Ҷараёни ҳавои ба поён равонашудаи аз ротор ба вуҷудомада (downwash), ҷараёни аэродинамикие мебошад, ки аз интиқоли импулси ҳаво ба самти поён аз ҷониби парраҳои чархзананда ба вуҷуд омада, метавонад интиқол, омехташавӣ ва тунукшавии абри гази атрофро тағйир диҳад. Ин таҳқиқот бо таҷрибаҳои назоратшаванда ва симулятсияҳои Динамикаи Ҳисоббарории Моеъҳо (Computational Fluid Dynamics, CFD) меомӯзад, ки ҳангоми ченкунии газ бо дастгоҳи бесарнишини парвозкунанда (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) таъсири rotor downwash то чӣ андоза метавонад абри эмиссияи CO₂-ро пеш аз расидан ба сенсор тағйир диҳад.

Дар қисми таҷрибавии таҳқиқот UAV-и воқеан парвозкунанда ва сенсорро дар болои худ бардошта истифода нашудааст. Сенсори CO₂ дар мавқеи собит наздики замин нигоҳ дошта шуда, системаи surrogate rotor-и дупарра дар баландии гуногун болои сенсор ҷойгир карда шудааст. Аз ин рӯ, тағйирёбандаи асосии геометрии таҳқиқот на баландии воқеии парвоз, балки масофаи амудии ҷудошавӣ байни ротор ва сенсори собит мебошад. Ҷудошавии таҷрибавии ротор-сенсор дар байни 0,5 ва 5,5 m тағйир дода шудааст.

Ҳамчун манбаи назоратшавандаи CO₂, автомобили сабукрави собити Hyundai i30 бо муҳаррики дизелии 1,6 L CRDi дар ҳолати бекорӣ кор карда шудааст. Сенсор 1 m поёнтар аз ҷараёни баромади ихроҷ ва дар баландии тақрибан 5 cm аз замин собит нигоҳ дошта шудааст. Ченкуниҳо ҳамзамон бо системаи камхарҷи Sensirion SCD41-D-R2 дар асоси Adafruit Feather M0 WiFi ва истгоҳи тиҷоратии сифати ҳавои IoTSens анҷом дода шудаанд.

Таҷрибаҳо нишон доданд, ки бо наздик шудани системаи ротор ба сенсор CO₂-и ченшуда умуман кам мешавад. Дар шароити 6500 rpm, коҳиши таҷрибавӣ нисбат ба истиноди no-drone дар баландии интихобшуда чунин гузориш шудааст: дар 0,5 m %52,67; дар 1,5 m %41,92; дар 2,5 m %30,70; дар 3,5 m %46,03; дар 4,5 m %26,16 ва дар 5,5 m %0. Ин силсила комилан монотонӣ нест; бинобар ин натиҷаро танҳо чунин тафсир кардан мумкин нест, ки «бо кам шудани масофа дар ҳар қадам коҳиш бо ҳамон таносуб бештар мешавад». Ҳамчунин ҳампӯшии геометрии изи ротор бо абри гази ихроҷ муҳим аст.

Дар қисми CFD, дар OpenFOAM v12 ҳалкунандаи multicomponentFluid, Симулятсияи Гирдоби Калон (Large Eddy Simulation, LES), модели якмуодилагии kEqn барои зершабака, пайвасткунии фишор-суръати PIMPLE ва равиши Multiple Reference Frame (MRF) барои парраҳо истифода шудаанд. CO₂ ҳамчун намуди пассиви интиқолшавандае модел шудааст, ки ба реаксияи кимиёвӣ намедарояд. Ҳадафи CFD на бозтавлиди нуқта-ба-нуқтаи ченкуниҳои воқеӣ, балки шарҳ додани он аст, ки изи ротор абри гази ихроҷро тавассути кадом механизмҳои физикӣ тунук мекунад.

Дар симулятсияҳои CFD бо 6500 rpm консентратсияи сенсори no-drone 2406 ppm буд, дар конфигуратсияҳои дорои ротор бошад қиматҳо дар байни 333-1195 ppm ба даст омаданд ва коҳишҳои ҳисобшуда аз %50,37 то %88,53 тағйир ёфтанд. CFD нисбат ба таҷриба ба таври низомнок тунукшавии қавитарро пешгӯӣ кард. Манбаъ инро ба фарқиятҳое чун вуруди собити ихроҷ, атмосфераи идеализатсияшудаи бе шамол, проби рақамии дақиқ муайяншуда ва тағйирёбии муҳаррик/атмосфера/сенсор дар таҷрибаи воқеӣ нисбат медиҳад.

Таҳқиқот нишон медиҳад, ки таъсири rotor downwash махсусан ҳангоми таъсири мутақобилаи наздики ротор-абри газ метавонад ғарази ченкуниро ба вуҷуд орад. Бо вуҷуди ин, таҳқиқот манёври воқеии UAV, парвози пешрав, моилии корпус ё ҷойгиршавии муайяни onboard-сенсорро мустақим санҷида нашудааст. Илова бар ин, ҳар шароити таҷрибавӣ танҳо аз як давраи ченкунии пайвастаи тақрибан 20 дақиқа иборат буд ва такрорҳои мустақили таҷрибавӣ анҷом дода нашуданд. Аз ин рӯ, натиҷаҳо бояд ҳамчун мушоҳидаҳои муқоисавӣ дар шароити муайяни назоратшаванда арзёбӣ шаванд.

Пеш аз интиқоли натиҷаҳо ба платформаҳои гуногуни UAV, диаметрҳои парра, шумораи роторҳо, шароити метеорологӣ, навъҳои газ ё вазифаҳои воқеии ченкунии эмиссия, системаи дахлдор бояд алоҳида тасдиқ карда шавад. Натиҷаҳои таҳқиқот қоидаи универсалии тарҳрезиро ба шакли «агар сенсор дар UAV дар чунин масофа гузошта шавад, дар ҳама шароит ҳатман ченкунии дуруст медиҳад» пешниҳод намекунанд.

Масъалаи таҳқиқотии ин кор чист?

Азбаски UAV-ҳо метавонанд ба баландие, ки истгоҳҳои собити сифати ҳаво дастрасӣ надоранд, ва ба минтақаҳои хатарнок ё душворгузар ворид шаванд, онҳо барои мониторинги газҳои гулхонаӣ, ихроҷҳо ва эмиссияҳои маҳаллӣ платформаи муҳим мебошанд. Аммо UAV ба нуқтаи ченкунӣ танҳо сенсор намебарад; парраҳои чархзананда ҳамзамон атмосфераеро, ки бояд чен карда шавад, аз ҷиҳати физикӣ ҳаракат медиҳанд.

Аз ин рӯ, қимати CO₂, ки сенсор мехонад, танҳо аз он вобаста нест, ки манбаи эмиссия чӣ қадар газ истеҳсол мекунад. Изи ротор метавонад ҳавои атрофро ба абри газ кашад, газро ба поён ё паҳлӯ барад, омехташавии турбулентиро зиёд кунад ва абри газро пеш аз расидан ба сенсор тунук намояд.

Ин ҳолат махсусан дар вазифаҳое муҳим аст, ки дар онҳо шиддати манбаъ ба таври миқдорӣ арзёбӣ карда мешавад. Ҳатто агар CO₂ дар майдони воқеии эмиссия баланд бошад, агар аэродинамикаи худи UAV консентратсияро дар минтақаи сенсор кам кунад, қувваи эмиссия метавонад аз воқеият камтар тафсир шавад.

