[发明专利]基于模型的直升机航空施药飘移预测方法

说明书

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。