基于滑移網(wǎng)格和MRF 模型的無(wú)人機(jī)氣動(dòng)分析

王鈺凱 康桂文

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，沈陽(yáng) 110000；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110000）

通過(guò)使用計(jì)算機(jī)設(shè)置控制程序或者操作者運(yùn)用無(wú)線設(shè)備對(duì)飛行器進(jìn)行遙控控制，不需要搭載駕駛?cè)藛T的飛行器統(tǒng)稱為無(wú)人駕駛飛行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）。隨著航空航天事業(yè)的高速發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于通用航空領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域[1-3]。與載人飛行器相比，無(wú)人機(jī)具有經(jīng)濟(jì)效益高、對(duì)環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、體積小隱蔽性高以及可代替執(zhí)行高危險(xiǎn)工作等優(yōu)點(diǎn)。因此，無(wú)人機(jī)的研究探討工作具有很好的發(fā)展前景，正逐漸成為一個(gè)新興的研究熱點(diǎn)。

我國(guó)自主研發(fā)的“翔龍”無(wú)人機(jī)，主要被用于海上巡邏任務(wù)?！跋椠垺睙o(wú)人機(jī)具有高空、高速的優(yōu)點(diǎn)，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)性能還存在不足，導(dǎo)致其載荷能力較低且留空時(shí)間較短[4]。美國(guó)的“全球鷹”無(wú)人飛行器，是目前最先進(jìn)的無(wú)人機(jī)之一，擁有高空持久性先進(jìn)概念技術(shù)，可以完成對(duì)全球大部分地區(qū)的偵察工作[5]。以色列飛機(jī)工業(yè)公司研制的“蒼鷺”大型高空戰(zhàn)略長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)，在軍用和民用兩方面都有所運(yùn)用，主要起到電子信息干擾和對(duì)抗、對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控和探測(cè)識(shí)別等作用[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外各大高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)旋翼飛行器氣動(dòng)特性已經(jīng)進(jìn)行了一些研究，也取得了不少研究成果。其中：曹蕓蕓等針對(duì)旋翼飛行器在過(guò)渡飛行中飛行姿態(tài)的變化和飛行速度的改變，提出了一種確定傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器從直升機(jī)模式向固定翼飛機(jī)模式過(guò)渡的發(fā)動(dòng)機(jī)短艙傾轉(zhuǎn)角度-速度包線的分析方法[7]；朱清華等研究旋翼機(jī)的穩(wěn)定自轉(zhuǎn)和跳躍飛行特性，分析了旋翼飛機(jī)實(shí)現(xiàn)跳躍飛行的旋翼設(shè)計(jì)參數(shù)和控制要求[8]；阮永井等對(duì)太陽(yáng)能四旋翼無(wú)人機(jī)的整機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行非定常數(shù)值模擬，并分析該飛行器的氣動(dòng)特性[9]；BARCELOS 等采用了一種先進(jìn)的勢(shì)流法對(duì)四旋翼飛行器的小旋翼間的氣動(dòng)干擾及其對(duì)整體飛行性能的影響進(jìn)行研究[10]，通過(guò)將懸停和前飛時(shí)的推力和功率預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了氣動(dòng)分析方法的有效性；MARCIN 等對(duì)旋翼機(jī)主旋翼對(duì)旋翼機(jī)機(jī)身和尾翼的靜穩(wěn)定性帶來(lái)的影響進(jìn)行了分析研究[11]。

但是，人們對(duì)于四旋翼無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)分析研究依然較少。本文采用數(shù)值模擬法，通過(guò)滑移網(wǎng)格和MRF 的組合模型，對(duì)某四旋翼無(wú)人機(jī)處于懸停狀態(tài)時(shí)的氣動(dòng)特性進(jìn)行模擬仿真[12-13]，分析飛行器各部件間的相互干擾，討論各部件壓力、扭矩變化情況以及流場(chǎng)在飛行器周圍的變化等氣動(dòng)數(shù)據(jù)，可以為四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供幫助。

1 基本理論

1.1 研究方法

與傳統(tǒng)的固定翼飛行器和雙旋翼飛行器相比，四旋翼無(wú)人機(jī)部件眾多，各部件之間會(huì)產(chǎn)生更多的氣動(dòng)干擾。對(duì)于由此帶來(lái)的新難點(diǎn)，傳統(tǒng)的固定翼飛行器和雙旋翼飛行器的分析和研究方法已經(jīng)不能完全適用，因此對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行分析研究具有重要意義。

