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The computational fluid dynamic modeling of downwash flow field for a six-rotor UAV 被引量:9
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作者 Yongjun ZHENG Shenghui YANG +4 位作者 Xingxing LIU Jie WANG Tomas NORTON Jian CHEN Yu TAN 《Frontiers of Agricultural Science and Engineering》 2018年第2期159-167,共9页
The downwash flow field of the multi-rotor unmanned aerial vehicle(UAV), formed by propellers during operation, has a significant influence on the deposition, drift and distribution of droplets as well as the spray wi... The downwash flow field of the multi-rotor unmanned aerial vehicle(UAV), formed by propellers during operation, has a significant influence on the deposition, drift and distribution of droplets as well as the spray width of the UAV for plant protection. To study the general characteristics of the distribution of the downwash airflow and simulate the static wind field of multi-rotor UAVs in hovering state, a 3 D full-size physical model of JF01-10 six-rotor plant protection UAV was constructed using Solid Works. The entire flow field surrounding the UAV and the rotation flow fields around the six rotors were established in UG software. The physical model and flow fields were meshed using unstructured tetrahedral elements in ANSYS software.Finally, the downwash flow field of UAV was simulated.With an increased hovering height, the ground effect was reduced and the minimum current velocity increased initially and then decreased. In addition, the spatial proportion of the turbulence occupied decreased. Furthermore, the appropriate operational hovering height for the JF01-10 is considered to be 3 m. These results can be applied to six-rotor plant protection UAVs employed in pesticide spraying and spray width detection. 展开更多
关键词 CFD simulation downwash flow field numerical analysis plant protection six-rotor UAV
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基于PINNs的单旋翼植保无人机下洗流场预测模型 被引量:2
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作者 王涛 文晟 +3 位作者 兰玉彬 张海艳 尹选春 张建桃 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第6期83-91,共9页
