農用無人機藥箱防晃內腔結構優化設計

李 熙，張俊雄，曲 峰，張文強，王大帥，李 偉

?

農用無人機藥箱防晃內腔結構優化設計

李 熙，張俊雄，曲 峰，張文強，王大帥，李 偉

（中國農業大學工學院，北京 100083）

針對農用無人機易受藥液晃動造成失穩的問題，分別采用水平阻尼格柵和豎直阻尼格柵對藥箱的內腔結構進行優化設計。以激勵方向液體重心相對箱體的位移幅值和液體對箱體側壁的沖擊力為評價標準，采用Fluent軟件中的流體體積（volume of fluid, VOF）多相流及非穩態-epsilon湍流模型對無人機側向急停激勵下，10%、30%、50%、70%和90%的充液率，格柵布置高度為箱體高度的30%、50%和70%，采用不同槽數的水平和豎直阻尼格柵的防晃效果進行了仿真。仿真結果表明，2種阻尼格柵都減小了晃動液體在激勵方向的重心變化。在液體對箱體沖擊力方面，當液面高度和布置位置重合時水平阻尼格柵會造成液體對箱體的沖擊力分別增加34.4%、24.5%和15.1%，其余位置的水平格柵可以減小液體對箱體的沖擊力，并在槽數為6時趨于穩定；豎直阻尼格柵使30%、50%和70%充液率下液體對藥箱的沖擊力降低了42.6%、51.1%和61.7%，并在格柵槽數為9時趨于穩定。據此，選取在30%和70%的藥箱高度位置布置6槽的水平阻尼格柵以及9槽豎直格柵作為最終藥箱的內腔結構，并制作了實物進行臺架試驗，試驗結果與軟件仿真結果相符，優化改進后的藥箱對液體的晃動有較好的抑制作用。

無人機；優化；設計；藥箱；計算流體力學；阻尼格柵；液體晃動

0 引 言

隨著中國農業生產技術的發展，農用無人機的使用率也逐步提升，在推廣使用過程中，農用無人機的安全與穩定性不足的問題逐漸凸現[1]，其中無人機藥箱內藥液的晃動是導致其穩定性不足的一個重要原因。目前在農用無人機領域，研究集中在變量施藥系統設計[2-3]、施藥后霧滴沉積規律[4-5]、飛控穩定性[6-7]及無人機遙感技術[8-9]等方面，而農用無人機藥箱的防震蕩要求才剛剛引起人們的重視，一些研究者從內部結構上進行了優化設計[10-12]，但效果不盡如人意。

參考目前在航空航天領域對貯箱內液體晃動的研究，并將其推廣到農用無人機領域可知：無人機在起停、加速、減速、轉向等產生加速度的狀態下，會引起藥箱內液體的重心發生變化，導致無人機系統整體重心發生偏移[13-15]。同時，在加速度的作用下，藥箱內液體會對側壁產生沖擊力，以上2個因素直接影響無人機整體安全性與穩定性[16]。因此，研制一種能減輕藥液振蕩的藥箱對提升農用無人機的安全與穩定性有重要的意義。

早期對液體晃動的研究方法主要集中在流體理論分析和建立等效力學模型[17-18]方法上，隨著計算機技術的發展，逐步出現了試驗分析[19-20]和計算機仿真分析[21-22]。本文以長方體箱體為研究對象，研究阻尼結構的布置位置、阻尼結構形狀、箱體充液深度對液體晃動的影響，通過計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）仿真與試驗驗證相結合的方式，分析并得出較優的藥箱內腔結構。

1 計算方法及模型

1.1 計算方法

液體晃動是指帶有自由分界面的液體在有限的空間內發生運動的現象[23]。本文主要采用基于有限體積法的CFD軟件Fluent進行計算，最后進行臺架試驗驗證。在CFD中整個流域采用統一的N-S（Navior-Stokes）方程描述，在直角坐標系中N-S方程表達式為：

式中F、F、F分別為流體在方向的受力，N；為流體密度，kg/m3；為壓力，N；為動力黏性系數，Pa·s；v、v、v分別為流體在方向的速度，m/s；為流體運動時間，s。

