用于研究雾滴漂移的试验设备及用于该设备的处理方法

摘要

本发明公开一种用于研究雾滴漂移的试验设备以及用于该设备的处理方法。其中，所述设备包括：拖曳导轨、布置于拖曳导轨上的滑块、挂载于滑块上的尾涡发生装置和雾滴发生装置、与滑块连接的电机以及PIV系统，在电机产生的拉力的作用下，滑块以预设的速度沿所述拖曳导轨滑动，并带动尾涡发生装置产生包含示踪粒子的尾涡及雾滴发生装置产生雾滴；PIV系统，用于捕获尾涡和雾滴在固定展向平面内的运动图像，并根据运动图像处理得到雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律。本发明通过模拟真实条件下的尾涡运动和雾滴运动，能够分析得到雾滴漂移与尾涡运动的相关关系，为航空施药过程中的雾滴飘移问题的研究提供理论指导。

说明书

技术领域

本发明涉及试验设备领域，具体地，涉及一种用于研究雾滴漂移的试验设备以及用于该设备的处理方法。

背景技术

随着现代精准农业技术的发展，航空植保技术已广泛应用于农业领域。目前，全世界有农林业用飞机大约3万架，年作业面积1亿公顷，飞机作业面积占总耕地面积的17％。农业航空植保作为一个朝阳产业，拥有巨大的发展空间和广阔的市场前景。而固定翼飞机植保作业具有航速快，喷幅大，载药量多，继航时间长，受地形限制少等特点，与传统的人工、半机械化植保作业相比，其作业经济效益非常显著。然而，雾滴飘移问题仍是固定翼飞机在植保作业过程中目前面临的主要问题。固定翼飞机喷洒的雾滴受尾涡气流、环境风场等多方面因素影响，极易产生飘移，从而带来严重的水土资源污染、非目标作物药害以及人畜健康威胁等问题。1975年，美国环保署估计有10％～60％的化学物质飘移到距离目标300m以上的区域，造成严重的空气污染、水污染以及土壤污染。

图1是现有技术中研究固定翼飞机施药过程中雾滴漂移及沉积效果的田间实验的示意图。如图1所示，现有针对固定翼飞机雾滴飘移和沉积的实验主要是真实飞行场地实验(田间试验)。该方式主要通过在航道两侧布置聚酯薄膜卡片、水敏纸等收集地面沉积的雾滴，并通过在远场布置不同高度的纤维丝收集空中飘移的雾滴。该实验方法存在的主要缺陷是所需实验成本较高，所需实验场地较大以及所需实验人员较多。此外，实验结果易受天气条件影响，重复性较差，并且无法实时获得雾滴在空间中的运动规律。

图2是现有技术中研究固定翼飞机施药过程中雾滴漂移的风洞实验的示意图。如图2所示，由于田间实验的局限性，人们又发展了风洞实验来研究雾滴飘移问题。风洞实验是田间实验的有效支撑和补充，其相对田间实验来说，具有边界条件可控，重复性高，实验手段多样等优势。但时，目前风洞实验多针对单一喷头产生的雾滴飘移问题进行研究，且无法对固定翼飞机尾涡运动进行模拟，所运用的实验方法也类似田间实验，无法获得瞬时的雾滴运动规律。

总的来看，目前存在的研究固定翼飞机施药过程中雾滴飘移问题的手段，均存在难以模拟真实飞行尾涡流场，对雾滴运动规律研究不足的缺陷，并且大多数情况是简单进行空间固定位置的雾滴量统计，很难从流场和雾滴本身的运动机理上认识雾滴飘移问题。因此，在生产中无法给出具备控制模型的喷雾优化方法，在科研上无法深入掌握流场和雾滴运动的相关关系。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于研究雾滴漂移的试验设备以及用于该设备的处理方法。所述设备通过模拟真实条件下的尾涡运动和雾滴运动，并结合两相流实验分析方法，不仅能够排除复杂风场环境的影响，而且还能够分析得到雾滴漂移与尾涡运动的相关关系，为航空施药过程中的雾滴飘移问题的研究提供理论指导。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于研究雾滴漂移的试验设备。所述设备包括：

拖曳导轨、布置于所述拖曳导轨上的滑块、挂载于所述滑块上的尾涡发生装置和雾滴发生装置、与所述滑块连接的电机以及PIV系统，

在所述电机产生的拉力的作用下，所述滑块以预设的速度沿所述拖曳导轨滑动，并带动所述尾涡发生装置产生包含示踪粒子的尾涡及所述雾滴发生装置产生雾滴；

所述PIV系统，用于捕获所述尾涡和所述雾滴在固定展向平面内的运动图像，并根据所述运动图像处理得到雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律，及根据雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律分析得到雾滴漂移与尾涡运动的相关关系。

