基于CFD仿真植保无人机在各工况下对施药效果的影响

摘要：为探究多旋翼植保无人机在不同工况下对施药效果的影响，明确两款多旋翼植保无人机结构设计优缺点，规范植保无人机在飞防作业中的参数设置。试验以两款多旋翼植保无人机为对象，采用CFD仿真模拟植保无人机在不同工况下的流场分布、风场幅宽、飘移情况。结果表明：两款植保无人机主要风场幅宽可达6～12 m，次要风场幅宽可达12～20 m；增加飞行高度、飞行速度可以获得较大的喷洒面积，但风场穿透力减弱、雾滴飘移距离增加，顺风作业有利于改善施药效果；四旋翼植保无人机相较于六旋翼植保无人机平衡性更好，下压力及抗飘移能力都有一定优势，且风场分布均匀规整，更有利于喷洒均匀。可为后续植保无人机机型结构优化提供思路和为植保无人机飞防作业参数设置提供理论依据。

关键词：植保无人机；数值模拟；飞行高度；飞行速度；风速

中图分类号：S251

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2024） 070087

10

Influence of plant protection UAV on the effect of pesticide application under various

operating conditions based on CFD simulation

Xu Tianfu1， Zhao Haiyan1， Sang Weijun1， Liu Jianfeng2， Xie Kang1， Sun Guangjun3

（1. College of Tobacco Science， Guizhou Key Laboratory for Tobacco Quality Research， Guizhou University，

Guiyang， 550025， China； 2. Institute of Entomology， Guizhou University， Guiyang， 550025， China;

3. Guizhou Province Company， China National Tobacco Corporation， Guiyang， 550001， China）

Abstract：

In order to explore the impact of multi-rotor plant protection UAV on pesticide application under different working conditions， the advantages and disadvantages of the structural design of two multi-rotor plant protection UAVs were clarified， and the parameter settings of plant protection UAV in flight prevention operations was standardized. In this experiment， two multi-rotor plant protection UAVs were used to simulate the flow field distribution， wind field width and drift of UAVs under different working conditions. The results showed that the main wind field width of the two types of plant protection UAVs could reach 6-12 m， and the secondary wind field width could reach 12-20 m. Increasing flight altitude and speed could achieve a larger spraying area， but the wind field penetration was weakened and the distance of fog droplet drift was increased. Working in the downwind direction was beneficial for improving the spraying effect. Compared with the" six-rotor crop protection drones， the four-rotor" crop protection drones have better balance， advantages in downforce and anti drift ability and a uniform and orderly wind field distribution， which is more conducive to uniform spraying. The research results can provide ideas for the structure optimization of plant protection UAV and theoretical basis for the setting of flight control operation parameters of plant protection UAV.

Keywords：

plant protection UAV; numerical simulation; flight height; flight speed; wind speed

0 引言

随着无人机技术的发展，植保无人机在农业领域的应用越来越广泛［1］，其灵活性好、效率高、劳动强度低等展现出来的特点解决了传统植保机械受作物长势和地理因素限制的问题［2］，缓解了农村劳动力不足的现状、提高了农药的利用率、降低了植保作业过程中对操作人员的危害等问题［3］。目前，我国对于植保无人机田间施药技术的研究较少，作业参数设置随意，缺少统一的标准施药技术和作业规范。亟需科研工作者通过大量试验来探索符合植保无人机施药的通用规律。

植保无人机防治农作物有害生物的效果取决于喷雾药液能否合理有效地沉积于靶标［4］，其影响因素有作业参数、作业环境、喷头性能、机型以及作物类型等［5］。前人研究结果表明：植保无人机的飞行高度和速度是影响施药效果的主要制约因素，不同的飞行高度、速度影响靶标区域内的雾滴沉积量、雾滴密度、雾滴粒径［6， 7］；除飞行高度和速度外，增加施药量也可以改善施药效果［8］。植保无人机在作业时，风速过大，雾滴飘移严重，雾滴不易附着在农作物表面；风速过小不利于雾滴沉积，适当的风速可提升施药效果，风速在3 m/s以下时施药效果较好［9， 10］。喷头是植保无人机施药系统的关键部件之一，选用雾化粒径小的喷头能够改善施药效果，但易发生飘移；选用雾化粒径大的喷头，能有效降低雾滴飘移，但雾滴沉积分布不均匀［11， 12］。除上述原因外，不同作物类型冠层的郁闭程度也影响着植保无人机的施药效果［13］，作物叶片重叠遮盖严重，雾滴难以沉积到位于下部叶的靶标，植保无人机强劲有力的下压气流可以改变冠层的郁闭程度［14， 15］，对于改善施药效果具有积极作用。

