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无人机共轴双旋翼气动特性分析*

2020-05-07朱承峰谢金冶

山西电子技术 2020年2期
关键词:矢量图旋翼计算结果

朱承峰,林 甄,谢金冶,田 硕

(1.三亚学院理工学院,海南 三亚 572022;2.黑龙江建筑职业技术学院,黑龙江 哈尔滨 150025)

0 引言

旋翼型无人机可在起降空间不足的情况下垂直起降,不用建设跑道等专用起降设施,它相对于其他类型无人机也有更大的应用范围,特别在执行低速飞行、悬停任务时具有很大优势。目前,我国对共轴双旋翼装置的研究已突破关键技术,但共轴双旋翼推进装置投入实际运用的案例较少,对实际应用的共轴双旋翼推进装置进行有效的现场特性测试还不是很多,共轴双旋翼推进装置的气动特性测试在我国仍存在不足。本文通过研究共轴双旋翼推进装置气动特性基础理论计算方法,利用CFD对推进系统进行模拟,采用叶素动量理论分析共轴双旋翼推进装置上下旋翼的气动特性,最终得出最佳状态下的装置相关参数。目前国内实验研究主要是通过风洞实验,再通过PIV实验观察两个旋翼在高速旋转下产生的尾迹和桨尖涡流在空间分布的情况。这种实验虽然可以更真实还原实际流场分布,但存在试验费用高,实验周期长的问题。随着计算机仿真技术的革新,通过使用CFD方法对飞行器数值模拟可以降低实验成本,且可以得到全部所需结果。

1 测试过程

本实验采用CFD方法对共轴双旋翼推进装置进行数值模拟和转速分析,及旋翼间距对气动特性的影响分析。

1.1 共轴双旋翼推进装置CFD分析

本实验建立的CFD模型采用多重参考坐标系,通过各坐标系的转换来完成旋转域与外流域的信息转换。本实验建立的计算与模型由三个子计算域组成,分别为上旋翼计算域、下旋翼计算域、外流计算域。其中上下旋翼计算域为旋转域,外流计算域为静域,上下旋翼转向相反。每个子计算域需要单独设定控制参数,按照方程进行求解计算,各子计算域通过相邻的域完成信息交互。以下为计算过程。

1) 对共轴双旋翼进行建模。

2) 对模型进行简化,只保留上下旋翼,在ICEMCFD中创建上旋翼旋转域、下旋翼旋转域和外流域。

3) 对上旋翼和外流域采用非结构化网格完成划分,对下旋翼采用结构化网格划分。

4) 将划分好的三个子域的完整网格域导入Fluent中,选取滑移网格方法进行计算,湍流模型选用RNGk-epsilon双方程模型进行计算。

5) 对三个域的接触面进行定义,将上下旋翼计算域的上表面、下表面以及圆柱面定义为interface。

6) 设置松弛因子值,压力0.2、密度0.5、体积力0.5、扭矩0.4、湍流动能0.3、紊流粘度0.5。

7) 对流场及计算域内所有单元属性进行初始化。

8) 开始求解,将计算结果保存。

1.2 转速对共轴双旋翼气动性能的影响

首先设置旋翼参数,上旋翼翼型NACA0014、下旋翼翼型2032cjc、上旋翼半径650 mm、下旋翼半径550 mm、上旋翼桨叶弦长30 mm、下旋翼桨叶弦长90 mm,上旋翼安装角5°、下旋翼安装角11°。以下为计算过程。

1) 固定旋翼间距,选择上下旋翼间距为H/D=0.2,其中H为旋翼间距,D为旋翼直径。

2) 计算可得旋翼间距为120 mm,再选取100 mm和140 mm间距,通过CFD方法计算出不同转速下旋翼拉力的变化(计算机结果如图1、2、3)。

3) 分析结果得出旋翼升力和转速为非线性变化,通过参考文献[1]得出,本计算结果与参考文献趋势一致,与预期理论吻合,验证了本实验中CFD方法的准确性。

图1 100 mm间距计算结果

图2 120 mm间距计算结果

图3 140 mm间距计算结果

1.3 间距对共轴双旋翼气动性能的影响

除转速会对旋翼的气动性能产生影响外,旋翼间距也会产生不同的影响。首先固定转速为3000转每分钟,选择100 mm、120 mm、140 mm间距进行分析(结果分别为图4、5、6),其他参数和1.2实验相同。

图4 100 mm间距速度矢量图

图5 120 mm间距速度矢量图

图6 140 mm间距速度矢量图

经过分析,100 mm距离下旋翼干扰严重,120 mm距离下悬疑干扰中等,140 mm下旋翼干扰较小。可得出旋翼拉力随间距增大而增大,但呈先增大后减小现象。

2 结论

本实验采用了CFD方法对设计的共轴双旋翼推进装置模型进行数值求解,模拟了装置的气动状态,对同类文献中的模型结果进行对比,得出本文的仿真结果和文献中仿真结果趋势相同,验证了本实验中CFD的正确性。同时根据计算结果得出,旋翼间距设置为140 mm时具有更好的气动性能。

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