植保无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)进行喷施作业时,旋翼高速旋转所产生的下洗流场是影响雾滴飘移的重要因素。为了快速准确地预测单旋翼植保无人机下洗流场的速度等流场参数,提升无人机精准施药效果,该研究基于物理信息神经网络(... 植保无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)进行喷施作业时,旋翼高速旋转所产生的下洗流场是影响雾滴飘移的重要因素。为了快速准确地预测单旋翼植保无人机下洗流场的速度等流场参数,提升无人机精准施药效果,该研究基于物理信息神经网络(physics-informed neural networks,PINNs)构建了单旋翼植保无人机下洗流场的预测模型。在全连接神经网络结构的基础上,嵌入纳维-斯托克斯(Navier-Stokes,N-S)方程作为物理学损失项来参与训练,减轻网络模型对数据依赖性的同时增强了模型的可解释性。通过最小化损失函数,使得该模型学习到流场中流体的运动规律,得到时空坐标与速度信息等物理量之间的映射关系,从而实现对单旋翼无人机下洗流场的速度等参数的快速预测。最后通过风洞试验验证该预测模型的可行性和准确性。结果表明:没有侧风的情况下,预测模型在旋翼下方0.3、0.7、1.1以及1.5 m共4个不同高度处各向速度的预测值和试验值的误差均小于0.6 m/s,具有较小的差异性;不同侧风风速情况下,水平和竖直方向速度的预测值与试验值的总体拟合优度R2分别为0.941和0.936,表明所提出的模型在单旋翼植保无人机下洗流场预测方面具有良好的应用效果,能够快速准确地预测下洗流场的速度信息。研究结果可为进一步研究旋翼风场对雾滴沉积分布特性的影响机理提供数据支撑。 展开更多
关键词 无人机 模型 神经网络 下洗流场 单旋翼
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多旋翼植保无人机悬停下洗气流对雾滴运动规律的影响 被引量:41
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作者 杨风波 薛新宇 +1 位作者 蔡晨 周晴晴 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第2期64-73,共10页
多旋翼植保无人飞机在农药喷洒和授粉作业等相关领域已开展广泛应用,但存在风场分布不明晰导致的分布不均问题。针对六旋翼植保无人飞机,结合雷诺平均N-S方程及Realizable k-ε湍流模型,建立了下洗气流三维数学模型,风场测试及非定常计... 多旋翼植保无人飞机在农药喷洒和授粉作业等相关领域已开展广泛应用,但存在风场分布不明晰导致的分布不均问题。针对六旋翼植保无人飞机,结合雷诺平均N-S方程及Realizable k-ε湍流模型,建立了下洗气流三维数学模型,风场测试及非定常计算表明特征点z向速度的测量和模拟值相对误差在9%以内,验证了风场数值计算的可靠性;在机翼旋转诱导及外界气压的挤压下,下洗气流纵向主截面呈现出"收缩-扩张-再收缩"现象;"旋翼间干扰"使得下洗风场湍流效应明显,横截面的旋翼间区域出现了气流"引入"及"导出"区。引入雾滴离散相,并对连续相进行动量、能量方程修正,建立喷头含雾滴离散相的两相流模型,结合喷头喷幅试验来验证了该两相流模型计算雾滴运动轨迹的有效性;结果表明,粒径越小,雾滴水平方向分速度衰减越快,喷幅越小;雾滴粒径越大,竖直方向的最终分速度越大。建立了六旋翼植保无人飞机悬停条件下含雾滴离散相的三维两相流模型,计算分析表明,雾滴主要分布在"旋翼间干扰"明显的3个"引入区"、3个"导出区",下洗区内侧雾滴群交织,外侧大雾滴周向水平行程更大进而分布在外围;当雾滴粒径小于200?m时,雾滴运动范围无法覆盖全部的"引入区",雾滴多分布在下洗区中心;当雾滴粒径大于250?m时,雾滴运动区域逐渐覆盖所有"引入区"、"导出区"。该研究可为飞行施药过程中迎风气流、下洗气流、瞬时横风耦合风场扰动下雾滴的漂移、沉积研究提供参考。 展开更多
关键词 无人飞机 喷雾 模型 下洗气流 风场测试 离散相 运动规律
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前飞状态下直升机动力舱通风冷却性能仿真 被引量:4
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作者 谢永奇 高红霞 余建祖 《空气动力学学报》 EI CSCD 北大核心 2011年第5期651-657,共7页
针对某型直升机动力舱通风冷却系统,提出了一种简化的基于旋翼下洗流的动力舱通风冷却性能计算方法,利用商业CFD软件,计算了前飞状态下采用单进口和双进口共9种方案时动力舱流场和温度场分布,分析了不同进口数、进口大小和位置对动力舱... 针对某型直升机动力舱通风冷却系统,提出了一种简化的基于旋翼下洗流的动力舱通风冷却性能计算方法,利用商业CFD软件,计算了前飞状态下采用单进口和双进口共9种方案时动力舱流场和温度场分布,分析了不同进口数、进口大小和位置对动力舱通风冷却性能的影响,并与试飞试验结果进行了对比。结果表明,该方法能够准确预测直升机动力舱通风冷却系统性能,仿真研究结果可以为动力舱通风冷却系统的设计与优化提供科学依据。 展开更多
关键词 直升机 数值仿真 流场 温度场 下洗气流 前飞
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运输机尾流场的小型空投物资下落轨迹仿真 被引量:3
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作者 高静 洪冠新 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第2期273-278,共6页
为了研究运输机的下洗尾流场对小型物资空投轨迹的影响规律,应用基于位势流理论的涡格法对全机尾流场的速度分布进行数值求解,并建立伞货一体的刚性动力学模型,仿真分析了小型空投物资在载机尾流场影响下的下落轨迹。研究表明,尾流场会... 为了研究运输机的下洗尾流场对小型物资空投轨迹的影响规律,应用基于位势流理论的涡格法对全机尾流场的速度分布进行数值求解,并建立伞货一体的刚性动力学模型,仿真分析了小型空投物资在载机尾流场影响下的下落轨迹。研究表明,尾流场会使空投物资下落轨迹向飞机飞行方向整体偏移,并且随着载机平飞速度增加,尾流场对空投物资下落轨迹的偏移量反而减小。 展开更多
