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垂直起降无人机涵道螺旋桨地面效应研究

周煜 陈伟政

周煜, 陈伟政. 垂直起降无人机涵道螺旋桨地面效应研究[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(6): 942-948 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0075
引用本文: 周煜, 陈伟政. 垂直起降无人机涵道螺旋桨地面效应研究[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(6): 942-948 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0075
ZHOU Yu, CHEN Weizheng. Research on Ground Effect of Ducted Fans of VTOL UAVs[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(6): 942-948. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0075
Citation: ZHOU Yu, CHEN Weizheng. Research on Ground Effect of Ducted Fans of VTOL UAVs[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(6): 942-948. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0075

垂直起降无人机涵道螺旋桨地面效应研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0075
详细信息
    作者简介:

    周煜:周 煜(1998-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为计算流体力学

  • 中图分类号: TJ85; V211.3

Research on Ground Effect of Ducted Fans of VTOL UAVs

  • 摘要: 近年来, 涵道螺旋桨作为一种性能优异的推进器被广泛应用于各种垂直起降无人机中, 但国内关于其地面效应的研究还较少。针对此, 文中使用了基于雷诺平均Navier-Stokes方程和多重参考坐标系的求解方法, 通过数值仿真分别计算了不同离地高度下, 3种不同桨叶数的涵道螺旋桨各部件所受力和力矩的变化情况。并结合计算流体动力学计算结果分析了气动特性变化机理, 结果表明在近地高度达到一定值时, 涵道螺旋桨的气动特性发生显著变化, 螺旋桨部分升力增大但涵道部分升力减小, 系统整体所受反扭矩增加。最终量化成升力系数、功率系数和品质因子的变化, 发现随着离地高度的降低, 功率系数明显增大, 涵道螺旋桨的升力系数和品质因子的变化与螺旋桨桨叶数有关。由此得到了地面效应对涵道螺旋桨气动特性影响的初步结论。

     

  • 图  1  Cypher I 与Cypher II 系列无人机

    Figure  1.  Cypher I and Cypher II series UAVs

    图  2  ISTAR 无人机

    Figure  2.  ISTAR UAV

    图  3  涵道螺旋桨模型示意图

    Figure  3.  Ducted fans model

    图  4  MRF方法示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of MRF method

    图  5  孤立螺旋桨旋转域

    Figure  5.  Isolated propeller rotation domain

    图  6  计算网格

    Figure  6.  Compute mesh

    图  7  边界条件设置

    Figure  7.  Boundary condition setting

    图  8  外流场网格分布情况

    Figure  8.  Grid distribution of outflow field

    图  9  静止域与旋转域交界处网格

    Figure  9.  Grid at the junction of stationary and rotating domains

    图  10  不同离地高度下涵道对称面处的流线和压力云图

    Figure  10.  Streamlines and pressure nephograms at the surface of symmetry of culverts at different elevations

    图  11  各部件升力随高度变化曲线

    Figure  11.  The lift of each component varies with height

    图  12  涵道螺旋桨反扭矩随高度变化曲线

    Figure  12.  The reverse torque of the ducted fan varies with height

    图  13  不同离地高度下涵道螺旋桨升力系数和功率系数变化曲线

    Figure  13.  Changes of ducted fan lift coefficient and power coefficient at different elevations

    图  14  不同离地高度下涵道螺旋桨品质因子变化曲线

    Figure  14.  Changes of ducted fan quality factor at different elevations

    表  1  涵道螺旋桨主要参数

    Table  1.   Main parameters of ducted fan

    项目数值
    桨叶数2.00
    浆叶直径/mm684.00
    桨壁间隙/mm6.00
    涵道高度/mm455.00
    涵道入口直径/mm812.00
    涵道出口直径/mm702.00
    桨盘处涵道内径/mm696.00
    面积比1.05
    展弦比1.52
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    表  2  不同转速下实验所得升力值与参考值对比

    Table  2.   Comparsion of the experimental lift value and reference value at different rotational speeds

    转速/(r/m)参考值/N计算值/N相对误差/%
    1 9632 5612 4195.54
    2 4053 5563 3804.95
    2 6964 3814 2493.00
    2 9745 2405 1701.33
    3 4016 9356 7662.43
    4 35310 81611 0902.54
    下载: 导出CSV

    表  3  3种不同网格密度及实验结果对比

    Table  3.   Comparison of three different mesh densities and experimental results

    网格
    密度
    旋转
    静止
    网格总
    升力
    /N
    扭矩
    /(N·m)
    4.70×1053.10×1057.80×105178.4−6.8
    1.65×1061.46×1063.11×106189.7−7.4
    2.81×1062.28×1065.09×106192.4−7.8
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-17
  • 修回日期:  2023-02-17
  • 录用日期:  2023-03-27
  • 网络出版日期:  2023-11-29

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