保无人机快速预测雾滴飘移的技术问题，而提出一种平流-扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法。
基于平流-扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立几何模型，并划分网格，根据多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移的影响参数，使用ANSYS Fluent软件有限体积法求解，并后处理得到雾滴飘移结果；
S2：现场试验验证步骤S1中数值计算的可靠性，建立试验飘移雾滴沉积量与数值计算飘移雾滴沉积量的回归关系，根据拟合优度R2需要修改模型，重复步骤S1；
S3：化简平流-扩散模型为适合预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移的模型；
S4：最小二乘非线性拟合平流-扩散模型中有效参数与多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移影响参数之间的函数关系；
S5：相同的影响雾滴飘移参数在ANSYS Fluent软件和COMSOL Multiphysics软件中计算，验证平流-扩散模型中有效参数的函数关系，根据需要修改有效参数函数方程，重复步骤S4；
S6：将相同的多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移的影响参数数据分别在ANSYSFluent软件和建立平流-扩散模型的COMSOL Multiphysics软件中进行数值计算，对比雾滴飘移的结果，确定该平流-扩散模型预测雾滴飘移情况的应用范围；
S7：现场试验对比在建立平流-扩散模型的COMSOL Multiphysics软件中预测喷雾雾滴飘移结果，建立试验飘移雾滴沉积与数值计算飘移雾滴沉积的回归关系，验证该模型预测雾滴飘移的可靠性，根据拟合优度R2需要修改模型，重复步骤S4，S5和S6。
优选的，在步骤S1中，在SolidWorks软件中建立多旋翼喷雾植保无人机几何模型，该模型分为旋翼旋转区域和喷雾区域，并使用ICEM软件划分网格，在ANSYS Fluent软件中求解多旋翼喷雾植保无人机雾滴漂移的影响因素对喷雾雾滴飘移情况进行稳态计算，并使用CFD-Post软件处理计算结果，得到雾滴飘移沉积量的结果。进一步的，所述的多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移的影响参数包括多旋翼喷雾植保无人机的飞行高度，飞行速度，侧风风速，喷雾压力，雾滴粒径参数de和γ，载药量。
优选的，在步骤S3中，所述化简后的平流-扩散模型在COMSOL Multiphysics软件中创建模型的计算域，计算域是高度为3.5m,长度为20m的矩形。
优选的，在步骤S4中，所述的有效参数在CFD-POST软件中的获取方式为沿侧风方向距离无人机1个旋翼距离的平面来获取有效参数的数据。进一步的，所述化简后的平流-扩散模型中的有效参数包括Q(kg·m-2s-1)进入模型计算域的质量流量，h(m)为雾滴进入模型计算域的有效高度，σ涡流扩散系数和vd(m/s)竖直方向上雾滴下落速度。
优选的，在步骤S6和S7中，所述化简后的平流-扩散模型表达式以及所提到的有效参数表达式通过向COMSOL Multiphysics软件添加自定义方程和表达式耦合到求解方程系统中，并使用有限元的方法进行求解，得到雾滴浓度变化情况。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在原有的ANSYS Fluent软件预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移的基础上，将多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移的影响参数表示为适用预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移的平流-扩散模型中的有效参数，即该模型考虑无人机喷雾雾滴飘移的影响因素，对平流-扩散模型中有效参数进行修正，考虑雾滴浓度随时间和空间的变化，在保证预测雾滴飘移准确性的前提下，最终得到经现场试验验证的平流-扩散模型，该模型提高了预测雾滴飘移的效率，为多旋翼喷雾植保无人机田间作业提供了工作指导。区别于已经前人对地面式喷杆喷雾机预测雾滴飘移的方法研究，本篇专利所述的方法用于多旋翼喷雾植保无人机，本发明的创造性在于考虑喷出雾滴在受旋翼下洗流场的作用下，再次受到侧风的影响对雾滴飘移作出预测；相对于地面式喷杆喷雾机影响雾滴飘移的因素，本发明考虑到无人机飞行高度，飞行速度，载药量，喷雾雾滴粒径特征，侧风风速，喷雾压力作为雾滴漂移影响参数，拟合平流-扩散模型中的有效参数，来对多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移作出预测。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的两种数值计算模型对比示意图；
