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流体仿真在开放式无人机3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网领域的应用

放大字体??缩小字体 发布日期:2019-08-08 09:48:47 ??来源:安世亚太??浏览次数:1777??
核心提示:流体仿真在开放式无人机3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网领域的应用
? ? 微软的现任CEO萨提亚在他的《刷新》一书中提到,人工智能对人类的意义在于,我们不应将人工智能视为“人工的”东西,而是应该把它看成是用来增强人类能力的智能。
? ? 其实这个逻辑用在很多场景中有着异曲同工的呼应感,不仅仅是人工智能是用来增强人类能力的,在设计中,仿真软件也在发挥着增强人类驾驭复杂情景的能力,帮助人类实现一些令人“脑洞大开”的创新。
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? ? 要论3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网技术中的“脑洞大开”,开放式3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网(OAM)让人过目不忘,其核心思想是亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网系统的体积不受构建物体体积大小的限制,执行构建的“亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网头”不受空间位置限制,同时保持极高的亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网精度,实现大尺寸构建的3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网直接成型。德迪创造性地将无人机作为亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网喷头的载体,配备持续性的供料系统,适用于大型建筑、太空设备、海底建筑等场景。
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? ? 开放式3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网可以将民用无人机与3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网技术进行完美融合,采用全新设计的3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网专用无人机作为喷头载体,完美解决常规3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网设备尺寸的限制。开放式 3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网理论上不受亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网地点、高度、成型尺寸等限制,具有高度的尺寸自由和设计自由性能。
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? ? 虽然我们还并不清楚无人机3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网的商业前景与潜力,但是通过开放式3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网中流体仿真的学问,我们可以感受到仿真是如何来增强设计能力的。
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QQ图片20190808094532
图片:德迪智能无人机3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网
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? ? 在一般的开放式亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网中,流体仿真能够解决的问题很多,主要与亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网工作时使用的原料及工作环境相关。
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? ? 本文中我们关注的无人机3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网主要以混凝土等半流质的材料为原料,在3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网工作中, 充满了各种挑战,譬如说材料从亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网头挤出后质地比较软,不能马上凝固,且外形容易受到外界强气流的影响而发生变形。而由于在螺旋桨正下方区域,高流速区域的覆盖范围很高,需要考虑较高的风速对已经亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网好的模型部分产生较大作用力的问题。
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? ? 这些复杂的挑战依靠人的试错经验来解决是昂贵且很难以实现的,这时候流体仿真就发挥了重要的作用。
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仿真内容
? ? 本文作者通过某一型号的涵道无人机模型,仿真分析其在开放空间中飞行时的流场,分析亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网喷头附近的风速分布情况。针对当前选用的螺旋桨在不同转速下的升力范围,研究有无起落架对螺旋桨升力及亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网喷头附近风速分布的影响。
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针对本3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网无人机机型,流体仿真主要关心以下几个问题:
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- 原旋翼加上现有涵道设计后不同转速时侧向力的变化;
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- 研究规定螺旋桨尺寸,不同转速时无人机的升力范围;
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- 现有的两个旋翼在一个涵道中的设计,在同一涵道中的两个旋翼在工作时是否会相互干涉。
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? ? 现有的无人机模型如图1所示,包含六个旋翼、保护罩、机臂,以及起落架、支架、平台、亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网喷头等装置。
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图1:无人机模型图,来源安世亚太
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图2:计算域示意图,来源安世亚太
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? ? 仿真分析无人机在开放空间飞行时的流场,需要选取足够大的空间作为流体计算域(如图2所示),以消除计算域边界的存在对无人机流场的影响。考虑到无人机在飞行时,旋翼驱动产生的流动方向主要是上下方向的,因此选用圆柱形的计算域空间,其半径为10m,高度方向为45m。
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图3:体网格XZ截面图,来源安世亚太

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图4:螺旋桨叶片的网格细化图,来源安世亚太
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? ? 本次计算使用四面体加棱柱层划分网格,在螺旋桨叶片等细小结构附近采用0.1到1mm的小尺寸捕捉曲率变化和接近率, 在螺旋桨叶片附近使用5层棱柱层网格以保证高速旋转时的流场计算精度。
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仿真结果
? ? 螺旋桨叶片使用MRF方法模拟其旋转,计算转速为4000RPM时的工况。
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QQ图片20190808094611
图5:4000RPM XZ截面速度云图,来源安世亚太

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图6:4000RPM YZ截面速度云图,来源安世亚太
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? ? 图5和图6分别为,该转速下XZ和YZ截面的速度云图,从图中可以看出,相同飞行状态下的无人机不同截面的气流场分布有较大的不同,这是由于无人机框架为轴对称而非中心对称所引起的现象。
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? ? 在无人机的框架作用下,旋翼上方的气流较为集中,为旋翼上方的气流被卷吸进入桨盘区域,并不像其他无人机机型没有框架束缚,气流来自周围和上方。且在桨盘下方区域,此形式无人机的气流没有其他非涵道式无人机形式的发散现象。
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QQ图片20190808094643
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? ? 图8中Y=-0.4m处为两个旋翼在同一涵道中的状态,图9中Y=0.4m处为两个旋翼分别在一涵道中的状态。从以上两图对比可知,桨盘之间的干涉主要位于桨盘之下的区域。右图中两桨盘之间下部有一明显的低速区,而左图中两桨盘之间下部没有低速区的存在。这是由于桨盘之间若没有涵道壁面的阻碍,也会有气流被卷吸进涵道中,两边桨叶下的气流随着流动融合在一起,说明两个旋翼在一个涵道中气流会有相互扰动的现象。
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? ? 由于此无人机框架为轴对称而非中心对称,所以会产生力的不均衡分布,这种效应在飞行时会产生侧向力,可能会导致偏航,影响飞行时的稳定性。根据仿真的统计结果,对于此型无人机来说,不同转速下X和Y向的侧向力各有不同,这说明当转速发生变化时侧向力也在变化。虽然数值较小,但对于飞行状态的无人机来说,这会导致机体的不稳定,对控制和操纵都造成困难。
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? ? 综上所述,流体仿真的应用可以避免在开放式亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网的设计中出现不必要的资源浪费问题,起到到简化设计思路、缩短设计周期、提高设计效率的作用。
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—作者—
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李菁
? ? 安世亚太流体咨询专家,航天工程专业,硕士学位,4年数值仿真经验,涉及高超声速、多相流、颗粒物、燃烧、传热分析等多个领域,目前主要参与多个增材设备流体仿真分析项目,积累了大量3D亚博体育竞技二打一--任意三数字加yabo.com直达官网设备流体优化经验。
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【本文仅代表作者看法,如有不同观点,欢迎添加三迪时空微信公众号(微信号:sandishikong)进行讨论交流。】
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