無人機靜電噴霧治理開放性粉塵的數(shù)值模擬

高春雪 楊 樹 吳松林 劉秋新,2

無人機靜電噴霧治理開放性粉塵的數(shù)值模擬

高春雪1楊 樹1吳松林1劉秋新1,2

（1.武漢科技大學 武漢 430065；2.武漢科技大學城市學院 武漢 430083）

將靜電噴霧技術與無人機技術相結(jié)合用于治理開放性粉塵，使用Fluent對粉塵的擴散模型進行數(shù)值模擬。模擬得出無人機工作高7m，噴霧壓力為0.2MPa時，無人機靜電噴霧的平均降塵效率能達到85.87%，并在自然風速為1m/s、空氣相對濕度為70%時，局部區(qū)域的降塵效率高達95.93%。本文提出的無人機靜電噴霧控制開放性粉塵技術降塵效果較好，對沉降重金屬污染粉塵技術發(fā)展有重要意義。

開放性粉塵；Fluent；靜電噴霧；無人機；數(shù)值模擬

0 引言

用于土壤修復方法中的物理修復技術需要對土壤進行移動，而在土壤移動的過程中會產(chǎn)生大量被重金屬污染的開放性粉塵，這些粉塵隨著氣流會散發(fā)到更遠的地方而造成環(huán)境污染。開放性粉塵，指的是塵源多、隨機分布、覆蓋面較廣、具有陣發(fā)性產(chǎn)塵性質(zhì)的粉塵，這些粉塵未經(jīng)通風除塵系統(tǒng)進行處理，通過自然氣流直接散發(fā)到空氣中，是空氣污染的主要來源之一。

靜電噴霧降塵是治理開放性粉塵的方法之一，靜電噴霧技術是近些年來發(fā)展起來的新技術，相對于其他降塵形式，優(yōu)點在于降塵效率較高，使用比較方便。S Edward Law[1]等研究了整個20世紀眾多研究人員的科學和工程貢獻，他們的工作確立了可靠的粉塵和噴霧裝藥方法的基本依據(jù)和技術實施，并回顧了開發(fā)用于靜電沉積農(nóng)業(yè)微粒的各種系統(tǒng)。周新建[2]等提出了計算塵粒在霧滴表面捕集效率的方法，分析了塵粒、捕塵體荷電性不同時在流場中的捕集效率。通過計算得出霧滴和塵粒均帶有荷電時捕集過程發(fā)生在霧滴表面，松弛時間與捕集效率成正比的關系，可減小霧滴粒徑或者增大相對速度以提高降塵效率。

近年來，無人機技術已成為熱門話題，該技術最早是在20世紀50~90年代被美國研發(fā)利用，用于軍事方面的偵查或者情報收集。隨后，日本利用無人機技術對大米進行了播種和農(nóng)藥噴灑，在民用領域初步發(fā)展。已經(jīng)有一些學者將靜電噴霧技術與無人機技術結(jié)合起來[3-9]，研究霧滴粒徑分布、無人機飛行穩(wěn)定性等方面的內(nèi)容，但都是研究其在農(nóng)業(yè)植保領域中的利用，關于降塵方面的研究較少。茹煜[10]等將靜電噴霧系統(tǒng)搭載于XY8D型無人機，通過無人機低空低量噴霧的實驗，為提高無人機施藥后的霧滴沉積效果，研究靜態(tài)條件下靜電噴霧霧滴的霧化、荷電性能，確定了該無人機的試驗作業(yè)參數(shù)。靜電作用對增加霧滴沉積有明顯的效果，最佳的無人機靜電噴霧作業(yè)參數(shù)還與風速、溫度、濕度等環(huán)境因素及藥液物理特性的影響有關。

本文將靜電噴霧技術與無人機技術相結(jié)合用于治理開放性粉塵，使用Fluent對粉塵的擴散模型進行數(shù)值模擬，分析其擴散規(guī)律，將靜電噴霧裝置搭載于無人機上，再模擬無人機靜電噴霧在不同自然界的風速、濕度條件下對噴霧降塵效率的影響。