采用流體體積（volume of fluid，VOF）方法[24]對箱內液體的自由表面進行追蹤，VOF法通過研究網格單元中流體和網格體積比函數(,,,)來確定自由液面，從而確定流體的變化。若=0，則該單元內無指定相流體；若0<<1，則該單元包含自由表面；若=1，則說明該單元全部為指定相流體所占據，其守恒形式的傳輸方程表示為

式中為方向速度，m/s；為方向速度，m/s；為方向速度，m/s。

1.2 計算模型

藥箱外殼簡化為長方體殼體模型，尺寸：=260 mm，=132 mm，=242 mm，=2 mm，其中，，，分別為藥箱的長、寬、高以及壁厚。藥箱的內腔布設水平阻尼格柵和豎直阻尼格柵。為探究它們各自對藥箱防振蕩效果的影響，將水平阻尼格柵和豎直阻尼格柵分開研究。通過Gambit軟件對箱體內流場進行網格劃分并添加邊界條件，利用Fluent軟件中的VOF多相流模型（介質分別為水和空氣），對晃動過程中的自由液面進行追蹤，計算模型選擇非穩態，-epsilon湍流模型，編寫并設置用戶定義函數（user defined function，UDF）提取液體的重心位置，利用Fluent后處理模塊求解液體對箱體側壁的沖擊力。在計算中箱體壁設置為無滑移壁面邊界條件，不考慮液體的傳熱問題。

2 空箱體液體晃動仿真模擬

無人機的側向加速度會增大無人機的側向力，導致無人機失衡。為研究無人機作業過程中換行時側向沖擊力對無人機穩定性的影響，仿真采用了無人機側向瞬時制動的極限飛行工況。即在初始時刻無人機處于側向速度為0的狀態，在0～0.55 s側向以2 m/s2的加速度做勻加速直線運動，在0.55～1.10 s做勻速直線運動，在1.10 s時刻，無人機采用緊急制動，速度瞬時減為0。激勵曲線如圖1所示。

圖1 空箱體液體晃動外界激勵仿真曲線

對空箱體分別在10%、30%、50%、70%和90% 5種充液率條件下，利用Fluent的UDF功能施加如圖1所示外界激勵進行仿真計算，共計算5 s時間。以充液率為30%的情況為例，箱體內氣液兩相分布，激勵方向（方向）和垂直于激勵方向（方向）速度分布圖如圖2所示。

圖2a、2b均在圖2c的平面內測量，其中圖2a為箱內液體速度沿激勵方向（方向）分別在左右兩側壁（面和面）出現極值時的分布圖。圖2b則是在沿垂直于激勵方向（方向）出現速度極其時的分布圖。由圖2可見，液體沿激勵方向（方向）的速度最大值出現在箱體的中間區域，而在垂直激勵方向（方向）速度最大值出現在靠近箱體的左右側壁區域。這一結論不僅適用于30%充液率，對于其余充液率也適用。

圖2 充液率為30%時箱體內速度分布圖

3 阻尼結構設計及仿真

將裝有液體的箱體視為充液系統，將外界激勵施加到充液系統時，充液系統內液體產生晃動，液體具備了能量，該能量包含動能以及勢能[25-26]。在液體的晃動過程中，動能與勢能不斷轉化，因而會對箱體側壁產生沖擊載荷。同時，不斷晃動的液體重心會產生劇烈變化，進而影響整個充液系統的動力學特性。所以，抑制液體晃動的根本問題是如何有效地降低晃動液體的能量，進而降低液體的重心變化及液體對箱體的沖擊載荷[27]。

在實際工程中，在箱體內部添加阻尼結構可改變充液系統內晃動液體的邊界條件，從而改變液體的晃動頻率和晃動阻尼等動力學參數。它主要從邊界層能量耗散、流體內部能量耗散和繞流能量耗散這3個方面影響充液系統[28]。

由于水的黏性系數量級為10-6，根據3種不同能量耗散的計算公式可知，繞流阻力產生的能量耗散遠高于流體內部能量耗散和邊界層阻尼造成的能量耗散，因而在設計阻尼結構時只需要考慮繞流阻尼[29-30]。其中，由繞流阻力造成的能量耗散D可以表示為

