不同旋翼间距的微型无人机旋翼气动性分析.pdf
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1、第卷 第期 年 月沈 阳 理 工 大 学 学 报 收稿日期:基金项目:辽宁省应用基础研究计划项目(/)作者简介:李碧森()男硕士研究生通信作者:史春景()男副教授研究方向为网络化制造技术机械工程文章编号:()不同旋翼间距的微型无人机旋翼气动性分析李碧森史春景郝永平徐九龙(.沈阳理工大学 机械工程学院沈阳 .辽宁省先进制造技术与装备重点实验室沈阳)摘 要:为研究悬停状态下不同旋翼间距对微型四旋翼无人机旋翼气动性的动态影响进行数值模拟 运用滑移网格法计算并分析相同转速、不同旋翼间距下的四旋翼升力和扭矩的变化规律以及旋翼流场和压强分布规律结果表明:微型四旋翼无人机旋翼间存在气动干扰合理的旋翼间距有助
2、于提升四旋翼整体气动性能 通过试验和仿真对比发现旋翼间距.(.)是最佳的微型四旋翼无人机旋翼间距方案关 键 词:旋翼间距滑移网格法气动干扰中图分类号:.文献标志码:./.(.):().(.).:近年来由于无人机的商业化程度逐步提高其身影出现在高速路口、城市楼宇、田间农地、医院工厂等场所发挥了不可替代的重要作用与此同时市场上出现了大量不同结构的无人机主要类型有固定翼无人机、扑翼式无人机、共轴式无人机、倾转翼无人机以及多旋翼无人机 其中多旋翼无人机中的四旋翼无人机结构简单可以实现垂直起降、悬停等多种操控方式不需尾部螺旋桨且操控简单较易满足当前无人机小型化轻型化的要求充分体现了无人机的优势使用领域广
3、泛四旋翼流场特性应用的理论主要有动量叶素理论、动量源方法、涡输运模型、尾迹方法、计算流体动力学()方法采用 方程作为 方法的控制方程可以较好地描述旋翼流场的细节特征 运用 方法对各种不同的流场进行数值模拟并对模拟结果进行数据分析有助于对产生的实际问题追踪溯源从而对产品进行优化升级 方法还可以应用于无法实现测量数据的场景中如高温、强辐射、高空、空间狭小、有毒等环境可以数值模拟实际过程综合评价 方法计算得到的的流场云图并结合试验数据能够以最小的代价研究流体流场的特性刘雪松等建立了四旋翼无人机的“等效桨盘”模型分析了悬停状态下旋翼间的干扰对四旋翼升力的影响得出了旋翼间的气动干扰使旋翼升力降低的结论
4、等对不同构型无人机的气动特性进行了研究结果表明不同构型无人机旋翼产生的上洗流和下洗流特征不同其流场导致的气动干扰程度也不同 齐书浩等运用流固耦合法研究了微型四旋翼无人机在低雷诺数下的气动和振动特性得出桨叶顶端处流场压强最大桨叶剖面厚度最大处应力最大的结论 王策等采用数值模拟法对四旋翼无人机在垂直状态、前飞状态下的气动性进行了计算为设计四旋翼无人机的总体布局提供了有效依据综合上述研究结果四旋翼无人机在工作时旋翼间存在气动干扰需要深入分析气动干扰原理 本文采用 计算方法对四旋翼无人机旋翼的气动性进行研究通过分析不同旋翼间距下四旋翼无人机旋翼的气动性变化规律确定最佳的气动布局方案 数学模型.流场分析
