IEA-I型航空植保高速风洞的设计与校测

针对固定翼农用飞机所搭载航空喷头施药雾滴分布研究的需要,该文依照低湍流度风洞设计原理设计了IEA-I型高速风洞.该风洞型式为直流开口式,主要由动力段、过渡段、扩散段、稳定段、收缩段及试验段等部分组成,风洞总体尺寸为9.8 m×1.2 m×1.8m(长×宽×高);动力段选用离心风机;扩散段为小角度扩散,扩散角5°;稳定段采用六角形蜂窝器和9层阻尼网组合设计;收缩段缩比10.24;试验段截面直径为300 mm.该文采用热线风速仪,皮托管和高速PIV系统测定了风洞试验段气流品质,试验结果表明:试验段风速7.6～98 m/s连续可调,气流紊流度小于1.0％,试验段风场均匀度小于0.4％,平均气流偏角小于0.2°,气流动压稳定系数小于2.0％,归一化轴向静压梯度小于0.02.该风洞能模拟固定翼农用飞行器作业飞行条件,为进一步研究航空喷头的参数优化提供试验平台.     

IEA-Ⅰ型航空植保高速风洞的设计与校测

针对固定翼农用飞机所搭载航空喷头施药雾滴分布研究的需要,该文依照低湍流度风洞设计原理设计了IEA-I型高速风洞。该风洞型式为直流开口式,主要由动力段、过渡段、扩散段、稳定段、收缩段及试验段等部分组成,风洞总体尺寸为9.8 m×1.2 m×1.8m(长×宽×高);动力段选用离心风机;扩散段为小角度扩散,扩散角5°;稳定段采用六角形蜂窝器和9层阻尼网组合设计;收缩段缩比10.24;试验段截面直径为300 mm。该文采用热线风速仪,皮托管和高速PIV系统测定了风洞试验段气流品质,试验结果表明:试验段风速7.6~98 m/s连续可调,气流紊流度小于1.0%,试验段风场均匀度小于0.4%,平均气流偏角小于0.2°,气流动压稳定系数小于2.0%,归一化轴向静压梯度小于0.02。该风洞能模拟固定翼农用飞行器作业飞行条件,为进一步研究航空喷头的参数优化提供试验平台。     

吊顶对湿帘风机纵向通风牛舍环境及牛生理的影响研究

为了改善湿帘风机纵向通风系统应用于肉牛舍的降温效果和气流分布的均匀性,同时提高肉牛活动区的风速,该试验在实测的基础上,采用流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的方法对安装吊顶的湿帘风机纵向通风肉牛舍的气流场进行模拟。模拟时将牛只按与实物原型等比例引入到模型中,经吻合性验证,风速的平均相对误差,Y=0.7m截面为27%,Y=1.2 m截面为14%,Y=1.7 m截面为13%,认为模型有效。结果表明:安装吊顶后,舍内的气流分布均匀,肉牛活动区域风速适宜,可为肉牛提供更为适宜的饲养环境。舍内Y=0.7 m截面的平均风速为0.75 m/s,Y=1.2 m截面的平均风速为0.88 m/s,Y=1.7 m截面的平均风速为1.00 m/s。未安装吊顶的牛舍,舍外平均温度(35.0±2.7)℃条件下,0.7 m高度处平均温度(30.0±0.7)℃,1.2 m高度处平均温度(30.1±0.8)℃,较舍外平均降温14%;安装吊顶的牛舍,舍外平均温度(37.2±2.1℃)℃条件下,0.7 m高度处平均温度(31.1±0.7)℃,1.2 m高度处平均温度(31.1±0.7)℃,较舍外平均降温16%,说明安装吊顶后降温效果显著。安装吊顶后,舍内平均相对湿度80.9%,有害气体浓度均在饲养标准范围内;呼吸频率为36次/min,平均等温指数(equivalent temperature index,ETI)为23.96,均未达到热应激水平。     