由式（5）可知，阻尼結構附近液體的速度越高，則繞流阻尼耗散的能量越高。所以，阻尼結構應布置于液體速度較高的位置。由空箱體內液體晃動仿真結果可知，液體速度較高的位置出現在箱體中部和箱體左右側壁附近，下面圍繞這一結論設計水平和豎直阻尼格柵結構。

3.1 水平阻尼格柵優化

水平阻尼格柵的厚度為5 mm，長度與箱體內腔寬度相等（128 mm），槽寬為8 mm，槽間距為16 mm。將2塊水平格柵對稱布置在箱體內，中心距為128 mm。格柵的槽數在箱體長度方向從1開始，每次增加1，直到格柵的邊緣趨近于箱體的左側壁或右側壁，格柵布置的俯視圖（槽數從1～6）如圖3所示。

注：陰影部分為格柵，下同。將2塊水平格柵對稱布置在箱體內，單個水平格柵中依次開1到6個槽。

在Fluent中編寫和設置求解液體重心位置的UDF，對晃動過程中液體的重心位置進行提取，計算液體重心在激勵方向（方向）相對箱體的最大位移。如圖4所示為水平格柵布置于箱體高度（方向）的30%、50%和70%位置時的重心位移幅值。

由圖4可知，以從下向上不斷充液的角度，隨著充液率的不斷增加，液體的重心位移幅值不斷減小。從布置位置上來看，在水平格柵布置于箱體高度50%位置時，隨著格柵槽數的增加，10%和30%充液率條件下的格柵防晃效果不明顯，激勵方向液體重心位移幅值僅比空箱體條件降低了6.3%和6.5%；同樣在水平格柵布置于箱體高度70%位置時，隨著水平格柵槽數增加，10%和30%充液率條件下的激勵方向液體的重心位移幅值僅比空箱體降低了3.2%和7.3%。這是因為在低充液率條件下，自由液面距離水平格柵的位置較遠，自由液面需要經歷較長時間的運動才能撞擊到格柵。液體在向上運動的過程中，由于重力作用速度會變小，即使撞擊到格柵，其速度變化量也會較小。同時，液體的運動趨勢是沿著激勵方向運動，所以，向上方運動的液體也會較少，格柵與液體的接觸面積較小。

a. 水平格柵布置于箱體高度30%位置

a. Horizontal grilles set on 30% height of tank

b. 水平格柵布置于箱體高度50%位置

b. Horizontal grilles set on 50% height of tank

c. 水平格柵布置于箱體高度70%位置

c. Horizontal grilles set on 70% height of tank

注：水平格柵中槽個數為0代表空箱體，下同。

Note: Grill with 0 slot represents empty tank, the same as below.

圖4 水平格柵布置于不同位置時液體重心位移幅值變化（激勵方向）

Fig.4 Displacement amplitude of liquid gravity center in tank with different position of horizontal grilles (Excitation direction)

隨著充液率的增加，布置于箱體高度50%和70%位置的水平格柵防晃效果明顯變好。隨著格柵槽數的增加，50%充液率條件下布置于箱體高度50%處的水平格柵使激勵方向（方向）液體的重心位移幅值降低了53.2%；70%充液率條件下，激勵方向液體的重心位移幅值則降低了41.3%。而水平格柵布置于箱體高度 70%位置時，在50%和70%充液率條件下，激勵方向液體的重心位移幅值分別降低了40%和60%。對于90%充液率的情況，此時液體距離箱體上表面很近，液體本身晃動效果不明顯，水平格柵雖能降低液體重心變化但效果并不明顯。

布置于箱體30%高度位置的水平格柵對降低低充液率條件液體的晃動效果較好。與空箱體相比，隨著格柵槽數的增加，10%充液率下激勵方向（方向）液體重心位移的幅值下降了20.3%，30%充液率下激勵方向液體重心位移的幅值下降了34.4%。3種布置位置的水平格柵均在格柵槽數為6時對液體的重心抑制效果達到穩定。從節省工藝成本的角度出發，水平格柵槽數為6時防晃效果最優。

