基于SolidWorks和ANSYS的植保無人機噴頭結構參數設計與仿真

高 偉

（大同市農業機械發展中心，山西 大同 037000）

農業作為第一產業，是人們生活生存的基礎，保障了我國社會經濟的穩步發展。我國國土面積大、地形地貌復雜，種植的農作物種類繁多導致作物病蟲草害發生嚴重，但是受病蟲草害的影響較大，這些因素影響著我國農產品的產量和質量的提升，甚至會影響我國糧食安全。傳統的農藥噴灑機械存在農藥浪費嚴重、農產品農藥存留超標、作業人員易中毒、作業效率低等問題，會導致土壤、空氣、水源等受到污染，影響農產品的安全和人們的身體健康。與傳統的噴藥機械相比，植保無人機具有省水、省藥、省工、省錢、安全等特點，無人植保機受地形限制較小，能夠同時滿足多種作物和地形的作業要求，是現代農業生產中必不可少的植保機械之一。

1981 年，美國首次采用飛機防治大面積牧草牧草病蟲害，為農作物病蟲害的飛防打開了出路。隨后，俄羅斯、日本、德國等發達國家開始研究農用植保飛機領域。20世紀70年代開始，我國才逐漸使用航空噴灑技術防治森林病蟲害，隨著近15年農業機械的快速發展和國家政策的影響，我國無人植保機迅速發展，成為農作物病蟲草害防治的重要工具。現階段，我國許多高校、科研院所、相關企業等都開始了植保無人機的研究工作，為我國植保無人機的發展夯實了基礎。本文以SolidWorks 和ANSYS 軟件為基礎，分析研究了四旋翼植保無人機的相關參數，為進一步優化研究提供理論依據。

1 植保無人機噴灑系統設計

1.1 飛行參數

飛行平臺是影響植保無人機作業效果的重要因素，根據作業要求，本研究設計的分型參數如下：①飛行高度。受旋翼產生的反彈氣流的影響，植保無人機作業高度太低時，無法正常飛行；如果植保無人機飛行高度較高時，藥液損失嚴重，影響作業效果，無法保證作業質量。參考現有研究成果，本研究設計的植保無人機飛行高度為M=2~6 m。②查閱并參考多地《多旋翼植保無人機施藥作業規范》，本研究設計的無人機飛行速度為v=3~5 m/s，無人機作業的最小幅寬為S=3 m。

1.2 噴頭主要參數

分析市面現有的植保無人機發現，植保無人機噴頭形式主要包含壓力式和離心式2 種，壓力式噴頭相較于離心式噴頭，有更強的抗漂移能力，結合安裝工藝和無人植保機的組裝成本等要求，本研究選擇扇形壓力式噴頭，結構見圖1。

圖1 扇形壓力式噴頭噴嘴結構Fig.1 Fan pressure nozzle nozzle structure

已有相關研究表明，相對切深Hf和切槽角α 是影響植保無人機噴霧角的重要指標，具體表現為：切槽角與噴霧角為反比關系；首先相對切深較小時，噴霧角隨著相對切深的增加不規律增加，當相對切深達到一定數值時，噴霧角隨著相對切深的增加不斷減小。相對切深Hf計算如公式（1）：

本研究假設植保無人機作業路徑為直線，噴頭的作業參數見圖2。如果2 個噴頭同時作業，此時單個噴頭需達到的噴幅為S/2。噴霧角β計算如公式（2）：

圖2 噴嘴噴霧角示意圖Fig.2 Nozzle spray angle diagram

將前文設計的飛行參數帶入公式（2）計算得出噴霧角為42°。

2 噴頭流場仿真

2.1 內部流場仿真

將植保無人機噴頭主體封蓋，生產計算域。利用Solid-Works 的Flow Simulation 建立算例，自動分析本研究過程中藥液流過的區域邊界。

將噴頭主體連接軟管的斷面設為噴頭的入口，主體地面為出口，見圖3。本研究采用泵的最大流速為3 L/min，2 個噴嘴同時噴藥，故將入口流速設定為0.000 02 m3/s，出口為靜壓。通過軟件仿真得出噴頭主體內部的壓力云圖，見圖3。由圖3可以看出，藥液在噴頭主體底部出口的速度約0.5 m/s，將其設定為對噴嘴外流場分析的初始條件。由圖3可以看出噴頭內部的厚度和壓力大小，可以為噴頭結構設計提供參考。

圖3 噴頭主體內部流場仿真結果Fig.3 Simulation results of flow field inside nozzle body

2.2 外部流場仿真

本研究利用ANSYS 的Fluent 模塊對噴嘴外流場進行仿真分析。首先建立噴嘴的三維模型并劃分網格，以上文設定的參數為條件，時間步長見圖4，通過仿真計算得出噴嘴外部流場霧滴質量分數分布云圖見圖5。在圖5（b）云圖取0.25%的質量分數為邊界，噴頭下空腔直徑2 m，測出噴幅約1.37 m，使用2個噴頭同時工作能夠滿足此次設計3 m 噴幅的要求，因此采用該仿真結果對應的噴嘴結構參數H=2.53 mm、D=3 mm、e=0.65 mm、α=42°作為噴嘴設計參數。

圖4 噴嘴外部流場迭代計算過程Fig.4 Iterative calculation process of nozzle external flow field

圖5 噴嘴外流場質量分數分布云圖Fig.5 Cloud image of mass fraction distribution of nozzle outflow field

本研究采用查閱現有研究成果和植保無人機相關資料的方法，設定了仿真初始值，利用ANSYS軟件迭代優化得出，當切槽角α為38°時，噴霧質量分布云圖見圖6。通過分析不同參數仿真得到的質量分數分布云圖發現，噴幅不合理、噴霧角較大會導致藥液分散、藥液漂移等損失增大。

圖6 噴霧角過大的噴嘴外流場質量分數分布云圖Fig.6 Cloud image of mass fraction distribution in nozzle outflow field with large spray angle

3 結語

本研究采用SolidWorks 和ANSYS 軟件，對四旋翼植保無人機噴頭結構參數設計與仿真，通過分析仿真結果發現，設定的飛行高度3~6 m、噴幅3 m 的噴嘴參數為：切槽深度為2.53 mm、噴孔直徑為3 mm、過心距為0.65 mm 和切槽角度為42°，能夠滿足植保無人機作業要求，為植保無人機噴灑系統的設計優化提供參考。

陳鵬超研究表明，無人機的作業高度為2.0 m 的有效噴幅寬度是3.46 m，以及作業高度為2.5 m 有效噴幅寬度是4.39 m。說明本研究選取的飛行高度和噴幅寬度合理可行，間接說明該仿真結果具有一定的參考作用。