风扰动的影响在一个Quadrotor飞行器的空气动力学性能在盘旋

文摘

风扰动会使推力和功率变化,甚至引起辊很难维持一个稳定的飞行在阵风特别是在水平或垂直风。在本文中,提出了水平风和垂直风的影响研究风干扰气动特性的quadrotor飞机盘旋的实验和数值模拟。首先,空气动力学简化模型与详细风扰动进行了分析。同时,进行了低速风洞试验获得的推力和权力变异quadrotor飞机旋翼间距比 - - - - - -1.8在两个水平和垂直的风与旋转速度从0 - 5 m / s 1500 - 2300 rpm。最后,模拟执行利用计算流体动力学(CFD)软件ANSYS研究quadrotor的流场分布与风扰动的影响。实验结果和仿真结果的比较表明,quadrotor达到更好的空气动力性能与转子推力大、功耗小间距的比例 。此外,quadrotor可以有效地抵抗水平风扰动,这将带来更大的动力负载quadrotor,特别是在2.5 m / s。然而,叶尖附近的漩涡向上移动和变形垂直风的影响,导致减少推力和quadrotor的空气动力学性能。

1。介绍

因为他们的发展,微型飞行器(小牛)已经广泛应用于军事和民用领域的柔性结构,稳定性好1- - - - - -4]。尽管小牛的许多优点,仍有许多挑战小牛的稳定和飞行效率的设计。当quadrotor飞机飞在城市地形、风速一般不超过5米/秒的飞行高度20米(5]。此时,不仅有强大的相邻转子之间的气动干扰,但也迎面而来的流的影响必须考虑。一般来说,风向的水平和垂直分量是更重要的在造成干扰。这些是推力影响的结果在张成的空间水平分量主要影响的飞机速度矢量和垂直分量影响攻角(6]。转子尾流的互感和漩涡之间的相互作用使醒来扭曲,伤口,打破当风干扰。因此,小牛将会向下运动流动紊乱,导致额外的功耗。最终,风将构成与推力小牛和影响飞行效率和功率变化。正因为如此,一个rotor-wing飞行器消耗更多的能量比固定翼飞行器具有相同的质量。然而,适当的转子安排有利于降低功耗,甚至提高飞行推进系统的效率,尤其是当风扰动在这种情况下。

目前,小牛的研究主要集中在轨迹跟踪和姿态控制。其中一些涉及电力需求或气动特性。轨迹跟踪和姿态控制,Ha et al。7- - - - - -10]提出了轨迹跟踪方法和避碰multicopter基于几何关系,但只有温和的风(3.4 m / s, 5.4 m / s)被认为是外部动荡在这个算法。为所需的任务通过各种地形高度较低,稳定性和控制,气动性能和耐力在实现拟定的航班提供重大挑战。因此,对于电力需求,盛et al。11- - - - - -13)开发了一个稳态控制和优化方案以最小能耗的数学模型的基础上电动变距螺旋桨给增强飞行器滚转控制。在[14],quadrotor螺旋桨的blade-flapping响应进行了分析,以确定螺旋桨的气动力矩作用的风。然而,只有实验涉及在一个孤立转子产生的风场一组球迷与脉动风速。空气动力特性,穆罕默德et al。15]研究了气动特性的小牛在建筑周围的风湍流条件下配置的计算流体动力学(CFD)方法。小牛的CFD应用仅限于该地区附近的建筑。Lei和王16,17]分析了气动性能和流场特征的quadrotor-MAV实验和数值模拟。这是建立转子踱来踱去 (是转子间距相邻转子的中心,然后呢转子的半径)是一个更大的推力和较小的力量被认为是最好的空气动力配置quadrotor盘旋。黄等。18]研究后交互的quadrotor盘旋,并通过数值模拟向前飞行。它证明了一个适当的CFD方法能够预测风建筑的小牛在城市环境。阮et al。19,20.]分析了quadrotor飞行器的升力系数和阻力系数由风洞试验证明其能力减弱外部扰动如狂风。

