Mtiririko wa hewa wa kuelekea chini unaosababishwa na rota (downwash), ni mtiririko wa aerodinamiki unaotokana na propela zinazozunguka kuhamisha mwendo kwenda chini katika hewa na ambao unaweza kubadilisha usafirishaji, uchanganyaji na upunguzaji wa mkusanyiko wa wingu la gesi linalozunguka. Utafiti huu unachunguza, kwa majaribio yaliyodhibitiwa na uigaji wa Computational Fluid Dynamics (CFD), ni kwa kiwango gani athari ya rotor downwash inaweza kubadilisha wingu la utoaji wa CO₂ kabla halijafika kwenye sensa wakati gesi inapimwa kwa kutumia chombo cha angani kisicho na rubani (Unmanned Aerial Vehicle, UAV).

Katika sehemu ya majaribio ya utafiti, UAV inayoruka kweli na kubeba sensa juu yake haikutumika. Sensa ya CO₂ iliwekwa katika nafasi thabiti karibu na ardhi; mfumo wa surrogate rotor wenye propela mbili uliwekwa katika miinuko tofauti juu ya sensa. Kwa hiyo, kigezo kikuu cha kijiometri cha utafiti si kimo halisi cha kuruka, bali umbali wa wima wa kutenganisha rota na sensa iliyowekwa thabiti. Utengano wa rota-sensa katika majaribio ulibadilishwa kati ya 0,5 na 5,5 m.

Kama chanzo cha CO₂ kilichodhibitiwa, gari la abiria aina ya Hyundai i30 lenye injini ya dizeli 1,6 L CRDi liliendeshwa likiwa limesimama katika hali ya idling. Sensa iliwekwa thabiti 1 m upande wa chini wa mtiririko kutoka kwenye tundu la kutolea moshi na takriban 5 cm juu ya ardhi. Vipimo vilifanywa kwa wakati mmoja kwa mfumo wa gharama nafuu wa Sensirion SCD41-D-R2 unaotegemea Adafruit Feather M0 WiFi na kituo cha kibiashara cha ubora wa hewa cha IoTSens.

Majaribio yalionyesha kwamba CO₂ iliyopimwa kwa ujumla ilipungua kadiri mfumo wa rota ulivyokaribia sensa. Katika hali ya 6500 rpm, upungufu wa majaribio ikilinganishwa na rejea ya no-drone katika miinuko iliyochaguliwa uliripotiwa kuwa %52,67 katika 0,5 m; %41,92 katika 1,5 m; %30,70 katika 2,5 m; %46,03 katika 3,5 m; %26,16 katika 4,5 m na %0 katika 5,5 m. Mfuatano huu si wa monotonic kabisa; kwa hiyo matokeo hayawezi kutafsiriwa tu kama “kadiri umbali unavyopungua, upungufu unaongezeka kwa uwiano uleule katika kila hatua”. Kuingiliana kijiometri kwa wake ya rota na wingu la gesi ya moshi pia ni muhimu.

Kwa upande wa CFD, ndani ya OpenFOAM v12 ilitumika kisuluhishi cha multicomponentFluid, Large Eddy Simulation (LES), modeli ya sub-grid yenye mlinganyo mmoja ya kEqn, uunganishaji wa shinikizo-kasi wa PIMPLE na mbinu ya Multiple Reference Frame (MRF) kwa propela. CO₂ iliundwa kama spishi ya passiv inayosafirishwa bila kuingia katika mmenyuko wa kemikali. Lengo la CFD si kuzalisha upya vipimo halisi nukta kwa nukta, bali kueleza kupitia taratibu gani za kifizikia wake ya rota hupunguza mkusanyiko wa wingu la gesi ya moshi.

Katika uigaji wa CFD wa 6500 rpm, mkusanyiko wa sensa katika hali ya no-drone ulikuwa 2406 ppm, ilhali katika usanidi wenye rota zilipatikana thamani kati ya 333-1195 ppm na upungufu uliohesabiwa ulitofautiana kati ya %50,37 na %88,53. CFD ilitabiri kwa utaratibu upunguzaji mkubwa zaidi wa mkusanyiko kuliko majaribio. Chanzo kinahusisha hali hii na tofauti kama vile ingizo la moshi lisilobadilika, anga iliyorahisishwa isiyo na upepo, probe ya namba iliyofafanuliwa kwa usahihi, na ubadilifu wa injini/anga/sensa uliopo katika majaribio halisi.

Utafiti unaonyesha kwamba athari ya rotor downwash inaweza kusababisha upendeleo wa kipimo, hasa katika mwingiliano wa karibu kati ya rota na wingu la gesi. Hata hivyo, utafiti haukujaribu moja kwa moja ujanja halisi wa UAV, kuruka mbele, mwinamo wa mwili au nafasi maalumu ya sensa onboard. Aidha, kila hali ya majaribio ilikuwa na kipindi kimoja tu cha kipimo endelevu cha takriban dakika 20, na hakuna marudio huru ya majaribio yaliyofanywa. Kwa hiyo, matokeo yanapaswa kutathminiwa kama uchunguzi linganishi chini ya hali maalumu zilizodhibitiwa.

Kabla ya kuhamisha matokeo kwenye majukwaa tofauti ya UAV, vipenyo vya propela, idadi ya rota, hali za hali ya hewa, aina za gesi au majukumu halisi ya kupima utoaji, mfumo husika unapaswa kuthibitishwa kando. Matokeo ya utafiti hayatoi kanuni ya usanifu ya jumla kwamba “sensa ikiwekwa kwenye UAV katika umbali fulani itatoa kipimo sahihi kwa uhakika katika kila hali”.

Tatizo la utafiti ni nini?

Kwa sababu UAV zinaweza kufikia miinuko ambayo vituo vya kudumu vya ubora wa hewa haviwezi kufikia na kuingia katika maeneo hatari au magumu kufikika, ni jukwaa muhimu kwa ufuatiliaji wa gesi chafu, uvujaji na utoaji wa ndani. Hata hivyo, UAV haibebi sensa tu hadi kwenye eneo la kipimo; propela zinazozunguka pia husogeza kimwili anga inayojaribiwa kupimwa.

Kwa hiyo, thamani ya CO₂ inayosomwa na sensa haitegemei tu kiasi cha gesi kinachozalishwa na chanzo cha utoaji. Wake ya rota inaweza kuvuta hewa ya mazingira ndani ya wingu la gesi, kusogeza gesi kwenda chini au pembeni, kuongeza uchanganyaji wa mtikisiko na kupunguza mkusanyiko wa wingu la gesi kabla halijafika kwenye sensa.

Hali hii ni muhimu hasa katika majukumu ambako nguvu ya chanzo inataka kukadiriwa kwa kiasi. Hata kama CO₂ katika eneo halisi la utoaji ni nyingi, ikiwa aerodinamiki ya UAV yenyewe inapunguza mkusanyiko katika eneo la sensa, nguvu ya utoaji inaweza kutafsiriwa kuwa ndogo kuliko ilivyo.

Kwa Nini Downwash Inayosababishwa na Rota Hubadilisha Kipimo cha CO₂?

