基于SolidWorks和ANSYS的植保无人机喷头结构参数设计与仿真

高 伟

（大同市农业机械发展中心，山西 大同 037000）

农业作为第一产业，是人们生活生存的基础，保障了我国社会经济的稳步发展。我国国土面积大、地形地貌复杂，种植的农作物种类繁多导致作物病虫草害发生严重，但是受病虫草害的影响较大，这些因素影响着我国农产品的产量和质量的提升，甚至会影响我国粮食安全。传统的农药喷洒机械存在农药浪费严重、农产品农药存留超标、作业人员易中毒、作业效率低等问题，会导致土壤、空气、水源等受到污染，影响农产品的安全和人们的身体健康。与传统的喷药机械相比，植保无人机具有省水、省药、省工、省钱、安全等特点，无人植保机受地形限制较小，能够同时满足多种作物和地形的作业要求，是现代农业生产中必不可少的植保机械之一。

1981 年，美国首次采用飞机防治大面积牧草牧草病虫害，为农作物病虫害的飞防打开了出路。随后，俄罗斯、日本、德国等发达国家开始研究农用植保飞机领域。20世纪70年代开始，我国才逐渐使用航空喷洒技术防治森林病虫害，随着近15年农业机械的快速发展和国家政策的影响，我国无人植保机迅速发展，成为农作物病虫草害防治的重要工具。现阶段，我国许多高校、科研院所、相关企业等都开始了植保无人机的研究工作，为我国植保无人机的发展夯实了基础。本文以SolidWorks 和ANSYS 软件为基础，分析研究了四旋翼植保无人机的相关参数，为进一步优化研究提供理论依据。

1 植保无人机喷洒系统设计

1.1 飞行参数

飞行平台是影响植保无人机作业效果的重要因素，根据作业要求，本研究设计的分型参数如下：①飞行高度。受旋翼产生的反弹气流的影响，植保无人机作业高度太低时，无法正常飞行；如果植保无人机飞行高度较高时，药液损失严重，影响作业效果，无法保证作业质量。参考现有研究成果，本研究设计的植保无人机飞行高度为M=2~6 m。②查阅并参考多地《多旋翼植保无人机施药作业规范》，本研究设计的无人机飞行速度为v=3~5 m/s，无人机作业的最小幅宽为S=3 m。

1.2 喷头主要参数

分析市面现有的植保无人机发现，植保无人机喷头形式主要包含压力式和离心式2 种，压力式喷头相较于离心式喷头，有更强的抗漂移能力，结合安装工艺和无人植保机的组装成本等要求，本研究选择扇形压力式喷头，结构见图1。

图1 扇形压力式喷头喷嘴结构Fig.1 Fan pressure nozzle nozzle structure

已有相关研究表明，相对切深Hf和切槽角α 是影响植保无人机喷雾角的重要指标，具体表现为：切槽角与喷雾角为反比关系；首先相对切深较小时，喷雾角随着相对切深的增加不规律增加，当相对切深达到一定数值时，喷雾角随着相对切深的增加不断减小。相对切深Hf计算如公式（1）：

本研究假设植保无人机作业路径为直线，喷头的作业参数见图2。如果2 个喷头同时作业，此时单个喷头需达到的喷幅为S/2。喷雾角β计算如公式（2）：

图2 喷嘴喷雾角示意图Fig.2 Nozzle spray angle diagram

将前文设计的飞行参数带入公式（2）计算得出喷雾角为42°。

2 喷头流场仿真

2.1 内部流场仿真

将植保无人机喷头主体封盖，生产计算域。利用Solid-Works 的Flow Simulation 建立算例，自动分析本研究过程中药液流过的区域边界。

将喷头主体连接软管的断面设为喷头的入口，主体地面为出口，见图3。本研究采用泵的最大流速为3 L/min，2 个喷嘴同时喷药，故将入口流速设定为0.000 02 m3/s，出口为静压。通过软件仿真得出喷头主体内部的压力云图，见图3。由图3可以看出，药液在喷头主体底部出口的速度约0.5 m/s，将其设定为对喷嘴外流场分析的初始条件。由图3可以看出喷头内部的厚度和压力大小，可以为喷头结构设计提供参考。

图3 喷头主体内部流场仿真结果Fig.3 Simulation results of flow field inside nozzle body

2.2 外部流场仿真

本研究利用ANSYS 的Fluent 模块对喷嘴外流场进行仿真分析。首先建立喷嘴的三维模型并划分网格，以上文设定的参数为条件，时间步长见图4，通过仿真计算得出喷嘴外部流场雾滴质量分数分布云图见图5。在图5（b）云图取0.25%的质量分数为边界，喷头下空腔直径2 m，测出喷幅约1.37 m，使用2个喷头同时工作能够满足此次设计3 m 喷幅的要求，因此采用该仿真结果对应的喷嘴结构参数H=2.53 mm、D=3 mm、e=0.65 mm、α=42°作为喷嘴设计参数。

图4 喷嘴外部流场迭代计算过程Fig.4 Iterative calculation process of nozzle external flow field

图5 喷嘴外流场质量分数分布云图Fig.5 Cloud image of mass fraction distribution of nozzle outflow field

本研究采用查阅现有研究成果和植保无人机相关资料的方法，设定了仿真初始值，利用ANSYS软件迭代优化得出，当切槽角α为38°时，喷雾质量分布云图见图6。通过分析不同参数仿真得到的质量分数分布云图发现，喷幅不合理、喷雾角较大会导致药液分散、药液漂移等损失增大。

图6 喷雾角过大的喷嘴外流场质量分数分布云图Fig.6 Cloud image of mass fraction distribution in nozzle outflow field with large spray angle

3 结语

本研究采用SolidWorks 和ANSYS 软件，对四旋翼植保无人机喷头结构参数设计与仿真，通过分析仿真结果发现，设定的飞行高度3~6 m、喷幅3 m 的喷嘴参数为：切槽深度为2.53 mm、喷孔直径为3 mm、过心距为0.65 mm 和切槽角度为42°，能够满足植保无人机作业要求，为植保无人机喷洒系统的设计优化提供参考。

陈鹏超研究表明，无人机的作业高度为2.0 m 的有效喷幅宽度是3.46 m，以及作业高度为2.5 m 有效喷幅宽度是4.39 m。说明本研究选取的飞行高度和喷幅宽度合理可行，间接说明该仿真结果具有一定的参考作用。