根据上述研究,了解湍流影响气动性能和能耗,值得分析推力和功率变化的飞行效率与小牛之间的关系。特别是,表演的流场分布和转子之间的气动干扰进一步复杂化风扰动导致涡旋转子的变形和运动唤醒这需要进一步解决。本文的主要目的是研究风对推力的影响和功耗quadrotor徘徊在不同转子安排,这可能提供适当的控制策略为未来研究的建议。

本文的结构组织如下:在部分2空气动力学模型,建立了quadrotor细节。节3、推力和功耗进行了分析通过一个专门设计的实验平台。节4执行,CFD模拟研究quadrotor的流场特征。最后,部分5给出了结论。

2。理论分析

2.1。空气动力学模型Quadrotor

quadrotor飞行器的流场图所示1。邻转子顺时针和逆时针旋转,所以转子的转动所产生的转矩是抵消。quadrotor飞机可以实现垂直运动,球场上,滚,偏航和其他态度通过改变转速。在图1, , , , ,和推力,转速、比例系数,两个相邻转子的旋转中心之间的距离,和转子的直径。

没有风扰动,quadrotor可以被定义为的推力

2.2。转子风扰动模型

每个转子的飞行器将获得额外的推力与风扰动的影响。风扰动的转子模型图所示2。

总推力每个转子可以表示为(19] 在哪里空气密度和吗的面积是转子圆盘。 , ,和转子的诱导速度、风速和总诱导速度,分别。

进一步,总诱导速度可以转换为 在哪里和( )风速和转子轴之间的夹角和风向。显然,风垂直时 ,时,风是水平的 。

根据动量理论,是表示为

因此,来自各个方向的风可以分为水平和垂直组件。飞行器综合在一个风场,水平分量影响转子的速度矢量和垂直分量影响飞机的迎角。在这篇文章中,水平风和垂直风都是应用于研究风扰动的影响在表演的空气动力特性。风向图所示的图3。

通常情况下,风扰动环境通常是光空气(0.3 - -1.5米/秒),微风(1.6 - -3.3米/秒),和温柔的微风(3.4 - -5.4 m / s)当小牛的飞行高度低于20米(21]。因此,本文研究了风速不超过5米/秒。

为了研究转子间距对表演的空气动力性能的影响,间距比例定义的距离吗旋转中心之间的两个相邻转子和转子的直径如下:

在这种情况下,间距范围从1到2(转子的直径)。最低 设置为避免相邻转子的碰撞,和最大 设置为避免超大的飞行器从一个较大的转子间隔( )将导致长与体重分火头,证明不是有利于提高机动性与降低性能。

对于小牛来说,品质因数(FM)往往是晋升为描述转子悬浮的效率。在这篇文章中,调频可以定义如下21]: 在哪里转子的半径和吗 , ,和的推力系数、功率系数和扭矩。

同时,功率载荷(PL)可以用来评估quadrotor的空气动力学性能,提供如下:

调频和PL提出相关度量的转子系统所需的推力产生的力量。在设计汽车时,其目的是最大限度地飞行效率,能源需求最小化。这将给最好的耐力或有效载荷能力。

3所示。风洞试验

3.1。基本参数

摘要转子是由碳纤维制造直径400毫米。有两个转子叶片的总质量为0.015公斤。给出了转子概要图4和转子参数如表所示1在细节。特别,探索风的影响转子间隔在悬停quadrotor的空气动力学性能,转子速度是设定在2200 rpm作为其工作模式。在这种情况下,2200 rpm,作为一个适当的速度消耗的合理的能力以满足基本需求,选择在这个手稿发现转子最优间距。

3.2。实验装置

考虑到自然环境的正常风速一般不超过5米/秒,微风(1.6 ~ 3.3 m / s)和微风(3.4 ~ 5.4 m / s)选择进行风洞试验与quadrotor水平风和垂直风。低速风洞的开口式测试区( )蜂巢是应用于模拟自然风。一个沉降室连接风前测试部分描述输出。风生成有两个直径3米,45千瓦的粉丝。最高时速50 m / s可以实现在测试部分。然而,当前低雷诺数实验,测试速度是最大仅12.5 m / s。扩展风洞的风速计的流动特性进行了分析,从开放速度分布。本地的速度差异方法流喷嘴出口截面面积的不到1.3%。该微型飞机安装在试验装置可旋转一定的角度。因为风洞只生产水平风,对象被旋转90°风洞气流相对于垂直风的影响时quadrotor进行了研究。作为比较,空气动力性能的quadrotor无风扰动也是考验。 The experimental parameters are presented in Table2,实验装置如图的草图5。

