無人機共軸雙旋翼氣動特性分析*

朱承峰，林 甄，謝金冶，田 碩

(1.三亞學院理工學院，海南 三亞 572022；2.黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

0 引言

旋翼型無人機可在起降空間不足的情況下垂直起降，不用建設(shè)跑道等專用起降設(shè)施，它相對于其他類型無人機也有更大的應(yīng)用范圍，特別在執(zhí)行低速飛行、懸停任務(wù)時具有很大優(yōu)勢。目前，我國對共軸雙旋翼裝置的研究已突破關(guān)鍵技術(shù)，但共軸雙旋翼推進裝置投入實際運用的案例較少，對實際應(yīng)用的共軸雙旋翼推進裝置進行有效的現(xiàn)場特性測試還不是很多，共軸雙旋翼推進裝置的氣動特性測試在我國仍存在不足。本文通過研究共軸雙旋翼推進裝置氣動特性基礎(chǔ)理論計算方法，利用CFD對推進系統(tǒng)進行模擬，采用葉素動量理論分析共軸雙旋翼推進裝置上下旋翼的氣動特性，最終得出最佳狀態(tài)下的裝置相關(guān)參數(shù)。目前國內(nèi)實驗研究主要是通過風洞實驗，再通過PIV實驗觀察兩個旋翼在高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的尾跡和槳尖渦流在空間分布的情況。這種實驗雖然可以更真實還原實際流場分布，但存在試驗費用高，實驗周期長的問題。隨著計算機仿真技術(shù)的革新，通過使用CFD方法對飛行器數(shù)值模擬可以降低實驗成本，且可以得到全部所需結(jié)果。

1 測試過程

本實驗采用CFD方法對共軸雙旋翼推進裝置進行數(shù)值模擬和轉(zhuǎn)速分析，及旋翼間距對氣動特性的影響分析。

1.1 共軸雙旋翼推進裝置CFD分析

本實驗建立的CFD模型采用多重參考坐標系，通過各坐標系的轉(zhuǎn)換來完成旋轉(zhuǎn)域與外流域的信息轉(zhuǎn)換。本實驗建立的計算與模型由三個子計算域組成，分別為上旋翼計算域、下旋翼計算域、外流計算域。其中上下旋翼計算域為旋轉(zhuǎn)域，外流計算域為靜域，上下旋翼轉(zhuǎn)向相反。每個子計算域需要單獨設(shè)定控制參數(shù)，按照方程進行求解計算，各子計算域通過相鄰的域完成信息交互。以下為計算過程。

1) 對共軸雙旋翼進行建模。

2) 對模型進行簡化，只保留上下旋翼，在ICEMCFD中創(chuàng)建上旋翼旋轉(zhuǎn)域、下旋翼旋轉(zhuǎn)域和外流域。

3) 對上旋翼和外流域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格完成劃分，對下旋翼采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。

4) 將劃分好的三個子域的完整網(wǎng)格域?qū)隖luent中，選取滑移網(wǎng)格方法進行計算，湍流模型選用RNGk-epsilon雙方程模型進行計算。

5) 對三個域的接觸面進行定義，將上下旋翼計算域的上表面、下表面以及圓柱面定義為interface。

6) 設(shè)置松弛因子值，壓力0.2、密度0.5、體積力0.5、扭矩0.4、湍流動能0.3、紊流粘度0.5。

7) 對流場及計算域內(nèi)所有單元屬性進行初始化。

8) 開始求解，將計算結(jié)果保存。

1.2 轉(zhuǎn)速對共軸雙旋翼氣動性能的影響

首先設(shè)置旋翼參數(shù)，上旋翼翼型NACA0014、下旋翼翼型2032cjc、上旋翼半徑650 mm、下旋翼半徑550 mm、上旋翼槳葉弦長30 mm、下旋翼槳葉弦長90 mm，上旋翼安裝角5°、下旋翼安裝角11°。以下為計算過程。

1) 固定旋翼間距，選擇上下旋翼間距為H/D=0.2，其中H為旋翼間距，D為旋翼直徑。

2) 計算可得旋翼間距為120 mm，再選取100 mm和140 mm間距，通過CFD方法計算出不同轉(zhuǎn)速下旋翼拉力的變化(計算機結(jié)果如圖1、2、3)。

3) 分析結(jié)果得出旋翼升力和轉(zhuǎn)速為非線性變化，通過參考文獻[1]得出，本計算結(jié)果與參考文獻趨勢一致，與預(yù)期理論吻合，驗證了本實驗中CFD方法的準確性。

圖1 100 mm間距計算結(jié)果

圖2 120 mm間距計算結(jié)果

圖3 140 mm間距計算結(jié)果

1.3 間距對共軸雙旋翼氣動性能的影響

除轉(zhuǎn)速會對旋翼的氣動性能產(chǎn)生影響外，旋翼間距也會產(chǎn)生不同的影響。首先固定轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)每分鐘，選擇100 mm、120 mm、140 mm間距進行分析(結(jié)果分別為圖4、5、6)，其他參數(shù)和1.2實驗相同。

圖4 100 mm間距速度矢量圖

圖5 120 mm間距速度矢量圖

圖6 140 mm間距速度矢量圖

經(jīng)過分析，100 mm距離下旋翼干擾嚴重，120 mm距離下懸疑干擾中等，140 mm下旋翼干擾較小。可得出旋翼拉力隨間距增大而增大，但呈先增大后減小現(xiàn)象。

2 結(jié)論

本實驗采用了CFD方法對設(shè)計的共軸雙旋翼推進裝置模型進行數(shù)值求解，模擬了裝置的氣動狀態(tài)，對同類文獻中的模型結(jié)果進行對比，得出本文的仿真結(jié)果和文獻中仿真結(jié)果趨勢相同，驗證了本實驗中CFD的正確性。同時根據(jù)計算結(jié)果得出，旋翼間距設(shè)置為140 mm時具有更好的氣動性能。