利用Fluent的后處理功能求解液體對箱體側壁的沖擊壓力。圖5給出了水平格柵不同布置位置，不同充液率條件下在激勵方向（方向）箱體側壁受到的沖擊壓力隨格柵槽數的變化。由圖5可知，在增加格柵槽數后，多數情況下箱體側壁在激勵方向上受到的沖擊力幅值逐漸減小，并趨近穩定。

a. 水平格柵布置于箱體高度30%位置

a. Horizontal grilles set on 30% height of tank

b. 水平格柵布置于箱體高度50%位置

b. Horizontal grilles set on 50% height of tank

c. 水平格柵布置于箱體高度70%位置

但布置位置為箱體高度的30%位置的水平格柵使30%充液率下箱體側壁受到的激勵方向（方向）沖擊力幅值增加了34.4%；布置位置為箱體高度50%位置的水平格柵使50%充液率下激勵方向箱體側壁受到的沖擊力幅值增加了24.5%；布置位置為箱體高度70%的水平格柵使70%充液率下激勵方向箱體側壁受到的沖擊力幅值增加了15.1%。這是因為在這3種情況下，初始時刻靜止液面與水平格柵的下表面平齊，在箱體受到外界激勵時，液體的自由液面會迅速撞擊到水平格柵，在垂直激勵的方向（方向）格柵會抑制液體沿垂直激勵方向的運動，此時在激勵方向上液體的運動速度會增加。所以撞擊到箱體側壁的液體速度會增加，因而與空箱體相比，箱體側壁在激勵方向受到的沖擊力會增加。

在所有工況中，當充液率為10%時，因為在空箱體條件下，液體本身對箱體側壁的激勵方向沖擊力較低，是否增加水平格柵對沖擊力影響不大。在激勵方向液體對箱體側壁沖擊力降低的工況中，在格柵槽數為6時達到穩定。所以，從降低液體對箱體激勵方向沖擊力方面考慮，格柵槽數為6時防晃效果最優。

3.2 豎直阻尼格柵優化

豎直阻尼格柵厚度為5 mm，長度與箱體內腔寬度相等（128 mm），槽寬為8 mm，槽間距為16 mm。豎直阻尼格柵布置在圖2c中平行于平面的箱體對稱面內。格柵上邊緣與藥箱高度70%位置處齊平，沿箱體高度方向向下槽數從1開始，每次增加1，直到槽數為10。在箱體左視圖中，槽數為1～10的豎直阻尼格柵的布置如圖6所示。

圖6 豎直格柵布置示意圖（左視圖）

與水平格柵箱體仿真相同，對豎直格柵箱體利用Fluent提取箱體內液體在激勵方向的重心位置，求解在激勵方向液體重心相對于箱體重心的位移幅值。

圖7a表明隨著豎直阻尼格柵中槽的個數增加，箱體內液體重心在激勵方向的變化幅值逐漸減小，并趨于穩定。對于10%充液率的工況，在豎直阻尼格柵的槽數較少時，格柵的總面積較小，并未進入自由液面下方，因此曲線的前半段變化較為平緩。但隨著阻尼格柵總面積增加，自由液面與格柵的距離減小，豎直格柵對液體的重心位移抑制效果明顯增加，在格柵槽數為9時趨于穩定。穩定時相對于空箱體液體激勵方向重心位移的幅值減少了29.3%。對于90%充液率的工況，由于自由液面與箱體上表面距離較小，因此晃動不明顯，增加阻尼格柵后防晃效果也不明顯。對于30%、50%和70%充液率的工況，均在豎直格柵開始進入自由液面下方時液體重心位移發生明顯的減小，最后在格柵槽數為9時趨于穩定，在穩定時相對于空箱體，激勵方向液體的重心位移幅值分別減小了42.6%、51.1%和61.7%。

a. 液體重心位移幅值

a. Displacement amplitude of liquid gravity center

b. 液體沖擊力幅值

圖7b為不同豎直格柵槽數，不同充液率條件下激勵方向液體對箱體側壁沖擊力的幅值變化。由圖7b可知，隨著豎直格柵的槽數的增加，沿激勵方向液體對箱體側壁的沖擊力逐漸減小，并在格柵槽數為9時趨于穩定。在10%、30%、50%、70%和90%充液率的情況下沿激勵方向沖擊力幅值分別減小了37、76、119、122和182 N。豎直格柵在降低激勵方向液體對箱體側壁沖擊力方面效果較為顯著。

