本發(fā)明涉及試驗設備領域，具體地，涉及一種用于研究霧滴漂移的試驗設備以及用于該設備的處理方法。

背景技術：

隨著現代精準農業(yè)技術的發(fā)展，航空植保技術已廣泛應用于農業(yè)領域。目前，全世界有農林業(yè)用飛機大約3萬架，年作業(yè)面積1億公頃，飛機作業(yè)面積占總耕地面積的17％。農業(yè)航空植保作為一個朝陽產業(yè)，擁有巨大的發(fā)展空間和廣闊的市場前景。而固定翼飛機植保作業(yè)具有航速快，噴幅大，載藥量多，繼航時間長，受地形限制少等特點，與傳統(tǒng)的人工、半機械化植保作業(yè)相比，其作業(yè)經濟效益非常顯著。然而，霧滴飄移問題仍是固定翼飛機在植保作業(yè)過程中目前面臨的主要問題。固定翼飛機噴灑的霧滴受尾渦氣流、環(huán)境風場等多方面因素影響，極易產生飄移，從而帶來嚴重的水土資源污染、非目標作物藥害以及人畜健康威脅等問題。1975年，美國環(huán)保署估計有10％～60％的化學物質飄移到距離目標300m以上的區(qū)域，造成嚴重的空氣污染、水污染以及土壤污染。

圖1是現有技術中研究固定翼飛機施藥過程中霧滴漂移及沉積效果的田間實驗的示意圖。如圖1所示，現有針對固定翼飛機霧滴飄移和沉積的實驗主要是真實飛行場地實驗(田間試驗)。該方式主要通過在航道兩側布置聚酯薄膜卡片、水敏紙等收集地面沉積的霧滴，并通過在遠場布置不同高度的纖維絲收集空中飄移的霧滴。該實驗方法存在的主要缺陷是所需實驗成本較高，所需實驗場地較大以及所需實驗人員較多。此外，實驗結果易受天氣條件影響，重復性較差，并且無法實時獲得霧滴在空間中的運動規(guī)律。

圖2是現有技術中研究固定翼飛機施藥過程中霧滴漂移的風洞實驗的示意圖。如圖2所示，由于田間實驗的局限性，人們又發(fā)展了風洞實驗來研究霧滴飄移問題。風洞實驗是田間實驗的有效支撐和補充，其相對田間實驗來說，具有邊界條件可控，重復性高，實驗手段多樣等優(yōu)勢。但時，目前風洞實驗多針對單一噴頭產生的霧滴飄移問題進行研究，且無法對固定翼飛機尾渦運動進行模擬，所運用的實驗方法也類似田間實驗，無法獲得瞬時的霧滴運動規(guī)律。

總的來看，目前存在的研究固定翼飛機施藥過程中霧滴飄移問題的手段，均存在難以模擬真實飛行尾渦流場，對霧滴運動規(guī)律研究不足的缺陷，并且大多數情況是簡單進行空間固定位置的霧滴量統(tǒng)計，很難從流場和霧滴本身的運動機理上認識霧滴飄移問題。因此，在生產中無法給出具備控制模型的噴霧優(yōu)化方法，在科研上無法深入掌握流場和霧滴運動的相關關系。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于研究霧滴漂移的試驗設備以及用于該設備的處理方法。所述設備通過模擬真實條件下的尾渦運動和霧滴運動，并結合兩相流實驗分析方法，不僅能夠排除復雜風場環(huán)境的影響，而且還能夠分析得到霧滴漂移與尾渦運動的相關關系，為航空施藥過程中的霧滴飄移問題的研究提供理論指導。

為了實現上述目的，本發(fā)明提供一種用于研究霧滴漂移的試驗設備。所述設備包括：

拖曳導軌、布置于所述拖曳導軌上的滑塊、掛載于所述滑塊上的尾渦發(fā)生裝置和霧滴發(fā)生裝置、與所述滑塊連接的電機以及PIV系統(tǒng)，

在所述電機產生的拉力的作用下，所述滑塊以預設的速度沿所述拖曳導軌滑動，并帶動所述尾渦發(fā)生裝置產生包含示蹤粒子的尾渦及所述霧滴發(fā)生裝置產生霧滴；

所述PIV系統(tǒng)，用于捕獲所述尾渦和所述霧滴在固定展向平面內的運動圖像，并根據所述運動圖像處理得到霧滴漂移與尾渦運動隨時間的變化規(guī)律，及根據霧滴漂移與尾渦運動隨時間的變化規(guī)律分析得到霧滴漂移與尾渦運動的相關關系。

