前行飞行时的共轴多旋翼飞行器气动性能分析

前行飞行时的共轴多旋翼飞行器气动性能分析

乔泽，曹灿，韩放，李战东

沈阳航空航天大学，民用航空学院

摘要

共轴多旋翼飞行器具有较好的稳定性和载重性，它相对于其他类型的无人机也有更大的应用范围，特别是在执行低速飞行时具有很大优势。本文以共轴四旋翼无人机为例，通过SolidWorks软件建立共轴四旋翼无人机三维模型，随后利用FLUENT软件模拟计算，以旋翼为研究对象，通过不断改变旋翼转速为470r/min和510r/min，控制旋翼转速为唯一变量，通过对两组模拟仿真计算生成的压力云图和涡量图的分析，得到了共轴多旋翼无人机在前行飞行时多旋翼气动性能的变化情况。得知在设计共轴四旋翼无人机的设计过程中，要注意旋翼翼尖所受的载荷、材料的选用和前后旋翼之间的气动干扰、不同旋翼之间的气动干扰。

关键词：多旋翼无人机；转速；共轴多旋翼；FLUENT

1.引言

目前主流的无人机分为旋翼和固定翼两种，二者的优缺点都很明显，如何创造出一款既实现垂直起降又能够实现高速巡航的无人机一直都是无人机市场的研究重点，为了创造出同时具备这两种优点的无人机，研究人员提出了无数的构想。共轴多旋翼无人机能够稳定保持较高巡航速度，不仅能实现垂直起降和高速巡航，还能够调节不同的升力和推力以适应不同的飞行环境，共轴多旋翼的出现可以说是打破了旋翼无人机与固定翼飞机的界限。这几项特点使得共轴多旋翼无人机拥有着广阔的发展前景。但共轴多旋翼无人机是一个非常新的研究领域，许多问题还有待研究。因此本文以共轴四旋翼无人机为例，研究共轴多旋翼无人机的气动性能。通过使用计算流体力学的方法，用Solidworks软件对共轴多旋翼无人机模型进行三维建模，然后用FLUENT对旋翼进行模拟仿真计算，对旋翼进行单独的气动特性分析，为我国共轴多旋翼无人机的研究更进一步发展提供参考。

2. 基于SolidWorks建模

以共轴四旋翼无人机为例，采用共轴四旋翼来为无人机提供提供气动升力。其中，无人机由四个完全相同的旋翼、机身、起落架构成，桨叶片数为2。先以上视面为基准画出直径为10和16的同心圆，进行凸台拉伸圆心对称绘制出桨叶的中心轴，在平面草图上绘制桨叶的弧度，桨叶全长为224。机身的绘制参照标准图。起落架为直径20，长度600的圆柱体。基于以上设计，利用SolidWorks绘制了无人机的三维立体模型，为了后续划分网格，转换为流体模型。

3. FLUENT模拟仿真计算

对于共轴四旋翼无人机的三维建模以及网格划分等前处理工作均已完成，下面将介绍使用FLUENT软件对旋翼的数值模拟分析。首先，打开FLUENT软件导入.mesh文件，检查网格质量，无负体积网格出现，可用作数值仿真模拟计算。

本篇文章以共轴四旋翼无人机为例进行模拟仿真计算。无人机的飞行速度较低，不会对流域中的空气密度造成太大影响，所以选择的是基于压力的求解器，这一选择对仿真结果来说会更为准确。

本篇文章中湍流模型选择为航空航天领域的模拟仿真中常用的-omega模型，首先对旋翼进行单独的气动性能分析。以旋翼的转速为变量，改变转速获得不同的升阻力，在FLUENT求解器中，稳态瞬态计算选择稳态计算，选择基于压力计算（Pressure-Based）的求解器类型。特定模型选定离散相，绘图选定FFT傅里叶变换算法，图形选定HSF文件，旋转机械模型为旋转机械拓扑，轮毂边界。在Cell Zone Condition中选择FrameMotion，设置Ratetional Velocity，单位为r/min，依次设置旋翼转速为470r/min、510r/min。松弛因子采用默认值。设置监控器类型，选定监控区域。初始化完成之后设置迭代次数为500次，计算会在达到收敛之后自动停止。

4.数据处理与结论分析

将建好的共轴四旋翼无人机的三维模型进行网格划分之后，将文件输出为.mesh格式，并导入FLUENT进行计算。不断改变旋翼转速，设置旋翼转动速度分别为470r/min和510r/min，经过计算得到两种不同旋翼转动速度下的压力云图和涡量图。如下图2—图5所示。

图2 470r/min下无人机的压力云图

图3 510r/min下无人机的压力云图

由无人机的整体压力云图可以看出，共轴四旋翼无人机的旋翼以及旋翼的翼尖部位是主要受压区域，无人机机身以及支架相对于旋翼来说受到的压力要小。由此可以得出结论，在设计无人机整体结构和选定无人机的材料时，要注意校验旋翼的结构强度并且重视旋翼翼尖的形状设计工作，做好对旋翼翼尖的加固。

图4 470r/min转速下旋翼处的旋翼处的涡量图

图5 510r/min转速下旋翼处的旋翼处的涡量图

由以上两幅图可以看出，涡量机身上的主要集中在桨叶叶尖，相邻旋翼间容易发生涡流干扰，造成涡流变形。

5.结语

根据旋翼不同转速下得出的压力云图和涡量图分析可知，在设计共轴四旋翼无人机的设计过程中，要注意旋翼翼尖所受的载荷较大，材料的选用要满足强度要求。其次，还要充分考虑到前旋翼和后旋翼之间的气动干扰、不同旋翼之间的气动干扰，以免因为几者之间的相互气动干扰对无人机的飞行造成影响，甚至酿成事故。

参考文献

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