童鞋论文网专业提供代写本科论文、代写硕士论文、代写职称论文、代写毕业论文、论文发表等服务,上万成功案例,欢迎咨询。 网站地图  |  加入收藏  |  设为首页
童鞋论文网
热门搜索
行政 教育 营销 法律 经济 护理 心理 会计 文学 工商 计算机 旅游
站内搜索:
童鞋论文网
 当前位置:童鞋论文网 > 环境论文 > 文章正文
 
大气环境无人机监测方法探讨
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2017/3/22 18:16:26  

随着科技进步和能源需求的增长,能源产业带来的污染与公共健康风险日益突出[1],有必要通过大气监测分析污染物浓度,并采取相应措施有效防治大气污染。目前的大气监测手段多以地面监测为主,对于烟囱排烟类垂直方向的大气污染物还没有成熟的浮空采样监测技术。无人机作为采样设备的载体,可以在空中任意位置悬停并监测,解决高空污染检测难题。此外,在发生环境突发事件时,无人机可以克服交通不便、情况危险等不利因素,快速出现在污染事故所在空域,立体查看污染情况,具有较好的时效性。2011 年某机构研发了应急大气监测无人机系统,实现了航拍、监控、污染气体监测等多项功能。今在国内外研究的基础上,研发出一套完整的无人机环境监测方法,并将其应用于实际大气监测工作中[2]。

1 实验方案确定

1. 1 无人机机型选择

按照飞行方式,无人机分为固定翼型和旋翼型2 类。固定翼无人机通过机翼和动力系统实现飞行,抗风能力较强,类型较多,续航能力强,能同时搭载多种遥感传感器。该机型具备滑行、弹射、车载、火箭助推和飞机投放等起飞方式,以及滑行、伞降和撞网等降落方式,其起降对场地要求较高,适合污染源和扩散态势监测、土地利用监测,以及水利、电力等领域的应用。旋翼无人机通过各电机转速改变旋翼转速,实现升力变化,从而控制飞行姿态和位置,能实现悬停监测,对气流的扰动较小,适用于常规大气监测。因此,旋翼无人机更适合作为大气监测设备的载体。该机型载重量较大,航线控制精度高,飞行姿态平稳,噪声小,方便携带,机动性强。此外,其飞行控制简单可靠,机身轻巧,可在极小的场地垂直起降,使用成本低。

1. 2 大气监测设备选择

常规大气监测设备体积较大,且不具备记录地理位置和气象数据、实现实时传输等功能。因此,必须自行研制出稳定性强、精度高的适用于无人机搭载的大气监测设备,实现环境中二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳等多种有害气体浓度及压强、湿度、地理位置等相关辅助分析参数的同时检测,并支持远程数据传输和实时显示。今自主研发的大气监测设备( 见图1) ,经测试在飞行过程中数据传输正常,具备定点采样、定时监测的功能。

1. 3 采用数值模拟确定实验方案

通过理论分析,可以对旋翼气动特性作预估,而对于多旋翼系统,准确预测翼间的气动干扰存在一定难度。在理论计算时,多采用动量法、叶素法及涡流理论等方法,在低雷诺数下分析,并综合考虑空气黏性的影响。若要观察对流场细节,则需要借助计算流体力学( CFD) 方法。通过计算机数值计算和图像显示,对包含流体流动等相关物理现象的系统,通过流场主控方程和湍流模型作分析,结果具有较强的说服力,不仅有助于实验方案设计,还可以为无人机大气监测结果提供较为准确的依据[3]。

旋翼流场问题的解决包括以下几个方面。

( 1) 几何模型的建立。无人机叶片木模为生产厂家专利,一般不公开。由于叶片对于无人机旋翼能量转化起着重要作用,所以必须建立准确的叶片几何模型。叶片结构比较复杂,一般可以采用3D 扫描方法获取叶片曲面信息。若不具备条件,则建议绘制木模图,再采用专业的造型软件,根据木模图绘制曲线及曲面,得到叶片的实体几何模型。无人机主体部分绘制完成后,通过布尔运算,从流域减去无人机部分,得到用于划分计算网格的计算域几何模型。对于叶片边缘等角度较小的部分,需作几何修圆与模型检测,以达到划分计算网格的要求。叶片和无人机几何模型见图2 和图3。

( 2) 网格划分。无人机叶片为空间翼型,结构较为复杂,故采用非结构化四面体网格划分方案,见图4。

( 3) 湍流模型。常用的湍流模型包括二方程标准、S - A、k - ε、Realizable k - ε、RNG k - ε、SSTk - ω 等。旋翼无人机的周围流场较复杂,Realizablek - ε 模型广泛应用于转均匀剪切流、边界层流动、带有分离的流动[4],故采用该模型模拟无人机流场更加准确。

( 4) 数值计算方法。采用三维N - S 方程。

( 5) 旋转模型的选取。选择FLUENT 中MRF旋转模型,将叶片旋转计算域内的流场简化为叶片在全位置的瞬态流场,瞬态流场按稳态问题计算。转动区域的网格在计算时保持静止,在惯性坐标系中以科氏力和离心力作稳态问题计算。在2 个区域的交界处交换惯性坐标系下的流动参数,以保证交界处的连续性[5]。

