《基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法》是農業部南京農業機械化研究所於2012年10月25日申請的專利，該專利的申請號為2012104110158，公布號為CN102915395A，授權公布日為2013年2月6日，發明人是薛新宇、張宋超、孫竹、常春、梁建、秦維彩、周立新、孔偉、周良富、蔡晨、王寶坤。
《基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法》屬於農用航空施藥技術領域。該方法模擬農用直升機和噴嘴的霧化面，確定預測域和預測域的邊界條件，並運行Fluent，得出施藥直升機行進及旋翼產生的氣流受到機身阻擋後在霧化面形成的風場，通過疊代運算，模擬邊界條件下預測域各格線內的藥液濃度和藥液密度變化，獲得藥液霧滴的沉積分布，完成直升機的航空施藥飄移預測。該發明將CFD思想引入到農用航空施藥技術領域，可以快速有效地模擬即將進行的航空施藥藥液沉積分布情況及飄移範圍等，從而為準確、安全、便捷評估農業航空施藥作業創造條件。
2016年12月7日，《基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法
- 公布號：CN102915395A
- 授權日：2013年2月6日
- 申請號：2012104110158
- 申請日：2012年10月25日
- 申請人：農業部南京農業機械化研究所
- 地址：江蘇省南京市南京市柳營100號
- 發明人：薛新宇、張宋超、孫竹、常春、梁建、秦維彩、周立新、孔偉、周良富、蔡晨、王寶坤
- Int.Cl.：G06F17/50(2006.01)I
- 代理機構：南京同澤專利事務所（特殊普通合夥）
- 代理人：閆彪、石敏
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
農業航空在上世紀得到了長足的發展，而隨著人們對生態環境的越來越重視，進入21世紀以來，不再一味地追求航空施藥的高效性，而同時考慮到航空施藥的安全性和對環境的污染問題，而航空施藥的農藥飄移是最為突出的問題。
截至2012年10月，通過對藥液霧滴的收集，檢測航空施藥的農藥飄移量，確定安全施藥帶，在農業航空施藥的時候能夠有效地避免對非施藥區域的環境污染以及人身安全的危害。傳統方法是在試驗或作業場地空中，設定方向與飛行方向垂直架設聚乙烯線（筒形）、地面按照一定的行間距大量放置採樣卡或水敏紙等，進行藥液霧滴或示蹤劑的收集，再通過專業設備儀器如螢光光度計等對所收集的藥液或示蹤劑進行沉積量分析，從而確定藥液霧滴的飄移距離和濃度，這樣的方法簡單有效，但是需要消耗大量的人力物力，且設備價格昂貴，操作專業性強。另外，上述方法都僅局限於在航空施藥作業之後，對藥液霧滴的沉積分布量數據進行採集，再進一步分析農藥飄移範圍，工作量大，且缺乏時效性和預測性。亟需找到一種操作簡易、成本低廉，而且準確度較高的方法，能夠在航空施藥作業之前對藥液霧滴飄移進行預測，評估農業航空施藥作業的安全性。
中國農業航空發展正處於起步且蓬勃發展階段，在航空施藥安全意識和評估手段上與國外已開發國家相比差距很大。據《基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法》的申請人了解，中國國內至今沒有見到相關航空施藥飄移模型的文獻。因此找到一種適合中國國情的農用航空施藥飄移預測方法十分重要。
發明內容
專利目的
《基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法》解決的技術問題是：提出一種基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法，該方法可以快速有效地模擬即將進行的航空施藥藥液沉積分布情況及飄移範圍等，從而為準確、安全、便捷評估農業航空施藥作業創造條件。