1 無人機靜電噴霧模型建立

1.1 邊界條件的確定

在湖北省武漢市某地化工廠內(nèi)取一40m×40m監(jiān)測區(qū)，監(jiān)測區(qū)中央有一土堆，大小4m×4m×0.5m。郭配山通過研究塵源控制方法[11]，進行了實驗測試與數(shù)值模擬，確定了土堆表面以0.5m/s的擴散速度向外擴散。建立CFD模型如圖1所示。綠色部分代表無人機，紫色部分代表土堆。經(jīng)過調(diào)研，此地常年盛行南風，風力在2至3級左右，風速可達3m/s，左方邊界為來風方向，設置為velocity-inlet；下方正中間空白方塊為土堆模型，設置為wall；此模型用于模擬開放性粉塵的控制情況，右方及上方邊界為開放邊界，設置為pressure-outlet。無人機中間為水箱，兩端是其旋翼，在提供自身升力的同時產(chǎn)生了向下的氣流。采用局部加密的方法劃分網(wǎng)格如圖2所示。模型內(nèi)部的流體設置為空氣，空氣溫度取室外常溫293K，大氣壓力取101325Pa。

圖1 CFD模型

圖2 CFD模型網(wǎng)格劃分

為確定無人機旋翼產(chǎn)生氣流的參數(shù)，現(xiàn)計算單個旋翼產(chǎn)生的向下的風速大小，可以把螺旋槳看成是一邊旋轉(zhuǎn)一邊前進的機翼，假定無人機處于滿載狀態(tài)，旋翼轉(zhuǎn)速能達到7000rpm，測量得到每個旋翼螺距為22cm，計算得旋翼產(chǎn)生的風速為8.4m/s，設置無人機出口為velocity-inlet。

1.2 數(shù)值計算方法

CFD計算基于質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等，通過數(shù)值計算的方法求解非線性聯(lián)立的各類微分方程組[12]，本文對粉塵濃度擴散以及無人機靜電噴霧降塵的數(shù)值模擬用到以下幾種微分方程：

（1）連續(xù)性方程

對于單個體積單元內(nèi)流體的進入與流出引起的質(zhì)量的變化，一定滿足質(zhì)量守恒定律，通過數(shù)學方程表現(xiàn)出來即為連續(xù)性方程；

（2）-方程

動量守恒定律，指作用在控制體上的合力與單位時間內(nèi)通過控制面流入控制體的動量之和等于單位時間內(nèi)控制體中流體動量的增量，通過這個定理可以得到-方程；

FLUENT軟件提供了多種湍流模型，包括有標準-模型、RNG-模型和Realizable-模型等。本文在采用了標準-兩方程模型。

假設粉塵在空氣中擴散進行無規(guī)則運動，由于粉塵帶有相同電荷，同性相斥，可忽略顆粒間的相互碰撞，采用拉格朗日法對氣—固兩相流中的粉塵顆粒進行和追蹤計算。

2 粉塵擴散規(guī)律數(shù)值模擬

開放性粉塵具有不可控的特點，而且同時受到重力和浮力等多種力的作用。粉塵隨風飄散，會受到風提供的動力與空氣的阻力。本文假設粉塵顆粒為球形顆粒，因此作用在粉塵顆粒的作用力計算公式如下：

根據(jù)場地監(jiān)測范圍大小、污染物的空間分布特征、氣象因素綜合考慮確定，場區(qū)內(nèi)外共設置3個空氣采樣點，即場區(qū)內(nèi)設置1個空氣采樣點為1號，場區(qū)外設至2個空氣采樣點，其中在場區(qū)上主導風向設1個為2號，下主導風向設1個為3號。采用濾膜稱重法進行測定采樣點的風速、風向、粉塵濃度等數(shù)據(jù)，在氣溫20℃，濕度60%的相近天氣進行監(jiān)測，間斷的共測試8天，每日自10點起，17點結(jié)束，間隔1h/次，共8次，取數(shù)值較為穩(wěn)定的一天進行整理后得表1。