如图5转子的表演是由直流无刷电机驱动的(模型:EM2835)和电机的转速可以通过脉冲宽度调制(PWM)控制从一个远程控制器。转速表(模型:dt - 2234 c,精度: )被用来测量转子的转速。转子的推力是由推力传感器(FS模型:CZL605精度:0.02%)。能耗计算电流和电压。最后,所有数据处理工作站通过数据采集卡。

实验误差的主要来源是转速的标准差和平均推力传感器的电压。典型值的标准差的推力是大约1%的平均值。在这项研究中给出的值的不确定性都计算95%置信水平。最后,根据Kline-McClintock方法(17),典型的无因次性能系数的不确定性, ,和FM是1.6%、1.5%和1.5%。

3.3。实验结果

无风扰动,假设一个孤立转子不受任何气动干扰,可相比之下,与转子quadrotor干扰资格转子的变化干扰,特别是推力变化和功耗。图6显示了推力的变化与功耗的表演与典型的转子间距与孤立转子在没有风干扰。

根据图6,很明显,quadrotor获得的推力超过四个孤立转子没有转子干涉。这表明适度的气动干扰相邻转子有利于增加表演的推力。此外,还有额外的功耗 ,转子的特点是强烈干扰所引起的振动。与转子间距的增加,表演获得更多的推力和降低能耗减少相邻转子之间的干扰。特别是可以看出表演有更好的空气动力性能的推力增加5.3%,在间隔比能耗减少4.6% 相比之下,在 。有趣的是,适度干预可能会提高性能没有额外的功耗。

图7显示了推力的变化quadrotor在水平和垂直风的影响 。

如图7表演的推力增加明显,水平风的影响,进一步增加随着风速的增加。尤其是达到最大增加13.21%至1700 RPM时水平风速为4.0米/秒。在这种情况下,转子干涉可能在某种程度上抵消风效应。然而,表演的主旨是减少垂直风扰动,特别是对于低转速(1500 RPM - 1800 RPM)。与推力在0 m / s相比,最大推力减少约9.89%和9.54%的垂直风2.5 m / s, 4.0 m / s。它表明,水平风倾向于有利于增加表演而垂直风的推力性能下降无序向下运动的转移以及垂直风。因此,只有当quadrotor较大的推力或更小的功耗,可以达到良好的空气动力学性能,因为它给更高的飞行时间和效率根据方程(7)和(10)。图8展示了权力变异在水平和垂直风的影响 。

从图8,它可以指出,能耗增加,水平和垂直风的影响尤其在4.0 m / s。这意味着quadrotor将消耗额外的电力来维持一个稳定的国家由于风速的增加。的水平风速为4.0米/秒,功率增量显著增加,7.29%在2100 rpm。此外,能耗明显降低为2.5 m / s较低转速范围从1500转到1800转,这表明可以有效地降低功耗quadrotor时保持在一个较低的转速与风扰动的影响。的最大功耗降低2.64%(水平风- 2.5 m / s)和3.11%(垂直风- 2.5 m / s)。结合结果图7,我们可以得出这样的结论:quadrotor取得更好的空气动力性能与推力大、功耗小的影响水平风在2.5 m / s。

的功率载荷quadrotor具有不同转子空隙和风速工作速度2200转图所示9。

如图9,它可以发现电力加载quadrotor是最低的 从1.1到1.2,增加显著。这是因为强烈的气动干扰相邻转子在小间距消耗更多的能量,导致性能下降的表演。同时,在风场功耗降低了PL而没有风干扰。此外,功率载荷进一步降低风速。另外,当转子间距比例大于 ( - - - - - -1.8),风速越小,功率载荷越大。特别是,quadrotor最大动力负载水平风2.5 m / s 。这证明了quadrotor间距比时获得最佳的空气动力学性能 ,这使得quadrotor获得更多的推力而消耗更少的能量。