根據單獨布置水平和豎直格柵的仿真結果可知水平格柵為6槽時效果較好，豎直格柵為9槽時效果較好。進一步將2種格柵組合，水平格柵布置有位于箱體高度30%、50%和70% 3種位置，考慮到兼顧各充液率所以30%和70%高度位置的格柵分別對低充液率和高充液率有較好的防晃效果。經仿真計算，在30%和70%高度位置布置了格柵基礎上，如果繼續增加50%高度位置的水平格柵，在各充液率下的液體重心位移幅值僅下降了1.7%、3.8%、9.4%、7.8%和6.5%。同時考慮到箱體整體質量，所以不布置50%高度處的水平格柵。

綜合仿真結果，選取在30%和70%的高度位置布置2個6槽的水平格柵以及1個9槽豎直格柵作為最終藥箱的內腔結構，其主視圖如圖8所示。

圖8 優化后箱體(主視圖)

對優化后的箱體進行仿真，得出各充液率條件下液體在沿激勵方向重心變化幅值和液體對箱體側壁的沖擊力，并與空箱體進行對比，結果見表1。

表1 藥箱優化前后液體重心位移幅值及沖擊力幅值對比

由表1可見，優化后的箱體在10%、30%、50%、70%和90%充液率條件下均比空箱體有更好的防晃效果，加入格柵后箱體內液體的重心位移幅值和液體對箱體的沖擊力幅值均有了明顯較小。對于30%和70%充液率，在箱體30%和70%高度布置的水平格柵起到了顯著的防晃作用，豎直格柵對于各充液率均有較好的防晃效果，優化后的箱體效果較佳。

4 試驗對比驗證

為了驗證仿真分析的真實可靠性，設計了液體晃動試驗平臺，利用PhantomV9.1高速相機（美國Vision Research公司，可支持最大分辨率1 632像素×1 200像素下1 016 fps幀速的拍攝）采集藥箱內液體自由液面變化過程的圖像。

試驗用箱體為空箱和優化后箱體。2個箱體均在10%、30%、50%、70%和90%充液率下進行試驗，試驗共進行10次。其中試驗用導軌長度為1.2 m，試驗用電機為額定電壓220 V的單相交流電機。

4.1 試驗裝置及工況

如圖9所示，交流電機作為動力源，通過鋼絲繩及滑輪帶動擋板在導軌上運動，其中托板上方安裝試驗用藥箱，下方安裝有滑塊。整個運動過程為模擬圖1的激勵先勻加速直線運動，然后勻速直線運動，最后急停。通過調速器調整電機轉速，得到與仿真激勵相同的運動，進而驗證仿真的正確性。

4.2 試驗與仿真結果對比

以30%充液率為例，試驗和仿真效果對比如圖10所示。圖10中上層為高速相機以960像素×960像素的分辨率，幀速為1 000 fps記錄的液體表面圖像，下層為對應時刻的仿真結果。

1.光源 2.滑輪 3.導軌 4.水（經染色） 5.藥箱 6.托板 7.高速相機 8.擋塊 9.交流電機 10.滑塊 11.鋼絲繩

圖10 30%充液率時試驗與仿真對比圖

從圖10中可以看出，仿真計算得到的液體晃動波形和試驗中用高速相機記錄的液體晃動波形吻合度較好，證明仿真計算真實可靠。同時在圖中可以看出優化后的藥箱可有效抑制液體的重心變化；與空箱體相比，優化后的藥箱內液體平復時間在各充液率下大幅減少，能起到較好的液體平復效果。

5 結 論

1）長方體空箱內液體在沿激勵方向液體速度的峰值出現在箱體的中心區域，在垂直于激勵方向速度的峰值出現在箱體近壁區域。

2）對于水平阻尼格柵，在箱體的50%和70%高度位置處布置的阻尼格柵對于10%和30% 2種低充液率條件的激勵方向重心變化幅值影響不明顯，但對50%、70%高充液率下的激勵方向液體重心變化幅值有明顯抑制作用。在布置位置相同時，隨著阻尼格柵槽數的增加，液體的重心變化幅值逐漸下降，在水平格柵槽數為6時趨于穩定。與靜止時自由液面平齊的水平格柵會增加沿激勵方向液體對箱體側壁的沖擊力，其余條件下的水平格柵會減小沿激勵方向液體對箱體側壁的沖擊力。