Чаро Downwash-и Аз Ротор Ба Вуҷудомада Ченкунии CO₂-ро Тағйир Медиҳад?

Rotor downwash метавонад ченкунии CO₂-ро тавассути се механизми алоқаманд тағйир диҳад: изи ротор абри гази ихроҷро мустақим мебурад, ҳавои тозаи атрофро ба абри газ кашида entrainment ба вуҷуд меорад ва бо зиёд кардани омехташавии турбулентӣ CO₂-ро тунук мекунад; таҷрибаҳои таҳқиқот нишон медиҳанд, ки консентратсияи ба сенсоррасанда метавонад кам шавад, натиҷаҳои LES-CFD бошанд нишон медиҳанд, ки ин коҳишро бо таъсири мутақобилаи аэродинамикии байни изи ротор ва абри газ шарҳ додан мумкин аст.

Фарқи байни downwash, entrainment ва омехташавии турбулентӣ

Downwash, ҳаракати миёнаи ҳавои ба поён равонашудаест, ки парра ба вуҷуд меорад. Entrainment, ҳамроҳ шудани ҳавои атрофи дорои CO₂-и камтар ба абри гази ихроҷ дар натиҷаи кашида шудани он бо ин ҳаракат мебошад. Омехташавии турбулентӣ бошад, омехта шудани минтақаҳои ҷараён бо суръат ва консентратсияи гуногун тавассути гирдобҳо мебошад.

Ин се раванд аз ҳам комилан мустақил нестанд. Ротор импулси ба поён равоншударо ба вуҷуд меорад; wake-и ҳосилшуда ҳавои атрофро ба худ мекашад; вақте wake бо ҷараёни ихроҷ рӯ ба рӯ мешавад, градиентҳои суръат ва гирдобҳо тақсимоти фазоии газро тағйир медиҳанд. Дар натиҷа, миқдори CO₂, ки ба нуқтаи ҷойгиршавии сенсор мерасад, метавонад аз консентратсияи аз ҷониби манбаъ ҳосилшуда фарқ кунад.

Чаро ба ҷойи UAV-и воқеӣ системаи surrogate-и дупарра истифода шуд?

Ҳадафи муҳаққиқон омӯзиши системаи идоракунии парвоз, манёври корпус ё рафтори навигатсионӣ набуд; мақсад ҷудо кардани таъсири аэродинамикии аз ротор ба вуҷудомада ба абри гази CO₂ дар геометрияи назоратшаванда ва такроршаванда буд. Барои ин системаи собит аз ду муҳаррики барқӣ ва ду парра истифода шуд.

Манбаъ рӯшан мегӯяд, ки ин система аэродинамикаи пурраи quadrotor-ро бозтавлид намекунад. Бо вуҷуди ин, андозаи парра, суръатҳои гардиш, қиматҳои тахминии қувваи кашиш ва суръати индуксияшуда тавре интихоб шудаанд, ки дараҷаи downwash дар атрофи multirotor-и хурдро намояндагӣ кунанд.

Системаи парра кадом хусусиятҳои физикӣ дошт?

Муодилаи қувваи кашиши статикӣ чиро ҳисоб мекунад?

Манбаъ бузургии тахминии қувваи кашиши парраро бо муносибати зерини қувваи кашиши статикӣ арзёбӣ кардааст:

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

Дар ин ҷо \(T\) қувваи кашиши як парра, \(C_T\) коэффисиенти беандозаи қувваи кашиш, \(\rho\) зичии ҳаво, \(n\) шумораи гардишҳо дар як сония ва \(D\) диаметри парраро ифода мекунад.

Дар муодила суръати гардиш бо квадрати худ ва диаметри парра бо дараҷаи чорум иштирок мекунад. Агар параметрҳои дигар собит бошанд, зиёд шудани \(n\) қувваи кашишро ба таври квадратӣ зиёд мекунад; таъсири диаметр аз ҷиҳати математикӣ хеле қавитар аст. Ин муносибат нишон медиҳад, ки аз парраҳои диаметрашон гуногун бо шумораи гардиши якхела набояд қувваи кашиши якхела интизор шуд.

Ҳангоми санҷиши воҳидҳо, агар барои \(\rho\) kg/m³, барои \(n^2\) 1/s² ва барои \(D^4\) m⁴ истифода шавад, ҳосил kg·m/s², яъне ньютон мешавад. Ҳамин тавр, муодила аз ҷиҳати андозавӣ бо воҳиди қувваи кашиш мувофиқ аст.

Манбаъ мегӯяд, ки барои парраҳои муқоисашавандаи APC slow-flyer қимати \(C_T\) тақрибан дар доираи 0,10-0,12 аст ва дар ҳисобҳо ба таври намояндагӣ \(C_T\approx0{,}11\) истифода шудааст. Дар натиҷа, қувваи тахминии кашиш барои як парра дар 6500 rpm 3,3 N, дар 8000 rpm 5,0 N ва дар 10.000 rpm 7,8 N арзёбӣ шудааст.

Муодилаи суръати индуксияшуда чиро шарҳ медиҳад?

Суръати идеализатсияшудаи индуксияшуда дар зери ротор бо назарияи импулси диски актуатор чунин ҳисоб шудааст:

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

Дар ин ҷо \(v_i\) суръати индуксияшуда дар зери ротор, \(T\) қувваи кашиш, \(\rho\) зичии ҳаво ва \(A\) масоҳати диски парра мебошад. Аз сабаби сохтори решаи квадратӣ, чор маротиба зиёд шудани қувваи кашиш, агар шароити дигар якхела бошад, ду маротиба зиёд шудани суръати индуксияшударо маъно дорад.

Манбаъ бо ин равиш барои 6500, 8000 ва 10.000 rpm мутаносибан тақрибан 5,2; 6,3 ва 7,9 m/s суръати индуксияшударо ҳисоб кардааст. Инҳо суръатҳои downwash-и бевосита дар сенсор ченшуда нестанд, балки қиматҳои тахминие мебошанд, ки ба назарияи диски актуатор асос ёфтаанд.

Дар таҷриба кадом сенсорҳо истифода шуданд?

Системаи аввал аз тахтаи Adafruit Feather M0 WiFi-ATSAMD21 ва сенсори CO₂-и Sensirion SCD41-D-R2 иборат аст. SCD41-D-R2 дар манбаъ бо доираи ченкунии 400-5000 ppm, дақиқии \(\pm50\) ppm + %2,5 ва такрорпазирии \(\pm10\) ppm тавсиф шудааст. Система ғайр аз CO₂ ҳарорат ва намии нисбиро низ сабт мекунад.

Системаи дуюм IoTSens Air Quality Monitor-и тиҷоратӣ мебошад. Ҷузъиёти муҳими усулӣ ин аст, ки дастгоҳи IoTSens барои калибркунии сенсори камхарҷ истифода нашудааст. IoTSens ҳамчун системаи мустақили истинод/муқоиса ҳамзамон ченкунӣ анҷом додааст.

Тарзи тамоси ду система бо ҳаво якхела нест. Feather-SCD41 мустақиман ба ҳавои атроф боз аст; IoTSens бошад дар корпуси муҳофизатӣ барои истифодаи дарозмуддати берунӣ ҷойгир аст. Манбаъ таъкид мекунад, ки ҳангоми тафсири фарқиятҳои мутлақи консентратсия ин фарқи геометрӣ ва динамикӣ бояд ба назар гирифта шавад.

Матритсаи таҷриба чӣ гуна буд?