截至2012年10月，美國ANSYS集團的CFD商業軟體FLUENT（Aavid Thermal Technologies,Inc.開發）用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮範圍內的複雜流動。由於採用了多種求解方法和多重格線加速收斂技術，因而FLUENT能達到足夠的收斂速度和求解精度。靈活的非結構化格線和基於解的自適應格線技術及成熟的物理模型，使FLUENT在轉換與湍流、傳熱與相變、化學反應與燃燒、多相流、旋轉機械、動/變形格線、噪聲、材料加工、燃料電池等方面已得到廣泛套用。
技術方案
一種基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法，在載有Fluent軟體包的計算機中，按以下步驟進行預測：
第一步、模擬直升機——實測施藥直升機機身曲面參數，輸入計算機，進行格線化處理，生成機身格線圖；
第二步、模擬噴嘴霧化面——根據安裝在施藥直升機機身上的噴嘴個數以及噴嘴之間的距離，按下式確定噴嘴的噴量：
L＝l·S＝l·v·s·t
上式中L為噴量（單位為升），l為每畝所需噴量（單位為升/畝），S為作業面積（單位為畝），v是直升機作業飛行速度（單位為米/秒），s是直升機作業有效噴幅（單位為米），t是時間（單位為秒）；
並測得霧滴粒徑的尺寸，然後將噴嘴的噴量和霧滴粒徑的尺寸輸入計算機，生成預定分隔精度的噴嘴霧化面格線圖；
第三步、確定預測域——以施藥直升機旋翼軸中心線與機身上平面交點為基準點，以距所述上平面5±0.5和8±0.5倍旋翼直徑的平面分別為上邊界和下邊界，以距所述中心線15±1倍的旋翼直徑圓周面為周向邊界，建立圓柱形預測域，並生成預定精度的預測域格線圖；
第四步、輸入預測域邊界條件——將實測外界風速、溫度、壓力以及噴嘴內的藥液濃度和藥液密度輸入計算機，作為邊界條件；
第五步、預測航空施藥飄移——運行Fluent，得出施藥直升機行進及旋翼產生的氣流受到機身阻擋後在霧化面形成的風場，通過疊代運算（例如高斯-賽德爾疊代法），模擬邊界條件下預測域各格線內的藥液濃度和藥液密度變化，獲得藥液霧滴的沉積分布，完成直升機的航空施藥飄移預測。
在《基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法》中，噴嘴的開口底面為噴射面，霧化面為垂直於噴射軸線的一定距離上霧滴組成的平面。
《基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法》創造性的將CFD（計算流體力學）思想引入到農用航空施藥技術領域，對實際的直升機尺寸進行線性化和擬合，結合實時的作業參數，實現了對航空施藥作業的藥液飄移情況的預測。
對上述技術方案的改進是：在第一步、第二步及第三步中均使用貼體坐標法生成機身、霧化面以及預測域的格線圖。
對上述技術方案的進一步改進是：在第三步中確定預測域的方法為，以直升機旋翼軸中心線與機身上平面交點為基準點，所述預測域的上邊界距直升機5倍旋翼直徑距離，預測域的下邊界面距直升機8倍旋翼直徑距離，預測域的周向邊界面距離直升機15倍旋翼直徑距離。
預測域選取的目的是取到受影響的流場區域，預測域選取如果過小，則仿真出的最終結果不準確，不能夠完全體現藥液霧滴飄移的距離；預測域選取如果過大，會造成運算的時間過長，對資源造成浪費。
對上述技術方案的再進一步改進是：在第五步中採用高斯-賽德爾算法對預測域進行疊代計算，在格線化後的預測域上使用有限體積法將所述控制方程離散成線性方程組，並求解離散得到的線性方程組。
對上述技術方案的更進一步改進是：在執行第一步前，對實測的直升機的機身生成曲面，具體方法如下：
A、對機身用非均勻有理B樣條（NURBS）曲線進行過度；
B、對應邊界進行相容性處理；
C、生成NURBS的u向和v向直紋面；
D、生成基於NURBS的張量積曲面；
E、NURBS邊界曲面生成。
有益效果
《基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法》根據中國旋翼機的使用現狀，引入計算流體力學（CFD）方法，對直升機進行了模型化處理，並引入實際作業的參數和條件，構建了直升機施藥模型，通過結合實際作業參數和環境因子進行CFD計算，對整個作業過程動態模擬，來分析複雜的農業航空施藥中藥液霧滴的沉積、飄移規律，準確地預測了航空施藥藥液的飄移範圍。
