小型旋翼无人机仿生降噪研究

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多旋翼无人机凭借其无人化、智能化和高隐蔽性在未来战场中占据重要地位。多旋翼无人机的隐蔽性直接影响监视和侦察任务执行的成败。为了提高多旋翼无人机的隐蔽性,需要进行降噪技术研究。在多旋翼无人机飞行过程中,旋翼高速运转,与空气紧密接触并产生剧烈的摩擦,是气动噪声的主要来源。现有的多旋翼无人机降噪技术主要从材料选型、转速调节和翼形优化等方面进行研究。近年来,随着仿生学的兴起和快速发展,为多旋翼无人机降噪提供了新的思路。本文受猫头鹰静音飞行的启发,借鉴猫头鹰经历自然进化形成的独特的羽翼外形特征,研究猫头鹰羽翼仿生结构在多旋翼无人机降噪方面的应用。论文主要研究内容如下:(1)分析多旋翼无人机气动噪声来源,建立旋翼气动噪声仿真计算模型。针对某型多旋翼无人机的小型旋翼进行三维建模,分析旋翼气动噪声数值计算理论,借助ANYSY/Fluent有限元软件分析旋翼流场分布和噪声特征,并提出多旋翼无人机旋翼气动性能及噪声评价指标。(2)研究猫头鹰羽翼仿生结构对无人机旋翼气动性能及噪声特性的影响。借鉴猫头鹰羽翼外形特征设计旋翼仿生结构,基于计算流体力学(CFD)分析尾缘锯齿和下表面凸起两种仿生结构旋翼的流场分布、气动性能和噪声特征等,研究仿生结构对于旋翼气动性能及噪声特性的影响。对比分析单一仿生结构与双仿生结构旋翼的气动性能及噪声差异性,探究两种仿生结构的兼容性,探索双仿生结构降噪方案的可行性。(3)构建基于动量-叶素理论的仿生旋翼气动性能计算模型。采用数值计算的方法分析尾缘锯齿结构对低雷诺数小型旋翼的升力的影响规律,定义尾缘锯齿结构仿生旋翼的等效结构参数,结合动量-叶素理论建立了尾缘锯齿结构仿生旋翼的气动性能计算模型,并采用实验研究的方法对所建的气动性能计算模型进行验证。(4)研究不同设计参数对于仿生结构旋翼气动性能及噪声特性的影响规律。按照单因素实验设计思路,研究单一仿生结构参数变化对于仿生旋翼气动性能及噪声特性的影响规律;按照多因素实验设计思路,设计正交实验,研究双仿生结构参数变化对仿生旋翼气动性能及噪声特性的影响规律,为双仿生结构旋翼优化设计提供参考。最后,将原型旋翼、单仿生旋翼和双仿生旋翼安装在无人机上,进行外场飞行实验,验证仿生结构旋翼降噪的有效性。
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