关键词 空投 运输机 尾流场 涡格法 动力学建模 动力学仿真 下落轨迹 下洗尾流场
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悬停和前飞状态下旋翼在导弹发射线上的诱导影响计算 被引量:2
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作者 李春华 徐国华 《空气动力学学报》 EI CSCD 北大核心 2005年第4期449-454,共6页
应用自由尾迹方法和旋翼配平模型,建立了一个悬停和前飞状态旋翼在导弹发射线上的诱导速度计算模型。基于该模型,以AH-1G直升机缩比模型为算例,计算了悬停和低速前飞状态导弹在发射线上受到的气流诱导影响,并通过与可得到的试验结果对... 应用自由尾迹方法和旋翼配平模型,建立了一个悬停和前飞状态旋翼在导弹发射线上的诱导速度计算模型。基于该模型,以AH-1G直升机缩比模型为算例,计算了悬停和低速前飞状态导弹在发射线上受到的气流诱导影响,并通过与可得到的试验结果对比验证了计算方法的有效性;以Z-9直升机为算例,计算了悬停和前飞时的旋翼尾迹边界,分析了导弹在发射线上受到的下洗影响随直升机前进比的变化规律,表明了在大于某一前进比后,旋翼下洗流场对导弹发射线的诱导影响很小。 展开更多
关键词 自由尾迹 下洗流场 旋翼 直升机 导弹
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小型无人直升机超低空飞行时下洗流场数值分析 被引量:8
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作者 石强 《排灌机械工程学报》 EI CSCD 北大核心 2015年第6期521-525,共5页
为了研究小型植保无人直升机超低空飞行时下洗流场的特征,利用Solid Works软件和Ansys Workbench软件建立全尺寸物理模型并抽取外流场,使用ICEM软件对模型进行网格划分,运用Fluent软件对小型无人机超低空飞行进行三维数值模拟研究.数值... 为了研究小型植保无人直升机超低空飞行时下洗流场的特征,利用Solid Works软件和Ansys Workbench软件建立全尺寸物理模型并抽取外流场,使用ICEM软件对模型进行网格划分,运用Fluent软件对小型无人机超低空飞行进行三维数值模拟研究.数值分析结果表明:小型无人直升机超低空飞行时下洗流场的主要运动形式为垂直向下运动,同时伴随有周向旋转运动和径向收缩运动;在旋翼0.8R(R为旋翼半径)位置下方,下洗流场速度最大;随着高度的降低,下洗流场速度逐渐减小,水平方向速度分布逐渐趋于平缓.获得的下洗流场数据为小型植保无人机的设计提供了参考依据. 展开更多
关键词 小型无人直升机 下洗流场 旋翼 植保 数值分析
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直升机载导弹初始弹道影响因素分析 被引量:1
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作者 吴震 吴彤薇 《电光与控制》 北大核心 2009年第3期63-67,共5页
武装直升机作战多在低空或超低空,所发射的导弹常常掠地飞行,如果导弹初始弹道出现波动,轻则影响命中精度,重则坠地或擦碰障碍物。因此需要对影响初始弹道的干扰因素进行分析并设法消除其影响。通过建立导弹运动学、动力学数学模型,构... 武装直升机作战多在低空或超低空,所发射的导弹常常掠地飞行,如果导弹初始弹道出现波动,轻则影响命中精度,重则坠地或擦碰障碍物。因此需要对影响初始弹道的干扰因素进行分析并设法消除其影响。通过建立导弹运动学、动力学数学模型,构建了导弹数字仿真环境;建立各种干扰环节的数学模型,并将扰动模型代入导弹仿真环境中进行单项和综合影响仿真分析。分析结果认为导弹陀螺零位、发动机推力偏心、导弹发射方式、直升机旋翼下洗流场等因素的影响是显著的,特别是在这些因素的综合影响下,初始弹道将出现很大的偏离。提出了消除或减小各种因素影响的途径,并进行了仿真验证,结果证明是可行的。 展开更多
关键词 武装直升机 机载导弹 初始弹道 推力偏心 陀螺零位 下洗流场 发射方式
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Distribution regularity of downwash airflow under rotors of agricultural UAV for plant protection 被引量:1
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作者 Xin Liu Wei Zhang +2 位作者 Haiba Fu Xiaoming Fu Liqiang Qi 《International Journal of Agricultural and Biological Engineering》 SCIE EI CAS 2021年第3期46-57,共12页