可选地，所述设备还包括：

桁架，用于作为所述拖曳导轨的支架，固定所述拖曳导轨。

可选地，所述桁架和所述拖曳导轨的材质均为铝合金或45号钢。

可选地，所述尾涡发生装置采用二维翼型或三维翼型，

相应地，所述尾涡发生装置，用于在所述滑块的带动下产生包含示踪粒子的准二维流向涡对。

可选地，所述设备还包括：

具有负迎角的水平尾翼，设置于所述尾涡发生装置的尾部，用于消散或减弱所述尾涡发生装置产生的尾涡。

可选地，所述雾滴发生装置包括：

水泵，与所述水泵连接的水箱以及与所述水泵连接的喷头，

所述水泵，用于提供动力促使所述水箱中的水通过喷头喷射出来。

可选地，所述喷头包括压力喷头或超声雾化喷头。

可选地，所述设备还包括：

弹簧，设置于所述拖曳导轨的一端，用于在所述滑块运动至所述弹簧的情况下，减缓所述滑块的运动速度，使得所述滑块静止。

相应地，本发明还提供一种用于试验设备的处理方法，所述试验设备包括：

拖曳导轨、布置于所述拖曳导轨上的滑块、挂载于所述滑块上的尾涡发生装置和雾滴发生装置以及与所述滑块连接的电机，

在所述电机产生的拉力的作用下，所述滑块以预设的速度沿所述拖曳导轨滑动，并带动所述尾涡发生装置产生包含示踪粒子的尾涡及所述雾滴发生装置产生雾滴，

所述方法包括：

捕获所述尾涡和所述雾滴在固定展向平面内的运动图像；

根据所述运动图像处理得到雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律；以及

根据雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律分析得到雾滴漂移与尾涡运动的相关关系。

可选地，所述根据所述运动图像处理得到雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律，包括：

对所述运动图像进行相分离处理，得到仅包含所述雾滴漂移的第一图像和仅包含所述尾涡运动的第二图像；

对所述第一图像采用PTV单点跟随粒子的速度计算，得到所述雾滴漂移随时间的变化规律；

对所述第二图像采用PIV空间速度场计算，得到所述尾涡运动随时间的变化规律。

通过上述技术方案，在滑块上挂载尾涡发生装置和雾滴发生装置，模拟真实条件下的尾涡运动和雾滴运动，并捕获尾涡和雾滴在固定展向平面内的运动图像，及根据运动图像处理得到雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律，并根据雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律分析得到雾滴漂移与尾涡运动的相关关系，不仅能够排除复杂风场环境的影响，而且还能够分析得到雾滴漂移与尾涡运动的相关关系，为航空施药过程中的雾滴飘移问题的研究提供理论指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是现有技术中研究固定翼飞机施药过程中雾滴漂移及沉积效果的田间实验的示意图；

图2是现有技术中研究固定翼飞机施药过程中雾滴漂移的风洞实验的示意图；

图3是本发明一实施例提供的用于研究雾滴漂移的试验设备的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的用于试验设备的处理方法的流程图；

图5是本发明一实施例提供的处理方法的相分离步骤的示意图。

附图标记说明

1 拖曳导轨 2 滑块 3 尾涡发生装置 4 雾滴发生装置

5 电机 6 PIV系统 7 桁架 8 水平尾翼 9 弹簧

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图3是本发明一实施例提供的用于研究雾滴漂移的试验设备的结构示意图。如图3所示，本发明一实施例提供的用于研究雾滴漂移的试验设备包括：拖曳导轨1、布置于所述拖曳导轨1上的滑块2、挂载于所述滑块2上的尾涡发生装置3和雾滴发生装置4、与所述滑块2连接的电机5以及PIV(Particle Image Velocimetry，粒子图像测速)系统6，在所述电机5产生的拉力的作用下，所述滑块以预设的速度沿所述拖曳导轨1滑动，并带动所述尾涡发生装置3产生包含示踪粒子的尾涡及所述雾滴发生装置4产生雾滴；所述PIV系统6，用于捕获所述尾涡和所述雾滴在固定展向平面内的运动图像，并根据所述运动图像处理得到雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律，及根据雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律分析得到雾滴漂移与尾涡运动的相关关系。

其中，所述电机5通过钢索与所述滑块2连接，根据所述电机5可调节所述滑块5的运行速度。此外，在试验设备所在的区域中播撒有示踪粒子。因此，尾涡发生装置3产生的尾涡包含示踪粒子。

优选地，所述设备还包括：桁架7，用于作为所述拖曳导轨的支架，固定所述拖曳导轨。藉此，可将拖曳导轨牢固固定。在本发明的另一优选实施方式中，还可采用钢索悬吊式将所述拖曳导轨牢固固定。本发明的实施方式不限制于此，只要是以将拖曳导轨牢固固定为目标的所有实施方式均适用。在本实施例中，所述桁架7和所述拖曳导轨1的材质均为铝合金或45号钢，桁架的长度为20m，宽度为1.2m，高度为1.6m。桁架的大小尺寸可根据实验室场地的具体情况调整，优先保证长度方向。

可选地，所述尾涡发生装置3采用二维翼型或三维翼型。相应地，所述尾涡发生装置3，用于在所述滑块的带动下产生包含示踪粒子的准二维流向涡对。其中，所述二维翼型为NACA0012翼型或其他经典翼型，且所述二维翼型的迎角可变。三维翼型为一般固定翼飞机机翼部分的缩比模型.

