小型六旋翼飞行器的气动布局优化设计与试验研究

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随着小型多旋翼飞行器在各个领域的广泛运用,其材料和结构的设计也朝着轻量化和更加紧凑的方向发展。本课题选用小型六旋翼飞行器作为研究对象,通过CFD数值模拟分析和试验结果相互验证的方式对不同旋翼间距和不同速度的水平来流下小型六旋翼飞行器气动特性进行了分析,从而得到了整机最佳的气动布局,并通过自然来流风扰状态下小型六旋翼飞行器的试验和数值模拟结果分析得到了飞行器抗风扰特性,为小型六旋翼飞行器设计过程中气动参数的优化提供了研究方法。理论方面,针对具有普适性的旋翼气动力分析理论,将桨叶个数N和Prandtl因子对动量法和叶素法进行修正,完成了考虑空气流体粘性效应下的气动力理论计算,并得出修正的计算方法。通过明确空气流体粘性力影响以及旋翼之间的干扰特性,建立不同旋翼间距的空气动力学模型,分析旋翼之间干扰的影响。数值模拟方面,首先对单旋翼进行数值模拟计算和试验分析,验证小型六旋翼飞行器流场的数值模拟方法的可靠性和模拟精度,同时得到了单旋翼的升阻特性。在此基础上对不同旋翼间距和不同水平来流速度的小型六旋翼飞行器模型进行数值模拟计算。试验方面,完成小型六旋翼飞行器悬停状态和水平来流下的气动参数测量,结合数值模拟结果,对小型六旋翼飞行器进行气动特性分析。最终,综合试验结果和数值模拟结果证明D/L=0.56的气动布局方式为小型六旋翼飞行器最佳气动布局,具有较好的抗风干扰能力。最终结果如下:(1)该翼型具有较好的升阻比;(2)旋翼的气动特性随着雷诺数的降低逐渐降低;(3)旋翼之间的气动干扰作用确实存在,且旋翼间距越小气动干扰越大小型六旋翼飞行器的气动特性越差,旋翼间距过大时,小型六旋翼飞行器的气动特性也受到较大影响;(4)翼间距D/L=0.56时为小型六旋翼飞行器最佳的气动布局方式,此时小型六旋翼飞行器具备较高的悬停效率;(5)通过改变旋翼间距比的方法,可以提高小型六旋翼飞行器的气动特性;(6)水平来流的确会降低小型六旋翼飞行器的悬停效率,无来流的拉力对比在水平来流2.5m/s和4m/s的情况下推力下降的最大值为2.92%和4.04%;(7)较小的水平来流在一定程度上增加了涡流的相互耦合,提高了小型六旋翼飞行器的空气动力学性能;(8)小型六旋翼飞行器受到外界水平来流干扰时,可以适当降低旋翼转速,从而提高整机的抗风干扰能力。
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