航空植保作业用喷头在风洞和飞行条件下的雾滴粒径分布

为了获得GP-81A系列航空喷头的雾滴粒径分布情况,该文针对GP-81A系列航空喷头进行了风洞条件和飞行条件下的雾滴粒径及分布测试,通过高速风洞测试系统模拟飞行时产生的高速气流开展了气流大小对雾滴粒径及分布的影响研究;基于农用航空常用的Y5B飞机开展了不同型号喷嘴航空喷雾时的雾滴粒径及分布研究;同时,比较了相近喷雾压力条件下,相同喷嘴在风洞条件和飞行条件下的雾滴粒径及分布差距。试验结果表明,风洞条件测试时,当风速小于33.8 m/s时,雾滴粒径随气流的增加而增大;而当风速大于33.8 m/s时,雾滴粒径随气流的增加而减小,足够大的气流可以使雾滴进一步雾化。当气流在33.8 m/s时,7#喷嘴雾滴粒径最大,为491.1μm;当气流在84.87 m/s时,2#喷嘴雾滴粒径最小,为202.1μm。该系列喷头的6种不同喷孔的喷头的雾滴粒径均大于150μm,说明该喷头航空喷雾时的飘移损失较小。在喷雾压力基本相同的条件下,风洞条件下的雾滴粒径测试结果略高于飞行试验结果,主要原因是距离喷头出口的测试位置不同。风洞条件和飞行条件下的雾滴谱相对宽度S值均较小,表明雾滴分布较均匀,而飞行条件下的雾滴分布更均匀些。该研究为进一步优化航空喷头的作业参数,开展减少雾滴飘移研究提供参考。     

NK-1型可移动式风蚀风洞洞体设计

针对土壤风蚀研究的需求,依据空气动力学要求设计了NK-1型可移动式风蚀风洞。该风洞由进气段、动力段、过渡段、转角段、稳定段、收缩段、实验段和扩散段组成,总高2456mm,全长15900mm,能量比0.41。该风洞主要特点为:进气口为双扭线形唇口;转角段为20°仰角设计;稳定段采用六角形蜂窝器和两层阻尼网组合设计;实验段风速为0.3～20m/s连续可调;尾部扩散段扩散角为20°。最后运用Fluent6.3流体模拟软件,对空风洞实验段纵截面的气流速率分布、静压分布进行了模拟,满足设计要求。     

基于鹅舍气流场CFD模拟的通风系统结构优化与验证

针对鹅舍内机械通风时大量气流扩散于鹅舍上方而位于地面鹅只通风效果受阻的气流问题,提出一种基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的结构优化方案。通过在舍内主梁下端安装相同高度且与气流方向呈一定倾角的多个可拉伸卷膜构造方法,提高种鹅舍内有效的通风效率。依据试验现场边界条件,构建并求解了鹅舍的三维稳态模型,舍内40个测点的风速模拟值与实测值均方根误差为0.152 m/s,最大绝对误差为0.29 m/s,平均相对误差为2.04%,验证了建立的鹅舍CFD模型的准确性。根据不同优化方案数值模拟了27组不同改造后鹅舍内气流场分布情况,仿真得出最优组合方案:在42 m长的舍内安装卷膜个数为10个,卷膜与主梁竖直方向倾斜角度为60o以及卷膜最大下拉高度为1.2 m时舍内通风效率最高、气流分布最均匀。通过现场实测,对比改造前后40个测点的风速值,试验结果表明:改造后鹅舍较常规鹅舍平均风速增加0.527 m/s,舍内气流不均匀系数降低32.2%。该试验结果为种鹅舍的结构设计、同类型畜禽舍结构优化以及改善通风降温效果调控提供了一定的参考依据。     