Тартиби таҷриба аз мавқеи баландтарини ротор оғоз шуда, бо тадриҷан поён овардани ротор ба сӯи сенсор иҷро шудааст. Шартҳо бо тартиби тасодуфӣ татбиқ нашудаанд. Манбаъ рӯшан мегӯяд, ки тағйирёбии замонии шароити муҳит, ҳарорати муҳаррик ва дрейфи сенсорро пурра истисно кардан мумкин нест.

Ҳар шарт танҳо як маротиба иҷро шудааст. Аз ин рӯ, ибораи «дар давоми 20 дақиқа шумораи зиёди ченкуниҳо гирифта шуданд» маънои «шумораи зиёди таҷрибаҳои мустақил анҷом дода шуданд»-ро надорад.

Шамоли маҳаллӣ чӣ гуна назорат шуд?

Таҷриба дар таваққуфгоҳи муҳофизатшудае гузаронида шудааст, ки бо биноҳои CSIC ITEFI иҳота шудааст. Истгоҳи давлатии метеорологии наздик субҳ шамоли тақрибан 4-8 km/соат, баъди нисфирӯзӣ тақрибан 9-14 km/соат ва дертар вазишҳои гоҳ-гоҳ то 20-25 km/соатро гузориш кардааст. Аммо ин истгоҳ аз нуқтаи таҷриба тақрибан 2,5 km дур аст.

Суръати шамоли маҳаллӣ ва шиддати турбулентӣ дар майдони таҷриба пайваста чен карда нашудаанд. Аз ин рӯ, маълумоти метеорологии минтақавӣ танҳо хусусияти нишондодӣ доранд. Эҳтимол аст, ки биноҳо ҷараёнро дар нуқтаи воқеии таҷриба суст карда ё самташро тағйир дода бошанд.

Маълумоти қатори вақт чӣ гуна коркард шуд?

Маълумоти IoTSens тавассути LoRaWAN ва маълумоти Feather тавассути Wi-Fi дар платформаи абрии ThingSpeak нигоҳ дошта шудаанд. Гузаришҳои баландӣ ва суръати ротор байни шартҳои таҷриба, давраҳои назорати таҷҳизот ва ҳолатҳои гузаранда аз таҳлил хориҷ карда шудаанд.

Ҳангоми ҳар тағйири шарт, 20 сабти аввал, тақрибан 150 сония, бо мақсади пок шудани сенсорҳо аз консентратсияи боқимонда ва кам кардани таъсирҳои сершавии гузаранда/устуворшавӣ аз таҳлил хориҷ карда шудаанд.

Азбаски намунаҳои пайдарпайи вақт аз ҳам мустақил нестанд ва метавонанд temporal autocorrelation нишон диҳанд, муҳаққиқон ҳар ченкуниро такрори мустақили таҷриба ҳисоб накардаанд. Ба ҷои ин, барои қисми устувор омори ҷамъбастӣ, аз ҷумла миёна, медиана, фосилаи байни квартилҳо ва максимум арзёбӣ шудааст.

Натиҷаҳои таҷрибавии CO₂ чиро нишон доданд?

Дар шароити no-drone, CO₂-и дар сенсор бо автомобили дар ҳолати бекорӣ коркунанда ченшуда тақрибан дар байни 1190-1720 ppm тағйир ёфтааст. CO₂-и пасзаминаи атмосферӣ бошад тақрибан 440 ppm гузориш шудааст.

Дар 6500 rpm, диапазони 1400-1700 ppm, ки дар ҷудошавии ротор-сенсор 5,5 m чен шуд, ба ҳолати no-drone наздик монд. Бо наздик шудани ротор, консентратсияи дар сенсор ченшуда умуман кам шуд.

Ин диапазонҳо хулосаҳои тахминии қаторҳои вақти воқеӣ дар шароити гуногуни кор мебошанд. Азбаски намунаҳои хоми вақт дар мақола ба шакли ҷадвал дода нашудаанд, Verianla аз онҳо қатори вақти нав ё омори нав тавлид намекунад.

Оё Feather ва IoTSens як қиматҳоро чен карданд?

Не. Гарчанде ду система тамоюли умумиро дар як самт сабт карданд, қиматҳои мутлақи CO₂ фарқ мекунанд.

Манбаъ инчунин аз рӯи ҳамаи ченкуниҳо барои Feather миёнаи 824 ppm ва барои IoTSens 622 ppm медиҳад. Нишон дода нашудааст, ки ин фарқ танҳо аз intrinsic performance-и сенсор сарчашма мегирад. Азбаски сенсори Feather мустақиман ба ҳаво боз аст, вале IoTSens дар корпуси муҳофизатӣ ҷойгир мебошад, қуллаҳои кӯтоҳмуддати консентратсия ва динамикаи ҷавоби сенсор метавонанд дар ду система фарқ кунанд.

Ёддошти рақамии дохили манбаъ: Матн барои миёнаҳои 824 ва 622 ppm ибораи фарқи тақрибан %25-ро истифода мебарад. Аммо фарқиятҳои дигари фоизӣ дар Ҷадвали 3 бо гирифтани қимати IoTSens ҳамчун махраҷ ҳисоб шудаанд. Агар ҳамон усул ба миёна татбиқ шавад, тақрибан %32,5 ба даст меояд. Азбаски манбаъ махраҷи дар ин ҷумла истифодашударо шарҳ намедиҳад, Verianla фоизи баҳснокро аз нав ҳосил намекунад ва танҳо миёнаҳои хомро интиқол медиҳад.

Чаро CFD лозим буд?

Дар таҷриба сенсор танҳо консентратсияи CO₂-ро дар як нуқтаи муайян чен мекунад. Ин ченкунӣ худ аз худ нишон намедиҳад, ки абри газ дар се андоза аз куҷо ба куҷо интиқол меёбад, rotor wake дар кадом минтақа қавӣ аст ё ҳавои атроф чӣ гуна ба абри газ кашида мешавад.

Аз ин рӯ CFD на ба ҷойи таҷриба, балки барои шарҳ додани майдони ҷараёне истифода шуд, ки дар таҷриба бевосита дида намешавад. Модел тақсимоти CO₂, майдони суръат, rotor wake, профилҳои хатти марказӣ ва қиматҳои проби рақамиро дар мавқеи сенсор якҷоя арзёбӣ мекунад.

Дар CFD кадом ҳалкунанда истифода шуд?

Симулятсияҳо дар OpenFOAM v12 бо multicomponentFluid ҳалкунанда иҷро шудаанд. Ин ҳалкунандаи бар асоси ҳаҷми маҳдуд интиқоли омехтаи гази фишурдашаванда ва бисёркомпонентиро ҳисоб мекунад.

Дар модел ду ҷузъи интиқолшаванда мавҷуд аст: ҳавои атмосферӣ ва CO₂. Сӯзиш, реаксияи кимиёвӣ ё истеҳсоли нави CO₂ дар дохили модел вуҷуд надорад. CO₂ танҳо тавассути адвексия, диффузия ва омехташавии турбулентӣ интиқол меёбад.

LES чист?

Large Eddy Simulation (LES), равиши CFD мебошад, ки дар он гирдобҳои калон ва энергиябари ҷараёни турбулентӣ мустақим ҳал мешаванд, дар ҳоле ки миқёсҳои турбулентии аз шабакаи ҳисоббарорӣ хурдтар бо модели зершабака намояндагӣ карда мешаванд.

Дар ин таҳқиқот барои миқёсҳои зершабака модели якмуодилагии kEqn истифода шудааст. Модел барои энергияи кинетикии турбулентии ҳалнашуда муодилаи интиқолро ҳал карда, часпакии турбулентии вобастаро ҳисоб мекунад.