可選地，所述設備還包括：

桁架，用于作為所述拖曳導軌的支架，固定所述拖曳導軌。

可選地，所述桁架和所述拖曳導軌的材質均為鋁合金或45號鋼。

可選地，所述尾渦發(fā)生裝置采用二維翼型或三維翼型，

相應地，所述尾渦發(fā)生裝置，用于在所述滑塊的帶動下產生包含示蹤粒子的準二維流向渦對。

可選地，所述設備還包括：

具有負迎角的水平尾翼，設置于所述尾渦發(fā)生裝置的尾部，用于消散或減弱所述尾渦發(fā)生裝置產生的尾渦。

可選地，所述霧滴發(fā)生裝置包括：

水泵，與所述水泵連接的水箱以及與所述水泵連接的噴頭，

所述水泵，用于提供動力促使所述水箱中的水通過噴頭噴射出來。

可選地，所述噴頭包括壓力噴頭或超聲霧化噴頭。

可選地，所述設備還包括：

彈簧，設置于所述拖曳導軌的一端，用于在所述滑塊運動至所述彈簧的情況下，減緩所述滑塊的運動速度，使得所述滑塊靜止。

相應地，本發(fā)明還提供一種用于試驗設備的處理方法，所述試驗設備包括：

拖曳導軌、布置于所述拖曳導軌上的滑塊、掛載于所述滑塊上的尾渦發(fā)生裝置和霧滴發(fā)生裝置以及與所述滑塊連接的電機，

在所述電機產生的拉力的作用下，所述滑塊以預設的速度沿所述拖曳導軌滑動，并帶動所述尾渦發(fā)生裝置產生包含示蹤粒子的尾渦及所述霧滴發(fā)生裝置產生霧滴，

所述方法包括：

捕獲所述尾渦和所述霧滴在固定展向平面內的運動圖像；

根據所述運動圖像處理得到霧滴漂移與尾渦運動隨時間的變化規(guī)律；以及

根據霧滴漂移與尾渦運動隨時間的變化規(guī)律分析得到霧滴漂移與尾渦運動的相關關系。

可選地，所述根據所述運動圖像處理得到霧滴漂移與尾渦運動隨時間的變化規(guī)律，包括：

對所述運動圖像進行相分離處理，得到僅包含所述霧滴漂移的第一圖像和僅包含所述尾渦運動的第二圖像；

對所述第一圖像采用PTV單點跟隨粒子的速度計算，得到所述霧滴漂移隨時間的變化規(guī)律；

對所述第二圖像采用PIV空間速度場計算，得到所述尾渦運動隨時間的變化規(guī)律。

通過上述技術方案，在滑塊上掛載尾渦發(fā)生裝置和霧滴發(fā)生裝置，模擬真實條件下的尾渦運動和霧滴運動，并捕獲尾渦和霧滴在固定展向平面內的運動圖像，及根據運動圖像處理得到霧滴漂移與尾渦運動隨時間的變化規(guī)律，并根據霧滴漂移與尾渦運動隨時間的變化規(guī)律分析得到霧滴漂移與尾渦運動的相關關系，不僅能夠排除復雜風場環(huán)境的影響，而且還能夠分析得到霧滴漂移與尾渦運動的相關關系，為航空施藥過程中的霧滴飄移問題的研究提供理論指導。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些圖獲得其他的附圖。

圖1是現有技術中研究固定翼飛機施藥過程中霧滴漂移及沉積效果的田間實驗的示意圖；

圖2是現有技術中研究固定翼飛機施藥過程中霧滴漂移的風洞實驗的示意圖；

圖3是本發(fā)明一實施例提供的用于研究霧滴漂移的試驗設備的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明一實施例提供的用于試驗設備的處理方法的流程圖；

