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四轴垂直起降喷气式无人机气动数值仿真

姚柏强 陈赛旋

姚柏强, 陈赛旋. 四轴垂直起降喷气式无人机气动数值仿真[J]. 上海工程技术大学学报, 2023, 37(2): 173-178. doi: 10.12299/jsues.21-0315
引用本文: 姚柏强, 陈赛旋. 四轴垂直起降喷气式无人机气动数值仿真[J]. 上海工程技术大学学报, 2023, 37(2): 173-178. doi: 10.12299/jsues.21-0315
YAO Baiqiang, CHEN Saixuan. Aerodynamic numerical simulation of four-axis vertical take-off and landing jet unmanned aerial vehicle[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2023, 37(2): 173-178. doi: 10.12299/jsues.21-0315
Citation: YAO Baiqiang, CHEN Saixuan. Aerodynamic numerical simulation of four-axis vertical take-off and landing jet unmanned aerial vehicle[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2023, 37(2): 173-178. doi: 10.12299/jsues.21-0315

四轴垂直起降喷气式无人机气动数值仿真

doi: 10.12299/jsues.21-0315
基金项目: 江苏省重点研发计划项目资助(BE2020082-3)
详细信息
    作者简介:

    姚柏强(1997−),男,在读硕士,研究方向为无人机、隧道检测机器人. E-mail:1148391254@qq.com

    通讯作者:

    陈赛旋(1989−),男,讲师,博士,研究方向为机器人运动学与动力学、仿生机器人.E-mail:chensx499796981@126.com

  • 中图分类号: TH122

Aerodynamic numerical simulation of four-axis vertical take-off and landing jet unmanned aerial vehicle

  • 摘要: 基于无人垂直起降飞行器对高机动性、高负载、高动态响应的严苛要求,设计一款四轴垂直起降喷气式无人机. 根据流体力学三大基本方程以及湍流$ k-\varepsilon $方程对气动数值仿真模拟,确定无人机飞行时外部流场计算域. 利用ICEM CFD软件对外部流场进行混合式非结构化网格划分,在Fluent求解器中设置流场边界条件,以湍流模型为基本模型,对无人机整机进行气动性能进行模拟并求解,得到无人机各部分表面的阻力系数、流速分布图、压力分布图和湍流动能图. 对其进行气动特性分析,得出无人机上表面顶部、尾部、下表面头部以及喷气支架处存在动能损耗较大、阻力系数较高的问题. 根据仿真结果,对无人机上述部位进行气动造型优化,结果表明,无人机总阻力系数由原来的0.165减小至0.121,有效改善了无人机表面压力、气流流速和湍流度. 优化后气动特性更加优良,气动造型符合设计理念.
  • 图  1  无人机整体结构图

    Figure  1.  Overall structure diagram of UAV

    图  2  无人机整机简化模型

    Figure  2.  Simplified model of UAV

    图  3  无人机计算域示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of UAV computing domain

    图  4  无人机气动流场网格图

    Figure  4.  Grid diagram of UAV aerodynamic flow field

    图  5  无人机表面压力分布图

    Figure  5.  Surface pressure distribution diagram of UAV

    图  6  无人机流速矢量分布图

    Figure  6.  Vector distribution of UAV velocity

    图  7  无人机对称面湍流动能图

    Figure  7.  Turbulent kinetic energy diagram of UAV symmetric plane

    图  8  无人机造型优化图

    1—减小头部上缘迎风面的角度;2—无人机头部采用曲面形式;3—喷气支架采用封闭式设计代替镂空式;4—尾部下缩上缘部分,上下缘都采用曲面过渡.

    Figure  8.  UAV modeling optimization diagram

    图  9  优化后气动模拟云图

    Figure  9.  Optimized pneumatic simulation cloud image

    表  1  飞行器整机参数

    Table  1.   Parameters of the aircraft

    名称参数名称参数
    整机长度/m1.32整机质量/kg20
    整机宽度/m0.73前进飞行速度/(m∙s−110
    整机高度/m0.32单个发动机推力/kg21
    导流管旋转角度/(°)60有效载物质量/kg60
    最高飞行时间/min30上升飞行速度/(m∙s−12
    下载: 导出CSV

    表  2  无人机优化前后各表面阻力系数对比

    Table  2.   Comparison of surface resistance coefficients before and after UAV optimization

    仿真设计头部机身尾部喷管支架总计
    优化前 0.037 0.015 0.04 0.073 0.165
    优化后 0.018 0.012 0.031 0.06 0.121
    优化比/% 51.35 20 22.5 17.81 26.67
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2021-12-31
  • 刊出日期:  2023-06-20

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