Сабаби истифодаи LES ин аст, ки арзёбии сохторҳои гузарандаи гирдоб ва омехташавӣ байни абри гази ихроҷ ва rotor wake танҳо аз рӯи ҷараёни миёна метавонад маҳдуд бошад.

Равиши MRF чиро намояндагӣ мекунад?

Multiple Reference Frame (MRF), усулест, ки бо таъйин кардани чорчӯбаи истинодии даврзананда ба минтақаи гирди парра таъсири миёнаи аэродинамикии роторро бе он ки mesh дар ҳар қадами вақт ҷисман гардонда шавад, намояндагӣ мекунад.

Барои ду парра ду минтақаи силиндрии алоҳидаи MRF сохта шуда, дар шароити санҷиши CFD суръати гардиш 6500 rpm, яъне тақрибан 680,7 rad/s муайян шудааст.

MRF rotor wake-ро бо равиши steady rotating-frame намояндагӣ мекунад. Баръакс, азбаски интиқоли абри гази CO₂ ва сохторҳои турбулентие, ки LES ҳал мекунад, бо вақт тағйир меёбанд, ҳалли умумии CFD transient мебошад.

Ин фарқ муҳим аст: таҳқиқот басомади blade-passing ё борҳои аэродинамикии вобаста ба вақти ҳар як теғи парраро ҳал намекунад.

Майдони ҳисоббарории CFD чӣ гуна буд?

Дар CFD тамоми геометрияи автомобили воқеӣ модел нашудааст. Манбаи ихроҷ барои осон кардани сифати mesh ҳамчун inlet-и квадратӣ дар баландии 30 cm аз замин намояндагӣ шудааст; қисми қафои автомобил бошад бо девори собити 1,5 × 1,5 m тақриб карда шудааст.

Аз ин рӯ, модел дугоники рақамии тамоми ҷузъиёти аэродинамикии Hyundai i30-и воқеӣ нест.

Шартҳои марзӣ чӣ буданд?

Сарфи ихроҷ, ҳарорат ва таркиби воқеии он дар автомобили таҷрибавӣ мустақим чен карда нашудаанд. Аз ин рӯ, шартҳои CFD inlet бо қиматҳои намояндагӣ аз адабиёт оид ба ҳолати бекории муҳаррикҳои дизелии сабукрав сохта шудаанд.

Ёддошти ҳарорат дар дохили манбаъ: Манбаъ ҳангоми шарҳи ин қиматҳои адабиётӣ барои ҳарорати ихроҷ дар ҳолати бекорӣ диапазони 120-180 °C-ро зикр мекунад, аммо ба шарти воқеии марзии CFD 324 K ворид мекунад. Азбаски 324 K тақрибан 51 °C аст, ду қимат як диапазони ҳароратро ифода намекунанд. Verianla вуруди моделро ҳамон тавре ки дар манбаъ истифода шудааст, 324 K нигоҳ медорад ва ин фарқро хомӯшона ислоҳ намекунад.

Танзимоти турбулентӣ ва модели девор

Энергияи кинетикии турбулентӣ дар даромади ихроҷ \(k=0{,}09\ \mathrm{m^2/s^2}\), дарозии хоси омехташавии турбулентӣ бошад \(L=0{,}003\ \mathrm{m}\) дода шудааст.

Турбулентии LES наздики девор бо nutkWallFunction ва kqRWallFunction модел шудааст. Барои диффузияи гармии турбулентӣ compressible::alphatWallFunction ва адади турбулентии Prandtl \(Pr_t=0{,}85\) истифода шудааст.

Mesh чӣ гуна сохта шуд?

Mesh бо абзорҳои OpenFOAM blockMesh ва snappyHexMesh ба таври гибридӣ сохта шудааст. Дар манбаи ихроҷ, геометрияи UAV ва минтақаҳои MRF майдакунии маҳаллӣ анҷом дода шудааст.

Дар симулятсияҳои истеҳсолӣ дар конфигуратсияҳои H1-H6 тақрибан 457.000 ва дар H7-H9 тақрибан 820.000 ҳуҷайра истифода шудаанд. Манбаъ гузориш медиҳад, ки дар mesh-ҳои ниҳоии истеҳсолӣ skewness аз 4 ва non-orthogonality аз 65 камтар аст.

PIMPLE ва қадами вақт чӣ гуна истифода шуданд?

Ҳосилаҳои вақтӣ бо localEuler, градиентҳои фазоӣ бо Gauss linear, аъзои диффузия бо Gauss linear corrected, ва аъзои конвективӣ бо схемаи bounded second-order limitedLinear дискретизатсия шудаанд.

Дар алгоритми PIMPLE дар ҳар қадами вақт як outer correction ва се итератсияи pressure-correction истифода шудааст.

Қадами вақт мутобиқшаванда танзим шудааст; адади максималии Courant \(Co_{\max}=3\), қадами максималии вақт бошад:

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

маҳдуд шудааст.

Таҳаммулҳои ҳал дар байни \(10^{-6}\) ва \(10^{-4}\), relaxation factor бошад 0,7 аст.

Манбаъ муайян кардааст, ки муодилаҳои species transport дар баъзе шароит метавонанд меъёри residual-ро бе навсозии воқеии scalar-field қонеъ кунанд ва бинобар ин барои маҷбур кардани ҳадди ақал як итератсияи species solver дар ҳар қадами вақт minIter 1 истифода кардааст. Ин ҷузъиёт барои навсозии муассири рақамии интиқоли CO₂ муҳим аст.

CO₂ аз ҳиссаи масса ба ppm чӣ гуна табдил дода шуд?

Азбаски дар натиҷаҳои OpenFOAM CO₂ на мустақиман бо ppm, балки ҳамчун ҳиссаи масса мавҷуд аст, манбаъ аввал ҳиссаи массаро ба ҳиссаи молӣ ва сипас ҳиссаи молиро ба ppm табдил додааст.

Ҳиссаи Масса Чӣ Гуна ба ppm Табдил Дода Мешавад?

Дар занҷири асосӣ ва равшани табдили манбаъ, ҳиссаи массаи CO₂ \(Y_{CO_2}\) бо истифода аз массаҳои молекулавӣ ба ҳиссаи молӣ \(X_{CO_2}\) табдил дода мешавад ва баъд бо амали \(X_{CO_2}\times10^6\) ppm ба даст меояд; манбаъ инчунин барои равиши омехтаи тунук Муодилаи (5)-ро медиҳад, аммо азбаски рамзи истифодашуда дар ин муодила бо таърифҳои қаблӣ мушкили мутобиқати дохилӣ эҷод мекунад, Verianla онро ҳамчун ислоҳшуда пешниҳод намекунад.

Табдили аввал:

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

Дар ин ҷо \(Y_{CO_2}\) ҳиссаи массаи CO₂, \(X_{CO_2}\) ҳиссаи молии CO₂, \(M_{CO_2}=44{,}01\ \mathrm{g/mol}\) ва \(M_{air}=28{,}97\ \mathrm{g/mol}\) мебошанд.

Ҳиссаи масса нишон медиҳад, ки чӣ қадар аз массаи омехта CO₂ аст; ҳиссаи молӣ бошад нишон медиҳад, ки чӣ қадар аз миқдори умумии молекулавӣ аз молекулаҳои CO₂ иборат аст. Азбаски массаҳои молекулавии CO₂ ва ҳавои миёна фарқ мекунанд, ин ду ҳисса аз ҷиҳати рақамӣ яксон нестанд.