表1 粉塵濃度測試結(jié)果

續(xù)表1 粉塵濃度測試結(jié)果

測試結(jié)果分析：位于場區(qū)內(nèi)的1號采樣點在工作時間內(nèi)含塵濃度穩(wěn)定在1.7mg/m3至2.2mg/m3之間，位于上主導風向的2號采樣點在工作時間內(nèi)含塵濃度穩(wěn)定在1mg/m3至1.5mg/m3之間，位于下主導風向的3號采樣點在工作時間內(nèi)含塵濃度穩(wěn)定在1.7mg/m3至2mg/m3之間，3個采樣點均含有較高的含塵濃度。在中午的休息時間內(nèi)，沒有了鏟車、挖機等使用，塵源產(chǎn)塵較少，空氣中懸浮的粉塵顆粒也有所沉降，含塵濃度較工作時間均有所降低。

現(xiàn)場濃度測試之后，根據(jù)測試數(shù)據(jù)建立相關模型，對土堆的粉塵模型進行數(shù)值模擬，得到自然風速分別為0m/s、1m/s、2m/s、3m/s時的速度云圖與濃度云圖。

圖3（a） 無風時粉塵擴散速度云圖

Fig.3(a) Cloud chart of dust diffusion speed without wind

圖3（b） 無風時粉塵擴散模型

Fig.3(b) Dust diffusion model without wind

當風速為1m/s，粉塵從塵源散發(fā)出來后隨著左方氣流向右方移動，從圖4（a）可以看出，粉塵散發(fā)速度在離開塵源后與來流風速相結(jié)合，在土堆上方形成一坡面，速度可達到1.39m/s，來流風速在經(jīng)過土堆后無法直線達到正右方，向右上方流動。從圖4（b）可以看出，粉塵在離開土堆后，在土堆右方形成粉塵團，內(nèi)部的粉塵濃度大約為2.17mg/m3，少部分區(qū)域最高能達到4.82mg/m3，隨著距離的增加，粉塵濃度逐漸降低，相比風速為0m/s時的粉塵的最高濃度有所降低，但是因為左方氣流的作用，粉塵團內(nèi)平均含塵濃度相對增大。

圖4（a） 風速為1m/s時粉塵擴散速度云圖

Fig.4(a) Cloud chart of dust diffusion velocity at 1m/s wind speed

圖4（b） 風速為1m/s時粉塵擴散模型

Fig.4(b) Dust diffusion model at 1m/s wind speed

當風速為2m/s，粉塵從塵源散發(fā)出來后隨著左方氣流向右方移動，從圖5（a）可以看出，粉塵散發(fā)速度在離開塵源后與來流風速相結(jié)合，速度可達到2.2m/s，來流風速在經(jīng)過土堆后無法直線達到正右方，由于土堆與地面的高度差，在土堆右方形成較小渦流更過粉塵匯聚于此。從圖5（b）可以看出，在土堆右方形成粉塵團，內(nèi)部的粉塵濃度大約為2.44mg/m3，少部分區(qū)域最高能達到5.42mg/m3，隨著距離的增加，粉塵濃度逐漸降低，相比風速為1m/s的粉塵的最高濃度增加，但是渦流的作用，粉塵團內(nèi)平均含塵濃度相對增大。

圖5（a） 風速為2m/s時粉塵擴散速度云圖

Fig.5(a) Cloud chart of dust diffusion velocity at 2m/s wind speed

圖5（b） 風速為2m/s時粉塵擴散模型

Fig.5(b) Dust diffusion model at 2m/s wind speed

當風速為3m/s，大部分粉塵隨著左方氣流向右方移動，從圖6（a）可以看出，最高速度可達到3.54m/s，這幾個風速下，土堆附近的氣流組織均較混亂，容易加劇粉塵的擴散。從圖6（b）可以看出，在土堆右方形成的粉塵團，在風速的作用下更加的低矮，內(nèi)部的粉塵濃度大約為1.90mg/m3，少部分區(qū)域最高能達到4.21mg/m3，隨著距離的增加，粉塵濃度逐漸降低。

圖6（a） 風速為3m/s時粉塵擴散速度云圖

Fig.6(a) Cloud chart of dust diffusion velocity at 3m/s wind speed

圖6（b） 風速為3m/s時粉塵擴散模型

Fig.6(b) Dust diffusion model at 3m/s wind speed

3 無人機靜電噴霧數(shù)值模擬

3.1 不同自然條件下數(shù)值模擬

項目施工并不會因為天氣的原因而有所改變，土堆的產(chǎn)塵也會隨之進行，因此，本文將無人機工作高度設置為7m，噴霧壓力設置為0.2MPa，模擬了無人機靜電噴霧在不同自然條件下的降塵效果。此模擬有兩個變量：風速和濕度。