5、控制方程考虑到空气黏性的作用四旋翼流场的控制方程采用不可压 方程其质量守恒方程与动量守恒方程分别为()()()()式中:为时间、分别为 方向和 方向上的坐标、为 方向和 方向的瞬时速度、分别为流体的密度、静压力和动力黏度、为 方向和 方向上的脉冲速度为脉冲速度乘积的时均值 式()中雷诺应力项()须附加湍流模型使控制方程封闭.湍流模型为准确模拟四旋翼无人机旋翼的流场本文使用 湍流模型 该模型结合了传统的 计算模型与 计算模型更兼具了 模型对远场条件依赖性较小及 模型对近壁面模拟精度相对较高等特点其具体模型表示为()()()()()()式中:为湍流动能 为湍流耗散率 为湍流动能的生成项 和 为耗散
6、项其中 和 为常数系数和 为、的扩散项为交叉 扩 散 项()、()为 瞬 态 项()、()为对流项 仿真模型与设置.旋翼几何模型四旋翼无人机的旋翼布局常规方式有两种:“”型布局和“十”型布局“十”型布局具有控制简单、耦合参数小的优点而“”型布局的优点是四旋翼无人机所需平衡力矩小、飞行更稳定 因此本文微型四旋翼无人机采用“”型旋翼布局方式 旋翼选用 英寸桨叶桨叶数为 桨叶直径 为.为抵消反旋扭矩采用相邻旋翼旋转方向相反、对角旋翼旋转方向相同的布局方式 本文采用三维设计软件 建立微型四旋翼三维模型、第 期 李碧森等:不同旋翼间距的微型无人机旋翼气动性分析、分别为 号、号、号、号旋翼工作转速转速为
7、/转速方向如图 所示按参考文献的旋翼间距取值为提高普遍性旋翼间距方案取值分别为.、.、.、.、.、.、.和 图 微型四旋翼三维模型.网格划分与流场设置本文采用 软件进行流场的建模与计算 四旋翼的流场有 个计算域包括内部的 个旋转域和外部的 个静止域 对于旋转域和静止域采用四面体网格划分旋翼表面网格尺寸为.并在旋翼附近进行网格加密处理 旋转域网格尺寸为 静止域网格尺寸为 旋转域网格数量各约为 万静止域网格数量约为 万总网格数量约为 万 单元质量为.满足流体网格质量要求 网格划分结果如图 所示图 网格划分结果.网格计算方法设置在 软件中滑移网格法相较于多重参考系法对螺旋桨扭矩的模拟结果误差更小 升
8、力方面两种模型的模拟结果相差不大当升力较大时两种模型模拟得到的压力分布及速度分布较为相似但对于高负荷情况滑移网格模型可以更好地捕捉桨叶的压力分布及桨盘面处的速度分布情况 因此本文采用滑移网格法 结果与分析.旋翼升力分析应用 湍流模型分别计算孤立的单旋翼和本文选取的旋翼间距下四旋翼气动性能并在无人机动力系统测试台测得试验结果旋翼平均升力的仿真与试验结果对比如图 所示图 平均升力的仿真与试验结果对比图 由图 可知四旋翼无人机处在悬停状态时旋翼间存在气动干扰该干扰会随着旋翼间距增大而先增大后减小直至消失 仿真结果与试验结果相比较四旋翼误差最大值为.单旋翼最大误差为.虽然存在一定的误差但仿真得到的升力
9、随旋翼间距的变化趋势与试验结果一致 旋翼间距为.时旋翼的平均升力不断减小说明增大间距对平均升力有一定的抑制作用气动干扰不断加强 旋翼间距为.时旋翼的平均升力损失最严重损失率为.此间距气动干扰最严重 旋翼间距为.时旋翼的平均升力不断增大说明随着间距的增大该种抑制平均升力的作用不断减弱直至消失也说明了随着间距的增加气动干扰不断减弱 当旋翼间距为.时旋翼的平均升力高于 个孤立单旋翼的总升力可认为旋翼之间气动沈 阳 理 工 大 学 学 报 第 卷干扰对平均升力的负面影响基本消失此时旋翼间的气动干扰对平均升力反而产生促进作用提高了四旋翼的气动性能.旋翼扭矩分析经计算旋翼平均扭矩的仿真结果与试验结果如图
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