<img height=\"1\" width=\"1\" style=\"display:none\" src=\"https://www.facebook.com/tr?id=445424938985795&ev=PageView&noscript=1\" />
 
 
 
 

 

 
 
 
+7 (812) 313-18-10 
 
 

Беспилотный летательный аппарат sUAS

CFD-моделирование беспилотного летательного аппарата sUAS и корреляция натурных испытаний в аэродинамической трубе

Автор - инженер-исследователь Харш Шах, Национальный институт авиационных исследований, Уичитский государственный университет

 

Существует уникальный класс дронов - небольшие беспилотные воздушные системы или sUAS (small unmanned aerial systems). Эти беспилотники имеют максимальную взлетную массу 25 кг, включая полезную нагрузку. Они также могут летать со скоростью до 161 км/ч.

Эти типы беспилотников становятся очень популярными для коммерческого использования, например, для аэрофотосъемки в сфере недвижимости; для проверки опор линий электропередачи и сотовых вышек. Они даже тестируются на возможность использования в целях доставки посылок такими компаниями, как Amazon и UPS.

NIAR (Национальный институт авиационных исследований в Университете штата Уичито) решил разработать sUAS для демонстрации данной технологии, а также, чтобы доказать компетенции Университета в разработке и производстве данного класса дронов. NIAR сформировал проектную спецификацию на разработку дрона с максимальной взлетной массой - 25 кг,  который может летать со скоростью до 80 км/ч в час. Для вертикального взлета (VTOL) использована электрическая тяга. Для горизонтального полета - двигатель внутреннего сгорания. Параметризированная 3D-модель претерпела многочисленные изменения, которые были внесены с целью оптимизации аэродинамических характеристик крыльев. Ниже пойдет речь о крайнем варианте конструкции и полученных аэродинамических характеристиках sUAS.

Уменьшенная модель дрона была изготовлена с использованием технологий аддитивного производства в масштабе 1:3. Затем модель испытывали в аэродинамической трубе NIAR Walter H. Beech. Было проведено сравнение результатов CFD-анализа с результатами испытаний в аэродинамической трубе. Кроме того, был проведен сопряженный CFD-термический анализ, чтобы оценить эффективность воздушного охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Результаты подтвердили эффективность системы воздушного охлаждения двигателя, которая используется в sUAS

 

Данная публикация является переводом cтатьи, опубликованной в журнале Engineer INNOVATION. Автор перевода - Дмитрий Евстратов, специалист IDEAL PLM по вычислительному моделированию. Приятного прочтения!

 

 

Аэродинамический дизайн sUAS был основан на следующих требованиях заказчика:

  • бесхвостовая, многовариантная конфигурация,
  • возможность выполнять поисковые и спасательные миссии и сбрасывать груз до 2,26 кг, при этом скорость должна достигать 80 км/ч,
  • продолжительность полета не менее пяти часов,
  • максимальная взлетная масса 25 кг выбрана по причине необходимости соответствовать стандарту FAA Part 107.

Программное обеспечение для проведения CFD-анализа Simcenter FloEFD использовалось для аэродинамического проектирования беспилотника sUAS. FloEFD имеет существенные преимущества по сравнению с другими CFD-кодами. Его встроенные CAD-инструменты позволяют автоматически обнаруживать области течения жидкости и устраняют необходимость изменять (идеализировать) геометрию. Таким образом, сокращается время проработки нескольких вариантов конструктива.

Гекса-сетка с применением технологии контрольных объемов позволяет быстро создавать сеточные модели для геометрии любой сложности. Было проведено параметрическое исследование конструкции для различных аэродинамических профилей, углов охвата и углов атаки с целью оптимизации аэродинамических характеристик и достижения стабильной конфигурации.

FloEFD основан на модели Favre-Averaged Navier-Stokes. Основные уравнения дискретизируются с использованием метода конечных объемов. В этом исследовании использовался решатель Pressure-based. Он основан на неявной схеме с точностью второго порядка пространственных производных и точностью первого порядка по времени. Использовалась модифицированная модель турбулентности k-ε, т.к. поток был полностью турбулентным. 

