不同旋翼间距的微型无人机旋翼气动性分析.pdf

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 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 /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 所示图 平均扭矩对比图 由图 可知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扭矩随旋翼间距的变化趋势与试验结果一致 四旋翼无人机处在悬停状态时旋翼间距为.时平均扭矩不断减小说明旋翼间的气动干扰会使平均扭矩降低 旋翼间距.时平均扭矩的损失最为严重损失率为.说明旋翼间距变化对平均扭矩影响较大 旋翼间距为.时平均扭矩不断增大说明随着间距的增大扭矩的损失不断减小直至消失 当旋翼间距为.时平均扭矩恢复至单旋翼旋转时扭矩的大小可认为旋翼之间气动干扰对平均扭矩的影响基本消失.旋翼流速分析在工作转速下经仿真计算取机头方向的旋翼速度云图 经过对比后发现旋翼间距为.、.、.、.时特征较为典型(下文中均称为典型旋翼间距)旋翼速度云图如图 所示图 典型旋翼间距下旋翼速度云图 观察图 可知随着距离旋翼表面越近气流速度以一定的梯度逐渐增大旋翼间流场速度呈 型分布 下洗流是影响四旋翼流场的主要因素:当旋翼间距为.时旋翼间速度部分交融面积较大干扰比较剧烈相邻旋翼的下洗流相互吸引、缠绕形成不规则的涡流随着旋翼间距的增大相邻旋翼之间速度较大的绿色区域逐渐分开说明下洗流间的相互干扰作用逐渐变弱在旋翼间距等于.时下洗流的相互干扰基本消失.旋翼压强分析四旋翼相邻旋翼转向相反相对旋翼转向相第 期 李碧森等:不同旋翼间距的微型无人机旋翼气动性分析同其布局具有对称性 经工作转速下仿真计算选取不同间距时相邻旋翼同相位时的反桨图 为.倍半径处的压强云图以此观察桨尖附近的压强分布图 典型旋翼间距下.倍旋翼半径处压强云图 由图 可见旋翼转动时较大范围的负压区在旋翼上表面产生较大范围的正压区在旋翼下表面产生 由于旋翼在转动过程中将旋翼上方的空气排向旋翼下方旋翼上方由于空气减少而压力减小从而造成负压区而下方则会造成正压区旋翼升力由此而来 旋翼上表面低压区与下表面高压区越靠近桨尖附近处压差越大说明旋翼桨尖附近处的上下表面之间的压差是旋翼升力的主要来源 对比图 中各图桨尖附近处正负压区域的面积随旋翼间距变化而变化旋翼间距由.增加至.时可看出负压区域面积增大正压区域面积减小表明桨尖附近压差减小即表示旋翼升力减小旋翼间距由.增加至.时可看出负压区域面积减小正压区域面积增大表明桨尖附近压差增加旋翼升力增大与仿真计算结果相符是不同旋翼间距下翼间气动干扰程度不同导致的 为进一步观察翼间干扰对升力的影响取桨盘下方 处观察其压强分布情况结果如图 所示由图 可知旋翼下表面浆尖附近处为正压区浅蓝色区域为翼间气动干扰形成的负压区负压区的大小直接影响四旋翼整体气动性能 旋翼间距.时负压面积较大 个旋翼之间的浅蓝色区域相互交融存在气动干扰旋翼间距增大到.时负压区面积最大 个旋翼之间的浅蓝色区域互相交融且浅蓝色区域颜色加深表明此间距干扰剧烈性能最差升力最小旋翼间距增大到.时负压区面积减小部分浅蓝色区域交沈 阳 理 工 大 学 学 报 第 卷图 典型旋翼间距下桨盘下方 处压强云图融气动干扰减弱升力增加旋翼间距增加到.时负压区面积最小且 个旋翼之间的浅蓝色区域不相互接触可认为气动干扰基本消失其性能最好产生的升力最大 结论本文通过分配不同的旋翼间距仿真了微型四旋翼无人机悬停时的流场研究其气动性 通过分析得到了以下结论)通过三维建模与 仿真模拟对微型四旋翼无人机不同旋翼间距下的旋翼气动性能进行分析相较常用的多重参考系法本文采用的滑移网格法可以更加准确地模拟旋翼的状态)悬停状态下微型四旋翼无人机旋翼间的流场相互干扰随旋翼间距的增大而先增强后减弱直至消失 旋翼间距为.时气动干扰最强烈 旋翼间距增大到.后流场对整体气动性能产生增强作用)若对设计尺寸比较敏感旋翼间距可选大于.其中旋翼间距.为微型四旋翼无人机旋翼的最佳气动布局 按此间距布局旋翼间气动干扰最小升力损失最小若对设计尺寸不敏感旋翼间距可选大于.本文的计算分析可为设计微型四旋翼无人机提供参考揭示的旋翼气动性变化规律对工程实践具有重要的指导意义参考文献:前瞻产业研究院无人机研究小组.我国无人机行业发展现状与前景分析.军民两用技术与产品():.吕宝亮史春景郝永平等.共轴双旋翼无人机的建模与动力学仿真.机械工程与自动化():.雷瑶纪玉霞.小型共轴旋翼自然来流下的抗风扰气动特性分析.兵工学报():.王博招启军徐国华.基于动量源方法的直升机旋翼/机身流场数值模拟.直升机技术():.刘雪松昂海松肖天航.悬停状态旋翼间干扰对四旋翼升力影响分析.航空工程进展():.():.齐书浩刘素娟张文明等.低雷诺数下微型四旋翼飞行器气动和振动特性分析.噪声与振动控制():.王策唐正飞徐培等.四旋翼无人机流场及气动干扰数值模拟研究.飞行力学():.翁佳文邵伟平郝永平等.基于流固耦合的共轴双旋翼气动性分析.沈阳理工大学学报():.():.杨祥生赵宁田琳琳.基于改进 模型的风力机尾流数值模拟.太阳能学报():.(下转第 页)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)针对由多段贝塞尔曲线构成的修整曲线研究了丈量法轨迹规划算法降低了规划难度)采用 建模方法建立了修整机械臂的正逆运动学模型打通了机械臂轨迹规划和控制的通道)借助视觉定位技术进行了跳台修整控制算法的现场测试并对比人工修整效果验证了机械臂修整轨迹控制研究的有效性参考文献:龙樟李显涛帅涛等.工业机器人轨迹规划研究现状综述.机械科学与技术():.():.:.():.袁旭华刘羽林喜辉.机械臂时间最优轨迹的样条曲线拟合与智能规划.机械设计与制造():.董甲甲王太勇董靖川等.改进 样条