由于此地常年盛行南風，風速0至3級不等，土堆向四周進行擴散粉塵，此模型為2D模型，固定一方為來風方向即南風。設置4種工況進行對比研究，分別是風速為0m/s、1m/s、2m/s、3m/s。

濕度對噴霧降塵的影響也比較大，晴天天氣較干燥，空氣相對濕度在40%左右浮動；陰天較為潮濕，空氣相對濕度在70%左右浮動；雨天濕度最大，但是雨天無需使用無人機靜電噴霧便能達到一定的降塵效果，故不考慮。設置2種工況進行對比研究，分別是空氣相對濕度為40%與70%。

圖7（a） 無人機在=0m/s時的速度云圖

Fig.7(a) Velocity cloud chart of UAV at=0m/s

圖7（b） 無人機在=40%時的濃度云圖

Fig.7(b) Concentration nephogram of UAV at=40%

圖7（c） 無人機在=70%時的濃度云圖

Fig.7(c) Concentration nephogram of UAV at=70%

當自然風速為0m/s時（圖7（a）），無人機產(chǎn)生的氣流能有效將粉塵控制在一定范圍，分析圖7（b），（c）可知，當空氣相對濕度從40%升至70%，也就是晴天轉(zhuǎn)為陰天，塵源散布的粉塵有一定的減少，形成的粉塵團相對較小，但是差別不大，粉塵的擴散能力也相對減弱，空氣中的最高粉塵濃度從0.518mg/m3降低至0.452mg/m3。

圖8（a） 無人機在=1m/s時的速度云圖

Fig.8(a) Velocity cloud chart of UAV at=1m/s

圖8（b） 無人機在=40%時的濃度云圖

Fig.8(b) Concentration nephogram of UAV at=40%

圖8（c） 無人機在=70%時的濃度云圖

Fig.8(c) Concentration nephogram of UAV at=70%

當自然風速增大至1m/s，自然風對無人機旋翼氣流產(chǎn)生影響，分析圖8（a），自然氣流對無人機旋翼氣流影響較小，部分旋翼氣流仍然能夠到達土堆附近，無人機來風方向的旋翼氣流與自然氣流相結(jié)合，在左方形成向上旋轉(zhuǎn)的渦流，使得土堆左方的粉塵完全受自然氣流的影響向右擴散，粉塵在遇到無人機影響較小的旋翼氣流時仍然受旋翼氣流控制，向上擴散時被抑制，形成一下降的坡面。通過分析圖8（b），（c），當空氣相對濕度從40%上升至70%時，霧滴的蒸發(fā)作用相對減弱，霧滴數(shù)量減少量降低，降塵效果有所提高，粉塵擴散模型有些許減小，粉塵濃度最高值也從0.608mg/m3下降至0.507mg/m3。

圖9（a） 無人機在=2m/s時的速度云圖

Fig.9(a) Velocity cloud chart of UAV at=2m/s

圖9（b） 無人機在=40%時的濃度云圖

Fig.9(b) Concentration nephogram of UAV at=40%

圖9（c） 無人機在=70%時的濃度云圖

Fig.9(c) Concentration nephogram of UAV at=70%

當自然界風速增大至2m/s時，分析圖9（a）得知，旋翼產(chǎn)生氣流的因自然界風速的變化更加劇烈，但還是在無人機來風方向形成較小漩渦，旋翼產(chǎn)生氣流對粉塵的控制能力有所減弱，粉塵向上擴散時受到自然界風速的影響加大，擴散模型逐漸扁平化。分析圖9（b），（c）得知，隨著濕度的增加，粉塵擴散范圍略有減小，形成粉塵團內(nèi)平均濃度從0.24mg/m3下降至0.234mg/m3，下降幅度較小，最高粉塵濃度從0.437mg/m3下降至0.36mg/m3。