圖5是本發(fā)明一實施例提供的處理方法的相分離步驟的示意圖。

附圖標記說明

1 拖曳導軌 2 滑塊 3 尾渦發(fā)生裝置 4 霧滴發(fā)生裝置

5 電機 6 PIV系統(tǒng) 7 桁架 8 水平尾翼 9 彈簧

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖3是本發(fā)明一實施例提供的用于研究霧滴漂移的試驗設備的結構示意圖。如圖3所示，本發(fā)明一實施例提供的用于研究霧滴漂移的試驗設備包括：拖曳導軌1、布置于所述拖曳導軌1上的滑塊2、掛載于所述滑塊2上的尾渦發(fā)生裝置3和霧滴發(fā)生裝置4、與所述滑塊2連接的電機5以及PIV(Particle Image Velocimetry，粒子圖像測速)系統(tǒng)6，在所述電機5產生的拉力的作用下，所述滑塊以預設的速度沿所述拖曳導軌1滑動，并帶動所述尾渦發(fā)生裝置3產生包含示蹤粒子的尾渦及所述霧滴發(fā)生裝置4產生霧滴；所述PIV系統(tǒng)6，用于捕獲所述尾渦和所述霧滴在固定展向平面內的運動圖像，并根據所述運動圖像處理得到霧滴漂移與尾渦運動隨時間的變化規(guī)律，及根據霧滴漂移與尾渦運動隨時間的變化規(guī)律分析得到霧滴漂移與尾渦運動的相關關系。

其中，所述電機5通過鋼索與所述滑塊2連接，根據所述電機5可調節(jié)所述滑塊5的運行速度。此外，在試驗設備所在的區(qū)域中播撒有示蹤粒子。因此，尾渦發(fā)生裝置3產生的尾渦包含示蹤粒子。

優(yōu)選地，所述設備還包括：桁架7，用于作為所述拖曳導軌的支架，固定所述拖曳導軌。藉此，可將拖曳導軌牢固固定。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式中，還可采用鋼索懸吊式將所述拖曳導軌牢固固定。本發(fā)明的實施方式不限制于此，只要是以將拖曳導軌牢固固定為目標的所有實施方式均適用。在本實施例中，所述桁架7和所述拖曳導軌1的材質均為鋁合金或45號鋼，桁架的長度為20m，寬度為1.2m，高度為1.6m。桁架的大小尺寸可根據實驗室場地的具體情況調整，優(yōu)先保證長度方向。

可選地，所述尾渦發(fā)生裝置3采用二維翼型或三維翼型。相應地，所述尾渦發(fā)生裝置3，用于在所述滑塊的帶動下產生包含示蹤粒子的準二維流向渦對。其中，所述二維翼型為NACA0012翼型或其他經典翼型，且所述二維翼型的迎角可變。三維翼型為一般固定翼飛機機翼部分的縮比模型.

優(yōu)選地，所述設備還包括：具有負迎角的水平尾翼8，設置于所述尾渦發(fā)生裝置3的尾部，用于消散或減弱所述尾渦發(fā)生裝置產生的尾渦。藉此，不僅可優(yōu)化尾渦結構，而且還可研究尾渦減弱的方案

在具體的實施方式中，所述霧滴發(fā)生裝置4包括：水泵，與所述水泵連接的水箱以及與所述水泵連接的噴頭，所述水泵，用于提供動力促使所述水箱中的水通過噴頭噴射出來。其中，所述噴頭包括壓力噴頭或超聲霧化噴頭。所述霧滴發(fā)生裝置4的結構核心是將水泵、水箱以及噴頭與滑塊2整合一體化設計，共同在拖曳導軌上運動。

優(yōu)選地，所述設備還包括：彈簧9，設置于所述拖曳導軌1的一端，用于在所述滑塊運動至所述彈簧的情況下，減緩所述滑塊的運動速度，使得所述滑塊靜止。藉此，可避免滑塊直接撞擊導軌端面或從拖曳導軌上掉落下來。

優(yōu)選地，所述設備還包括：片光源，用于照亮所述PIV系統(tǒng)的拍攝區(qū)域。藉此，PIV系統(tǒng)可捕獲到清晰的運動圖像。

在具體的應用中，所述PIV系統(tǒng)6根據所述運動圖像處理得到霧滴漂移與尾渦運動隨時間的變化規(guī)律，包括：對所述運動圖像進行相分離處理，得到僅包含所述霧滴漂移的第一圖像和僅包含所述尾渦運動的第二圖像；對所述第一圖像采用PTV(Particle Tracing Velocimetry，粒子跟蹤測速)單點跟隨粒子的速度計算，得到所述霧滴漂移隨時間的變化規(guī)律；對所述第二圖像采用PIV空間速度場計算，得到所述尾渦運動隨時間的變化規(guī)律。