Ҳиссаи молӣ ба ppm чунин табдил дода шудааст:

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

Зарб кардани ҳиссаи молӣ ба \(10^6\) нисбатро ба миқёси «қисм дар миллион» мегузаронад.

Сипас манбаъ барои консентратсияҳои тунук ифодаи тахминии зеринро меорад:

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

Манбаъ қимати \(M_{air}/M_{CO_2}\approx0{,}658\)-ро медиҳад.

Ёддошти муодила дар дохили манбаъ: Дар Муодилаи (3) \(X_{CO_2}\) аллакай ҳамчун ҳиссаи молӣ таъриф шудааст ва дар Муодилаи (4) табдили мустақим аз ҳиссаи молӣ ба ppm ҳамчун \(X_{CO_2}\times10^6\) дода шудааст. Аз ин рӯ, дар шакли чопшудаи Муодилаи (5) дубора ба таносуби массаи молекулавӣ зарб шудани \(X_{CO_2}\) бо ду таърифи қаблӣ мустақим мувофиқ намебошад. Verianla ин рамзро худсарона ба \(Y_{CO_2}\) иваз намекунад; муодилаи манбаъро ҳамон тавр нишон дода, номувофиқатиро намоён мегузорад.

Муодилаҳои асосии бақои CFD

Дар бахши Appendix A-и манбаъ муодилаҳои асосие, ки multicomponentFluid истифода мебарад, равшан дода шудаанд.

Бақои масса / муодилаи пайвастагӣ:

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

\(\rho\) зичии моеъ ва \(\mathbf{u}\) вектори суръат мебошад. Муодила ифода мекунад, ки дар дохили модели кимиёвӣ ё физикӣ массаи умумӣ худ аз худ пайдо ё нобуд шуда наметавонад.

Муодилаи импулс:

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

Дар ин ҷо \(p\) фишор, \(\boldsymbol{\tau}\) тензори шиддати часпак ва \(\mathbf{S}_{MRF}\) аъзои манбаи импулс аз чорчӯбаи истинодии даврзананда мебошанд.

Тарафи чап тағйирёбии вобаста ба вақти импулс ва интиқоли онро бо ҷараён; тарафи рост қувваи фишор, таъсирҳои часпак ва таъсири манбаи даврзании MRF-ро намояндагӣ мекунад.

Муодилаи интиқоли намуд:

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

\(Y_i\) ҳиссаи массаи намуди \(i\), \(\mathbf{V}_i\) бошад суръати диффузия аст. Дар ин таҳқиқот намудҳо ҳавои атмосферӣ ва CO₂ мебошанд. Азбаски реаксияи кимиёвӣ нест, аъзои species production source ба сифр баробар аст.

Проби сенсории CFD дар куҷо муайян шуд?

Monitoring probe-и рақамӣ мувофиқи мавқеи сенсори таҷриба дар координатаи \((1{,}0,\ 0{,}05,\ 0)\ \mathrm{m}\) ҷойгир шудааст. Аз ин проб консентратсияи CO₂ бо ҳалномаи вақтӣ ва бузургии суръат гирифта шудаанд.

Илова бар ин, дар хатти марказии абри газ байни \((1{,}47,\ 0{,}345,\ -0{,}025)\ \mathrm{m}\) ва \((-1{,}53,\ 0{,}345,\ -0{,}025)\ \mathrm{m}\) хатти намунагирӣ муайян шуда; профилҳои CO₂, суръат ва фишори статикӣ дар ин хат арзёбӣ шудаанд.

Контурҳои CFD чӣ гуна бояд тафсир шаванд?

Манбаъ дар Шакли 7 майдонҳои CO₂-ро дар 5,5 сонияи аввал бо як шкалаи ранги ҳиссаи массаи 0-0,08 муқоиса кардааст. Ин шакл махсусан ҳамчун намоиши сифатии механизм таъриф шудааст. Аз майдонҳои ранг қиматҳои мобайнии консентратсияро хонда, ҷадвали дақиқ сохтан мувофиқ нест.

Манбаъ дар Шакли 8 нишон медиҳад, ки баъд аз 20 сония дар ҷудошавиҳои кам абри газ васеътар ва тунуктараш мешавад; дар ҷудошавиҳои зиёд сохтор бештар ба ҳолати no-drone монанд аст.

Манбаъ дар Шакли 9 майдонҳои суръатро дар байни 2,5-15 сония нишон дода, пайдо шудани минтақаҳои баландсуръатро дар зери роторҳо ошкор мекунад. Геометрияи асосии rotor-wake/plume барвақт ташаккул ёфта, баъд сохторҳои турбулентии миқёси хурд инкишоф меёбанд.

Азбаски маълумоти хоми ҳуҷайравии ин контурҳои CFD дар матни асосии мақола вуҷуд надорад, Verianla нусхаи сунъии майдонҳои воқеии контурро намесозад.

Чаро Натиҷаҳои CFD ва Таҷриба Якхела Нестанд?

Гарчанде CFD ва таҷриба мавҷудияти як механизми физикиро нишон медиҳанд, онҳо як рақамҳоро намедиҳанд; зеро CFD муҳити идеализатсияшудаеро ҳал мекунад, ки вуруди собити ихроҷ, ротори собити 6500 rpm, атмосфераи бе шамол ва проби математикии дақиқ муайяншуда дорад, дар ҳоле ки таҷрибаи воқеӣ аз тағйироти ҳарорати муҳаррик ва эмиссия, ҳаракатҳои маҳаллии ҳаво, ларзиши табиии абри газ ва динамикаи ҷавоби сенсори физикӣ таъсир гирифтааст.

Натиҷаҳо дар мавқеи сенсор дар CFD

Коҳиши баландтарини CFD на дар ҷудошавии хурдтарин, балки дар H3, яъне конфигуратсияи 1,5 m ба вуҷуд омадааст. Ин натиҷа яке аз тафсирҳои муҳими механикии манбаъ аст: бузургии таъсири downwash танҳо бо масофаи геометрӣ муайян намешавад; то чӣ андоза самаранок ҳампӯш шудани rotor wake-и инкишофёфта бо абри гази ихроҷ низ натиҷаро тағйир медиҳад.

Аз ин рӯ, ҷадвали CFD низ қонуни монотонии «ҳар қадар наздик шавад, дар ҳар қадам кам мешавад»-ро нишон намедиҳад.

Таҷриба ва CFD дар баландии якхела чӣ гуна муқоиса шуданд?

График ҳамзамон ду чизи муҳимро нишон медиҳад. Якум, ҳам таҷриба ва ҳам CFD дастгирӣ мекунанд, ки мавҷудияти ротор метавонад ченкунии CO₂-ро тағйир диҳад. Дуюм, дида мешавад, ки CFD коҳиши таҷрибавиро аз ҷиҳати миқдорӣ хеле зиёд пешгӯӣ мекунад.

Махсусан дар 5,5 m, азбаски консентратсияи таҷрибавӣ аз истиноди no-drone %2,88 баландтар аст, манбаъ инро ҳамчун «коҳиши ченшаванда нест» арзёбӣ карда, дар Ҷадвали 5 коҳиши %0 гузориш кардааст. Дар ҳамон нуқта CFD коҳиши %70,08-ро пешгӯӣ мекунад. Ин фарқ хеле равшан нишон медиҳад, ки CFD набояд ҳамчун пешгӯии мустақими рақамии ченкунии воқеии саҳроӣ истифода шавад.