夏季肉牛舍湿帘风机纵向通风系统的环境CFD模拟

为了研究湿帘风机纵向通风系统应用于肉牛舍的夏季降温效果,该试验在现场环境指标实测的基础上,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的方法对湿帘风机纵向通风肉牛舍的气流场与温度场进行模拟,并对系统进行改进与优化.模拟时将牛只按与实物原型等比例引入到模型中,结果表明:舍内温度分布均匀,但受牛体挡风的影响,气流分布不均,高风速区主要集中在屋顶及饲喂走道,可达0.9～1.2 m/s;牛活动区域风速较小,均小于0.6 m/s,不能满足饲养标准.在75个风速测定点剔除异常值后,气流场的相对误差范围为0.16％～94.41％,平均相对误差为34.53％,45个温度测点的相对误差范围为0.09％～10.74％,平均相对误差4.71％.通过温度场吻合性结果确定模拟与实测有较好的吻合度.在不改变牛舍围护结构及舍内构造的前提下,对牛舍进行优化,舍内安装导流板,使得温度与气流场的分布均匀性显著提高,降温效果更为显著.该研究可为湿帘风机牛舍的优化设计和环境调控提供参考.     

锥形风场式防飘喷雾装置内流道优化与防飘特性

锥形风场式防飘喷雾装置是利用辅助气流进行防飘作业的一种创新结构形式。为分析其防飘机理,改善防飘喷雾作业效果,对现有装置进行优化设计与防飘特性研究。基于质子动力学基本定律,构建了单个雾滴在运动空气介质中的受力模型,明晰了锥形风场的防飘机理。运用流体力学理论分析内流道气流损失,并利用CFD数值仿真技术结合风场测试对防飘喷雾装置进行优化设计。结果表明：当内流道弯管的曲率半径设计为4 cm时,优化后装置出口处仿真试验风速较优化前提高23.5%,测试试验风速较优化前提高28%,风机有效利用率提高21.2个百分点,优化方案合理。风洞条件下装置防飘特性试验结果表明：侧风风速、喷头高度、锥风风速与总雾滴飘移量占比具有相关性,通过多因素正交试验建立的竖直和水平方向的数学模型显著性较高（P<0.05,R2分别为0.934、0.945）,表明锥形风场可以抵御绕流涡旋的产生,具有减少雾滴在纵向高度上随风飘失的特性。该研究可为综合分析雾滴飘移沉积规律提供一定参考。     

浓缩风能型风力发电机浓缩装置流场特性及试验

为揭示浓缩风能型风力发电机浓缩装置的流动规律,该文以浓缩装置为研究对象,进行了流场特性的理论分析、数值计算和试验研究.流体流过浓缩装置,靠壁面流体首先被加速,在中间截面前0.22 m截面超过中心轴流速,之后随轴向距离加大,逐渐形成中间流速大于边缘流速的流场;中央圆筒具有以中心轴为圆心的径向流速梯度,来流风速10.74 m/s时,中间截面径向流速梯度达2.35/s;近壁面形成薄薄的边界层,出现在距中央圆筒壁面50 mm附近,在中间截面前0.11 m截面和中间截面后0.07 m截面出现波峰,波谷出现在中间截面后0.02 m处.试验结果表明,数值计算结果与试验结果相符.研究结果可为完善浓缩装置和叶片的设计提供参考.     

油动单旋翼植保无人机雾滴飘移分布特性

为了研究油动单旋翼植保无人机在精准作业参数(速度、高度)条件下的雾滴飘移分布特性,该文建立了雾滴飘移收集测试平台,分别用雾滴飘移测试框架、等动量雾滴收集装置和培养皿收集3WQF80-10型油动单旋翼植保无人机在作业时空中及地面飘移的雾滴。将测试结果分别与侧风风速、飞行高度、飞行速度进行相关分析和回归分析,结果表明:在平均温度31.5℃、平均相对湿度34.1%的条件下,侧风风速为雾滴飘移的主要影响因素;侧风风速与等动量雾滴收集器和培养皿测得的雾滴飘移率呈正相关(相关系数r分别为0.97、0.93);而与雾滴飘移测试框架测得的雾滴飘移率无相关性;侧风风速为0.76~5.5 m/s时,90%飘移雾滴沉降在喷雾区域下风向水平距离9.3~14.5 m的范围内,因此在作业时要预留至少15 m以上缓冲区(安全区)以避免药液飘移产生的危害。研究结果可为低空低量植保无人机施药技术研究和建立植保无人机低空低量施药田间雾滴沉积与飘移测试标准提供参考。     