图3是本发明的计算示意图。
1.ANSYS Fluent软件计算多旋翼喷雾植保无人机雾滴漂移预测模型；2.COMSOLMultiphysics软件模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴浓度分布；3.喷雾雾滴质量采样位置；4.旋翼旋转区域；5.喷雾区域。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不受实施例所限：
本发明提供一种技术方案：基于平流-扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法，包括以下步骤：
S1：如图2所示，在SolidWorks软件中建立多旋翼喷雾植保无人机几何模型，该模型分为旋翼旋转区域4和喷雾区域5，使用ANSYS ICEM网格划分工具，分别对两个区域划分网格，指定与实际设计参数相一致的计算边界条件，并输出.msh文件。启动ANSYS Fluent软件三维单精度求解器，读取.msh文件，选择Realizable k-ε作为湍流模型，使用MRF模拟旋翼旋转，采用Simple算法稳态求解连续相流场。待连续相流场求解收敛之后，引入DPM离散相模型，创建离散相喷射源，模拟无人机喷雾，模型考虑雾滴受到的阻力，设定边界条件，并进行相间耦合迭代计算，采用CFD-Post软件对飘移雾滴沉积结果进行后处理。
如图2所示，在CFD-Post软件中，建立等距采样线3，数值计算漂移的雾滴即可通过采样线得到雾滴沉积数据，喷雾区域设置雾滴采样线3来测量雾滴沉积。
k表示冯卡门常数，这里取0.41。
z0代表地面粗糙度程度，根据不同的地形有所不同，为长度值，这里取0.01m。
d表示距离地面高度为d米时风速为零的高度，d可以近似为地面障碍物平均高度的2/3到3/4，这里取0.0066m。
喷嘴雾滴粒径分布情况，使用多普勒粒径分析仪测量其粒径参数de和γ。
S2：现场试验采用与步骤S1数值计算模型中相同的无人机飞行速度和飞行高度参数数据，现场试验采用常用雾滴沉积量测量方法，使用采样皿承接喷出的雾滴，以胭脂红溶液作为示踪剂，并使用紫外分光光度计标定并拟合胭脂红浓度与吸光度之间函数关系，以此测量雾滴沉积浓度，将试验测量沉积浓度建立与ANSYS Fluent软件计算得到采样线上沉积量的回归曲线，并根据拟合优度
来判断该模型的可靠性，当R2＞0.9时，即该模型可以很好的预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移情况，当拟合优度R2＜0.9时，修改模型，并重复步骤S1；
S3：
为浓度随时间和空间分布的平流-扩散模型，C代表喷雾雾滴浓度，vx代表沿空间x方向上的速度，vy，vz与vx同理，vd代表雾滴竖直方向上的速度，Dx表示空间x方向上的扩散系数，Dy，Dz与Dx同理，稳态求解，即
由于多旋翼无人机下洗流场对雾滴在竖直向下运动方向上影响较大，该模型只对喷雾雾滴在下洗流场区域以外只受侧风对喷出的雾滴进行飘移预测，如图2所示，只考虑受侧风影响方向上的雾滴飘移情况，不考虑飞行方向上的速度，即vy＝0，由于竖直方向上的速度为0，即vz＝0，该模型只对沿侧风风向上雾滴飘移进行预测，y方向上雾滴的扩散对飘移的影响不大，忽略不计，即Dy＝0，x方向上的雾滴扩散相对于平流运输较小，这里认为Dx＝0，Dz依赖于喷雾高度，喷雾源的距离和湍涡流，最终将平流-扩散方程化简为二维平流-扩散方程
根据该方程的解析解可知C(x,z)＝f(Q,h,σ,vd)，雾滴浓度在x-z平面上的变化与四个有效参数Q(kg/m2s)质量流量，h(m)注入雾滴有效高度，σ涡流扩散系数和vd(m/s)竖直方向上雾滴速度有关。