Чаро CFD тунукшавии қавитарро пешгӯӣ мекунад?

Дар CFD суръат, ҳарорат ва таркиби ихроҷ ва суръати ротор собитанд; шамоли атмосферӣ вуҷуд надорад. Дар таҷрибаи воқеӣ бошад тағйироти фаъолияти муҳаррик бо вақт, ҳарорат, ҳаракати табиии meandering-и абри газ, ҷараёнҳои сусти маҳаллии ҳаво ва вақти ҷавоби сенсори воқеӣ мавҷуданд.

Сенсори таҷрибавӣ абри газеро намуна мегирад, ки бо вақт аз ҷиҳати физикӣ тағйир меёбад. Проби CFD бошад аз координатаи дақиқ муайяншудаи шабакаи ҳисоббарорӣ бо ҳалномаи хеле баланди вақт/фазо қимат мебарорад.

Аз ин рӯ, муҳаққиқон CFD-ро на ҳамчун «пешгӯии дақиқи консентратсияи ченшуда», балки ҳамчун абзоре барои шарҳи механизми таъсири мутақобилаи ротор-абри газ ҷой медиҳанд.

Ҳассосияти mesh чӣ гуна санҷида шуд?

Дар Appendix B бо истифода аз H4, яъне конфигуратсияи 2,0 m, чор сатҳи mesh арзёбӣ шудааст.

Дар муқоисаҳои mesh фосилаи 3-5 s арзёбӣ шуда, қадами вақти истеҳсолӣ \(\Delta t=5\times10^{-5}\) s собит нигоҳ дошта шудааст.

Фарқи mesh чӣ гуна ҳисоб шуд?

Фарқи нисбӣ байни сатҳҳои пайдарпайи mesh дар манбаъ чунин муайян шудааст:

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

\(\phi_{fine}\) ҳамон метрикаи физикиро бо mesh-и майдатар ва \(\phi_{medium}\) бо mesh-и қаблии дағалтар намояндагӣ мекунад. Қимати мутлақ аломати фарқро нест карда, танҳо бузургии онро муқоиса мекунад.

Кам шудани фарқиятҳо байни ду mesh-и охирин нисбат ба сатҳҳои қаблӣ наздикшавии пешрафтаро дастгирӣ мекунад. Аммо боқӣ мондани фарқи %16,3 дар CO₂-и хатти марказии plume нишон медиҳад, ки гуфтан мумкин нест scalar transport нисбат ба ҳалномаи mesh комилан бетаъсир шудааст.

Аз ин рӯ, манбаъ ба ҷойи он ки натиҷаҳоро ҳамчун «grid independence-и комил» пешниҳод кунад, чунин арзёбӣ мекунад, ки mesh-и интихобшуда механизмҳои асосии интиқол ва rotor-wake-ро бо тавозуни кофии хароҷот/дақиқӣ фаро мегирад.

Мустақилияти қадами вақт чӣ гуна санҷида шуд?

Ҳассосияти вақтӣ дар H2, яъне ҷудошавии ротор-сенсори 1,0 m омӯхта шуд. Симулятсияҳо аз ҳалли мавҷуда дар 31,5 сония аз нав оғоз шуда, то 35 сония идома ёфтанд. Муқоиса дар минтақаи ҷараёни рушдёфтаи се-сониягӣ байни 32-35 s анҷом дода шуд.

Фарқиятҳои нисбӣ байни қадами миёна ва майдатарини вақт барои миёнаи CO₂ %5,4, барои CO₂ RMS %4,6, барои суръати миёна %17,1 ва барои RMS-и суръат %13,7 мебошанд.

Азбаски майдони CO₂ тағйирёбандаи асосии санҷиши таҳқиқот аст ва профилҳои CO₂ дар қадамҳои вақти миёна/майда ба ҳам наздиканд, қадами вақти истеҳсолӣ \(5\times10^{-5}\) s интихоб шудааст. Боқӣ мондани фарқиятҳои калонтар дар тағйирёбандаҳои суръат нишон медиҳад, ки ҳалномаи вақтӣ барои ҳамаи тағйирёбандаҳои физикӣ ба дараҷаи яксон бетаъсир нест.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Хулосаи низомноки усули таҷрибавӣ

Хулосаи низомноки усули CFD

Муҳимтарин бозёфтҳои таҷрибавӣ

• Бо наздик шудани системаи ротор ба сенсор CO₂-и ченшуда умуман кам шудааст.
• Дар 6500 rpm, коҳиши бузургтарини таҷрибавии гузоришшуда дар шароити 0,5 m %52,67 аст.
• Дар 5,5 m коҳиши таҷрибавӣ ченшаванда ҳисоб нашуда, дар Ҷадвали 5 ҳамчун %0 дода шудааст.
• Таъсир бо масофа пурра монотонӣ нест; коҳиши %46,03 дар 3,5 m аз коҳиши %30,70 дар 2,5 m зиёдтар аст.
• Ин ҳолат дастгирӣ мекунад, ки ҳампӯшии wake-plume нақши иловагие дорад, ки танҳо аз масофаи геометрӣ вобаста нест.
• Гарчанде Feather ва IoTSens дар қиматҳои мутлақ фарқ мекунанд, ҳар ду тамоюли умумии коҳиши CO₂ ҳангоми наздик шудани роторро дар як самт сабт кардаанд.

Муҳимтарин бозёфтҳои CFD

• CFD дар ҳамаи конфигуратсияҳои ротор CO₂-и сенсорро аз ҳолати no-drone камтар ҳисоб кардааст.
• Коҳиши бузургтарини CFD дар H3, яъне 1,5 m %88,53 аст.
• Коҳиши CFD нисбат ба масофаи ротор пурра монотонӣ нест.
• Буридани мустақими абри газ аз ҷониби rotor wake, entrainment-и ҳавои атроф ва омехташавии турбулентии пурзӯр ҳамчун се механизми асосӣ муайян шудаанд.
• Гарчанде дар ҷудошавии калони ротор-сенсор абри газ бештар ба рафтори no-drone наздик мешавад, CFD дар H7-H9 таъсири қавитари роторро нисбат ба таҷриба пешгӯӣ кардааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Ҳаракати ҳавои аз ротор ба вуҷудомада метавонад консентратсияи маҳаллиеро, ки сенсори собити CO₂ чен мекунад, ба таври назаррас тағйир диҳад.
• Дар геометрияи таҷрибавии омӯхташуда ҷудошавиҳои ками ротор-сенсор метавонанд ғарази қавии ченкуниро ба вуҷуд оранд.
• Таъсири мутақобилаи ротор-абри газ на танҳо ба масофа, балки ба рушди wake ва ҳампӯшии фазоии он бо абри газ вобаста аст.
• Downwash, entrainment ва омехташавии турбулентӣ якҷоя дар тунукшавии абри газ пеш аз расидан ба сенсор нақш доранд.
• Системаи камхарҷи Feather-SCD41 ва системаи тиҷоратии IoTSens тамоюли умумии физикиро дар як самт сабт кардаанд.
• CFD механизми асосии дар таҷриба дидашударо аз ҷиҳати сифатӣ бозтавлид кардааст.
• CFD коҳиши CO₂-ро аз он чи дар таҷрибаи воқеӣ чен шуд, қавитар пешгӯӣ кардааст.
• Таҳқиқоти mesh ва қадами вақт наздикшавии пешрафтаи рақамиро барои майдони асосии CO₂ дастгирӣ карданд, аммо барои ҳамаи тағйирёбандаҳо ҳассосияти қариб сифрии ҳалномаро нишон надоданд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