In the plant protection spray operation of UAVs,the process of droplet from formation to sedimentation target is affected by airflow,easy to form uneven deposition.Accurately description of rotor downwash flow field,c... In the plant protection spray operation of UAVs,the process of droplet from formation to sedimentation target is affected by airflow,easy to form uneven deposition.Accurately description of rotor downwash flow field,clarification of velocity vector distribution at different heights of the UAV rotor flow field,simulation of the flow field with high precision,which are the prerequisites for accurately analyzing the droplet deposition distribution in rotor downwash flow field.Based on CFD method,the detail of rotor flow field was numerically calculated.Taking LTH-100 single-rotor agricultural UAV as the research object,the three-dimensional solid model of UAV was established,the Reynolds average N-S equation was used as the control equation and the RNGκ-εas the turbulence model to simulate the flow field of UAV in hover and lateral wind conditions,the wind velocity distribution at different altitudes of rotor downwash flow field was studied.The simulation results of the hover state showed that:In the flow field,the peak velocity appears in a circular distribution below the distal axis of the rotor.With the decrease of height,the peak velocity distribution area showed a tendency to expand gradually after small shrinkage;When the distance from the rotor was not more than 1.5 m,the downwash flow field presented an axisymmetric distribution based on the rotor axis,and the variation rate of velocity in the peak velocity was basically the same,turbulence in downwash flow field made the flow field more complex when the distance from rotor was larger than 2.0 m.On this basis,the optimal flight altitude of UAV is 1.5 m.Wind velocity test of the flow field was carried out on a rotor test bench,wind velocities at four altitudes of 0.5 m,1.0 m,1.5 m and 2.0 m were measured to verify the coincidence between the simulated and measured values.The test results showed that:the relative error between the measured and simulated values at four measurement heights were between 0.382-0.524,and the overall average relative errors was 0.430,which verified the confidence level of simulated values for measured values.When the lateral wind velocity was 3 m/s,4 m/s and 5 m/s,the simulation results showed that:The distribution trend of airflow velocity at the same altitude in lateral-wind flow field with different wind speeds was similar;When the lateral wind speed was 5 m/s,the coupling field formed by the lateral wind and rotor airflow cannot reach the height of 2 m below the rotor.The results of this study can provide more accurate environmental conditions for theoretical analysis of droplet deposition regularity in the flow field,and also provide methodological guidance for the related research on rotor flow field of multi-rotor UAV. 展开更多
