摘要
目前植保无人机施药技术因具有高效率作业、精准喷施、环保安全等优势，在农业领域逐渐受到重视，并且在国内外逐渐推广流行。但是随着植保无人机应用的深入，雾滴飘量大、有效喷雾窄、风雾同步性差等行业难题也随之显现。结合中国植保无人机市场的调研发现，现阶段轻型多旋翼植保无人机中，主要机型为多旋翼圆周排列布局结构，结构多样性设计方面的探索存在局限性，并且对特定无人机下洗流空间分布和雾滴运动规律缺少系统性研究。为此，团队研发出一款结构新颖的直线型多旋翼植保无人机，本文以此为研究对象，采用数值分析方法对其下洗流空间分布规律展开研究，并在此基础上探究其雾滴运动规律，最后通过试验对数值结论进行验证。通过对直线型植保无人机进行系统性分析，明确基于特殊结构的植保无人机运行规律，并与传统结构植保无人机作对比，为农业航空技术向实用性、创新性方向发展提供一定的经验参考。以下为本文主要的研究内容： （1）首先在全面研究植保无人机下洗流及雾滴运动的研究现状、成果和方法基础上，对直线型植保无人机的主体结构与运行参数进行了分析，利用计算流体力学数值分析方法(computati-onal fluid dynamics,CFD)，对其悬停和前飞两种工况下洗流进行单相定常数值模拟计算，并通过单因素分析和多因素正交试验分析，研究表明在理想无风空域和悬停时下洗流呈对称式分布，下洗流空间分布受侧向来流干扰较大；在前飞时飞行速度、飞行高度和侧风风速对下洗流空间分布特征呈现线性影响，三因素对下洗流垂直方向速度影响程度由高到低依次为：飞行速度、侧向风速和飞行高度。 （2）进一步在单相流定常计算分析基础上引入离散相并进行两相流单向耦合非定常模拟计算，对局部主升旋翼下洗流和离心喷头组合运行规律进行探究，得出旋翼下洗流对雾滴沉积运动有明显促进作用，并设计三因素正交试验，研究了旋翼转速、液体流量和相对位置三因素对雾滴沉积运动速度的影响程度，试验得出旋翼转速对雾滴沉积速度影响最为显著。分析了整机在悬停状态时雾滴运动时空变化规律，揭示了飞行工况下，飞行速度、飞行高度和侧风速度三因素分别对雾滴空间运动及雾滴沉积分布分析的影响规律，研究表明：直线型植保无人机雾滴空间运动变化规律与下洗流受三因素影响规律基本一致，下洗流对雾滴运动轨迹及其变化的影响极为显著。 （3）最后根据对雾滴运动的模拟分析结论，设计直线型植保无人机喷雾试验方案进行对比验证。通过离心喷头雾化特性试验，得出离心喷头电机转速与雾滴粒径大小呈正相关、液体流量与雾滴粒径大小呈负相关。在此基础上设计了无人机飞行喷雾试验参数，揭示了飞行速度和飞行高度两因素对雾滴沉积的影响规律。对比研究表明：直线型植保无人机在以相对较小的飞行速度和较低的飞行高度作业时雾滴沉积数量最多以及有效喷幅最大。 本文以CFD数值模拟和试验相结合，对直线型植保无人机特有的结构和空气动力学性能及其影响因素进行了系统研究，揭示了作业工况下其下洗流空间分布规律及雾滴运动规律，为直线型植保无人机性能改进、优化设计和工程推广提供了理论依据。
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