• Таҳқиқот тамоми аэродинамикаи парвози воқеии UAV-ро бозтавлид намекунад.
• Таҳқиқот парвози пешрав, ҳаракати yaw/pitch/roll ё кори сенсор ҳангоми манёврро намесанҷад.
• Таҳқиқот нишон намедиҳад, ки мавқеи муайяни onboard-сенсор ба таври универсалӣ дурусттарин ҷой аст.
• 5,5 m-ро барои ҳамаи UAV ва манбаъҳои эмиссия ҳамчун масофаи бехатар ё беасари ротор умумӣ кардан мумкин нест.
• Натиҷаи 6500 rpm-ро ба диаметри дигари парра, шумораи ротор ё массаи UAV худкорона интиқол додан мумкин нест.
• Нишон дода нашудааст, ки CFD консентратсияи таҷрибавиро бо дақиқии қатъии рақамӣ пешгӯӣ мекунад.
• Намунаҳои вақти таҷрибавӣ такрорҳои мустақил нестанд.
• Азбаски такрорҳои мустақили таҷриба анҷом дода нашудаанд, натиҷаҳо номуайянии такрор-таҷрибаро дар сатҳи популятсия таъмин намекунанд.
• Азбаски шамоли маҳаллӣ пайваста чен нашудааст, таъсири ҷараёни атмосферӣ пурра ҷудо карда нашудааст.
• Азбаски сарф, ҳарорат ва таркиби воқеии ихроҷ мустақим чен нашудаанд, CFD inlet барои автомобил шарти марзии бевосита ченшуда нест.
• Таҳқиқот исбот намекунад, ки ҳамаи газҳои гулхонаӣ ҳамон рафтори сенсор/аэродинамикиро нишон медиҳанд.
• Қувваи манбаъ ё сарфи умумии эмиссияи CO₂ аз ин таҷриба мустақим ҳисоб карда нашудааст.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот

Такрори мустақил вуҷуд надорад: Ҳар шароити кор як давраи ягонаи ченкунии пайвастаи тақрибан 20 дақиқа мебошад.

Тартиби таҷриба рандомизатсия нашудааст: Санҷишҳо аз мавқеи баланди ротор оғоз шуда, пайдарпай ба мавқеъҳои поёнтар гузаронида шудаанд.

Шамоли маҳаллӣ пайваста чен нашудааст: Истгоҳи метеорологии наздик ченкунии мустақими микроҷараёни воқеӣ дар нуқтаи таҷриба нест.

Аэродинамикаи воқеии UAV вуҷуд надорад: Системаи surrogate-и дупарра quadrotor-и пурра, аэродинамикаи корпус, парвози ҳаракаткунанда ва ҷойгиршавии onboard-сенсорро бозтавлид намекунад.

Вуруди ихроҷи CFD чен нашудааст: Сарф, ҳарорат ва таркиб аз қиматҳои адабиётӣ ба таври намояндагӣ интихоб шудаанд.

Атмосфераи CFD идеализатсия шудааст: Суръати собити ротор ва муҳити бе шамол истифода шудааст.

MRF blade-resolved transient нест: Blade-passing ва гардиши физикии mesh ҳал нашудаанд.

Ҳассосияти mesh пурра ба сифр нарасидааст: Фарқи CO₂-и хатти марказии plume байни ду mesh-и майдатарин %16,3 аст.

Ҳассосияти вақтӣ вобаста ба тағйирёбанда фарқ мекунад: Байни timestep-и миёна ва майда, метрикаҳои CO₂ аз %6 камтар мондаанд, дар ҳоле ки метрикаҳои суръат дар байни %13,7-17,1 тағйир ёфтаанд.

Корпусҳои сенсор фарқ мекунанд: Feather мустақиман ба ҳаво боз аст, IoTSens дар enclosure-и муҳофизатӣ ҷойгир аст; ин ҳолат метавонад ба муқоисаи консентратсияи мутлақ таъсир расонад.

Аз нуқтаи назари татбиқи амалӣ ин чӣ маъно дорад?

Вақте UAV ба дохили абри эмиссия даромада ченкунӣ мекунад, парраҳои худи он метавонанд майдони газеро, ки чен кардан мехоҳад, тағйир диҳанд. Ин таъсир дар вазифаҳои танҳо навъи «ҳаст/нест», мисли ёфтани манбаъ, ва вазифаҳое, ки қувваи манбаъро миқдоран ҳисоб кардан мехоҳанд, аҳамияти яксон надошта метавонад; махсусан дар арзёбии миқдории эмиссия агар тунукшавии аз ротор ба вуҷудомада нодида гирифта шавад, сенсор метавонад консентратсияи камтар бихонад.

Манбаъ баррасӣ мекунад, ки ин механизм берун аз ихроҷи автомобил барои мониторинги эмиссияҳои саноатӣ, мониторинги landfill, ошкоркунии ихроҷ ва дигар манбаъҳои маҳаллии газ низ бояд ба назар гирифта шавад. Аммо дар ҳар татбиқи нав хусусиятҳои физикии газ, вақти ҷавоби сенсор, геометрияи ротор, майдони воқеии шамол ва мавқеи намунагирӣ бояд алоҳида тасдиқ карда шаванд.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

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

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

Тартиби муаллифон: Тартиби дар манбаъ буда бетағйир нигоҳ дошта шудааст.

Саҳми баробар: Дар манбаъ изҳороти саҳми баробар ё ҳаммуаллифии якум зикр нашудааст.

Муаллифи масъул: Fernando Ramonet.

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

Маҷалла: Air.

Ношир: MDPI.

Ҷилд / шумора / рақами мақола: 4 / 3 / 20.

DOI: 10.3390/air4030020.

Пайванди расмӣ: https://doi.org/10.3390/air4030020

Санаи ирсол: 15 Июл 2026.

Санаи бознигарӣ: 19 Август 2026.

Санаи қабул: 20 Август 2026.

Санаи нашр: 1 Сентябр 2026.

Навъи манбаъ: Мақолаи аслии таҳқиқотии тақризшуда; таҳқиқоти сенсори муҳити зист/аэродинамика, ки таҷрибаи назоратшавандаи саҳроиро бо таҳлили CFD бар асоси LES якҷо мекунад.

Ҳолати preprint: Дар PDF-и манбаъ версияи алоҳидаи preprint ё рақами preprint зикр нашудааст.

Литсензия: Creative Commons Attribution (CC BY).

Манбаи таҷрибавӣ: Hyundai i30, муҳаррики дизелии 1.6 L CRDi; бекории собит.

Мавқеи сенсори таҷрибавӣ: 1 m поён аз ҷараёни баромади ихроҷ, тақрибан 0,05 m аз замин.

Системаи ротор: Ду муҳаррики A2212-13T 1000 KV, ду парраи 25,4 cm 1045 slow-flyer, идоракунии Arduino Uno R4 Wi-Fi.

Суръатҳои ротори таҷрибавӣ: Тақрибан 6500 ва 10.000 rpm дар ҳамаи баландии асосӣ; дар мавқеъҳои 0,5 ва 5,5 m инчунин тақрибан 8000 rpm.

Ҷудошавии таҷрибавии ротор-сенсор: 0,5; 1,5; 2,5; 3,5; 4,5 ва 5,5 m.

Давомнокии ченкунӣ: Ҳар шарт тақрибан 20 дақиқа.

Такрори мустақил: Нест. Воҳиди оморӣ шарти ченкунӣ мебошад; намунаҳои қатори вақт такрори мустақили таҷриба нестанд.