Rotor downwash inaweza kubadilisha kipimo cha CO₂ kupitia taratibu tatu zinazohusiana: wake ya rota hukata moja kwa moja wingu la gesi ya moshi, huvuta hewa safi ya mazingira ndani ya wingu la gesi na hivyo kusababisha entrainment, na huongeza uchanganyaji wa mtikisiko na kupunguza mkusanyiko wa CO₂; majaribio ya utafiti yanaonyesha kwamba mkusanyiko unaofika kwenye sensa unaweza kupungua, huku matokeo ya LES-CFD yakionyesha kwamba upungufu huo unaweza kuelezwa na mwingiliano wa aerodinamiki kati ya wake ya rota na wingu la gesi.

Tofauti kati ya downwash, entrainment na uchanganyaji wa mtikisiko

Downwash, ni mwendo wa wastani wa hewa kuelekea chini unaozalishwa na propela. Entrainment, ni kuingizwa kwa hewa ya mazingira yenye CO₂ kidogo ndani ya wingu la gesi ya moshi kwa kuvutwa na mwendo huu. Uchanganyaji wa mtikisiko ni kuchanganyika kwa maeneo ya mtiririko yenye kasi na mikusanyiko tofauti kupitia vortices.

Michakato hii mitatu si huru kabisa kutoka kwa kila mmoja. Rota huzalisha mwendo wa kuelekea chini; wake inayotokea huvuta hewa ya mazingira; wake inapokutana na jet ya moshi, gradienti za kasi na vortices hubadilisha usambazaji wa anga wa gesi. Matokeo yake, kiasi cha CO₂ kinachofika katika nukta ilipo sensa kinaweza kutofautiana na mkusanyiko unaozalishwa na chanzo.

Kwa nini mfumo wa surrogate wenye propela mbili ulitumiwa badala ya UAV halisi?

Lengo la watafiti halikuwa kuchunguza mfumo wa udhibiti wa kuruka, ujanja wa mwili au tabia ya urambazaji; lilikuwa kutenga athari ya aerodinamiki inayosababishwa na rota kwenye wingu la CO₂ chini ya jiometri iliyodhibitiwa na inayoweza kurudiwa. Kwa ajili hiyo, mfumo thabiti wenye mota mbili za umeme na propela mbili ulitumiwa.

Chanzo kinasema wazi kwamba mfumo huu hauzalishi upya aerodinamiki kamili ya quadrotor. Hata hivyo, ukubwa wa propela, kasi za mzunguko, thamani za takriban za thrust na kasi iliyoinduliwa zilichaguliwa ili kuwakilisha kiwango cha downwash karibu na multirotor ndogo.

Mfumo wa propela ulikuwa na sifa gani za kifizikia?

Mlinganyo wa thrust tuli unahesabu nini?

Chanzo kilikadiria ukubwa wa takriban wa thrust ya propela kwa uhusiano ufuatao wa thrust tuli:

\[ T=C_T\,\rho\,n^2D^4 \tag{1} \]

Hapa \(T\) ni thrust inayozalishwa na propela moja, \(C_T\) ni mgawo wa thrust usio na vipimo, \(\rho\) ni msongamano wa hewa, \(n\) ni idadi ya mizunguko kwa sekunde na \(D\) ni kipenyo cha propela.

Katika mlinganyo, kasi ya mzunguko huingia kwa mraba wake na kipenyo cha propela kwa nguvu ya nne. Parameta nyingine zikishikiliwa bila kubadilika, kuongezeka kwa \(n\) huongeza thrust kwa uhusiano wa mraba; athari ya kipenyo ni kubwa zaidi kimahesabu. Uhusiano huu unaonyesha kwamba propela zenye vipenyo tofauti lakini kasi sawa ya mzunguko hazipaswi kutarajiwa kuzalisha thrust sawa.

Katika ukaguzi wa vitengo, kg/m³ ikitumika kwa \(\rho\), 1/s² kwa \(n^2\), na m⁴ kwa \(D^4\), zao huwa kg·m/s², yaani newton. Hivyo mlinganyo unalingana ki-kipimo na kitengo cha thrust.

Chanzo kinaeleza kwamba kwa propela za APC slow-flyer zinazolinganishwa, thamani ya \(C_T\) iko takriban kati ya 0,10-0,12 na kwamba katika hesabu ilitumiwa kwa uwakilishi \(C_T\approx0{,}11\). Kwa hiyo, thrust ya takriban kwa propela moja ilikadiriwa kuwa 3,3 N katika 6500 rpm, 5,0 N katika 8000 rpm na 7,8 N katika 10.000 rpm.

Mlinganyo wa kasi iliyoinduliwa unaeleza nini?

Kasi iliyoinduliwa iliyofanywa kuwa ya kimaadili chini ya rota ilihesabiwa kwa nadharia ya momentum ya actuator disk kama ifuatavyo:

\[ v_i=\sqrt{\frac{T}{2\rho A}} \tag{2} \]

Hapa \(v_i\) ni kasi iliyoinduliwa chini ya rota, \(T\) ni thrust, \(\rho\) ni msongamano wa hewa na \(A\) ni eneo la diski ya propela. Kutokana na muundo wa mzizi wa mraba, kuongezeka kwa thrust mara nne humaanisha kasi iliyoinduliwa kuongezeka mara mbili ikiwa hali nyingine ni sawa.

Kwa mbinu hii, chanzo kilihesabu kasi iliyoinduliwa ya takriban 5,2; 6,3 na 7,9 m/s kwa 6500, 8000 na 10.000 rpm mtawalia. Hizi si kasi za downwash zilizopimwa moja kwa moja kwenye sensa, bali ni thamani za makadirio zinazotegemea nadharia ya actuator disk.

Ni sensa gani zilitumiwa katika majaribio?

Mfumo wa kwanza una bodi ya Adafruit Feather M0 WiFi-ATSAMD21 na sensa ya CO₂ ya Sensirion SCD41-D-R2. Katika chanzo, SCD41-D-R2 imeelezwa kuwa na masafa ya kipimo ya 400-5000 ppm, usahihi wa \(\pm50\) ppm + %2,5 na kurudiwa kwa \(\pm10\) ppm. Mfumo pia hurekodi halijoto na unyevunyevu kiasi pamoja na CO₂.

Mfumo wa pili ni IoTSens Air Quality Monitor ya kibiashara. Jambo muhimu la kimetodolojia ni kwamba kifaa cha IoTSens hakikutumiwa kukalibisha sensa ya gharama nafuu. IoTSens ilifanya vipimo kwa wakati mmoja kama mfumo huru wa rejea/ulinganisho.

Namna mifumo miwili inavyogusana na hewa si sawa. Feather-SCD41 iko wazi moja kwa moja kwa hewa ya mazingira; IoTSens iko ndani ya kifuniko cha kinga kilichokusudiwa kwa matumizi ya muda mrefu nje. Chanzo kinaeleza kwamba tofauti hii ya kijiometri na ya mienendo inapaswa kuzingatiwa wakati wa kutafsiri tofauti za mkusanyiko kamili.

Matrix ya majaribio ilikuwa vipi?

Mfuatano wa majaribio ulianza katika nafasi ya juu zaidi ya rota na ukaendeshwa kwa kuishusha rota hatua kwa hatua kuelekea sensa. Hali hazikutumika kwa mpangilio wa nasibu. Chanzo kinaeleza wazi kwamba mabadiliko ya hali za mazingira kwa muda, halijoto ya injini na sensor drift hayawezi kuondolewa kabisa.

Kila hali ilitekelezwa mara moja tu. Kwa hiyo kauli kwamba “vipimo vingi vilichukuliwa kwa dakika 20” haimaanishi kwamba “majaribio mengi huru yalifanywa”.