本實施例通過在滑塊上掛載尾渦發(fā)生裝置和霧滴發(fā)生裝置，模擬真實條件下的尾渦運動和霧滴運動，并捕獲尾渦和霧滴在固定展向平面內的運動圖像，及根據運動圖像處理得到霧滴漂移與尾渦運動隨時間的變化規(guī)律，并根據霧滴漂移與尾渦運動隨時間的變化規(guī)律分析得到霧滴漂移與尾渦運動的相關關系，不僅能夠排除復雜風場環(huán)境的影響，而且還能夠分析得到霧滴漂移與尾渦運動的相關關系，為航空施藥過程中的霧滴飄移問題的研究提供理論指導。

圖4是本發(fā)明一實施例提供的用于試驗設備的處理方法的流程圖。如圖4所示，本發(fā)明一實施例提供的用于試驗設備的處理方法包括：

在步驟S101中，捕獲所述尾渦和所述霧滴在固定展向平面內的運動圖像。

其中，所述運動圖像包括氣相示蹤粒子(尾渦)和液相粒子(霧滴)的運動。

接著，在步驟S102中，根據所述運動圖像處理得到霧滴漂移與尾渦運動隨時間的變化規(guī)律。

具體地，該步驟包括：對所述運動圖像進行相分離處理，得到僅包含所述霧滴漂移的第一圖像和僅包含所述尾渦運動的第二圖像；對所述第一圖像采用PTV單點跟隨粒子的速度計算，得到所述霧滴漂移隨時間的變化規(guī)律；對所述第二圖像采用PIV空間速度場計算，得到所述尾渦運動隨時間的變化規(guī)律。

圖5是本發(fā)明一實施例提供的處理方法的相分離步驟的示意圖。如圖5所示，對原始圖像(運動圖像)進行相分離處理，得到氣相示蹤粒子(尾渦)的運動圖像以及液相粒子(霧滴)的運動圖像。對氣相示蹤粒子的運動圖像進行PIV空間速度場計算，得到整體風場隨時間的變化規(guī)律。對液相粒子的運動圖像進行PTV單點跟隨粒子的速度計算，得到單個霧滴漂移速度隨時間的變化規(guī)律。

最后，在步驟S103中，根據霧滴漂移與尾渦運動隨時間的變化規(guī)律分析得到霧滴漂移與尾渦運動的相關關系。

其中，所述處理方法所涉及的試驗設備包括：拖曳導軌、布置于所述拖曳導軌上的滑塊、掛載于所述滑塊上的尾渦發(fā)生裝置和霧滴發(fā)生裝置以及與所述滑塊連接的電機，在所述電機產生的拉力的作用下，所述滑塊以預設的速度沿所述拖曳導軌滑動，并帶動所述尾渦發(fā)生裝置產生包含示蹤粒子的尾渦及所述霧滴發(fā)生裝置產生霧滴。

本發(fā)明由于從農業(yè)航空施藥過程的物理本質上進行模擬，從細節(jié)上模擬了農業(yè)航空施藥過程中存在的準二維對稱尾渦運動、霧滴運動等因素，因此具有很強的科研和實際應用價值。真實作業(yè)過程中，固定翼飛機飛過后，其尾渦能夠繼續(xù)旋轉，不斷運動和耗散達數十秒時間，本發(fā)明可完全模擬這一過程，在滑塊通過測量平面后，依然可以在該平面內開展光學實驗手段，獲得實時的尾渦及霧滴運動規(guī)律。該設備還能夠通過改變拖曳速度和尾渦發(fā)生裝置的外形，來獲得不同強度的尾渦，甚至對尾渦耗散進行優(yōu)化。飛行高度、地面效應等也可以通過調節(jié)拖曳導軌距離地面高度來實現。

以上結合附圖詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術構思范圍內，可以對本發(fā)明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應當視為本發(fā)明所公開的內容。