小型无人直升机喷雾试验研究

摘要

目前针对固定翼飞机和直升机喷雾的沉积效果及漂移特性开展的研究主要考虑的因素有;雾滴粒径，喷头类型，喷雾压力，喷头安装角度，风速等。虽然我国针对固定翼飞机制定了试验方法和规范，但对于小型无人直升机田间喷雾还没有相应的试验方法和规范。本文以CD-10型农药喷洒无人直升机为飞行平台，对其喷雾系统进行设计和试验研究，并找出影响喷雾质量的因素，同时为小型无人直升机试验方法和规范的制定提供指导。
　　 主要研究工作包括以下几个方面:
　　 (1)以CD-10型农药喷洒无人直升机为飞行平台，分析无人直升机参数，完成了喷雾系统动力源的选择，药箱的设计，连接管路等元件的选型，喷杆固定器设计及喷雾系统安装，并对喷雾系统的喷雾粒径进行了测量试验，分析了五种喷雾压力和五种喷雾高度对粒径谱的影响，确定了CD-10型农药喷洒无人直升机喷雾高度为100cm，喷雾压力为0.3MPa。同时监测了喷雾系统在五种压力下的流量。
　　 (2)采用热线风速仪研究了飞行过程中不同飞行高度和不同飞行速度下风场对喷雾的影响;分析喷雾系统不同工作参数对速度场的影响，并对测量过程中适应于该喷雾系统测量的关键参数进行试验研究，主要结论如下:
　　 当飞行高度为0.5m时，直升机在4号监测点风速最大，沿主旋翼两侧分布的5个监测点垂直方向的风速呈减小趋势，且在三种飞行速度下的1号6号监测点垂直风速保持在1m/s范围内。
　　 当飞行高度为1.5m和2.5m时，飞机飞行姿态较平稳，直升机4号监测点风速最大，沿主旋翼两侧分布的5个监测点垂直方向的风速呈减小趋势，在不同飞行速度下的5个监测点垂直风速分别在0.5m/s和1m/s左右波动。且两种飞行高度下，直升机飞行速度为5m/s时，垂直方向的风速最小，分别为1.17m/s和0.93m/s，此时直升机飞行倾角较适宜雾滴的沉积。
　　 在PIV速度场试验中，对适用于喷雾系统的PIV关键参数选择进行试验研究，最终确定采用64×64像素进行网格划分，采用双曝光时间间隔△t=20μs进行PIV速度测试。
　　 对两种扇形喷头在不同喷雾压力下进行了速度场测量试验研究，可知喷头出口处出现了气核，且随着压力的增大，速度场出现了明显的二次和三次分层。
　　 (3)以设计的喷雾系统为基础进行了室内测量试验，测量了喷雾系统四种喷头在不同压力下雾化角，分析喷雾系统不同工作参数对雾量分布的影响，最终完善喷雾系统的设计，主要结论如下:
　　 采用最小二乘法测量了四种喷头在不同压力下的雾化角，发现扇形喷头F110-01和扇形喷头F110-01.5在0.2MPa～0.4MPa范围内雾化角变化较小，雾化角并未随压力的增大而增大或减小，两种扇形喷头不同压力下雾化角变异系数分别为4.18％和3.78％。锥形喷头TXVK-3和TR80-005C在0.2MPa～0.4MPa范围内雾化角随压力的增大而增大，呈近似线性关系，分别对两锥形喷头雾化角曲线进行直线拟合，其决定系数的平方分别为0.94和0.96。
　　 喷雾系统在压力为0.3MPa，喷雾高度为100cm时进行喷雾系统雾量分布测量，最终选择扇形喷头F110-01和扇形喷头F110-01.5的喷头间距为100cm。锥形喷头TXVK-3和锥形喷头TR80-005C的喷头间距为25cm。
　　 (4)将设计好的喷雾系统安装至CD-10型农药喷洒无人直升机上进行田间测量试验，研究了无人直升机喷雾沉积特性与飞机飞行参数之间的关系。主要结论如下:
　　 飞行速度和飞行高度及两因素间的交互作用对沉积浓度影响非常显著，表征飞行速度和飞行高度及两因素间的交互作用的P-value值分别为2.0684×10-4，8.2190×10-5,9.7052×10-5。
　　 飞行速度和飞行高度对沉积均匀性影响非常显著，表征飞行速度和飞行高度的P-value值分别为9.8410×10-3，1.1550×10-3;两因素间的交互作用对沉积均匀性影响显著，表征两因素间的交互作用的P-value值为2.5594×10-2。
　　 建立了沉积浓度与飞行速度，飞行高度及两因素间交互作用的关系模型，在飞行速度和飞行高度区间范围内失拟不显著，可以为实际生产应用提供指导。
　　 建立了沉积均匀性与飞行速度，飞行高度及两因素间交互作用的关系模型，在飞行速度和飞行高度区间范围内失拟不显著，可以为实际生产应用提供指导。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本课题研究背景

1．2 国内外航空喷雾研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 本课题研究目的和意义

1．4 本课题主要研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

1．5 本章小结

第二章 小型无人直升机喷雾系统构成及参数

2．1 小型无人直升机结构及参数

2．1．1 小型无人直升机结构

2．1．2 小型无人直升机参数

2．2 CD-10型农药喷洒无人直升机喷雾系统构成

2．2．1 喷雾系统总体方案

2．2．2 喷雾系统元件构成

2．3 喷雾系统粒径谱与流量参数

2．3．1 粒径谱测量原理

2．3．2 粒径谱及流量测量装置

2．3．3 粒径谱及流量测量方案

2．3．4 粒径谱测量过程

2．3．5 粒径谱测量结果及分析

2．3．6 流量测量结果及分析

2．4 本章小结

第三章 小型无人直升机风场及喷雾系统速度场测量试验

3．1 直升机风场测量

3．1．1 直升机风场测量装置

3．1．2 直升机风场测量方案

3．1．3 直升机风场测量结果与分析

3．2 喷雾系统速度场测量

3．2．1 喷雾系统速度场测量原理

3．2．2 喷雾系统速度场测量装置

3．2．3 喷雾系统速度场测量方案

3．2．4 喷雾系统速度场测量过程

3．2．5 喷雾系统速度场测量标定

3．2．6 喷雾系统速度场测量关键参数选择

3．2．7 喷雾系统速度场测量结果与分析

3．3 本章小结

第四章 喷雾系统雾化角及雾量分布测量试验

4．1 喷雾系统雾化角测量

4．1．1 喷雾系统雾化角测量原理

4．1．2 喷雾系统雾化角测量方案

4．1．3 喷雾系统雾化角测量结果与分析

4．2 喷雾系统雾量分布测量

4．2．1 喷雾系统雾量分布测量原理

4．2．2 喷雾系统雾量分布测量装置

4．2．3 喷雾系统雾量分布测量方案

4．2．4 喷雾系统雾量分布测量结果与分析

4．3 本章小结

第五章 小型无人直升机田间喷雾沉积试验

5．1 试验装置与方法

5．1．1 试验装置

5．1．2 试验方法

5．1．3 胭脂红溶液浓度-吸光度标定

5．2 飞行参数试验设计

5．3 试验结果和分析

5．3．1 试验结果

5．3．2 沉积浓度方差分析及关系建模

5．3．3 沉积均匀性方差分析及关系建模

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要工作总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术成果及参与项目