目前，植保无人机旋翼风场分布特性的检测方法主要有田间试验、试验台试验和数值模拟［16］。田间试验限制多、耗费大，但结果能反映实际喷洒性能和雾滴漂移特性。试验台试验数据可靠性高、可重复性强，但无法模拟真实的喷洒环境。数值模拟能够精确模拟影响植保无人机施药效果的各种因素，现已成为研究植保无人机旋翼风场分布规律的一种主流研究方法［17］。其中CFD数值模拟是一种利用计算机求解流体力学方程组的方法，可以有效地模拟旋翼周围的流体运动，捕捉涡旋流动细节，揭示旋翼绕流的特性［18］。在植保无人机领域，CFD仿真模拟技术主要用于机型结构优化、作业参数优选等方面［1921］。本试验采用CFD数值模拟仿真两款多旋翼植保无人机在不同工况下的流动分布、风场幅宽、飘移情况及无人机风场和环境风速间的相互作用；同时结合田间试验验证仿真模拟试验结论。可为后续多旋翼植保无人机的雾滴运动规律、机型结构优化、作业参数优选研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验设备与材料

CFD仿真模拟供试机型：（1）极目EA-30X植保无人机，四旋翼，裸机约32 kg，最大起飞重量为67 kg，药箱容积为30 L、作业载荷为30 kg，喷头数量为2个，喷头型号为CCMS-L20000，雾化粒径为20～250 μm；（2）大疆T-30植保无人机，六旋翼，裸机约26.3 kg，最大起飞重量为66.5 kg，药箱容积为30 L、作业载荷为30 kg，喷头数量为16个，喷头型号为SX11001VS（标配），雾化粒径为130～250 μm；（3）诱惑红（指示剂）；（4）风速测量仪，型号为TA8166。

1.2 模型处理

考虑到仿真需求，对两款植保无人机进行适当简化，在保留各部件主要外型面的同时，去除了诸如螺钉、按键等对整体流场仿真影响可以忽略的局部细节，简化后四旋翼植保无人机模型如图1所示，六旋翼植保无人机如图2所示。

1.3 网格划分

采用Cadence Point Wise进行流体域的网格划分，绘制混合网格。考虑到后续使用压力远场边界条件进行仿真，建立100 m×100 m×55 m的结构网格方形计算区域，飞行器中心位于（0，0，0）处，地面边界距离飞行器支撑腿3 m/5 m距离，飞行器处网格加密，即空间网格尺度不超过10 cm，如图3所示。针对旋翼区域进行局部重点加密，即旋翼表面网格前后缘沿弦向第一层不大于0.5 mm，增长率不大于1.2，沿展向网格尺度不大于5 mm，其他地方网格尺度不超过1 cm。由于需要考虑旋翼的旋转，旋翼区域采用滑移网格，绘制了单独的旋转区域，其他区域采用静态网格。为精确捕捉附面层流动，绘制30层附面层网格，第一层网格厚度0.5 mm，旋翼第一层网格厚度0.2 mm，总网格量约1 000万，如图4所示。

1.4 计算设置

由于有旋翼存在，在2 800 r/min转速下，旋翼尖端速度约146 m/s，马赫数约0.43，此时空气的压缩性不可忽视，因此采用ANSYS CFX密度基求解器，使用可压缩流体模型进行仿真，空气使用理想气体模型，湍流模型使用适合旋翼仿真的k-ω SST模型；N-S方程由连续性方程、动量方程和能量方程组成。

