固定翼飞机近地施药尾涡运动模型及雾滴飘移规律

During the operation of fixed wing aircraft crop protection, drifting droplets easily cause damage to untargeted plants, environment, and health of human beings. Field test, wind tunnel experiment and CFD simulation will be used to solve the problem of droplet drift in the process of fixed wing aircraft spray operation. Based on the typical operating parameters of the fixed wing aircraft spraying, and taking the ground as the fixed reference frame, we try to simulate the real working environment and vortex characteristics, and constructed the aircraft wake vortex initialization model. The influence of the atmospheric turbulence boundary layer on the motion and dissipation of the trailing vortex will be taken into account. Based on the vertical velocity profile and temperature profile of the atmospheric boundary layer of typical operating conditions, Reynolds stress / large eddy simulation (RANS/LES) hybrid turbulence model will be used to simulate the vortex motion in complex wind field in large spatial and temporal scales. The evaporation law of droplets in convection condition and the force model of droplets in typical flow field are emphasized, and the drift characteristics of different size and spatial distribution of the droplet in vortex wind field will be studied. The project could provide a theoretical basis for the optimization of spraying method, fixed wing aircraft air spraying nozzle installation position and the spray droplet size selection.

固定翼飞机植保作业过程中所喷洒的雾滴极易产生飘移，导致非靶标植物药害、环境污染，危害人员健康。针对固定翼飞机喷洒作业过程中的雾滴飘移问题，申请人拟综合运用田间试验、风洞试验及CFD模拟手段开展研究。基于典型施药作业条件下固定翼飞机的作业参数，以地面为固定参考系，模拟真实作业环境和尾涡特征，并构建飞机尾涡初始化模型。将大气湍流边界层对尾涡运动及耗散的影响纳入研究范围。基于典型作业条件下的大气边界层垂直地面速度剖面和温度剖面，运用雷诺应力/大涡模拟（RANS/LES）混合湍流模型，对复杂环境风场下的尾涡运动进行分区域模拟，研究尾涡在大空间尺度和长时间尺度下的演化规律。重点突破雾滴在对流条件下的蒸发规律及雾滴在典型流场中的受力模型。探寻不同粒径及空间分布的雾滴在尾涡风场作用下的飘移特性，为优化固定翼飞机施药作业方式、航空施药喷头安装位置及施药雾滴粒径的选择提供理论依据。

本项工作针对目前尚无典型作业条件下的近地尾涡运动耗散模型，雾滴在典型流场结构中的运动和蒸发规律缺乏研究，雾滴初始粒径及位置变化与其运动轨迹变化的关系仍不清楚等三方面问题。通过固定翼飞机初始尾涡模型构建、环境速度/温度分布测量、雾化器雾滴初始粒径分布测量、风场/雾滴运动发展过程模拟与实测、雾滴运动轨迹与空间、地面分布分析等多种方式开展研究工作。具体包括：.1、对潜在可用于固定翼飞机近地尾涡CFD模拟的初始尾涡模型 Lamb-Oseen， Burham-Hallock，以及 Proctor 模型产生的速度剖面进行了对比，确定了以Burham-Hallock尾涡模型作为初始尾涡模型加入CFD计算的方案。.2、基于垂直布置的三维超声风速传感器阵列测量了大气边界层速度、温度空间分布，且以此为基础计算分析了大气边界层内湍动能及湍动能耗散率的空间分布，为CFD数值模型选择合适的边界条件、初始条件及壁湍流模型提供了参考数据。.3、明确了旋转雾化器的初级雾化和二级雾化主要受转速和风速的影响，其中转速又受到风速、叶片安装角以及流量的影响。实验得到的旋转雾化器雾滴体积中径数据被作为雾滴飘移预测模型的输入条件，用于计算飞行状态下，雾滴的飘移运动和地面沉积分布。.4、基于田间实验结果及初始尾涡模型的选择，构建旋转速度曲线可调的尾涡发生装置，对不同喷头产生雾滴粒径分布进行测量。并基于两相流PIV技术，研究不同粒径雾滴在尾涡中的运动过程，为后续模拟结果提供了超过300µm的大雾滴在空气中的运动分布情况的实验参照。.5、对稳定、中性、不稳定等三种大气状态下的雾滴运动进行了数值模拟，发现静稳定状态下温度分布在整体上呈现分层现象，雾滴向地面沉积也较慢，飘移损失较大。静不稳定状态时，温度分层状态被快速打破，大部分雾滴快速沉降，飘移损失较小。.6、模拟不同作业条件下的雾滴蒸发、飘移、沉积比例。发现翼尖涡可影响雾滴留空时间。喷杆中间的雾滴留空时间减少，喷杆两侧靠近翼尖涡的雾滴留空时间增大。由于雾滴中水的蒸发，留空时间越长，雾滴粒径越小，越容易发生飘移。.本研究实现了尾涡风场作用下的雾滴运动模型构建，为研究雾滴在尾涡风场中的运动规律提供了基础，为固定翼飞机航空施药喷头位置及施药雾滴粒径的选择提供了理论依据。