Сенсори камхарҷ: Adafruit Feather M0 WiFi-ATSAMD21 + Sensirion SCD41-D-R2; доираи 400-5000 ppm; дар манбаъ дақиқӣ ±50 ppm + %2,5 ва repeatability ±10 ppm дода шудааст.

Системаи тиҷоратии истинод: IoTSens Air Quality Monitor. На барои калибркунии системаи Feather, балки барои муқоисаи мустақили тамоюл истифода шудааст.

Инфрасохтори додаҳо: IoTSens → LoRaWAN → ThingSpeak; Feather → Wi-Fi → ThingSpeak.

Нармафзори CFD: OpenFOAM v12.

Ҳалкунандаи CFD: multicomponentFluid.

Модели турбулентӣ: Large Eddy Simulation (LES), one-equation kEqn модели sub-grid scale.

Намояндагии ротор: Multiple Reference Frame (MRF); дар шароити истеҳсолии CFD 6500 rpm, тақрибан 680,7 rad/s.

Ҷудошавиҳои ротор-сенсори 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.

Майдони CFD: Барои H1-H6 3,0 × 3,5 × 3,0 m; барои H7-H9 3,0 × 6,9 × 3,0 m.

CFD inlet-и ихроҷ: 3 m/s, 324 K, ҳиссаи массаи CO₂ 0,08 ва ҳиссаи массаи ҳаво 0,92.

Марзи атмосферии CFD: 304 K, 101,6 kPa, қимати CO₂ species \(4,2\times10^{-4}\).

Оғози турбулентии ихроҷ: \(k=0,09\ \mathrm{m^2/s^2}\), mixing length \(L=0,003\ \mathrm{m}\).

Адади турбулентии Prandtl: \(Pr_t=0,85\).

Схемаҳои рақамӣ: localEuler, Gauss linear, Gauss linear corrected ва bounded second-order limitedLinear.

PIMPLE: Як outer correction ва се итератсияи pressure-correction барои ҳар қадами вақт.

Ҳади Courant: \(Co_{\max}=3\).

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

Таҳаммули ҳал: \(10^{-6}\) то \(10^{-4}\).

Relaxation factor: 0,7.

Муҳофизати species solver: minIter 1.

Post-processing: OpenFOAM postProcess ва ParaView.

Проби рақамӣ: \((1,0,\ 0,05,\ 0)\) m.

Санҷиши mesh: Дар конфигуратсияи H4 чор сатҳи mesh аз тақрибан 457 ҳазор то 1,856 миллион ҳуҷайра.

Санҷиши қадами вақт: Дар конфигуратсияи H2 \(10^{-4}\), \(5\times10^{-5}\) ва \(2,5\times10^{-5}\) s.

Маблағгузорӣ: ARGUS EU project, Grant Agreement No. 101132308; аз ҷониби European Union маблағгузорӣ шудааст.

Дастрасии додаҳо: Манбаъ мегӯяд, ки додаҳои хоми дастгиркунандаи натиҷаҳо аз муаллифон бо дархост дастрас карда мешаванд.

Кумитаи ахлоқ: Татбиқнашаванда гузориш шудааст.

Ризоияти огоҳона: Татбиқнашаванда гузориш шудааст.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад.

Изҳороти истифодаи зеҳни сунъӣ: Муаллифон гузориш кардаанд, ки ҳангоми омодасозии нашр Microsoft Copilot (M365 Copilot, GPT-5) ва ChatGPT v5.5-ро барои беҳтар кардани забон, таҳрири баёни англисӣ ва кӯмак ба кӯтоҳ кардани матн истифода кардаанд; натиҷаро баррасӣ ва таҳрир намуда, тамоми масъулияти мундариҷаро ба уҳда гирифтаанд.

Саҳмҳои муаллифон: Консептуализатсия Fernando Ramonet, Lidia Abad ва José Javier Anaya; усул Fernando Ramonet, Lidia Abad, José Javier Anaya ва Víctor Suárez; нармафзор Fernando Ramonet, Lidia Abad ва Víctor Suárez; санҷиш Fernando Ramonet, Lidia Abad, José Javier Anaya ва Sofía Aparicio; таҳлили формалӣ ва таҳқиқот ҳамаи муаллифон; захираҳо José Javier Anaya ва Sofía Aparicio; куратсияи додаҳо Fernando Ramonet ва Lidia Abad; визуализатсия Fernando Ramonet ва Lidia Abad; назорат José Javier Anaya ва Sofía Aparicio; идоракунии лоиҳа ва ҷалби маблағгузорӣ аз ҷониби Sofía Aparicio анҷом дода шудааст.

Сипосгузорӣ: Муаллифон бахши сипосгузориро ба муносибати ба нафақа баромадани José Javier Anaya ба ӯ бахшида, барои роҳбарии академиаш ташаккур гуфтаанд.

Ёддошти терминология/геометрия дар дохили манбаъ: Гарчанде дар баъзе бахшҳои натиҷаҳои матн ибораҳое мисли “UAV height” ё “sensor height” истифода шудаанд, усул рӯшан мегӯяд, ки сенсор собит мемонад ва тағйирёбанда ҷудошавии амудии ротор-сенсор мебошад. Дар баёни Verianla ҳамин геометрияи физикӣ асос гирифта шудааст.

Ёддошти конфигуратсия дар дохили манбаъ: Усул ва ҷадвалҳои асосӣ H7=3,5 m, H8=4,5 m ва H9=5,5 m-ро муайян мекунанд. Дар як ҷумлаи бахши натиҷаҳо барои H7-H9 ибораи “3,5-6,5 m” омадааст. Бо такя ба мувофиқати такроршавандаи конфигуратсияҳо ва Ҷадвалҳои 4-5 дар мақола, H9=5,5 m нигоҳ дошта шудааст.

Ёддошти ҳарорат дар дохили манбаъ: Гарчанде дар баррасии CFD inlet барои ихроҷи дизелӣ дар ҳолати бекорӣ диапазони 120-180 °C аз адабиёт зикр шудааст, ҳарорати модели истифодашуда 324 K мебошад. Verianla ин фарқро хомӯшона тағйир надодааст.

Ёддошти Муодилаи (5) дар дохили манбаъ: Муодилаи (3) \(Y_{CO_2}\)-ро ба \(X_{CO_2}\) табдил медиҳад ва Муодилаи (4) ppm-ро ҳамчун \(X_{CO_2}\times10^6\) таъриф мекунад. Дар шакли чопшудаи Муодилаи (5), \(X_{CO_2}\) боз ба \(M_{air}/M_{CO_2}\) зарб карда мешавад. Рамзи манбаъ худсарона тағйир дода нашуда ва номувофиқатӣ рӯшан зикр шудааст.

Ёддошти фоизи сенсор дар дохили манбаъ: Манбаъ миёнаҳои 824 ppm Feather ва 622 ppm IoTSens-ро ҳамчун фарқи тақрибан %25 тавсиф мекунад; агар мантиқи ҳисоби фоиз дар Ҷадвали 3 ҳамон тавр истифода шавад, таносуби дигар ба даст меояд. 

Маҳдудияти асосии тафсир: Ин таҳқиқот таъсири мутақобилаи назоратшавандаи rotor-plume-ро меомӯзад. Он аэродинамикаи пурраи парвози UAV, конфигуратсияи воқеии onboard-сенсор, таҷрибаи мустақили такрории саҳроӣ ё тасдиқи масофаи универсалии кор дар шароити гуногуни метеорологиро таъмин намекунад.