经计算,无人机旋翼上方受气流扰动较小,进气管的长度要足够长,而过长的进气管又会影响气体采集分析时间,造成监测数据不准确,且会影响无人机的飞行姿态。根据计算结果,将环境空气质量监测吊舱的进气管置于无人机上方10 cm 处。在今后的无人机大气环境监测工作中,应针对不同机型和采样对象作数值模拟,确定最优搭载方案,以确保监测数据误差的最小化。无人机飞行周围空气密度场和速度场见图5 和图6。

2 大气监测实验

利用八旋翼无人机平台,搭载摄像机和环境空气质量监测吊舱,获取某烟囱目标区域地面及上空( 60 m ~ 100 m) 的气体浓度数据、照片及高清视频数据,同时利用气体检测仪、手持气象站等仪器开展地面实验。分别采用手持监测设备与无人机环境空气质量监测吊舱对地面浓度监测,然后驾驶无人机在选定的监测点位悬停监测,最终得到无人机监测区域的地面及不同高度的气体浓度数据[6]。

2. 1 室外作业

考虑到无人机的飞行时间有限,分别在烟囱下风向20 m、40 m、60 m、80 m、100 m,高度60 m、80 m、100 m 处,利用环境空气质量监测吊舱悬停记录相应时间与浓度数据并拍照。高空点位总计15 个,悬停时间均为30 s,整个实验耗时20 min ~30 min。监测点位与飞行轨迹见图7。

2. 2 数据处理分析

采用实验期间的气象监测、锅炉房在线监测等数据,利用FLUENT 对当天烟囱下风向的烟气污染浓度作数值模拟,通过监测数据与数值模拟结果,对烟囱上空污染气体的分布及扩散作分析。

3 存在问题及发展方向

经过实验,发现无人机监测还存在一些问题。当无人机飞行时,旋翼旋转对气流的扰动较大,测量结果与地面观测结果相差较大,飞行状态对测量可能有较大影响。某些试验场地附近有高层建筑或居民区,给飞行路线带来一定的局限性,风阻也会对无人机飞行造成一定影响。针对上述问题,建议今后在以下方面开展研究: ①提高数据链路的传输能力,实现将飞机下方的地面高分辨率影像或高清晰度录像实时传输到地面,实时显示和记录,并用于导航和取景; ②合理确定评价模式和选择评价指标,研究利用无人机遥感系统开展环境质量评价的方法学[7]; ③便携式大气监测设备的数据准确度较差,一般无人机载重量有限,应加大力度开发精度高、质量轻的无人机大气监测吊舱; ④开展地面静止比对实验,与地面测站的观测结果作比较;⑤在地面测站周围开展飞行测量比对,对飞行状态与地面观测结果作比较。

综上所述,无人机大气环境监测研究工作刚刚起步,尤其是在某些特定领域[8],针对突发性环境空气污染应急时效性强等特点[9],对于监测数据的准确性、时效性需考虑多种因素。如监测设备应体积小、质量轻,便于无人机搭载; 测量结果有一定的精密度,数据可用; 需采用数值模拟手段,针对各种污染物,在各种气象条件下模拟监测当天的环境状况,特别是风场数值模拟尤为关键。风场对于监测值的具体影响要根据日常大气监测数据及同步气象监测数据作对比分析,才能得出相关结论,需要长时间的数据积累才能得到基本规律。这种实测与数值模拟相互矫正的方法可以应用于大气环境监测,有助于烟囱、烟塔等高耸污染源的监测,便于管理部门实时监控污染物排放状况,了解区域环境空气质量和特征污染物水平[10 - 11]。

上一篇:淮南市大气颗粒物污染特征探讨     下一篇:谷朊粉行业废水处理中的资源回收利用研究
 
论文客服 95702844
论文热线18796337551
本站网址 www.txlunwenw.com
郑重承诺 原创,包修改,包通过!
童鞋论文网真诚欢迎新老客户的光临与惠顾!
 
 热门文章
· 住宅建设用地使用权续期研究
· 用户锁定效应视角下的网易云音
· 众筹产品创新性对融资绩效的影
· 摩拜共享单车可持续盈利研究
· 基于游客感知的云台山景区微信
· 社交媒体中不实信息转发主体心
· 基于网络平台的SPA模式研究——
· 新媒体时代背景下乡村旅游企业
· 上市公司内部控制信息披露探讨
· 中美贸易战下我国的战略转型研
 
 推荐文章
· 人才政策国内外研究述评
· OPM战略对策与企业应收账款管理
· 数字货币的本质及特点探讨
· 加入世界贸易组织前后中国汽车
· 上市公司财务分析方法存在的问
· 从三替集团谈家政业的规范发展
· 一站式服务理论在餐饮业方面的
· 失独家庭代孕权利研究
· 现代警务建设视域下基层公安机
· 论无聊意识在朱文小说中的显现
 
 相关文章
· 北京市高碑店污水处理厂工况遥
· 污染源自动监测设备动态管控系
· 水轮发电机组状态监测技术的现
· 2016年泌阳县松褐天牛诱捕监测
· “量价费损”监测在基层供电单
· 桥梁变形监测技术方案研究
· 湖北水库移民创业培训监测探讨
· 潜江市果蔬产品质量安全监测结
· 我国价格监测预警体系存在问题
· 高职高专环境监测技能大赛浅析

论文原创,准时交稿,包修改,包通过,八年信誉,品质保证
童鞋论文网提供代写本科论文,代写专科论文,代写毕业论文,代写职称论文,代写硕士论文,论文发表及查重服务
备案号:苏ICP备11011187号-1 苏公网安备32030502000117号
版权归童鞋论文网所有 禁止一切商用盗用