Upepo wa eneo ulidhibitiwaje?

Jaribio lilifanywa katika eneo la maegesho lililokingwa na kuzungukwa na majengo ya CSIC ITEFI. Kituo cha hali ya hewa cha umma kilicho karibu kiliripoti upepo wa takriban 4-8 km/saa asubuhi, takriban 9-14 km/saa baada ya mchana, na vipindi vya upepo vilivyofikia 20-25 km/saa baadaye. Hata hivyo, kituo hiki kiko takriban 2,5 km kutoka eneo la jaribio.

Kasi ya upepo wa eneo na nguvu ya mtikisiko hazikupimwa kwa kuendelea katika eneo la jaribio. Kwa hiyo, data za hali ya hewa za kikanda ni za kuonyesha tu. Inawezekana majengo yalidhoofisha mtiririko au kubadilisha mwelekeo wake katika eneo halisi la jaribio.

Data za mfululizo wa muda zilichakatwaje?

Data za IoTSens zilihifadhiwa kupitia LoRaWAN na data za Feather kupitia Wi-Fi kwenye jukwaa la wingu la ThingSpeak. Mabadiliko ya kimo cha rota na kasi kati ya hali za majaribio, vipindi vya ukaguzi wa vifaa na hali za mpito viliondolewa kwenye uchanganuzi.

Katika kila mabadiliko ya hali, rekodi 20 za kwanza, takriban sekunde 150, ziliachwa nje ya uchanganuzi ili sensa ziondokane na mkusanyiko uliobaki na kupunguza athari za mpito za kujaa/kujituliza.

Kwa sababu sampuli zinazofuatana za muda si huru kutoka kwa nyingine na zinaweza kuonyesha temporal autocorrelation, watafiti hawakuchukulia kila kipimo kama marudio huru ya jaribio. Badala yake, takwimu za muhtasari kama wastani, mediana, masafa ya interquartile na maksimumu zilitathminiwa kwa sehemu thabiti.

Matokeo ya majaribio ya CO₂ yalionyesha nini?

Katika hali ya no-drone, CO₂ iliyopimwa kwenye sensa huku gari likifanya kazi katika idling ilitofautiana kati ya takriban 1190-1720 ppm. CO₂ ya anga ya usuli iliripotiwa kuwa takriban 440 ppm.

Katika 6500 rpm, masafa ya 1400-1700 ppm yaliyopimwa katika utengano wa rota-sensa wa 5,5 m yalibaki karibu na hali ya no-drone. Kadiri rota ilivyokaribia, mkusanyiko uliopimwa kwenye sensa ulipungua kwa ujumla.

Masafa haya ni muhtasari wa takriban wa mifululizo halisi ya muda katika hali tofauti za uendeshaji. Kwa kuwa sampuli ghafi za muda hazijatolewa katika jedwali ndani ya makala, Verianla haitengenezi mfululizo mpya wa muda au takwimu mpya kutoka kwake.

Je, Feather na IoTSens zilipima thamani sawa?

Hapana. Ingawa mifumo miwili ilinasa mwelekeo wa jumla katika upande mmoja, thamani kamili za CO₂ zinatofautiana.

Chanzo pia kinatoa wastani wa 824 ppm kwa Feather na 622 ppm kwa IoTSens kwa vipimo vyote. Haijaonyeshwa kwamba tofauti hii inatokana tu na intrinsic performance ya sensa. Kwa kuwa sensa ya Feather iko wazi moja kwa moja kwa hewa huku IoTSens ikiwa ndani ya kifuniko cha kinga, vilele vya muda mfupi vya mkusanyiko na mienendo ya mwitikio wa sensa vinaweza kutofautiana kati ya mifumo miwili.

Dokezo la namba ndani ya chanzo: Maandishi hutumia kauli ya tofauti ya takriban %25 kwa wastani wa 824 na 622 ppm. Hata hivyo, tofauti nyingine za asilimia katika Jedwali 3 zimehesabiwa kwa kutumia thamani ya IoTSens kama kigawanyo. Mbinu hiyo hiyo ikitumika kwa wastani, hupatikana takriban %32,5. Kwa kuwa chanzo hakielezi kigawanyo kilichotumiwa katika sentensi hii, Verianla haitoi upya asilimia hiyo yenye utata; inawasilisha tu wastani ghafi.

Kwa nini CFD ilihitajika?

Katika jaribio, sensa hupima tu mkusanyiko wa CO₂ katika nukta maalumu. Kipimo hiki peke yake hakionyeshi wingu la gesi linasafirishwa kutoka wapi kwenda wapi katika vipimo vitatu, rotor wake ina nguvu katika eneo gani, au hewa ya mazingira inavutwaje ndani ya wingu la gesi.

Kwa hiyo CFD ilitumika si kama mbadala wa jaribio, bali kueleza uwanja wa mtiririko ambao hauonekani moja kwa moja katika jaribio. Modeli hutathmini kwa pamoja usambazaji wa CO₂, uwanja wa kasi, rotor wake, wasifu wa mstari wa kati na thamani za probe ya namba katika nafasi ya sensa.

Ni kisuluhishi gani kilitumika katika CFD?

Uigaji uliendeshwa ndani ya OpenFOAM v12 kwa kutumia kisuluhishi cha multicomponentFluid. Kisuluhishi hiki kinachotegemea finite volume huhesabu usafirishaji wa mchanganyiko wa gesi unaobana na wenye vipengele vingi.

Modeli ina vipengele viwili vinavyosafirishwa: hewa ya anga na CO₂. Hakuna mwako, mmenyuko wa kemikali au uzalishaji mpya wa CO₂ ndani ya modeli. CO₂ husafirishwa tu kwa advection, diffusion na uchanganyaji wa mtikisiko.

LES ni nini?

Large Eddy Simulation (LES), ni mbinu ya CFD ambapo vortices kubwa zinazobeba nishati katika mtiririko wenye mtikisiko hutatuliwa moja kwa moja, huku skeli za mtikisiko zilizo ndogo kuliko gridi ya hesabu zikiwakilishwa kwa modeli ya sub-grid.

Katika utafiti huu, kwa skeli za sub-grid ilitumika modeli ya mlinganyo mmoja ya kEqn. Modeli hutatua mlinganyo wa usafirishaji kwa nishati ya kinetiki ya mtikisiko isiyotatuliwa na huhesabu mnato wa mtikisiko unaohusiana nayo.

Sababu ya kutumia LES ni kwamba tathmini ya miundo ya muda ya vortices na uchanganyaji kati ya wingu la gesi ya moshi na rotor wake kwa kutegemea mtiririko wa wastani pekee inaweza kuwa na mipaka.

Mbinu ya MRF inawakilisha nini?

Multiple Reference Frame (MRF), ni mbinu inayowakilisha athari ya wastani ya aerodinamiki ya rota bila kuzungusha mesh kimwili katika kila hatua ya muda, kwa kufafanua fremu ya marejeo inayozunguka katika eneo linalozunguka propela.

Kwa propela mbili, maeneo mawili tofauti ya MRF yenye umbo la silinda yaliundwa na katika hali ya uthibitishaji wa CFD kasi ya mzunguko iliwekwa kuwa 6500 rpm, yaani takriban 680,7 rad/s.