3）豎直阻尼格柵隨著槽數的增加，各充液率下液體沿激勵方向重心位移幅值逐漸減小，液體對箱體側壁的沖擊壓力逐漸減小，并在槽數為9時達到穩定。

4）選擇在30%和70%的藥箱高度位置布置2個6槽的水平阻尼格柵以及1個9槽豎直阻尼格柵作為最終藥箱的內腔結構并進行臺架試驗，試驗記錄的液體晃動波形與仿真結果吻合度較好。

[1] 張東彥，蘭玉彬，陳立平，等. 中國農業航空施藥技術研究進展與展望[J]. 農業機械學報，2014，45(10)：53－59.

Zhang Dongyan, Lan Yubin, Chen Liping, et al. Current status and future trends of agricultural aerial spraying technology in China[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(10): 53－59. (in Chinese with English abstract)

[2] 茹煜，金蘭，賈志成，等. 無人機靜電噴霧系統設計及試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(8)：42－47.

Ru Yu, Jin Lan, Jia Zhicheng, et al. Design and experiment on electrostatic spraying system for unmanned aerial vehicle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(8): 42－47. (in Chinese with English abstract)

[3] 王大帥，張俊雄，李偉，等.植保無人機動態變量施藥系統設計與試驗[J]. 農業機械學報，2017，48(5):86－93.

Wang Dashuai, Zhang Junxiong, Li Wei, et al. Design and test of dynamic variable spraying system of plant protection UAV[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017，48(5):86－93 (in Chinese with English abstract)

[4] 王瀟楠，何雄奎，王昌陵，等. 油動單旋翼植保無人機霧滴飄移分布特性[J]. 農業工程學報，2017，33(1)：117－123.

Wang Xiaonan, He Xiongkui, Wang Changling, et al. Spraying drift characteristics of fuel powered single-rotor UAV for plant protection[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 117－123. (in Chinese with English abstract)

[5] 王昌陵，何雄奎，王瀟楠，等. 無人植保機施藥霧滴空間質量平衡測試方法[J]. 農業工程學報，2016，32(11)：54－61. Wang Changling, He Xiongkui, Wang Xiaonan, et al. Testing method of spatial pesticide spraying deposition quality balance for unmanned aerial vehicle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(11): 54－61. (in Chinese with English abstract)

[6] Zhang Kun, Zhang Tiemin, Liao Yiyong, et al. Remote control unmanned aerial vehicle test system based on Labview[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(Supp.2): 11－16.

張昆，張鐵民，廖貽泳，等. 基于Labview的遙控無人機操控測試系統[J]. 農業工程學報，2015，31(增刊2)：11－16. (in English with Chinese abstract)

[7] Chen Y, Yu J, Mei Y, et al. Trajectory optimization of multiple quad-rotor UAVs in collaborative assembling task[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2016, 29(1): 184－201.

[8] 劉建剛，趙春江，楊貴軍，等. 無人機遙感解析田間作物表型信息研究進展[J]. 農業工程學報，2016，32(24)：98－106.

Liu Jiangang, Zhao Chunjiang, Yang Guijun, et al. Review of field-based phenotyping by unmanned aerial vehicle remote sensing platform[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(24): 98－106. (in Chinese with English abstract)

[9] 王利民，劉佳，楊玲波，等. 基于無人機影像的農情遙感監測應用[J]. 農業工程學報，2013，29(18)：136－145.

Wang Limin, Liu Jia, Yang Lingbo, et al. Applications of unmanned aerial vehicle images on agricultural remote sensing monitoring[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2013, 29(18): 136－145. (in Chinese with English abstract)

[10] 何勇，肖宇釗. 一種減輕藥液傾蕩的農用植保無人機藥箱：CN201520086118.0[P].2015-08-05.

[11] 陳博. 具有防蕩功能的植保無人機藥箱：CN201330630812.0[P].2014-06-25.

