无人机辅助温室番茄授粉中用于定向气流输送的非对称管道设计

《Agronomy》：Asymmetric Duct Design for Directional Airflow Delivery in UAV-Assisted Greenhouse Tomato Pollination

　　

无人机辅助温室番茄授粉需要将侧向气流输送至沿作物冠层分布的花簇处。为此，研究人员设计了一种非对称管道，通过几何修改三个内壁曲率参数（R1、R2、R3）被动重定向转子尾流。研究人员开展了三维计算流体动力学（CFD）仿真，评估这些参数对气流重定向与气动性能的影响。与常规对称管道相比，非对称管道将高速尾流由以垂直方向为主转向冠层侧。三个参数中R3影响最大：R3从20 mm增至65 mm时，升阻比由24.7升至184.2，但授粉区输送气流速度由6.48 m·s?1降至2.82 m·s?1。选定构型（R1=11 mm，R2=20 mm，R3=25 mm）在1.44 m作业高度下输送气流速度6.03 m·s?1，升力7.04 N，升阻比37.0。结果表明，被动几何非对称可在温室空间约束下兼顾气流输送、作业高度与气动性能，将转子诱导气流重定向至冠层侧。

研究背景方面，温室番茄因具孔裂花药需振动授粉（buzz pollination），气流触发的花振振幅与频率决定花粉释放效率。商用熊蜂、机械振动与激素法受环境敏感、成本高或操作不稳限制。多旋翼无人机（UAV）可诱导花粉释放，但温室窄过道（约65 cm）、冠层密布与净空受限使大平台难入内、微平台气流不足，中型机转子尾流以下洗为主，无法有效抵达侧向花簇。早期外置导流板精度低且未考虑尺寸约束。因此研究人员在江苏大学温室（床宽90 cm、过道65 cm、净空约200 cm）约束下，提出将被动几何非对称集成于管道内壁，以中型四旋翼（轴距<200 mm、3英寸三叶桨、管内半径40 mm）为平台，解决定向气流输送问题。论文发表于《Agronomy》。

关键技术方法上，研究人员采用SolidWorks建立非对称管道与转子装配体，以单管–转子组合代表四旋翼对称构型；数值上用ANSYS Fluent 2021 R1求解雷诺平均纳维–斯托克斯（RANS）方程，标准k–ε湍流模型封闭，滑移网格（sliding mesh）解析27000 r·min^?1悬停瞬态流场；计算域含直径100 mm高40 mm旋转域与1000³ mm静止域，无滑移壁面、压力进出口，时间步1×10^?3 s；网格约789万非结构四面体，正交质量>0.30，经三套网格无关性验证选Mesh-2；CFD经参考构型（R₁=15、R₂=20、R₃=30 mm）在0.5 m与1.0 m轴向风速实验校验（近场误差12.85%、远场1.0%）。参数分析含单因素（R₁八级、R₂八级、R₃十级）与81组准正交组合；授粉区定义为距管中心线和床中心77.5 cm处竖线最大速度幅值，阈值u≥4.5 m·s^?1、作业高度y<2.0 m。

研究结果部分，3.1节对称与非对称管道对比表明，相同转子条件下非对称几何将高速区由转子下方轴对齐转为出口侧偏向冠层侧，77.5 cm横向位置速度幅值达6.03 m·s^?1，对称管该处近乎无侧向流。3.2节内部流场显示，非对称通道内速度压力分布偏置，R₃壁面低压区与偏转侧高压差形成横向压力梯度，使气流附壁偏移后出管。3.3节R₁（上壁曲率）单因素（R₂=35、R₃=30 mm）表明其主要调节R₁–R₂夹道流，减小R₁增强贴R₁壁高速带与低压区、出射角变窄利于侧向输送；R₁10→30 mm升力6.85→6.50 N、阻力0.1332→0.0886 N、升阻比51.41→73.39。3.4节R₂（下壁曲率）单因素（R₁=15、R₃=30 mm）显示其仅缓和夹道速度对比与R₂壁高压区，出射角基本不变；R₂15→50 mm升力6.81→6.56 N、阻力0.1348→0.1083 N、升阻比50.52→60.55，影响弱于R₁。3.5节R₃（内壁曲率）单因素（R₁=15、R₂=20 mm）影响最显著：R₃20→65 mm时R₃壁射流随低压区收缩而减弱、出口分离改善但偏转能力下降，升力7.24→6.54 N、阻力0.2933→0.0355 N、升阻比24.67→184.24。3.6节授粉区输送显示，R₁增则速度微降（5.83→5.36 m·s^?1）、高度升（1.83→2.36 m）；R₂影响极小（速度5.82–5.93 m·s^?1、高度1.83→2.10 m）；R₃20→65 mm速度6.48→2.82 m·s^?1、高度1.30→2.38 m，确认R₃为定向输送主导参数。3.7节81组筛选中可行构型聚于R₃=25 mm，选定R₁=11、R₂=20、R₃=25 mm：授粉区速度6.032 m·s^?1、高度1.435 m、升力7.037 N、阻力0.190 N、升阻比37.0，优先满足低高度避结构干扰与4.5 m·s^?1阈值。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出非对称管道通过内壁几何被动重定向转子尾流，R₃主导出口流附著与偏转权衡——小R₃射流强但分离重，大R₃升阻比高却输送弱；授粉构型选择须联合气流速度、作业高度与气动效率，而非单看升阻比。结论为：被动几何非对称能于温室空间约束下将转子诱导气流导向冠层侧，平衡气流输送、作业高度与气动性能；R₃为最敏感曲率参数，选定构型在1.44 m高度输运6.03 m·s^?1气流且升阻比37.0，为无人机辅助温室番茄授粉定向气流管道提供设计依据。