MRF huwakilisha rotor wake kwa mbinu ya steady rotating-frame. Kwa upande mwingine, kwa kuwa usafirishaji wa wingu la gesi ya CO₂ na miundo ya mtikisiko inayotatuliwa na LES hubadilika kwa muda, suluhisho la jumla la CFD ni transient.

Tofauti hii ni muhimu: utafiti hautatui blade-passing frequency wala mizigo ya aerodinamiki inayotegemea muda ya kila bapa la propela.

Eneo la hesabu la CFD lilikuwa vipi?

Katika CFD, jiometri yote ya gari halisi haikumodeliwa. Chanzo cha moshi kiliwakilishwa kama inlet ya mraba katika kimo cha 30 cm kutoka ardhini ili kurahisisha ubora wa mesh; sehemu ya nyuma ya gari ilikadiriwa kwa ukuta thabiti wa 1,5 × 1,5 m.

Kwa hiyo, modeli si digital twin ya maelezo yote ya aerodinamiki ya Hyundai i30 halisi.

Masharti ya mipaka yalikuwa yapi?

Kiwango cha mtiririko wa moshi, halijoto na muundo wake halisi havikupimwa moja kwa moja kwenye gari la majaribio. Kwa hiyo, masharti ya CFD inlet yaliundwa kwa kutumia thamani wakilishi kutoka kwenye fasihi kuhusu hali ya idling ya injini za dizeli za magari ya abiria.

Dokezo la halijoto ndani ya chanzo: Chanzo kinapotaja thamani hizi za fasihi, kinaeleza masafa ya 120-180 °C kwa halijoto ya moshi katika idling, lakini katika sharti halisi la mpaka la CFD kinaingiza 324 K. Kwa kuwa 324 K ni takriban 51 °C, thamani hizi mbili haziwakilishi masafa yale yale ya halijoto. Verianla huhifadhi ingizo la modeli kuwa 324 K kama lilivyotumiwa katika chanzo na haisahihishi kimya kimya tofauti hii.

Mipangilio ya mtikisiko na modeli ya ukuta

Nishati ya kinetiki ya mtikisiko kwenye ingizo la moshi imetolewa kama \(k=0{,}09\ \mathrm{m^2/s^2}\), na urefu bainifu wa uchanganyaji wa mtikisiko kama \(L=0{,}003\ \mathrm{m}\).

Mtikisiko wa LES karibu na ukuta ulimodeliwa kwa nutkWallFunction na kqRWallFunction. Kwa diffusion ya joto yenye mtikisiko ilitumika compressible::alphatWallFunction pamoja na nambari ya turbulent Prandtl \(Pr_t=0{,}85\).

Mesh iliundwaje?

Mesh iliundwa kwa njia mseto kwa kutumia zana za OpenFOAM blockMesh na snappyHexMesh. Uboreshaji wa eneo ulifanywa katika chanzo cha moshi, jiometri ya UAV na maeneo ya MRF.

Katika uigaji wa uzalishaji, takriban seli 457.000 zilitumika katika usanidi wa H1-H6 na takriban seli 820.000 katika usanidi wa H7-H9. Chanzo kinaripoti kwamba kwenye mesh za mwisho za uzalishaji, skewness ilikuwa chini ya 4 na non-orthogonality chini ya 65.

PIMPLE na hatua ya muda zilitumikaje?

Derivatives za muda ziligawanywa kwa localEuler, gradienti za nafasi kwa Gauss linear, terms za diffusion kwa Gauss linear corrected, na terms za convection kwa scheme ya bounded second-order limitedLinear.

Katika algoritimu ya PIMPLE, outer correction moja na iterations tatu za pressure-correction zilitumiwa katika kila hatua ya muda.

Hatua ya muda ilirekebishwa kwa adaptively; nambari ya juu ya Courant ilikuwa \(Co_{\max}=3\), na hatua ya juu ya muda ilikuwa:

\[ \Delta t_{\max}=5\times10^{-5}\ \mathrm{s} \]

iliwekewa kikomo.

Tolerances za suluhisho zilikuwa kati ya \(10^{-6}\) na \(10^{-4}\), na relaxation factor ilikuwa 0,7.

Chanzo kiligundua kwamba species transport equations zinaweza katika baadhi ya hali kutimiza residual criterion bila scalar-field update halisi, na kwa hiyo kilitumia minIter 1 kulazimisha angalau iteration moja ya species solver katika kila hatua ya muda. Maelezo haya ni muhimu ili usafirishaji wa CO₂ usasishwe kwa ufanisi kihesabu.

CO₂ ilibadilishwaje kutoka sehemu ya massa kwenda ppm?

Kwa kuwa katika matokeo ya OpenFOAM CO₂ inapatikana kama sehemu ya massa badala ya ppm moja kwa moja, chanzo kwanza kilibadilisha sehemu ya massa kuwa sehemu ya mole, kisha sehemu ya mole kuwa ppm.

Sehemu ya Massa Inabadilishwaje kuwa ppm?

Katika mlolongo mkuu na wa wazi wa ubadilishaji wa chanzo, sehemu ya massa ya CO₂ \(Y_{CO_2}\) hubadilishwa kuwa sehemu ya mole \(X_{CO_2}\) kwa kutumia uzito wa molekuli, kisha ppm hupatikana kwa operesheni ya \(X_{CO_2}\times10^6\); chanzo pia kinatoa Mlinganyo (5) kwa makadirio ya dilute-mixture, lakini kwa kuwa alama iliyotumiwa katika mlinganyo huo inaleta tatizo la ulinganifu wa ndani na ufafanuzi uliotangulia, Verianla haiuwasilishi kana kwamba umesahihishwa.

Ubadilishaji wa kwanza:

\[ X_{CO_2}= \frac{ Y_{CO_2}/M_{CO_2} }{ Y_{CO_2}/M_{CO_2} + (1-Y_{CO_2})/M_{air} } \tag{3} \]

Hapa \(Y_{CO_2}\) ni sehemu ya massa ya CO₂, \(X_{CO_2}\) ni sehemu ya mole ya CO₂, \(M_{CO_2}=44{,}01\ \mathrm{g/mol}\) na \(M_{air}=28{,}97\ \mathrm{g/mol}\).

Sehemu ya massa huonyesha ni kiasi gani cha massa ya mchanganyiko ni CO₂; sehemu ya mole huonyesha ni kiasi gani cha jumla ya kiasi cha molekuli kinaundwa na molekuli za CO₂. Kwa kuwa uzito wa molekuli wa CO₂ na wa hewa ya wastani ni tofauti, sehemu hizi mbili si sawa kihesabu.

Sehemu ya mole ilibadilishwa kuwa ppm kama ifuatavyo:

\[ CO_2(\mathrm{ppm})=X_{CO_2}\times10^6 \tag{4} \]

Kuzidisha sehemu ya mole kwa \(10^6\) huhamisha uwiano hadi kiwango cha “sehemu kwa milioni”.

Kisha chanzo kinachapisha usemi ufuatao wa makadirio kwa mikusanyiko iliyopunguzwa:

\[ CO_2(\mathrm{ppm}) \approx X_{CO_2} \left( \frac{M_{air}}{M_{CO_2}} \right) \times10^6 \tag{5, kaynakta basıldığı biçimiyle} \]

Chanzo kinatoa thamani ya \(M_{air}/M_{CO_2}\approx0{,}658\).