[12] 王大偉，高席豐. 植保無人機藥箱建模與姿態控制器設計[J].排灌機械工程學報，2015(11)：1006－1012.

Wang Dawei, Gao Xifeng. Liquid tank modelling and attitude controller design of plant protection UAV[J]. Journal of Drainage and Machinery Engineering, 2015(11): 1006－1012. (in Chinese with English abstract)

[13] 鄧明樂，岳寶增，黃華. 液體大幅晃動類等效力學模型研究[J]. 宇航學報，2016，37(6)：631－638.

Deng Mingle, Yue Baozeng, Huang Hua, et al. Study on the equivalent mechanical model for large amplitude slosh[J]. Journal of Astronautics, 2016, 37(6): 631－638. (in Chinese with English abstract)

[14] Yang Y, Jing W, Kang Z, et al. An equivalent mechanical model for Liquid sloshing on spacecraft[J]. Journal of Aeronautics Astronautics & Aviation, 2016, 48(2):75—81.

[15] Pletcher R H, Chen K H, Kelecy F J. Numerical and experimental study of three-dimensional liquid sloshing flows[J]. Journal of Thermophysics & Heat Transfer, 2015, 8(3): 507－513.

[16] 尹樹悅，王少飛，陳超. 無人機安全性指標要求確定方法研究[J]. 現代防御技術，2015，43(2):63—67.

Yin Shuyue, Wang Shaofei, Chen Chao. Research on method for determination of UAV safety index requirements[J]. Modern Defence Technology, 2015, 43(2): 63—67. (in Chinese with English abstract)

[17] Haroun M A, Chen W. Large amplitude liquid sloshing in seismically excited tanks[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2015, 25(7): 653－669.

[18] Wei C, Wang L, Shabana A A. A Total lagrangian ANCF liquid sloshing approach for multibody system applications[J]. Journal of Computational & Nonlinear Dynamics, 2015, 10(5): 51－54.

[19] 胡齊，李永，姚燦，等. 大容量推進劑貯箱液體晃動性能試驗[J]. 空間控制技術與應用，2016，42(3)：44－48.

Hu Qi, Li Yong, Yao Can, et al. Experiment of liquid sloshing performance in bulky propellant tank[J]. Aerospace Control and Application, 2016, 42(3): 44－48. (in Chinese with English abstract)

[20] Yan G R, Rakheja S, Siddiqui K. Analysis of transient fluid slosh in partly-filled tanks with and without baffles: Part 1 model validation[J]. International Journal of Heavy Vehicle Systems, 2010, 17(3/4): 359－379.

[21] 唐浩，徐建，朱建輝，等. 導彈油箱燃油晃動仿真分析[J]. 無線互聯科技，2015(3)：76－79.

Tang Hao, Xu Jian, Zhu Jianhui, et al, Study of liquid sloshing in missile fuel tank based on SPH method[J]. Wireless Internet Technology, 2015(3): 76－79. (in Chinese with English abstract)

[22] Singal V, Bajaj J, Awalgaonkar N. CFD Analysis of a kerosene fuel tank to reduce liquid sloshing[J]. Procedia Engineering, 2014, 69(1): 1365－1371.

[23] Hu Q, Li Y, Liu J T, et al. Research on Liquid sloshing performance in vane type tank under microgravity[J]. 2016, 129(1): 12－16.

[24] 張健，方杰，范波芹. VOF方法理論與應用綜述[J]. 水利水電科技進展，2005，25(2)：67－70.

Zhang Jian, Fang Jie, Fan Boqin. Advances in research of VOF method[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2005, 25(2): 67－70. (in Chinese with English abstract)

[25] Wang W, Peng Y, Zhou Y, et al. Liquid sloshing in partly-filled laterally-excited cylindrical tanks equipped with multi baffles[J]. Applied Ocean Research, 2016, 59: 543－563.

[26] Wang W, Guo Z, Peng Y, et al. A numerical study of the effects of the T-shaped baffles on liquid sloshing in horizontal elliptical tanks[J]. Ocean Engineering, 2016, 111: 543－568.

[27] Wang Z, Zou L, Zong Z. Three dimensional sloshing of stratified liquid in a cylindrical tank[J]. Ocean Engineering, 2016, 119: 58－66.