优选地，所述设备还包括：具有负迎角的水平尾翼8，设置于所述尾涡发生装置3的尾部，用于消散或减弱所述尾涡发生装置产生的尾涡。藉此，不仅可优化尾涡结构，而且还可研究尾涡减弱的方案

在具体的实施方式中，所述雾滴发生装置4包括：水泵，与所述水泵连接的水箱以及与所述水泵连接的喷头，所述水泵，用于提供动力促使所述水箱中的水通过喷头喷射出来。其中，所述喷头包括压力喷头或超声雾化喷头。所述雾滴发生装置4的结构核心是将水泵、水箱以及喷头与滑块2整合一体化设计，共同在拖曳导轨上运动。

优选地，所述设备还包括：弹簧9，设置于所述拖曳导轨1的一端，用于在所述滑块运动至所述弹簧的情况下，减缓所述滑块的运动速度，使得所述滑块静止。藉此，可避免滑块直接撞击导轨端面或从拖曳导轨上掉落下来。

优选地，所述设备还包括：片光源，用于照亮所述PIV系统的拍摄区域。藉此，PIV系统可捕获到清晰的运动图像。

在具体的应用中，所述PIV系统6根据所述运动图像处理得到雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律，包括：对所述运动图像进行相分离处理，得到仅包含所述雾滴漂移的第一图像和仅包含所述尾涡运动的第二图像；对所述第一图像采用PTV(Particle TracingVelocimetry，粒子跟踪测速)单点跟随粒子的速度计算，得到所述雾滴漂移随时间的变化规律；对所述第二图像采用PIV空间速度场计算，得到所述尾涡运动随时间的变化规律。

本实施例通过在滑块上挂载尾涡发生装置和雾滴发生装置，模拟真实条件下的尾涡运动和雾滴运动，并捕获尾涡和雾滴在固定展向平面内的运动图像，及根据运动图像处理得到雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律，并根据雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律分析得到雾滴漂移与尾涡运动的相关关系，不仅能够排除复杂风场环境的影响，而且还能够分析得到雾滴漂移与尾涡运动的相关关系，为航空施药过程中的雾滴飘移问题的研究提供理论指导。

图4是本发明一实施例提供的用于试验设备的处理方法的流程图。如图4所示，本发明一实施例提供的用于试验设备的处理方法包括：

在步骤S101中，捕获所述尾涡和所述雾滴在固定展向平面内的运动图像。

其中，所述运动图像包括气相示踪粒子(尾涡)和液相粒子(雾滴)的运动。

接着，在步骤S102中，根据所述运动图像处理得到雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律。

具体地，该步骤包括：对所述运动图像进行相分离处理，得到仅包含所述雾滴漂移的第一图像和仅包含所述尾涡运动的第二图像；对所述第一图像采用PTV单点跟随粒子的速度计算，得到所述雾滴漂移随时间的变化规律；对所述第二图像采用PIV空间速度场计算，得到所述尾涡运动随时间的变化规律。

图5是本发明一实施例提供的处理方法的相分离步骤的示意图。如图5所示，对原始图像(运动图像)进行相分离处理，得到气相示踪粒子(尾涡)的运动图像以及液相粒子(雾滴)的运动图像。对气相示踪粒子的运动图像进行PIV空间速度场计算，得到整体风场随时间的变化规律。对液相粒子的运动图像进行PTV单点跟随粒子的速度计算，得到单个雾滴漂移速度随时间的变化规律。

最后，在步骤S103中，根据雾滴漂移与尾涡运动随时间的变化规律分析得到雾滴漂移与尾涡运动的相关关系。

其中，所述处理方法所涉及的试验设备包括：拖曳导轨、布置于所述拖曳导轨上的滑块、挂载于所述滑块上的尾涡发生装置和雾滴发生装置以及与所述滑块连接的电机，在所述电机产生的拉力的作用下，所述滑块以预设的速度沿所述拖曳导轨滑动，并带动所述尾涡发生装置产生包含示踪粒子的尾涡及所述雾滴发生装置产生雾滴。

本发明由于从农业航空施药过程的物理本质上进行模拟，从细节上模拟了农业航空施药过程中存在的准二维对称尾涡运动、雾滴运动等因素，因此具有很强的科研和实际应用价值。真实作业过程中，固定翼飞机飞过后，其尾涡能够继续旋转，不断运动和耗散达数十秒时间，本发明可完全模拟这一过程，在滑块通过测量平面后，依然可以在该平面内开展光学实验手段，获得实时的尾涡及雾滴运动规律。该设备还能够通过改变拖曳速度和尾涡发生装置的外形，来获得不同强度的尾涡，甚至对尾涡耗散进行优化。飞行高度、地面效应等也可以通过调节拖曳导轨距离地面高度来实现。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。