Dokezo la mlinganyo ndani ya chanzo: Katika Mlinganyo (3), \(X_{CO_2}\) tayari imefafanuliwa kama sehemu ya mole na katika Mlinganyo (4), ubadilishaji wa moja kwa moja kutoka sehemu ya mole kwenda ppm umetolewa kama \(X_{CO_2}\times10^6\). Kwa hiyo, katika toleo lililochapishwa la Mlinganyo (5), kuzidisha tena \(X_{CO_2}\) kwa uwiano wa uzito wa molekuli hakuonekani kuendana moja kwa moja na ufafanuzi miwili iliyotangulia. Verianla haibadilishi alama hii yenyewe kuwa \(Y_{CO_2}\); inaonyesha mlinganyo wa chanzo kama ulivyo na kuacha kutokulingana kuonekane.

Milinganyo ya msingi ya uhifadhi katika CFD

Katika Appendix A ya chanzo, milinganyo ya msingi inayotumiwa na multicomponentFluid imetolewa wazi.

Uhifadhi wa massa / mlinganyo wa mwendelezo:

\[ \frac{\partial\rho}{\partial t} + \nabla\cdot(\rho\mathbf{u}) = 0 \tag{A1} \]

\(\rho\) ni msongamano wa giligili na \(\mathbf{u}\) ni vekta ya kasi. Mlinganyo unaeleza kwamba ndani ya modeli ya kemikali au fizikia, massa ya jumla haiwezi kujitokeza au kutoweka yenyewe.

Mlinganyo wa momentum:

\[ \frac{\partial(\rho\mathbf{u})}{\partial t} + \nabla\cdot(\rho\mathbf{u}\mathbf{u}) = -\nabla p + \nabla\cdot\boldsymbol{\tau} + \mathbf{S}_{MRF} \tag{A2} \]

Hapa \(p\) ni shinikizo, \(\boldsymbol{\tau}\) ni tensor ya stress ya mnato na \(\mathbf{S}_{MRF}\) ni term ya chanzo cha momentum inayotokana na fremu ya marejeo inayozunguka.

Upande wa kushoto unawakilisha mabadiliko ya momentum kwa muda na usafirishaji wake kwa mtiririko; upande wa kulia unawakilisha nguvu ya shinikizo, athari za mnato na athari ya chanzo cha mzunguko cha MRF.

Mlinganyo wa usafirishaji wa spishi:

\[ \frac{\partial(\rho Y_i)}{\partial t} + \nabla\cdot(\rho\mathbf{u}Y_i) + \nabla\cdot(\rho\mathbf{V}_iY_i) = 0 \tag{A3} \]

\(Y_i\) ni sehemu ya massa ya spishi \(i\); \(\mathbf{V}_i\) ni kasi ya diffusion. Katika utafiti huu spishi ni hewa ya anga na CO₂. Kwa kuwa hakuna mmenyuko wa kemikali, term ya species production source ni sifuri.

Probe ya sensa ya CFD iliwekwa wapi?

Monitoring probe ya namba iliwekwa kwenye uratibu \((1{,}0,\ 0{,}05,\ 0)\ \mathrm{m}\) ili kuendana na nafasi ya sensa ya majaribio. Kutoka kwenye probe hii, mkusanyiko wa CO₂ wenye azimio la muda na ukubwa wa kasi ulitolewa.

Aidha, kwenye mstari wa kati wa wingu la gesi, mstari wa sampuli ulifafanuliwa kati ya \((1{,}47,\ 0{,}345,\ -0{,}025)\ \mathrm{m}\) na \((-1{,}53,\ 0{,}345,\ -0{,}025)\ \mathrm{m}\); wasifu wa CO₂, kasi na shinikizo tuli ulitathminiwa kwenye mstari huu.

Kontua za CFD zinapaswa kutafsiriwaje?

Katika Kielelezo 7, chanzo kililinganisha maeneo ya CO₂ katika sekunde 5,5 za kwanza kwa skeli ileile ya rangi ya sehemu ya massa 0-0,08. Kielelezo hiki kimefafanuliwa hasa kama uonyeshaji wa kimaelezo wa mekanizimu. Si sahihi kusoma thamani za kati za mkusanyiko kutoka kwenye maeneo ya rangi na kutengeneza jedwali sahihi.

Kielelezo 8 cha chanzo kinaonyesha kwamba baada ya sekunde 20, katika utengano mdogo wingu la gesi huwa pana na lenye mkusanyiko mdogo zaidi; katika utengano mkubwa muundo unafanana zaidi na hali ya no-drone.

Kielelezo 9 cha chanzo kinaonyesha maeneo ya kasi kati ya sekunde 2,5-15 na kuonyesha kwamba maeneo yenye kasi kubwa hutokea chini ya rota. Jiometri kuu ya rotor-wake/plume hujengeka mapema, kisha miundo midogo ya mtikisiko huendelea kukua.

Kwa kuwa data ghafi za seli za kontua hizi za CFD hazipo katika mwili wa makala, Verianla haitengenezi nakala bandia ya maeneo halisi ya kontua.

Kwa Nini Matokeo ya CFD na Majaribio Hayafanani?

Ingawa CFD na majaribio yanaonyesha kuwepo kwa mekanizimu ileile ya kifizikia, hayatoi nambari sawa; kwa sababu CFD hutatua mazingira yaliyorahisishwa yenye ingizo la moshi lisilobadilika, rota thabiti ya 6500 rpm, anga isiyo na upepo na probe ya kihesabu iliyofafanuliwa kwa usahihi, huku jaribio halisi likiathiriwa na mabadiliko ya halijoto ya injini na utoaji, mwendo wa hewa wa eneo, kuyumba kwa asili kwa wingu la gesi na mienendo ya mwitikio wa sensa halisi.

Matokeo katika nafasi ya sensa katika CFD

Upungufu mkubwa zaidi wa CFD haukutokea katika utengano mdogo zaidi, bali katika H3, yaani usanidi wa 1,5 m. Hili ni mojawapo ya tafsiri muhimu za kimekanika za chanzo: ukubwa wa athari ya downwash hauamuliwi na umbali wa kijiometri pekee; kiwango ambacho rotor wake iliyokomaa inaingiliana kwa ufanisi na wingu la gesi ya moshi pia hubadilisha matokeo.

Kwa hiyo jedwali la CFD pia halionyeshi sheria ya monotonic ya “kadiri inavyokaribia, hupungua katika kila hatua”.

Majaribio na CFD yalilinganishwaje katika miinuko sawa?

Grafu inaonyesha mambo mawili muhimu kwa wakati mmoja. Kwanza, majaribio na CFD zote zinaunga mkono kwamba uwepo wa rota unaweza kubadilisha kipimo cha CO₂. Pili, inaonekana kwamba CFD imekadiria kupita kiasi kwa kiwango kikubwa upungufu wa majaribio.

Hasa katika 5,5 m, kwa kuwa mkusanyiko wa majaribio ulikuwa %2,88 juu kuliko rejea ya no-drone, chanzo kilitathmini hali hii kama “hakuna upungufu unaoweza kupimika” na kuripoti upungufu wa %0 katika Jedwali 5. Katika nukta hiyo hiyo, CFD inatabiri upungufu wa %70,08. Tofauti hii inaonyesha wazi sana kwamba CFD haipaswi kutumiwa kama mtabiri wa namba wa moja kwa moja wa kipimo halisi cha uwanjani.

Kwa nini CFD inatabiri upunguzaji mkubwa zaidi wa mkusanyiko?