Гексаэдральная сетка, использованная в этом исследовании, показана на рисунке 1. Распределение давления и контур числа Маха показаны на рисунке 2.

Модель аэродинамической трубы была напечатана в 3D-формате из PC-ISO на принтере Fortus 400. Дрон был напечатан в масштабе 1:3, т.к. этот масштаб соответствует максимальным габаритам модели, воспроизводимым данным принтером.

Испытание проводилось в аэродинамической трубе NIAR Walter H. Beech. Это дозвуковая, закрытая, возвратная система атмосферного типа с испытательным сечением 7 × 10′ в поперечном сечении. Поддерживающая конструкция - это жало с встроенной системой балансировки. Модель, закрепленная на жале показана на рисунке 3.

CFD - моделирования проводилось в крейсерских условиях (скорость = 80 км/ч, число Рейнольдса ≈ 750 000). Пограничные слои были разрешены с использованием подхода Modified Wall Functions в FloEFD.

Доступны три метода:

1) метод тонкого пограничного слоя, основанный на методе интегрального пограничного слоя,

2) толстый пограничный слой, основанный на профиле скорости Ван Дриста, 

3) гибрид, который объединяет метод тонкого и толстого пограничного слоя.

Для этого исследования использовался метод тонкого слоя и гибридный. Сравнение результатов численного моделирования с результатами эксперимента показано на рисунках 4 и 5. Из рисунка 4 видно, что погрешность в результатах крайне мала для углов атаки от -10 ° до 5 ° с использованием метода тонкого пограничного слоя. 

 
 

 

 
 

Этот подход также хорошо подходит для оценки характеристик для различных углов бокового скольжения, как видно на рисунке 5. Гибридный метод моделирования пограничного слоя показал лучшие результаты в прогнозировании подъемной силы при больших углах атаки. Прогнозирование сопротивления при более высоких углах атаки требует дальнейшего изучения, поскольку было выявлено значительное отклонение от теста.

Тепловой анализ двигателя внутреннего сгорания sUAS был вторым направлением CFD-анализа. Для того, чтобы повысить эффективность охлаждения двигателя, был произведен термо-анализ с учетом сопряженного теплообмена (CHT). Анализ CHT основан на совокупности теплопроводности (закон Фурье, закон охлаждения Ньютона) из-за проводимости тепла в твердых телах и конвективного теплообмена в жидкостях (уравнения Навье-Стокса). Возможность сделать это в Simcenter FloEFD предоставляет мощный инструмент для инженера-проектировщика там, где обычно с подобной задачей мог справиться только специализированный CFD-расчетчик. Сравнение распределения температуры в двигателе в сборе с воздуховодами и без них показано на рис. 6.

Снижение максимальной температуры двигателя на 17% достигается с помощью воздуховодов и вентиляционных отверстий, встроенных в сборку. В целом, FloEFD отлично себя показал и был ценным инструментом при разработке демонстрационных sUAS для NIAR. FloEFD позволил провести исследование множества различных вариантов конструкции как по аэродинамическим характеристикам, так и с точки зрения охлаждения двигателя. Simcenter FloEFD зарекомендовал себя как надежный инструмент, и используется во многих текущих проектах.

 

 

 

 Вопросы по FloEFD

 

Вопросы по статье "Беспилотный летательный аппарат sUAS"






* Поля, отмеченные звездочкой, обязательны для заполнения

Нажимая на кнопку "Отправить", вы даете согласие на обработку своих персональных данных

 

 

Адрес

Кондратьевский пр. 15, корп. 3.
б/ц “Фернан Леже”,
офис 319

Время работы

Пн - Пт
10.00 - 18.00

       

Телефон

+7 (812) 313-18-10  

E-mail 

contact@ideal-plm.ru

 

Заказать звонок

Мы позвоним
в рабочее время

Позвоните мне
Нажимая на кнопку "Заказать звонок", вы даете согласие c Политикой обработки персональных данных
Спасибо,

Спасибо! Заявку получили, сейчас позвоним.

Подождите,

Ваша заявка обрабатывается!