仿真大气环境按静压101 325 Pa，静温300 K设置，壁面使用绝热壁面。初始条件采用均匀自由流条件，X轴正向为飞行器飞行方向，Z轴从地面指向天空。有风时，风沿X轴正向向前吹，即飞行器顺风飞行。地面采用滑移粗糙壁面，相对飞行器以飞行速度向X轴负向运动。旋翼使用滑移网格，设置其按照指定的转速、旋转方向绕轴旋转，如图5所示。

1.5 喷洒介质及模拟分析内容

本试验喷洒介质为水，四旋翼植保无人机每个喷头喷洒流量设为0.084 kg/s，共计2个喷头总喷洒流量为0.168 kg/s，六旋翼植保无人机每个喷头喷洒流量设为0.010 kg/s，共计16个喷头总喷洒流量为0.160 kg/s。根据植保无人机在田间作业时，常设置的飞行高度、飞行速度范围及探索环境风速对植保无人机施药效果的影响，设置如表1所示的工况模拟参数。对所模拟的工况分析进行中的气流及风场、植保无人机风场及外部环境风速的相互影响以及云图、流场、分布曲线模拟数据分析。

1.6 田间施药效果验证

田间试验作业对象为烟草，于2023年5—8月在贵州省福泉烟草科学研究所基地（E26°74′，N107°50′）进行，供试烤烟品种K326，种植间距为1.0 m×0.6 m。试验时，选择气温在20 ℃～32 ℃、相对湿度在40%～90%，烟株平均高度为30 cm。作业参数设置如表1所示，但风速由于在田间难以精确控制，只验证在0～1.0 m/s和1.5～2.5 m/s两个区间风速的施药效果区别，如表2所示。

选择长×宽为60.0 m×20.0 m的试验小区，在试验小区内每隔10 m选1行烟株作为取样烟株，共3行，每行选11株烟作为取样点，共计3个重复33个取样点，图中黑色圆圈为取样烟株（图6），植保无人机飞行方向为从左到右往返航行，共4个航次。在取样点烟株叶基到叶尖1/2处布置一张雾滴测试卡（由相片纸裁剪而成，长×宽：7.0 cm×3.0 cm）。用诱惑红兑水（5 g/L）作为指示剂加入植保无人机，在每次试验之前，用手持风速仪测量风速，风速满足条件则起飞作业。植保无人机作业完成后，按序收集雾滴测试卡，逐一放入密封袋，并做好标记，雾滴测试卡按顺序摆放在扫描仪上，选择灰度扫描，在600 dpi下扫描并保存图片。使用DepositScan得到雾滴密度、雾滴覆盖率、雾滴粒径、雾滴沉积量。采用变异系数对各个采样点之间雾滴均匀性进行评估，变异系数越小说明雾滴沉积分布均匀性越好。变异系数计算如式（1）所示。

CV=σμ

（1）

式中：

CV——变异系数；

σ——取样点雾滴密度标准差；

μ——取样点雾滴密度平均值。

2 结果与分析

2.1 两款植保无人机在不同工况下下压气流分析

由图7～图10可知，在绝大多数工况下，两款植保无人机均能提供强劲有力的下压气流，利于喷洒雾滴穿透植被，提高植保无人机对作物中、下部叶的施药效果。

由图7（d）和图9（d）可知，在飞行高度5 m、飞行速度5 m/s、无风工况下，由于飞行高度和飞行速度均比较大，导致植保无人机正下方的下压力较小，对于叶片郁闭程度严重的作物施药效果不佳。同时由图7、图9可知，两款植保无人机在无风状态下，植保无人机飞行时，环境风速相对植保无人机向后运动，受植保无人机风场阻挡，在植保无人机前方形成一个弓形的下压区域，不过该区域对喷洒并没有什么帮助。由图8、图10可知，在顺风飞行的情况下，植保无人机正下方有很强的下压力，尤其在较高飞行高度和较快飞行速度飞行时区别十分明显。