关键词 aviation plant protection downwash flow field distribution regularity numerical simulation single-rotor UAV
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上层建筑结构对甲板流场影响的数值研究 被引量:1
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作者 钟兢军 耿雪 +2 位作者 孙鹏 叶正华 高瑞 《舰船科学技术》 北大核心 2015年第5期21-26,共6页
对具有全通式甲板与边岛式上层建筑的船体进行数值模拟,结合直升机起降限制条件,研究不同风向下4种上层建筑结构船体对应的甲板流场结构,重点分析上层建筑结构对下冲气流和湍动能分布的影响。研究表明,上层建筑结构形式变化使建筑尾流... 对具有全通式甲板与边岛式上层建筑的船体进行数值模拟,结合直升机起降限制条件,研究不同风向下4种上层建筑结构船体对应的甲板流场结构,重点分析上层建筑结构对下冲气流和湍动能分布的影响。研究表明,上层建筑结构形式变化使建筑尾流区改变,从而影响其后的下冲气流范围;同时其对甲板流场影响与风向有关,舷向来风使绕流区增加,下冲气流范围增加,但0°和左舷风向时,上层建筑引起的"建筑下冲气流"对甲板流场几乎没有影响。采用湍动能对流场进行分析便于定量衡量,λ=0.21的I型建筑结构对应的甲板流场质量较好。 展开更多
关键词 上层建筑 甲板气流场 数值研究 下冲气流 湍动能
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大载荷植保无人直升机近地飞行流场模拟 被引量:5
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作者 徐文彬 王军锋 +1 位作者 闻建龙 王晓英 《江苏大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第6期665-671,共7页
为了研究大载荷植保无人直升机近地飞行时下洗流场的特征,建立了FR-200植保无人机三维实体模型,并对计算区域进行网格划分,采用SST k-ω湍流模型计算了大载荷植保无人直升机近地飞行流场.结果表明:大载荷植保无人直升机近地飞行时下洗... 为了研究大载荷植保无人直升机近地飞行时下洗流场的特征,建立了FR-200植保无人机三维实体模型,并对计算区域进行网格划分,采用SST k-ω湍流模型计算了大载荷植保无人直升机近地飞行流场.结果表明:大载荷植保无人直升机近地飞行时下洗流场由于受到机身阻挡的作用,在机身正下方位置处速度分布较为紊乱;下洗流场的主要运动形式为垂直向下运动,旋翼正下方沿旋翼方向速度先增大后减小,在y/R=0.8附近速度到达最大;植株冠层处风场随着飞行高度的降低,风场宽度增加,获得较佳的飞行高度为H=4 m;大载荷植保无人直升机喷杆垂直方向安装在z=-1.50 m至z=-2.00 m之间,飞行方向安装在x=-0.50 m至x=0.50 m之间. 展开更多
关键词 无人直升机 大载荷 植保 下洗流场 数值模拟
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植保无人机施药数值建模关键技术与验证方法研究进展 被引量:3
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作者 唐青 张瑞瑞 +2 位作者 陈立平 李龙龙 徐刚 《智慧农业(中英文)》 2021年第3期1-21,共21页
随着植保无人机在精细农业上的应用日益增长,目前在植保无人机下洗风场演化及其作用下的雾滴沉积飘移过程的数值模拟方法取得了快速多样化发展,但对各方法的优势、缺陷、适用范围及验证手段仍缺乏系统的梳理。本文针对无粘模型、计算流... 随着植保无人机在精细农业上的应用日益增长,目前在植保无人机下洗风场演化及其作用下的雾滴沉积飘移过程的数值模拟方法取得了快速多样化发展,但对各方法的优势、缺陷、适用范围及验证手段仍缺乏系统的梳理。本文针对无粘模型、计算流体力学模型及格子玻尔兹曼模型分别开展论述。基于涡元法的无粘尾涡模型优势在于计算过程简单,但由于缺乏粘性和湍流模型,其雾滴沉积飘移模拟精度较低。计算流体力学模型又分为有限体积法与有限差分法。其中,有限体积法鲁棒性高,可适用于各种复杂环境的模拟,但格式精度有限,其模拟的翼尖涡耗散速度远快于实际情况;有限差分法能够实现对翼尖涡演化的高时空精度模拟,但其存在网格结构化要求高,算力要求过大等问题。格子玻尔兹曼方法在计算具有复杂边界条件和非平稳运动物体的三维流场问题中具备优势,但其在功能多样性和完备性上还存在不足。上述数值模型精度还需综合运用田间实验及室内实验,如高速粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)或相位多普勒测速(Phase Doppler Interferometry,PDI)方法进行验证和优化。最后,本文提出了未来植保无人机施药模拟及验证方法发展方向。 展开更多
关键词 植保无人机 下洗风场 数值模拟 雾滴沉积飘移 计算流体力学
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