該發明將飛機尾流、翼尖渦流、直升機旋翼下旋氣流和機身周邊空氣擾動納入到對霧滴的影響因素，通過模擬仿真的手段來預測霧滴的運動和地面沉積情況，從而實現低成本、快速、有效地預測出即將作業的效果。
附圖說明
圖1是《基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法》實施例的直升機機身的格線圖。
圖2是該發明實施例的霧化面格線圖。
圖3是該發明實施例的預測域格線化圖。
圖4是該發明實施例預測出來的空氣中等濃度線分布圖。
圖5是該發明實施例預測出來的地面上等濃度線分布圖。
技術領域
《基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法》涉及一種航空施藥飄移預測方法，屬於農用航空施藥技術領域。
權利要求
1.一種基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法，在載有Fluent軟體包的計算機中，按以下步驟進行預測：
第一步、模擬直升機——實測施藥直升機機身曲面參數，輸入計算機，進行格線化處理，生成機身格線圖；
第二步、模擬噴嘴霧化面——根據安裝在施藥直升機機身上的噴嘴個數以及噴嘴之間的距離，按下式確定噴嘴的噴量：
L＝l·S＝l·v·s·t
上式中L為噴量，單位為升，l為每畝所需噴量，單位為升/畝，S為作業面積，單位為畝，v是直升機作業飛行速度，單位為米/秒，s是直升機作業有效噴幅，單位為米，t是時間，單位為秒；並測得霧滴粒徑的尺寸，然後將噴嘴的噴量和霧滴粒徑的尺寸輸入計算機，生成預定分隔精度的噴嘴霧化面格線圖；
第三步、確定預測域——以施藥直升機旋翼軸中心線與機身上平面交點為基準點，以距所述上平面5±0.5和8±0.5倍旋翼直徑的平面分別為上邊界和下邊界，以距所述中心線15±1倍的旋翼直徑圓周面為周向邊界，建立圓柱形預測域，並生成預定精度的預測域格線圖；
第四步、輸入預測域邊界條件——將實測外界風速、溫度、壓力以及噴嘴內的藥液濃度和藥液密度輸入計算機，作為邊界條件；
第五步、預測航空施藥飄移——運行Fluent，得出施藥直升機行進及旋翼產生的氣流受到機身阻擋後在霧化面形成的風場，通過疊代運算，模擬邊界條件下預測域各格線內的藥液濃度和藥液密度變化，獲得藥液霧滴的沉積分布，在格線化後的預測域上使用有限體積法將控制方程離散成線性方程組，並求解離散得到的線性方程組，完成直升機的航空施藥飄移預測。
2.根據權利要求1所述的直升機航空施藥飄移預測方法，其特徵在於所述疊代運算採用高斯-賽德爾疊代法。
3.根據權利要求1所述的直升機航空施藥飄移預測方法，其特徵在於，使用貼體坐標法生成機身、霧化面以及預測域的格線圖。
4.根據權利要求1所述的直升機航空施藥飄移預測方法，其特徵在於，第一步中將實測的直升機的機身生成曲面的方法具體如下：
A、對機身用非均勻有理B樣條NURBS曲線進行過度；
B、對應邊界進行相容性處理；
C、生成NURBS的u向和v向直紋面；
D、生成基於NURBS的張量積曲面；
E、NURBS邊界曲面生成。
實施方式
該實施例中直升機的翼型剖面段長度L=1200毫米；槳葉弦長C=140毫米；槳葉安裝角（r=0.2米處）amin=2.4°，amax=12.1°，總矩可調範圍0%—99%，工作總矩為50%；翼型剖面段翼根段扭轉角為9.05°，翼型剖面段翼尖段扭轉角為3.05°。
該實施例的基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法，包括以下步驟：
第一步、模擬直升機——實測施藥直升機機身曲面參數，輸入計算機，進行格線化處理，生成機身格線圖。
該實施例中首先對《基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法》在執行第一步前對實測的直升機的機身生成曲面，具體方法如下：