四旋翼飛行器研究方法主要分為理論研究法、數(shù)值模擬法和試驗(yàn)研究法。其中，理論研究法多用于研究的初始階段，無(wú)法對(duì)各部件之間的相互干擾進(jìn)行精確的計(jì)算。采用試驗(yàn)研究法，雖然可以通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得出精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間和造成材料浪費(fèi)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬法逐漸成熟。這種方法實(shí)驗(yàn)成本較低，通過(guò)對(duì)參數(shù)調(diào)整設(shè)置，可以完成對(duì)各種環(huán)境下飛行器的模擬仿真。

1.2 數(shù)值方法

選擇Navier-Stokes 方程作為流場(chǎng)的控制方程，N-S 方程表達(dá)形式如下：

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 飛行器模型處理

四旋翼飛行器是一種多旋翼飛行器。飛行器整體采用對(duì)稱式布局設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速而獲得飛行器所需要的合力，從而完成對(duì)飛行器飛行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

本文主要研究四旋翼飛行器的氣動(dòng)特性。為研究方便，刪除對(duì)其氣動(dòng)特性影響較小的攝像頭部件，對(duì)飛行器的起落架結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充處理，對(duì)4 個(gè)電機(jī)進(jìn)行模型上的簡(jiǎn)化處理，最終飛行器幾何模型優(yōu)化處理后的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.2 計(jì)算模型選擇

計(jì)算域模型包括MRF 模型、滑移網(wǎng)格模型和混合面模型等。其中，MRF 模型是最簡(jiǎn)單的，也是最經(jīng)濟(jì)的模型[14]。本次模擬仿真過(guò)程中，穩(wěn)態(tài)選擇MRF 模型，旋態(tài)選擇滑移網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算。MRF模型將各個(gè)計(jì)算域相互隔離，對(duì)每個(gè)計(jì)算域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行獨(dú)立求解分析，并通過(guò)在交接面處設(shè)置的兩層interface 面完成相鄰計(jì)算域之間的信息交換。

2.3 網(wǎng)格劃分

因?yàn)轱w行器的4 個(gè)旋翼進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而飛行器的機(jī)身處于靜止?fàn)顟B(tài)，將整個(gè)流場(chǎng)分為包含機(jī)身在內(nèi)的1 個(gè)靜域和包含各個(gè)螺旋槳的4 個(gè)動(dòng)域。為了降低計(jì)算要求，加密內(nèi)域（包含4 個(gè)螺旋槳的計(jì)算域）的網(wǎng)格，稀釋外域的網(wǎng)格，最終得到的飛行器網(wǎng)格總數(shù)為45 萬(wàn)，滿足計(jì)算要求。

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)參數(shù)輸入設(shè)置，對(duì)該四旋翼無(wú)人機(jī)飛行器在旋翼轉(zhuǎn)速為6 000 r·min-1、無(wú)人機(jī)處于空中懸停狀態(tài)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖2 ～圖6 所示。

數(shù)據(jù)迭代至1 400 步后，螺旋槳升力曲線趨于收斂，升力收斂至25 N，螺旋槳力矩曲線收斂至 10-3N·m，與實(shí)際值相一致。從數(shù)值模擬結(jié)果的速度云圖來(lái)看，各個(gè)旋翼上的速度分布從兩邊向中間逐漸遞減。整個(gè)無(wú)人機(jī)以對(duì)稱平面為截面劃開(kāi)，可以看見(jiàn)在螺旋槳下方有兩個(gè)明顯的速度高速區(qū)形成，流線通過(guò)螺旋槳葉片后速度發(fā)生改變（流線顏色的改變）。

通過(guò)滑移網(wǎng)格對(duì)該無(wú)人機(jī)處于懸停狀態(tài)時(shí)進(jìn)行瞬態(tài)分析，可以看到在螺旋槳旋轉(zhuǎn)過(guò)程中無(wú)人機(jī)機(jī)身上的壓力分布呈現(xiàn)出周期性的變化規(guī)律。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用了一種基于滑移網(wǎng)格模型和MRF 模型的數(shù)值模擬方法，分析并計(jì)算了某四旋翼無(wú)人機(jī)處于空中懸停狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)時(shí)的速度和壓力分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果有較好的一致性，證明了采用基于滑移網(wǎng)格模型和MRF 模型的數(shù)值模擬方法的正確性，可以為該無(wú)人機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供支持，并為四旋翼無(wú)人機(jī)前飛和起落等其他過(guò)程的實(shí)驗(yàn)?zāi)M提供新思路。