Katika CFD, kasi, halijoto na muundo wa moshi pamoja na kasi ya rota ni thabiti; hakuna upepo wa anga. Katika jaribio halisi, kuna mabadiliko ya uendeshaji wa injini kwa muda, halijoto, mwendo wa asili wa meandering wa wingu la gesi, mitiririko dhaifu ya hewa ya eneo na muda halisi wa mwitikio wa sensa.

Sensa ya majaribio huchukua sampuli ya wingu la gesi linalobadilika kimwili kwa muda. Probe ya CFD hutoa thamani kutoka uratibu uliobainishwa kwa usahihi katika gridi ya hesabu kwa azimio la juu sana la muda/nafasi.

Kwa hiyo watafiti huiweka CFD si kama “mtabiri sahihi wa mkusanyiko uliopimwa”, bali kama chombo cha kueleza mekanizimu ya mwingiliano wa rota na wingu la gesi.

Unyeti wa mesh ulijaribiwaje?

Katika Appendix B, viwango vinne vya mesh vilitathminiwa kwa kutumia H4, yaani usanidi wa 2,0 m.

Katika ulinganisho wa mesh, muda wa 3-5 s ulitathminiwa na hatua ya muda ya uzalishaji \(\Delta t=5\times10^{-5}\) s ilishikiliwa bila kubadilika.

Tofauti ya mesh ilihesabiwaje?

Tofauti ya jamaa kati ya viwango vinavyofuatana vya mesh ilifafanuliwa katika chanzo kama ifuatavyo:

\[ \epsilon= \left| \frac{\phi_{fine}-\phi_{medium}} {\phi_{fine}} \right| \tag{A4} \]

\(\phi_{fine}\) inawakilisha metrika ileile ya kifizikia iliyopatikana kwa mesh laini zaidi, huku \(\phi_{medium}\) ikiwakilisha ile ya mesh iliyotangulia yenye ukwaru zaidi. Thamani kamili huondoa ishara ya tofauti na kulinganisha ukubwa wake pekee.

Kupungua kwa tofauti kati ya mesh mbili za mwisho ikilinganishwa na viwango vya awali kunaunga mkono convergence inayoendelea. Hata hivyo, kubaki kwa tofauti ya %16,3 katika CO₂ ya mstari wa kati wa plume kunaonyesha kwamba haiwezi kusemwa kuwa scalar transport imekuwa bila unyeti kabisa kwa azimio la mesh.

Kwa hiyo, badala ya kuwasilisha matokeo kama “grid independence kamilifu”, chanzo kinatathmini kwamba mesh iliyochaguliwa imenasa taratibu kuu za usafirishaji na rotor-wake kwa uwiano unaokubalika wa gharama/usaha.

Uhuru wa hatua ya muda ulijaribiwaje?

Unyeti wa muda ulitathminiwa katika H2, yaani utengano wa rota-sensa wa 1,0 m. Uigaji ulianzishwa upya kutoka suluhisho lililokuwepo katika sekunde 31,5 na kuendelezwa hadi sekunde 35. Ulinganisho ulifanywa katika eneo la mtiririko lililoendelea la sekunde tatu kati ya 32-35 s.

Tofauti za jamaa kati ya hatua ya muda ya kati na iliyo nyembamba zaidi zilikuwa %5,4 kwa wastani wa CO₂, %4,6 kwa CO₂ RMS, %17,1 kwa kasi ya wastani na %13,7 kwa RMS ya kasi.

Kwa kuwa uwanja wa CO₂ ulikuwa kigezo kikuu cha uthibitishaji wa utafiti na wasifu wa CO₂ ulikuwa karibu katika hatua za muda za kati/nyembamba, hatua ya muda ya uzalishaji ilichaguliwa kuwa \(5\times10^{-5}\) s. Kubaki kwa tofauti kubwa zaidi katika vigezo vya kasi kunaonyesha kwamba azimio la muda si lisilo na unyeti kwa kiwango sawa kwa vigezo vyote vya kifizikia.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muhtasari wa kimfumo wa mbinu ya majaribio

Muhtasari wa kimfumo wa mbinu ya CFD

Matokeo muhimu zaidi ya majaribio

• CO₂ iliyopimwa kwa ujumla ilipungua mfumo wa rota ulipokaribia sensa.
• Katika 6500 rpm, upungufu mkubwa zaidi wa majaribio ulioripotiwa ulikuwa %52,67 katika hali ya 0,5 m.
• Katika 5,5 m, upungufu wa majaribio haukuonekana kuwa wa kupimika na ulitolewa kama %0 katika Jedwali 5.
• Athari kwa umbali si monotonic kabisa; upungufu wa %46,03 katika 3,5 m ni mkubwa kuliko upungufu wa %30,70 katika 2,5 m.
• Hali hii inaunga mkono kwamba kuingiliana kwa wake-plume kuna jukumu la ziada lisilotegemea umbali wa kijiometri pekee.
• Ingawa Feather na IoTSens zinatofautiana katika thamani kamili, zote zilinasa mwelekeo wa jumla wa kupungua kwa CO₂ wakati rota ilipokaribia.

Matokeo muhimu zaidi ya CFD

• CFD ilihesabu CO₂ ya sensa kuwa chini kuliko hali ya no-drone katika usanidi wote wa rota.
• Upungufu mkubwa zaidi wa CFD ulikuwa %88,53 katika H3, yaani 1,5 m.
• Upungufu wa CFD si monotonic kabisa kwa umbali wa rota.
• Rotor wake kukata moja kwa moja wingu la gesi, entrainment ya hewa ya mazingira na uchanganyaji wa mtikisiko ulioimarika vilitambuliwa kama mekanizimu tatu kuu.
• Ingawa katika utengano mkubwa wa rota-sensa wingu la gesi linafanana zaidi na tabia ya no-drone, CFD ilitabiri athari kubwa zaidi ya rota kuliko majaribio katika H7-H9.

Hitimisho zinazoungwa mkono na utafiti

• Mwendo wa hewa unaosababishwa na rota unaweza kubadilisha kwa kiasi kikubwa mkusanyiko wa eneo unaopimwa na sensa thabiti ya CO₂.
• Katika jiometri ya majaribio iliyochunguzwa, utengano mdogo wa rota-sensa unaweza kusababisha upendeleo mkubwa wa kipimo.
• Mwingiliano wa rota na wingu la gesi hautegemei umbali pekee, bali pia maendeleo ya wake na kuingiliana kwake kifasi na wingu la gesi.
• Downwash, entrainment na uchanganyaji wa mtikisiko hufanya kazi pamoja katika kupunguza mkusanyiko wa wingu la gesi kabla halijafika kwenye sensa.
• Mfumo wa gharama nafuu wa Feather-SCD41 na mfumo wa kibiashara wa IoTSens ulinasa mwelekeo wa jumla wa kifizikia katika upande mmoja.
• CFD ilizalisha upya kwa kimaelezo mekanizimu kuu iliyoonekana katika jaribio.
• CFD ilikadiria upungufu wa CO₂ kuwa mkubwa zaidi kuliko uliopimwa katika jaribio halisi.
• Tafiti za mesh na hatua ya muda ziliunga mkono convergence ya namba inayoendelea kwa uwanja mkuu wa CO₂, lakini hazikuonyesha unyeti wa azimio karibu na sifuri kwa vigezo vyote.