图10显示调频的表演具有不同转子空隙和风速2200 RPM的工作速度。

在图10,一个更大的FM与间距比观察从1.6到1.8,这表明,转子的一部分干扰抵消风效应,获得更好的悬停效率。尤其是调频达到最大值0.336水平风为2.5 m / s ,这表明表演有最好的悬停效率。此外,FM quadrotor是最小的小转子间隔 这是一样的PL变化之间具有强烈的气动干扰相邻的转子。

4所示。数值模拟

4.1。CFD设置

本文应用ANSYS模拟的流场分布quadrotor系统悬停和风力扰动,以及仿真结果与实验结果比较,显示了表演不同的转子气动性能的安排和风力条件。表3显示了CFD的设置。

摘要sliding-mesh技术应用于求解转子的运动由于高度不稳定的性质在这个实验中流动。瞬变流动解算器,可调节时间步基于无量纲Courant-Friedrichs-Lewy条件(CFL)的数量少于一个用于所有模拟。时间步长年代与150000年代的步骤。在图所示的网格分布11。

计算域划分为一个圆柱体固定区域和四缸旋转区域,总规模约2000万个细胞。处理低雷诺数流动,使用多个层粘性边界的模拟,和马克斯元素指标低于0.8获取转子的流动细节提示和静止和旋转区域之间的接口。

在网格独立性的研究中,一个正式的网格独立研究表明结果已经达到网格独立状态。网格独立研究显示如下:(1)上运行初始模拟的初始网格,保证收敛残留误差为10⁴;监控点是稳定和不平衡的低于1%。(2)一旦我们遇到上面的趋同标准为我们的第一次模拟,网是全球精炼,这样我们有更精细的细胞在整个域。通常,我们将目标初始网格大小的1.5倍。运行仿真,确保剩余误差低于身手,尤其监视器点稳定,失衡是低于1%。

此外,实验结果和仿真结果的比较如图12。它可以发现推力系数的比较和功率系数实验和仿真表明,他们通常是在良好的协议,验证了仿真的有效性。

4.2。数值模拟结果

与典型的转子速度分布的quadrotor无风扰动间距为2200 rpm如图13。

如图13,可以发现,有一种强烈的相互诱导下洗流之间的相邻的转子 ,这可能增加功耗结合实验结果在图吗6。与转子间距的增加,相邻之间的气动干扰转子逐渐减少。尤其是,这空气动力干扰转子间距比时几乎消失了 。弱者之间的气动干扰相邻的转子 可能会带来更大的推力或更小的功耗。

没有狂风相比,转子之间的气动干扰将变得更加复杂和更强的风扰动的影响。相邻的转子之间的速度分布与风扰动quadrotor转子间距比例 如图14。

速度分布受横向风数据所示(14日)和14 (b)。没有风相比,很明显,转子随风的下洗流和转子之间的交互与水平风力加强。这是在高风速更明显,这对转子可能会带来更大的推力。如数据所示14 (c)和14 (d)介绍了垂直风时,可以看出原来的下洗流吹走没有风相比,显示出强烈的负面影响的空气动力性能quadrotor没有完成向下运动的形状。结合实验结果数据7和8,负面影响会显著降低推力表演,增加功耗的同时,特别是垂直风。

向下运动的速度流在不同的风力条件如图15。当无风扰动时,向下运动的速度流速逐渐随距离的增加而减小转子。与风扰动的影响,气流下洗流的速度波动在一定程度上,最后趋于稳定。此外,当 小于1.5,水平风的quadrotor获得更高的向下运动速度比垂直风可能会增加quadrotor抵制风扰动的稳定性(是 - - - - - -轴是垂直的平面旋转转子,和转子的半径)。这或许可以解释为什么表演的推力水平风力明显增加,虽然降低了垂直风。随着风速继续增加,这种现象变得越来越明显。特别是,向下运动速度与水平风力达到最大值的影响 。此外,向下运动速度达到最小 因为垂直风的影响,这再次表明,垂直风将严重削弱quadrotor的空气动力学性能。