S4：建立化简后平流-扩散模型有效参数与多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移影响参数之间的拟合函数关系。ANSYS Fluent软件根据多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移影响参数产生与有效参数相同的数据，根据CFD-Post后处理结果，选取沿侧风同方向上，相对于无人机飘移采样的一边，选取1个旋翼直径距离，建立一个平面，在该平面上进行采样，获得有效参数Q,h,σ,vd数据值，通过最小二乘非线性拟合的方法建立平流-扩散模型中有效参数Q,h,σ,vd与多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移影响参数之间函数关系。
S5：将多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移影响参数表达的有效参数函数式带入到化简的平流-扩散模型中，将相同的多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移影响参数数据分别在COMSOL Multiphysics软件和ANSYS Fluent软件中进行数值计算，如图2所示，对比两个模型在地面雾滴采样位置3上的质量流量，根据拟合优度R2不小于步骤S2中试验与数值计算的拟合优度R2＝0.9，对有效参数中的模型进行修正，并重复步骤S4和S5，直到满足拟合优度条件。
拟合优度
N代表雾滴采样位置个数。
Qn,平流-扩散代表平流-扩散模型中地面采样位置上雾滴质量流量。
Qn,ANSYS Fluent代表ANSYS Fluent数值计算模型中地面采样位置上的雾滴质量流量。
S6：输入修正后的有效参数到平流-扩散模型中，在COMSOL Multiphysics软件中进行计算，在对数据结果后处理时，在相同采样距离下，设置漂移雾滴沉积采样线，采样雾滴沉积质量流量，对比ANSYS Fluent软件计算喷雾雾滴飘移的质量流量结果，确定平流-扩散模型在COMSOL Multiphysics软件中预测喷雾雾滴飘移的应用范围。
S7：现场试验对比经验证的平流-扩散模型预测喷雾雾滴飘移结果，将试验测量沉积浓度建立与COMSOL Multiphysics软件计算得到采样位置上质量流量的回归曲线，根据拟合优度
不小于在ANSYS Fluent软件计算喷雾雾滴飘移与现场试验验证雾滴飘移回归结果的拟合优度R2值，以此来验证该平流-扩散模型的可靠性，根据拟合优度R2值，如有需要重复S4，S5和S6步骤。
本发明运用ANSYS Fluent软件，通过向模型中输入影响喷雾雾滴飘移的相关参数，并通过现场试验来验证模型的可靠性。如图3所示根据侧风，无人机工作参数因素化简平流-扩散模型，并将ANSYS Fluent软件中计算喷雾雾滴飘移模型的输入参数用来表达平流-扩散模型中的有效参数，忽略无人机旋翼旋转计算以及下洗流程对雾滴的影响，仅考虑侧风风速对雾滴飘移的影响。以此建立在COMSOL Multiphysics软件中求解二维平流-扩散模型提高了预测电动多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移计算效率，为电动多旋翼喷雾植保无人机田间作业提供了工作指导。
Claims (9)
1.基于平流-扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立几何模型，并划分网格，根据多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移的影响参数，使用ANSYS Fluent软件有限体积法求解，并后处理得到雾滴飘移结果；
S2：现场试验验证步骤S1中数值计算的可靠性，建立试验飘移雾滴沉积量与数值计算飘移雾滴沉积量的回归关系，根据拟合优度R2需要修改模型，重复步骤S1；
S3：化简平流-扩散模型为适合预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移的模型；
S4：最小二乘非线性拟合平流-扩散模型中有效参数与多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移影响参数之间的函数关系；
S5：相同的影响雾滴飘移参数在ANSYS Fluent软件和COMSOL Multiphysics软件中计算，验证平流-扩散模型中有效参数的函数关系，根据需要修改有效参数函数方程，重复步骤S4；
S6：将相同的多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移的影响参数数据分别在ANSYS Fluent软件和建立平流-扩散模型的COMSOL Multiphysics软件中进行数值计算，对比雾滴飘移的结果，确定该平流-扩散模型预测雾滴飘移情况的应用范围；