手持式风送授粉机研制与试验

针对中国果树授粉大多采用人工点授、蜜蜂授粉等作业方式,迫切需要机械授粉机具的现状,研制了手持式风送授粉机。该机采用可变速的直流电机驱动离心风机,依照流体力学射流原理,计算授粉出口风速并设计了离心风机,叶片型式采用径向直板叶片,叶轮型式为平前盘,叶轮直径38 mm,叶片数为6,叶片宽度为18 mm。通过室内试验和样机田间试验分别测试了风机性能特性和气流速度对花粉分布的影响及猕猴桃柱头处的花粉覆盖率,试验结果表明:风机转速在8 000 r/min时风量为3.0×10-3 m3/s,满足风送授粉作业要求,风机转速9 000 r/min时全压效率较高,达到43%;花粉分布受风速影响较大,花粉竖直分布量以及喷粉量与出口风速成正比,且水平分布、竖直分布峰值随着风速的增加而后移,竖直分布峰值在距出口一定距离内保持稳定,显示花粉在一定速度的定向气流中能保持较好的直线传播;随着出口风速的增加,柱头处花粉覆盖率提高,当出口风速达到19.5 m/s时,花朵柱头平均有57.66%的花粉覆盖率。研究结果可为进一步研究风送授粉机的结构设计和作业参数优化提供依据。     

导叶式混流泵多工况内部流场的PIV测量

为研究不同流量工况下混流泵内部流动特性,该文基于粒子图像测速技术(particle image velocimetry)对0.8、1.0、1.2倍流量工况下混流泵的内部流场进行试验研究,测量获得了混流泵叶轮进口轴截面、叶轮与导叶间隙和导叶内部流场的速度场分布,分析了流量变化对混流泵内部流动的影响。研究结果表明,外特性试验重复性较好,试验结果较为可靠。3个工况下混流泵叶轮进口流场的速度分布趋势基本一致,进口的来流基本沿着轴线方向;随着流量增加,叶轮进口速度不断增大,最大速度达到7.49 m/s,从轮毂到轮缘高速区域速度梯度更为明显,速度等值线分布逐渐形成以左上角为圆心,不断向周围递减的趋势。受动静干涉作用影响,叶轮与导叶间隙流场速度分布较为紊乱,在导叶进口边轮毂附近形成逆时针方向旋涡,诱使叶轮出口流体向外缘侧偏转;随着流量增加,逆向旋涡明显减小,内部流动更趋于平稳。动静干涉效应进一步影响导叶进口流场并形成明显的旋涡结构,造成流道堵塞;在导叶出口由于环形蜗室的影响形成大尺度旋涡结构;随着流量增大,导叶外缘高速区向下游移动,导叶进出口的旋涡结构逐渐消失,流动损失减小。研究成果为揭示混流泵内部流动特性和优化混流泵设计提供参考。     

基于PINNs的单旋翼植保无人机下洗流场预测模型

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,以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。并通过风洞试验验证了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 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。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。     

不同进风方案下隧道烘干窑热风流场CFD模拟和优化

隧道烘干窑内同一横截面的热风均匀性影响着物料干燥均匀性和产品质量,而烘干窑入口风速分布直接影响着窑内热风流场的均匀分布。为了解决单一风机直进风隧道烘干窑存在的风速不均匀问题,提出了多种进风结构设想,并利用计算流体力学方法对实际生产的隧道窑进风流场进行数值模拟,研究3种不同的进风方案(4风机、6风机和9风机)对隧道窑内热风流场均匀性的影响。模拟结果表明:6风机方案下隧道窑入口处进风均匀,热风扩散距离短,窑内热风流场整体均匀性较佳,综合性价比最高。研究结果为隧道窑入口进风的设计提供参考。     