2.2 两款植保无人机在不同工况下风场幅宽分析

植保无人机在田间作业时的有效喷幅跟植保无人机的风场幅宽有直接关系，在一定程度上影响着植保无人机的施药效果。将下压强度大于6.9视为主要风场，下压强度介于3.1～6.9视为次要风场。由图11、图12可知，两款植保无人机主要风场幅宽可达6～12 m，次要风场幅宽可达12～20 m。由图11（h）、图12（h）可知，在飞行高度5 m、飞行速度5 m/s、无风条件下风场幅宽最窄，即在无风条件下，设置较高的飞行高度和较快的飞行速度会导致施药效果不佳。对比图11、图12可知，四旋翼植保无人机风场分布比六旋翼植保无人机均匀规整，更有利于喷洒均匀。同时，两款植保无人机顺风飞行时，增大了风场幅宽；随着飞行速度的增加，风场幅宽变小；随着飞行高度的增加，风场幅宽变大，但相同强度下的影响幅宽不如飞行高度为3 m的，即随着飞行高度增加，能够喷洒的面积更大，但是穿透力减弱。

2.3 两款植保无人机在不同工况下喷洒效果分析

由图13可知，无风状态下，由于环境风速和飞行速度两者间差值较大，随着飞行高度和飞行速度的增加，两款植保无人机风场强度衰减较为明显；同时四旋翼植保无人机下压风场的衰减程度比六旋翼植保无人机的弱，这得益于四旋翼植保无人机对称性更强、平衡性更好、单桨风场更强。由图14可知，在顺风3级时，由于环境风速和飞行速度两者间差值较小，两款植保无人机的下压风场得到加强，因此在现实的植保作业过程中，植保无人机应顺风作业以提高施药效果。

雾滴飘移是影响植保无人机施药效果的主要因素之一，本试验从植保无人机流场分布的偏移距离来衡量雾滴飘移情况。由图15可知，在无风作业时，环境风速和飞行速度差值较大，两款植保无人机除在飞行高度3 m、飞行速度3 m/s时飘移距离不明显外，在其余工况下，均发生较为明显的雾滴飘移，喷洒效果变差；且随着飞行高度和飞行速度的增加，雾滴飘移距离越加严重，六旋翼植保无人机的雾滴飘移距离比四旋翼植保无人机更远。

由图16可知，在顺风3级作业时，由于环境风速和飞行速度差值小，两款植保无人机在顺风作业时飘移距离无明显差异，且顺风作业可以有效缩短雾滴飘移距离。

2.4 两款植保无人机在不同工况下地面压力曲线和速度曲线对比分析

通过地面压力曲线的对比，可以知道两款植保无人机正下方风场对作物的穿透力。由图17可知，从对沿飞行方向地面压力来看，在飞行高度为3 m时，顺风飞行四旋翼植保无人机更有优势，无风飞行六旋翼植保无人机更有优势；在飞行高度为5 m时，两款植保无人机无明显差异。由图18可知，从对沿侧向地面压力来看，在飞行高度为3 m时，四旋翼植保无人机优势明显；在飞行高度为5 m时，四旋翼植保无人机在顺风3级、飞行速度3 m/s工况下优势明显，其余工况下，两款植保无人机无明显差异。

通过速度曲线的对比，可以知道两款植保无人机穿透力覆盖范围，即速度大且分布均匀意味着对比较宽阔的区域有较强的穿透力。

由图19和图20可知，从沿飞行方向和侧向速度分布曲线来看，四旋翼植保无人机的风场相对于六旋翼植保无人机更大更强，穿透力优势十分明显。此方面的优势可能源于四旋翼植保无人机采用4桨而非6桨构型，结构更加对称，单桨风场更强，衰减更慢；另一方面，六旋翼植保无人机安装16个喷头，单个喷头喷洒流量小，衰减更快。