[28] Sanapala V S, Velusamy K, Patnaik B S V. CFD simulations on the dynamics of liquid sloshing and its control in a storage tank for spent fuel applications[J]. Annals of Nuclear Energy, 2016, 94: 494－509.

[29] Watanabe T. Numerical simulation of liquid sloshing using arbitrary Lagrangian-Eulerian level set method[J]. International Journal of Multiphysics, 2016, 5(4): 339－352.

[30] Liu H L, Cui D L, Yan S Z. Analysis of liquid sloshing in partially filled tank of spacecraft during maneuver[J]. Key Engineering Materials, 2016, 693: 1638－1645.

Optimal design of anti sway inner cavity structure of agricultural UAV pesticide tank

Li Xi, Zhang Junxiong, Qu Feng, Zhang Wenqiang, Wang Dashuai, Li Wei

(,,100083,)

Aiming at the problem of agricultural UAV (unmanned aerial vehicle) instability caused by the shaking of liquid in the pesticide tank, the tank was optimally designed by arranging horizontal and vertical grille in the empty tank. The grilles were mainly to increase damping, thereby weakening the vibration of the liquid. The horizontal grille contained a number of gaps ranging from 0 to 7, and the vertical grille contained a number of gaps ranging from 0 to 10. The displacement amplitude of the liquid center relative to the tank in the excitation direction and the impact force of liquid on the side walls of the tank were taken as the evaluation conditions. At 0-0.55 s, the acceleration of the uniformly accelerated rectilinear motion was 2 m/s2, the speed remained constant at 0.55-1.1 s, and at 1.10 s, the speed was reduced to 0. The simulation condition was to simulate the acceleration and rapid stop of the UAV. The VOF (volume of fluid) model and k-epsilon model in Fluent software were used to simulate the anti sway effect of horizontal and vertical damping grille with 10%, 30%, 50%, 70% and 90% liquid filling rate, 30%, 50%, 70% arranged height and different shapes. The simulation results showed that the peak value of the liquid velocity at the vertical direction in the rectangular empty box appeared in the area near the wall of the box, and the peak value of the liquid velocity in the excitation direction appeared in the central area of the box; and 2 kinds of damping grilles both reduced the variation of the gravity center of the sloshing liquid in the excitation direction. In the case of liquid impact on the tank, the horizontal damping grille would increase the liquid impact on the tank when the depth of liquid filling and the arrangement of horizontal grille overlapped, in other cases, the horizontal grille could reduce the impact force of the liquid to the tank, and the impact force tended to be stable when the slot number was 6. The vertical damping grille could effectively reduce the impact force of the liquid to the tank under every condition of the liquid filling rate, and the impact force would be stable when the number of the grooves was 9. In order to verify the reliability of the simulation analysis, the liquid sloshing test platform was designed. The rail length of the testing platform is 1.2 m, and a three-phase AC (alternating current) motor is used to drive the liquid box. A color high-speed camera with 1 000 fps was used to collect sequential images of the liquid in the box. According to the simulation result, a tank with double horizontal grille and vertical grille was made and a bench test was carried out. An empty box and an optimized box were contrasted in the test, and both boxes were tested at 10%, 30%, 50%, 70% and 90% liquid filling depth. The tests were conducted with 10 repetitions. The test result was in agreement with the simulation result, which confirmed that the optimized tank had a better inhibitory effect on liquid sloshing. Compared with the empty tank, after optimization of the grilles, the sway time of the waving liquid was reduced significantly. The optimized box can play a better effect of calming down the waving liquid. The result will be helpful for enhancing the stability of the UAV in case of emergency braking of hitting by the wind.

unmanned aerial vehicle; optimization; design; tank; computational fluid dynamics; damping grille; liquid sloshing

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.010

S251

A

1002-6819(2017)-18-0072-08

2017-04-03

2017-07-07

國家重點研發計劃（2016YFD0200700）

李 熙，男，河北衡水人，研究方向為農業智能裝備。Email：caulixi@126.com

張俊雄，男，廣東臺山人，副教授，研究方向為農業機器人。Email：cau2007@cau.edu.cn