A、對機身用非均勻有理B樣條（NURBS）曲線進行過度；
B、對應邊界進行相容性處理；
C、生成NURBS的u向和v向直紋面；
D、生成基於NURBS的張量積曲面；
E、NURBS邊界曲面生成。
該實施例使用貼體坐標法生成直升機的機身曲面的格線圖，直升機機身的格線圖如圖1所示。
貼體坐標法的具體算法可以參考任玉新、陳海昕編著的《計算流體力學基礎》，清華大學出版社，2006年6月第一版P93～P110。
第二步、模擬噴嘴的霧化面——根據安裝在施藥直升機機身上的噴嘴個數以及噴嘴之間的距離，按下式確定噴嘴的噴量，其中為噴量（單位為升），為每畝所需噴量（單位為升/畝），為作業面積（單位為畝），是直升機作業飛行速度（單位為米/秒），是直升機作業有效噴幅（單位為米），是時間（單位為秒）；並利用霧滴測試儀（例如南京萬朝檢測技術有限公司經銷的Mastersizer2000型雷射粒度儀）測得霧滴粒徑的尺寸，然後將噴嘴的噴量和霧滴粒徑的尺寸輸入計算機，生成預定分隔精度的噴嘴霧化面格線圖。
該實施例中，每畝所需噴量為1升/畝，是直升機作業飛行速度為3米/秒，直升機作業有效噴幅取7米；霧滴粒徑尺寸測得為DV50400微米，直升機槳盤面積約為7.69平方米，在機身兩側各安裝1個噴嘴，噴嘴間距為1.0米，藥箱容量15升，每個噴嘴噴量750毫升/分鐘，單架次作業時間為10分鐘，採用離心霧化方式，在藥液噴嘴所產生的霧化面約為半徑1.5米的圓面；霧化面格線的生成方法與對直升機的機身曲面進行格線化處理的方法相同。該實施例中生成的霧化面格線圖如圖2所示。
第三步、確定預測域——以施藥直升機旋翼軸中心線與機身上平面交點為基準點，以距所述上平面5±0.5和8±0.5倍旋翼直徑的平面分別為上邊界和下邊界，以距所述中心線15±1倍的旋翼直徑圓周面為周向邊界，建立圓柱形預測域，並生成預定精度的預測域格線圖。
預測域選取的目的是取到受影響的流場區域，預測域選取如果過小，則仿真出的最終結果不準確，不能夠完全體現藥液霧滴飄移的距離，預測域選取如果過大，會造成運算的時間過長，對資源造成浪費。
該實施例中確，直升機旋翼直徑約3米，以直升機旋翼軸中心線與機身上平面交點為基準點，預測域的上邊界距直升機15米，預測域的下邊界面距直升機24米，預測域的周向邊界面距離直升機60米。
該實施例中生成預測域的格線圖的方法與對直升機的機身曲面進行格線化處理的方法相同，最終得到的預測域格線圖如圖3所示。
第四步、確定預測域的邊界條件——將實測外界風速、溫度、壓力以及噴嘴內的藥液濃度和藥液密度輸入計算機，作為邊界條件。
預測域的幾何邊界定義了流場的範圍，也就是說預測域是由幾何邊界確定的，而邊界點的參數常常是給定的，這就是邊界條件。該實施例引入外界的風速、溫度、壓力以及噴嘴數、噴嘴內的藥液濃度和藥液密度作為邊界條件，將實際作業參數和測量參數噴霧高度5m、噴嘴數2個、風速3米/秒、溫度18.33℃、空氣相對濕度50%、霧滴粒徑的體積中徑DV50400微米。
第五步、預測航空施藥的飄移——運行Fluent，得出施藥直升機行進及旋翼產生的氣流受到機身阻擋後在霧化面形成的風場，通過高斯-賽德爾疊代法模擬邊界條件下預測域各格線內的藥液濃度和藥液密度變化，獲得藥液霧滴的沉積分布，完成直升機的航空施藥飄移預測。
該實施例在Fluent中完成對預測域內的所有格線的疊代計算，在格線化後的預測域上使用有限體積法（詳見國防工業出版社2008年3月出版的《有限體積法基礎（第2版）》，作者為李人憲）將控制方程離散成線性方程，求解離散得到的線性方程組，得到如圖4所示的空氣中等濃度線分布圖以及如圖5所示的地面上等濃度線分布圖，上述兩圖中均以濃度等高線形式表示，如8E-06，單位為ppm。
該實施例中對預測域內的所有格線進行疊代計算的高斯-賽德爾方法可以參考東南大學出版2000年7月出版的《計算方法與實習》第三版中P62～P70，作者是袁慰平，孫志忠，吳宏偉，聞震初。
榮譽表彰
2016年12月7日，《基於模型的直升機航空施藥飄移預測方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