2.5 两款植保无人机田间作业施药效果对比

由图21（a）可知，四旋翼植保无人机的雾滴粒径在飞行高度3 m、飞行速度3 m时，四旋翼植保无人机雾滴粒径大，其余飞行参数下均是六旋翼植保无人机雾滴粒径大，这可能是两款植保无人机喷头类型不同导致，同时雾滴粒径大可能也是六旋翼植保无人机雾滴均匀性差的原因之一。使用植保无人机进行叶面喷施时，雾滴粒径在10～300 μm之间有较好的施药效果，从这方面来看，四旋翼植保无人机的施药效果更好。由图21（b）、图21（c）来看，四旋翼植保无人机的沉积量、雾滴覆盖度在各个作业参数下均大于六旋翼植保无人机，即在同等作业参数下四旋翼植保无人机的施药效果更好，且四旋翼植保无人机在飞行高度3 m、飞行速度3 m/s时的施药效果最优。由图21（d）可知，四旋翼植保无人机的变异系数在同等作业参数下均小于六旋翼植保无人机，即四旋翼植保无人机的喷洒均匀性更好，防治效果优于六旋翼植保无人机。综上所述，田间验证结果基本跟CFD仿真结果吻合；但环境风速的改变带来的施药效果变化不明显，对施药效果的改变有升有降。这可能是在田间作业时，环境风场紊乱，作业过程中风向变化，并未完全顺风作业导致的。

3 讨论

目前，在我国市场上多旋翼植保无人机运用最为广泛［22， 23］。对于多旋翼植保无人机的田间施药技术，前人研究多着重于某一机型飞行高度、飞行速度和施药量对某一作物的施药效果影响，得到的结果不具备通用性。在本试验中，仿真结果和田间试验结果均表明：四旋翼植保无人机雾滴分布更加均匀，更有利于均匀喷洒，施药效果更好。导致此结果的原因可能是四旋翼植保无人机的结构设计平衡性更好，单桨风场更强，衰减更慢；而六旋翼植保无人机，采用六桨构型设计，植保无人机风场向后严重拖曳，高度旋转的桨叶滑流和外界风场相互作用，导致植保无人机风场向一侧偏移，喷施不均匀。故而在后续的植保无人机机型结构设计中，应考虑安装旋翼的数量及安装位置对植保无人机平衡性的影响。

单从两款植保无人机的CFD模拟结果来看，在无风条件下，降低飞行高度和飞行速度可以提高雾滴的穿透能力和风场强度，改善施药效果，此结论跟田间试验结论吻合；提高飞行高度和飞行速度可以获得更多的喷洒面积和提高作业效率，但飘移距离增加，此结论与其他科研工作者的田间试验结果相吻合［8， 24， 25］。即从理论上来说，植保无人机在无风条件作业时，选择较低的飞行高度和飞行速度可以有更强的雾滴穿透力，此规律适合大多数作物利用植保无人机进行植保作业；但过低的飞行高度并不适合叶片易折损且以叶片作为收获部位的农作物，如烟草等作物。在顺风3级作业时，在较高飞行速度下的施药效果得到改善，即植保无人机的飞行速度跟环境风速的差值越小作业效果越好。由以上规律可知，在田间作业时，植保无人机对作业对象的损害较小且在环境风速很小的情况下，应尽量选择较低的飞行高度和飞行速度；同时应顺风飞行，且飞行速度跟环境风速差值越小施药效果越好。利用植保无人机进行植保作业会是未来的主流作业方式，但现今植保无人机种类多样、作业作物繁多及作业情况复杂，未来的研究应针对市场上的主流机型在不同作物、不同环境条件下雾滴运动规律，建立相应的植保无人机施药作业指南［26］。这可以让飞手或农户在利用植保无人机作业时，能够根据植保无人机机型、作物类型、环境条件设置相应的作业参数，以提高作业效果。

4 结论

1） 两款植保无人机在顺风飞行下，可以增大风场幅宽、改善雾滴均匀性，从而提升施药效果。

2） 降低飞行高度和飞行速度喷洒效果更好，提升飞行高度、速度可以获得较大的喷洒面积，但是风场穿透力减弱，飘移距离增加。

3） 四旋翼植保无人机相较于六旋翼植保无人机平衡性更好，下压力以及抗飘移能力都有一定优势，且风场分布均匀规整，更有利于喷洒均匀。

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