圖10（a） 無人機在=3m/s時的速度云圖

Fig.10(a) Velocity cloud chart of UAV at=3m/s

圖10（b） 無人機在=40%時的濃度云圖

Fig.10(b) Concentration nephogram of UAV at=40%

圖10（c） 無人機在=70%時的濃度云圖

Fig.10(c) Concentration nephogram of UAV at=70%

當自然界風速增加至3m/s，分析圖10（a）得知，旋翼產(chǎn)生氣流隨著自然界風速向右方流動，受自然界風速的影響最大，在土堆右上方區(qū)域里，風速可達到5.48m/s。分析圖10（b），（c）得知，因受自然氣流的影響較大，粉塵的擴散模型更加扁平化，更對的粉塵被帶到了里土堆較遠的地方，隨著濕度的增大，形成粉塵團內(nèi)的粉塵濃度從0.33mg/m3下降至0.28mg/m3，降塵效果有些許改善，擴散范圍有所減小。

3.2 計算結(jié)果分析

圖11 測點布置圖

在模型四周設立6個測點，統(tǒng)計測各點濃度的變化以計算降塵效率。測點布置圖如圖11。其中，測點1與測點2位于土堆來風方向，測點3與測點4位于土堆中央正上方，測點5與測點6位于土堆下風方向。

表2 監(jiān)測點濃度值及降塵效率

圖12 平均降塵效率

統(tǒng)計各測點噴霧前后的濃度值并計算噴霧的降塵效率，結(jié)果如表2，計算6測點在不同自然條件的平均降塵效率，結(jié)果如圖12所示。從結(jié)果可以看出以下幾點：

（1）靜電噴霧數(shù)值模擬降塵效率普遍較高，最低75.57%，最高95.93%，平均降塵效率達到了85.87%。

（2）無風時平均降塵效率最低，風速增大至1m/s時，自然界風速與旋翼產(chǎn)生氣流能較好的結(jié)合起來，平均降塵效率達到最高；風速進一步增大時，粉塵受到自然風的影響增大，一部分粉塵隨著氣流流走，導致降塵效率降低。

（3）在風速不變的情況下，濕度增大，空氣中的粉塵濃度減小，降塵效率有所提高，但是提高幅度較小，隨著空氣流速的增大，粉塵隨氣流進行擴散，降塵效率提高幅度也逐漸減小。

4 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場測定的濃度值，使用FLUENT軟件建立了準確的粉塵擴散模型，使用FLUENT軟件建立了無人機靜電噴霧模型進行降塵數(shù)值模擬，模擬計算得到無人機工作在高7m、噴霧壓力為0.2MPa時，無人機靜電噴霧的平均降塵效率能達到85.87%，自然風速在1m/s左右時能達到較高的降塵效率，濕度較大的天氣降塵效率較高。

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Numerical Simulation for UAV Electrostatic Spray Technology Treating Open Dust

Gao Chunxue1Yang Shu1Wu Songlin1Liu Qiuxin1,2

( 1.Wuhan University of Science and Technology, Wuhan, 430065;2.City college, Wuhan university of science and technology, Wuhan, 430083 )

Electrostatic spray technique combined with UAV technology was used to treat open dust, and the diffusion model of dust was numerically simulated with Fluent in this paper. The simulation shows that the airflow generated by the rotor of the UAV at 7m height and under the spray pressure of 0.2MPa, the average dust reduction efficiency of the electrostatic spray of the drone can reach 85.87%. When the natural wind speed is 1m/s, and the relative humidity of the air is 70%, the dust reduction efficiency in the local area reach up to 95.93%.The drone electrostatic spray control open dust technology proposed in this paper has good dust-reducing effect and is of great significance to the development of heavy metal pollution dust technology.

Open dust; Fluent; Electrostatic spray; UAV; Numerical simulation

X513

A

1671-6612（2021）01-018-09

湖北省教育廳教研項目：基于Web-App的土木類專業(yè)實踐教學質(zhì)量控制研究（2015225）；湖北省高等學校實驗室研究項目：基于可再生能源的智能化環(huán)境控制實驗室的建設研究（HBSY 2019-04）

高春雪（1967.3-），女，本科，實驗師，E-mail：575882723@qq.com

2020-04-16