S7：现场试验对比在建立平流-扩散模型的COMSOL Multiphysics软件中预测喷雾雾滴飘移结果，建立试验飘移雾滴沉积与数值计算飘移雾滴沉积的回归关系，验证该模型预测雾滴飘移的可靠性，根据拟合优度R2需要修改模型，重复步骤S4，S5和S6。
2.根据权利要求1所述的基于平流-扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法，其特征在于：在步骤S1中，在SolidWorks软件中建立多旋翼喷雾植保无人机几何模型，该模型分为旋翼旋转区域和喷雾区域，并使用ICEM软件划分网格，在ANSYS Fluent软件中求解多旋翼喷雾植保无人机雾滴漂移的影响因素对喷雾雾滴飘移情况进行稳态计算，并使用CFD-Post软件处理计算结果，得到雾滴飘移沉积量的结果；所述的多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移的影响参数包括多旋翼喷雾植保无人机的飞行高度，飞行速度，侧风风速，喷雾压力，雾滴粒径参数de和γ，载药量；在步骤S1中，所述多旋翼喷雾植保无人机的飞行高度在SolidWorks中通过改变无人机旋翼距离地面的建模高度，表示无人机飞行高度对喷雾雾滴飘移的影响。
3.根据权利要求2所述的基于平流-扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法，其特征在于：在步骤S1中，使用SolidWorks建立几何模型，包括旋翼旋转区域和喷雾静止区域，导出模型为.x_t文件，进一步的，将.x_t文件导入到ICEM-CFD创建网格，旋转区域和喷雾静止区域均采用非结构化网格，并导出为.msh文件，进一步的，将.msh文件导入到ANSYS Fluent中。
4.根据权利要求1所述的基于平流-扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法，其特征在于：在步骤S1、步骤S5和步骤S6中，所述的ANSYS Fluent软件计算的为飘移雾滴质量流量，在步骤S2和步骤S7中，所述的现场试验计算的为雾滴飘移沉积量，所述现场试验喷嘴的位置放置在旋翼正下方；在步骤S5、步骤S6和步骤S7，所述的平流-扩散模型在COMSOL Multiphysics软件中计算的为雾滴飘移质量流量。
5.根据权利要求1所述的基于平流-扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法，其特征在于：在步骤S2和S7中，现场试验与ANSYS Fluent软件中计算的雾滴飘移回归关系以及现场试验与平流-扩散模型在COMSOL Multiphysics软件中计算的雾滴飘移回归关系采取逻辑回归方法
进行分析。
6.根据权利要求1所述的基于平流-扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法，其特征在于：在步骤S6和S7中，化简的平流-扩散模型表达式以及所提到的有效参数表达式通过向COMSOL Multiphysics软件添加自定义方程和表达式耦合到求解方程系统中，并使用有限元的方法进行求解，得到雾滴浓度变化情况。
7.根据权利要求1所述的基于平流-扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法，其特征在于：在步骤S5中，化简的平流-扩散模型忽略旋翼下洗流场对雾滴飘移的影响，只考虑侧风风场对喷出雾滴飘移的影响。
8.根据权利要求1所述的基于平流-扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法，其特征在于：在步骤S3中，化简的平流-扩散在COMSOL Multiphysics软件中创建的模型，二维平面计算域是高度为3.5m,长度为20m的矩形。
9.根据权利要求1所述的基于平流-扩散模型预测多旋翼喷雾植保无人机雾滴飘移方法，其特征在于：在步骤S4中，所述的有效参数在CFD-POST软件中的获取方式为沿侧风方向距离无人机1个旋翼距离的平面来获取有效参数的数据；在步骤S4中，所述的化简的平流-扩散模型中的有效参数包括Q(kg/m2s)质量流量，h(m)为雾滴进入模型计算域的有效高度，σ涡流扩散系数和vd(m/s)竖直方向上雾滴下落速度。
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| CN112506464A (zh) * | 2020-12-14 | 2021-03-16 | 广州极飞科技有限公司 | 设备展示方法、装置、电子设备、系统和存储介质 |
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