Hitimisho ambazo utafiti hauungi mkono

• Utafiti hauzalishi upya aerodinamiki yote ya kuruka halisi kwa UAV.
• Utafiti haujaribu kuruka mbele, mwendo wa yaw/pitch/roll au utendaji wa sensa wakati wa ujanja.
• Utafiti hauonyeshi kwamba nafasi fulani ya sensa onboard ndiyo mahali sahihi zaidi kwa kila hali.
• 5,5 m haiwezi kujumlishwa kama umbali salama au usio na athari wa rota kwa UAV na vyanzo vyote vya utoaji.
• Matokeo ya 6500 rpm hayawezi kuhamishwa moja kwa moja kwa kipenyo kingine cha propela, idadi ya rota au uzito wa UAV.
• Haijaonyeshwa kwamba CFD inatabiri mkusanyiko wa majaribio kwa usahihi kamili wa namba.
• Sampuli za muda za majaribio si marudio huru.
• Kwa kuwa hakuna marudio huru ya majaribio yaliyofanywa, matokeo hayatoi kutokuwa na uhakika wa majaribio-rudiwa katika kiwango cha idadi ya watu.
• Kwa kuwa upepo wa eneo haukupimwa kwa kuendelea, athari ya mtiririko wa anga haijatenganishwa kabisa.
• Kwa kuwa kiwango halisi cha mtiririko wa moshi, halijoto na muundo wake havikupimwa moja kwa moja, CFD inlet si sharti la mpaka lililopimwa moja kwa moja kwa gari.
• Utafiti hauthibitishi kwamba gesi zote chafu zitaonyesha tabia sawa ya sensa/aerodinamiki.
• Nguvu ya chanzo au kiwango cha jumla cha utoaji wa CO₂ hakikuhesabiwa moja kwa moja kutoka jaribio hili.

Vikwazo vikuu vya utafiti

Hakuna marudio huru: Kila hali ya uendeshaji ni kipindi kimoja tu cha kipimo endelevu cha takriban dakika 20.

Mfuatano wa majaribio haukurandomishwa: Majaribio yalianza katika nafasi ya juu ya rota na kuendelea kwa mpangilio kuelekea nafasi za chini.

Upepo wa eneo haukupimwa kwa kuendelea: Kituo cha hali ya hewa kilicho karibu si kipimo cha moja kwa moja cha mtiririko mdogo halisi katika eneo la jaribio.

Hakuna aerodinamiki halisi ya UAV: Mfumo wa surrogate wenye propela mbili hauzalishi upya quadrotor kamili, aerodinamiki ya mwili, kuruka kwa mwendo na nafasi ya sensa onboard.

Ingizo la moshi la CFD halikupimwa: Kiwango cha mtiririko, halijoto na muundo vilichaguliwa kwa uwakilishi kutoka thamani za fasihi.

Anga la CFD limerahisishwa: Kasi thabiti ya rota na mazingira yasiyo na upepo yalitumika.

MRF si blade-resolved transient: Blade-passing na mzunguko wa kimwili wa mesh havikutatuliwa.

Unyeti wa mesh haujaondolewa kabisa: Tofauti ya CO₂ ya mstari wa kati wa plume kati ya mesh mbili zilizo nyembamba zaidi ni %16,3.

Unyeti wa muda hutofautiana kwa kigezo: Kati ya timestep ya kati na nyembamba, metrika za CO₂ zilibaki chini ya %6, huku metrika za kasi zikibadilika kati ya %13,7-17,1.

Vifuniko vya sensa ni tofauti: Feather iko wazi moja kwa moja kwa hewa, IoTSens iko ndani ya protective enclosure; hali hii inaweza kuathiri ulinganisho wa mkusanyiko kamili.

Hii ina maana gani kwa matumizi ya vitendo?

UAV inapoingia ndani ya wingu la utoaji na kufanya kipimo, propela zake zinaweza kubadilisha uwanja wa gesi inaotaka kupima. Athari hii huenda isiwe na umuhimu sawa katika majukumu ya aina ya “ipo/haipo” kama kutafuta chanzo na katika majukumu yanayotaka kuhesabu kwa kiasi nguvu ya chanzo; hasa katika makadirio ya kiasi cha utoaji, upunguzaji unaosababishwa na rota ukipuuzwa, sensa inaweza kusoma mkusanyiko wa chini zaidi.

Chanzo kinajadili kwamba mekanizimu hii inapaswa kuzingatiwa pia, zaidi ya moshi wa gari, kwa ufuatiliaji wa utoaji viwandani, ufuatiliaji wa landfill, ugunduzi wa uvujaji na vyanzo vingine vya ndani vya gesi. Hata hivyo, katika kila matumizi mapya sifa za kifizikia za gesi, muda wa mwitikio wa sensa, jiometri ya rota, uwanja halisi wa upepo na nafasi ya sampuli zinapaswa kuthibitishwa kando.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Utafiti asilia: Evaluation of Low-Cost Gas Sensors for UAV-Based Greenhouse Gas Monitoring: Experimental and CFD Analysis of Rotor-Induced Effects.

Waandishi: Fernando Ramonet; Lidia Abad; José Javier Anaya; Víctor Suárez; Darío Sánchez; Sofía Aparicio.

Mpangilio wa waandishi: Mpangilio katika chanzo umehifadhiwa kama ulivyo.

Mchango sawa: Chanzo hakitaji tamko la mchango sawa au uandishi wa kwanza wa pamoja.

Mwandishi wa mawasiliano: Fernando Ramonet.

Taasisi: Institute of Physical and Information Technologies Leonardo Torres Quevedo (ITEFI), Spanish National Research Council (CSIC), C/Serrano 144, 28006 Madrid, Spain.

Jarida: Air.

Mchapishaji: MDPI.

Juzuu / toleo / nambari ya makala: 4 / 3 / 20.

DOI: 10.3390/air4030020.

Kiungo rasmi: https://doi.org/10.3390/air4030020

Tarehe ya kuwasilishwa: 15 Julai 2026.

Tarehe ya marekebisho: 19 Agosti 2026.

Tarehe ya kukubaliwa: 20 Agosti 2026.

Tarehe ya kuchapishwa: 1 Septemba 2026.

Aina ya chanzo: Makala asilia ya utafiti iliyopitiwa na rika; utafiti wa sensa za mazingira/aerodinamiki unaounganisha jaribio la uwanjani lililodhibitiwa na uchanganuzi wa CFD unaotegemea LES.

Hali ya preprint: Katika PDF ya chanzo hakuna toleo tofauti la preprint wala nambari ya preprint iliyotajwa.

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY).

Chanzo cha majaribio: Hyundai i30, injini ya dizeli 1.6 L CRDi; idling thabiti.

Nafasi ya sensa ya majaribio: 1 m upande wa chini wa mtiririko kutoka kwenye tundu la moshi, takriban 0,05 m kutoka ardhini.

Mfumo wa rota: Mota mbili A2212-13T 1000 KV, propela mbili 25,4 cm 1045 slow-flyer, udhibiti wa Arduino Uno R4 Wi-Fi.

Kasi za rota za majaribio: Takriban 6500 na 10.000 rpm katika miinuko yote ya msingi; katika nafasi za 0,5 na 5,5 m pia takriban 8000 rpm.

Utengano wa rota-sensa wa majaribio: 0,5; 1,5; 2,5; 3,5; 4,5 na 5,5 m.

Muda wa kipimo: Kila hali takriban dakika 20.