与风扰动的流线分布quadrotor图所示16。

从图(16日),可以发现,与常规涡流和流线分布是不对称的形成在叶尖当没有风干扰。如数据所示16 (b)和16 (c),很明显,下面的漩涡叶尖与卧式风力的影响消失。气流绕过成为向下运动的转子表面流在水平风直接作用于转子圆盘。它使气流下洗流转移与风和最终水平风混合。结合实验结果,可以推测为什么水平风可以带来更大的推力和quadrotor较小的权力。另外,随着水平风速的增加,流线分布变得更加清晰和向下运动之间的相互干涉流动变得更加明显。如数据所示16 (d)和16 (e)的漩涡垂直风力向上移动和变形的影响可能会导致能耗的增加和减少quadrotor推力。简化也从圆周轴向流流动。相比2.5 m / s,垂直风的漩涡继续向上移动,挤压和变形的垂直风的漩涡恶化4.0 m / s。这些可能的原因的功率加载和品质因数quadrotor较小的垂直风的影响,相比之下,没有风扰动和水平风干扰。

叶尖的纵向压力分布不同的风力条件如图17。

如图17,流场中的压力逐渐增加以及转子的表面。另外,转子获得更多的压差与水平风的影响,这可能会增加quadrotor的推力。然而,这种情况是相反的垂直风的影响,导致减少quadrotor空气动力性能。

进一步分析原因quadrotor不同的推力增加水平风扰动,特别是对转子转速为1700 RPM,叶尖的等压线图所示18。

从图18,很明显,负压显然是更大的面积在1700 RPM与其他转子速度相比,这对于quadrotor带来一个更大的推力。然而,正压力增加明显更高的转子转速2100转,因为强烈的气动干扰,导致一个较小的压差,从而降低quadrotor的推力。这个验证实验结果的推力quadrotor明显改善在1700 RPM水平风干扰。

的涡量分布quadrotor风力干扰 如图19。

如图(19日),没有风速的影响,转子的涡度是相互独立的,和涡度是一致的和常规的形状不互相干扰。如数据所示19 (b)和19 (c)可以看出,原始漩涡的形状被摧毁时介绍了横风。前面的唤醒和下洗流带来强烈干扰转子下游转子。随着水平风速的增加,空气动力干扰更强烈。如数据所示19日(d)和19 (e)垂直风的影响,转子上方形成的漩涡,漩涡开始移动和变形。结合实验结果,可以推测,这将影响表演的空气动力学性能,导致减少推力和转子的功率载荷。

5。结论

为了研究quadrotor飞行器的风对气动性能的影响具有不同转子安排,风洞试验和数值模拟都是执行。结论如下:(1)获得更多的推力通过适当的转子干涉与四个孤立转子。与转子间距小,气流下洗流和之间的交互之间的互感醒来非常强烈,导致推力损失和能耗的增加。也越来越间距比,quadrotor飞机的空气动力性能最好推力较大和较小的能耗尤其是 (2)相比之下,没有风,quadrotor推力的增加和水平风的影响很明显。特别是在2.5 m / s,水平风的推力增加了12%与2.6%的功率降低,表明quadrotor获得良好的风的阻力在2.5 m / s在水平风。然而,当垂直风介绍,表演的主旨是严重削弱推力减少10%左右,还表示,quadrotor可能需要控制补偿在垂直风性能下降(3)与垂直风扰动相比,在叶尖的漩涡形成更有可能被水平分散风扰动,这可能为quadrotor带来更好的空气动力性能。与垂直风的影响,最初的漩涡无风扰动向上移动和变形,使流线变化从圆周轴向流流动。这可能有负面影响的空气动力性能quadrotor,导致减少推力和功耗的增加

未来的调查将尝试研究quadrotor抗干扰的遥感平台已得到地面分辨率高、快速反应和模拟和现场测试。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

我们进行了实验,分析了实验结果;本产品模拟;HW手稿的协助下YL写道。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(批准号51505087),福州大学锦江科技、教育公园(2019 - jjfdky 59号)和福建省工业机器人基本组件技术研发中心(2014 h2004)。作者感谢重点实验室的流体动力和智能电液控制(福州大学),福建大学和福州大学锦江公园科学和教育应用实验场。

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