典型液力喷头在风洞环境中的飘移特性试验与评价

依照联邦德国农林生物研究中心(BBA)对植保机械的测试准则和技术，对国内常用的5种典型液力喷头的雾化性能参数进行了测试，并在不同风洞环境条件下(压力、风速和温湿度)的飘移特性进行了对比试验及评价。通过测定在喷头下风向2 m处垂直测试平面内的雾滴飘移量计算出飘移潜在指数(DIX)，用于评价喷头的飘移特性，是一种简单实用的有效方法。结果表明，小型号喷头的飘移性远大于大型号喷头；雾滴大小和风速是影响飘移的最主要因素。     

轴流泵内部流场的二维粒子成像测速试验

为研究0.8Qopt工况下,叶轮及导叶进出口的流场分布情况,选择比转速ns=700的轴流泵进行模型缩放,并对其进行结构改造,以得到能够适合于2D-PIV 内部流场测试的试验台。结构改造包括：采用透明的有机玻璃材料代替传统金属材料,达到内部可视化的目的;将传统的锥形扩散式导叶体设计成圆柱状,以减小光学折射的复杂程度;合并转轮室及导叶外筒壁,使之成为一个整体,以消除叶轮区域与导叶区域之间法兰对内部流场的遮挡;将导叶内轴承后移,并加装筋板,使得载荷能够顺利传递到基础中。综合以上手段,成功改造了试验泵段。在PIV试验过程中,利用轴编码器及同步装置,取得了很好的同步效果。同时,以有机玻璃空心球作为示踪粒子,配合新的标定方式,取得了理想的试验效果。从试验结果分析可知：在0.8Qopt流量下,叶轮进口边外缘处受叶顶泄漏影响,使得该处来流向轮毂侧偏转,但叶轮进口前端截面上的流场整体分布较为均匀;叶轮轮毂与导叶轮毂之间存在的顺时针方向漩涡,对叶轮出口边根部附近的流场造成较大的影响,且叶轮出口边与导叶进口边轴向间隙内的流场具有整体向外缘偏转的趋势;导叶出口以后的流线方向则向轮毂侧偏转,且在出口边外缘处出现局部高速区域。     

浓缩风能型风力发电机相似模型流场特性试验——车载法试验与分析

浓缩风能型风力发电机的流场具有特殊性，它的流场特性直接影响该类型风力发电机的性能。浓缩风能的目的是为了有效地提高风能品位、单机输出功率和风能资源利用率，降低风电度电成本。200W浓缩风能型风力发电机是由风洞测试后的浓缩风能型风力发电机整体试验模型简化改进的实用机型。采用车载法对200W浓缩风能型风力发电机相似模型的流场进行了测试，运用皮托管和数字压力计测试了各断面特征点的总压、静压，获取了流场流速分布等特性。试验表明：相似模型的中央圆筒叶轮安装处流速增至来流流速的1.31倍，风能增至来流风能的2.25倍。通过相似模型的车载法试验结果分析研究，找出了流场流速分布的规律性。     

浓缩风能装置扩散管流场模拟验证及其凸缘结构优化设计

浓缩风能装置的扩散管结构直接影响浓缩风能型风电机组的输出功率.为提高浓缩风能装置的浓缩效率,以浓缩风能装置为研究对象,采用数值模拟方法,研究扩散管凸缘的几何参数对浓缩风能装置内部流场特性的影响规律;并通过试验验证数值模拟的可靠性.结果表明:扩散管凸缘结构能够明显提高浓缩风能装置对自然风的加速作用和风能利用率;且装置内部流场的流速和风轮扫掠面积上的可利用风能随着凸缘高度L的增加而增大.综合分析可得,带有L为450 mm、凸缘角度α为+9°的扩散管凸缘的浓缩风能装置模型流场流速和可利用风能较高;与原始模型相比,其内部流场最大流速提高了30.738％,可利用风能提高了84.26％,是所研究模型中流场性能较佳的浓缩风能装置结构.