Marudio huru: Hakuna. Kitengo cha takwimu ni hali ya kipimo; sampuli za mfululizo wa muda si marudio huru ya jaribio.

Sensa ya gharama nafuu: Adafruit Feather M0 WiFi-ATSAMD21 + Sensirion SCD41-D-R2; masafa ya 400-5000 ppm; katika chanzo usahihi umetolewa kama ±50 ppm + %2,5 na repeatability ±10 ppm.

Mfumo wa rejea wa kibiashara: IoTSens Air Quality Monitor. Ulitumika si kukalibisha mfumo wa Feather, bali kwa ulinganisho huru wa mwelekeo.

Miundombinu ya data: IoTSens → LoRaWAN → ThingSpeak; Feather → Wi-Fi → ThingSpeak.

Programu ya CFD: OpenFOAM v12.

Kisuluhishi cha CFD: multicomponentFluid.

Modeli ya mtikisiko: Large Eddy Simulation (LES), one-equation kEqn modeli ya sub-grid scale.

Uwakilishi wa rota: Multiple Reference Frame (MRF); katika hali ya uzalishaji wa CFD 6500 rpm, takriban 680,7 rad/s.

Utengano wa rota-sensa wa CFD: H1=0,5; H2=1,0; H3=1,5; H4=2,0; H5=2,5; H6=3,0; H7=3,5; H8=4,5; H9=5,5 m.

Eneo la CFD: Kwa H1-H6 3,0 × 3,5 × 3,0 m; kwa H7-H9 3,0 × 6,9 × 3,0 m.

CFD inlet ya moshi: 3 m/s, 324 K, sehemu ya massa ya CO₂ 0,08 na sehemu ya massa ya hewa 0,92.

Mpaka wa anga wa CFD: 304 K, 101,6 kPa, thamani ya CO₂ species \(4,2\times10^{-4}\).

Hali ya mwanzo ya mtikisiko wa moshi: \(k=0,09\ \mathrm{m^2/s^2}\), mixing length \(L=0,003\ \mathrm{m}\).

Nambari ya turbulent Prandtl: \(Pr_t=0,85\).

Skimu za namba: localEuler, Gauss linear, Gauss linear corrected na bounded second-order limitedLinear.

PIMPLE: Outer correction moja na iterations tatu za pressure-correction kwa kila hatua ya muda.

Kikomo cha Courant: \(Co_{\max}=3\).

Timestep ya juu: \(\Delta t_{\max}=5\times10^{-5}\) s.

Tolerance ya suluhisho: \(10^{-6}\) hadi \(10^{-4}\).

Relaxation factor: 0,7.

Ulinzi wa species solver: minIter 1.

Post-processing: OpenFOAM postProcess na ParaView.

Probe ya namba: \((1,0,\ 0,05,\ 0)\) m.

Uthibitishaji wa mesh: Katika usanidi wa H4, viwango vinne vya mesh kati ya takriban seli elfu 457 na milioni 1,856.

Uthibitishaji wa hatua ya muda: Katika usanidi wa H2, \(10^{-4}\), \(5\times10^{-5}\) na \(2,5\times10^{-5}\) s.

Ufadhili: ARGUS EU project, Grant Agreement No. 101132308; ulifadhiliwa na European Union.

Upatikanaji wa data: Chanzo kinaeleza kwamba data ghafi zinazounga mkono matokeo zitatolewa na waandishi kwa ombi.

Kamati ya maadili: Imeripotiwa kuwa haitumiki.

Ridhaa iliyoarifiwa: Imeripotiwa kuwa haitumiki.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wameripoti kwamba hakuna mgongano wa maslahi.

Tamko la matumizi ya akili bandia: Waandishi wameripoti kwamba wakati wa kuandaa uchapishaji walitumia Microsoft Copilot (M365 Copilot, GPT-5) na ChatGPT v5.5 kusaidia kuboresha lugha, kuhariri uandishi wa Kiingereza na kufupisha maandishi; walikagua na kuhariri matokeo na kuchukua wajibu wote wa maudhui.

Michango ya waandishi: Uundaji wa dhana Fernando Ramonet, Lidia Abad na José Javier Anaya; mbinu Fernando Ramonet, Lidia Abad, José Javier Anaya na Víctor Suárez; programu Fernando Ramonet, Lidia Abad na Víctor Suárez; uthibitishaji Fernando Ramonet, Lidia Abad, José Javier Anaya na Sofía Aparicio; uchanganuzi rasmi na utafiti waandishi wote; rasilimali José Javier Anaya na Sofía Aparicio; uratibu wa data Fernando Ramonet na Lidia Abad; uwasilishaji wa kuona Fernando Ramonet na Lidia Abad; usimamizi José Javier Anaya na Sofía Aparicio; usimamizi wa mradi na upatikanaji wa ufadhili ulifanywa na Sofía Aparicio.

Shukrani: Waandishi waliweka sehemu ya shukrani kwa José Javier Anaya kwa tukio la kustaafu kwake na kumshukuru kwa uongozi wake wa kitaaluma.

Dokezo la istilahi/jiometri ndani ya chanzo: Ingawa baadhi ya sehemu za matokeo hutumia maneno kama “UAV height” au “sensor height”, mbinu inaeleza wazi kwamba sensa ilibaki thabiti na kigezo kilikuwa utengano wa wima wa rota-sensa. Uwasilishaji wa Verianla umetumia jiometri hii ya kifizikia kama msingi.

Dokezo la usanidi ndani ya chanzo: Mbinu na majedwali makuu yanafafanua H7=3,5 m, H8=4,5 m na H9=5,5 m. Sentensi moja katika sehemu ya matokeo ina kauli “3,5-6,5 m” kwa H7-H9. Kwa kutegemea ulinganisho wa usanidi unaojirudia katika makala na Jedwali 4-5, H9=5,5 m imehifadhiwa.

Dokezo la halijoto ndani ya chanzo: Ingawa mjadala wa CFD inlet unataja masafa ya 120-180 °C kutoka fasihi kwa moshi wa dizeli katika idling, halijoto ya modeli iliyotumika ni 324 K. Verianla haijabadilisha kimya kimya tofauti hii.

Dokezo la Mlinganyo (5) ndani ya chanzo: Mlinganyo (3) hubadilisha \(Y_{CO_2}\) kuwa \(X_{CO_2}\) na Mlinganyo (4) hufafanua ppm kama \(X_{CO_2}\times10^6\). Katika toleo lililochapishwa la Mlinganyo (5), \(X_{CO_2}\) huzidishwa tena kwa \(M_{air}/M_{CO_2}\). Alama ya chanzo haijabadilishwa yenyewe na kutokulingana kumetajwa wazi.

Dokezo la asilimia ya sensa ndani ya chanzo: Chanzo kinafafanua wastani wa 824 ppm wa Feather na 622 ppm wa IoTSens kama tofauti ya takriban %25; mantiki ya hesabu ya asilimia katika Jedwali 3 ikitumika kwa namna ileile, uwiano tofauti hupatikana. 

Kikomo kikuu cha tafsiri: Utafiti huu unachunguza mwingiliano wa rotor-plume uliodhibitiwa. Hautoi uthibitishaji wa aerodinamiki kamili ya kuruka kwa UAV, usanidi halisi wa sensa onboard, jaribio huru la uwanjani lililorudiwa, au umbali wa uendeshaji wa jumla katika hali tofauti za hali ya hewa.