微型四旋翼气动布局

李晨霏，李战东，吴玥，孟醒，孙永朋

沈阳航空航天大学，民用航空学院

摘要

为研究不同旋翼间距对微型四旋翼飞行器气动性能的影响，通过仿真实验和数值模拟，分析了不同旋翼间距下微型四旋翼飞行器最大飞行速度和升阻比的变化规律。基于软件对不同翼型的螺旋桨进行建模，并对四组不同桨叶在相同设置下的气动分析，最终选用D型旋翼结构模型作为四旋翼中心轴线间距对气动特性影响分析的理论模型。在四旋翼机械结构的气动分析中，得到了四组不同间距下四旋翼的压力、速度分布情况，进而对四旋翼飞行器在不同旋翼间距下表现出的不同气动特性进行对比。

研究结果表明：D翼型的旋翼对于本研究中的四旋翼旋叶的气动性能有明显的优势，并且在旋翼间距为300mm时，四旋翼飞行器最大速度为155.485m/s，升阻比达到了4.23，具有良好的气动特性，是本论文研究范围内微型四旋翼系统的最佳气动布局。

关键词：四旋翼飞行器；气动布局；空气动力学；低雷诺数；CFD

1.引言

微型四旋翼飞行器是利用无线电遥控设备和自备程序控制装置操纵的不载人飞机，或由车载计算机完全或间歇地自主操作。近些年关于四旋翼间的气流干扰问题在国内外关注度均较低，且国内外相关文献研究主要集中在四旋翼飞行器的姿态和轨迹控制方面。文献[[1]]对四旋翼的旋翼与机身相互作用进行数值研究，对四旋翼飞行器进行悬停和前飞的数值模拟试验，发现悬停时旋翼间相互作用引起的入流比单个旋翼高，但没有得到直观的流场分布规律；文献[[2]]通过风洞试验研究四旋翼在均匀流场的气动特性，发现前飞时由于前旋翼对后旋翼的干涉作用，导致后旋翼升力系数明显降低。本论文主要研究微型四旋翼飞行器的四旋翼结构设计和气动性能分析，首先对单个桨叶进行建模及气动性能分析，分析数据得出最优桨叶，完成桨叶选型工作。采用SolidWorks软件建模技术，建立不同间距下四旋翼的机械结构模型。采用网格划分方法，获取四旋翼在流场运动时的三维网格，使四旋翼在AnsysFluent软件中实现旋转仿真，在进口流速一定的情况下，分析出不同间距下四旋翼模型的相对压力、最大速度及升阻比，进而研究不同间距下四旋翼的气动性能，并将结果进行分析比较。

2.基于SolidWorks对四旋翼的建模

微型四旋翼飞行器的流场是十分复杂的。为了对旋翼桨叶流场进行仿真计算，主要考虑翼型方面影响，本文中共列举了图1所示的四种不同翼型桨叶进行气动性能分析。为了减小仿真误差，将四种旋翼弦长统一设置为60mm，四种不同旋翼模型的尺寸，具体桨叶面积分别为：0.00425、0.00326、0.00261、0.00294/m²，同时将四种不同翼型的旋翼模型分别进行气动性能分析，依次对其进行内流场、外流场建模，网格划分，Fluent气动性能分析，表1列出了不同翼型旋翼气动性能，得出四组桨叶最大速度相差很小，旋翼飞行器旋叶所能提供的升阻力为重要指标，最终得到D翼型的旋翼对于本研究中的四旋翼旋叶的气动性能有明显的优势。

图1四种旋翼模型图

表1不同翼型旋翼气动性能表

翼型	最大速度(m/s)	升力系数	阻力系数	升阻比
A	159.9	0.379	0.009	42.11
B	157.7	0.243	0.007	34.71
C	160.4	0.208	0.005	43.87
D	162.1	0.143	0.003	47.67

为了确保D翼型旋翼在研究范围内气动性能最佳，结合四组速度云图与四组压力云图再次分析，分别如图2.1，图2.2所示。

图2.1四种旋翼速度云图

图2.2四种旋翼压力云图

微型四旋翼飞行器以旋翼作为主要的升力面、推力面和操纵面，这种独特的构型和旋翼驱动方式，更使其气动特征具有复杂的非定常特征，所以单个旋翼的气动性能对四旋翼的气动性能影响非常大。根据速度云图2.1和压力云图2.2所示的结合分析，我们得出，速度越大的地方，压力越小；速度越小的地方，压力越大。我们最终可以基本判定D翼型旋翼拥有较好的气动性能，所以选用D翼型旋翼结构模型作为四旋翼中心轴线间距对气动特性影响分析的理论模型。

研究微型四旋翼飞行器旋翼的流场及其气动特性必须排除机身对其流场产生的影响，所以本研究将其机身去除，只保留旋翼建模，将选定的D型旋翼将其分别以300mm、400mm、500mm、600mm的间距确定另外三个旋翼的位置，得到最终的四旋翼建模图。

目前对于悬停状态下，四旋翼间距对气动性能的影响较少，且无具体的数据结论分析。本论文以此为切入点，分析四旋翼中心轴线间距的大小对旋翼气动特性的影响，并得出一般四旋翼的最佳气动布局。四旋翼中心轴线间距的设定如图3.1所示。不同的旋翼间距使四旋翼间存在不同程度的干扰，且这种气动干扰较为复杂，要想获得四旋翼的最佳气动布局，需要借助CFD仿真模拟直观的流场分布规律，来进行实验数据对比。

3.数据处理与结论分析

相对压力表明了翼面在空气来流条件上下翼面相对于标准大气压的数值，最大速度表明在相同外界环境条件下，哪种间距的四旋翼翼面能够产生较大的速度。通过升力系数与阻力系数之比得到每种间距四旋翼模型的升阻比，对比数据可以看出四旋翼在哪组间距下翼面能够得到更大的升力。为了方便对比观察，截取单个旋翼的云图，综合三项数据并进行数据可视化处理，得出结论。

以下是以300mm间距的单个旋翼翼面的压力云图和速度云图为例。

图4..1旋翼间距为300mm的压力云图

图4..2旋翼间距为300mm的速度云图

从速度云图和压力云图中可以看出，根据伯努利原理，速度大的区域，压力越小，旋翼桨叶尖部呈现桨尖流线。桨尖压力大的区域，所产生的速度越小。并且在桨叶根部也可以看出少部分相对压力较大的区域。据此可以分析出，四旋翼每一个旋翼所产生的气动流线均呈现相同的态势，故旋翼间距必定会影响不同旋翼之间的干扰作用。

采用控制变量的方法，设定旋翼转速为2000转/分钟，入口空气流速5m/s以及其他外部条件下，四旋翼中心轴线间距对于产生的相对压力，最大速度以及升阻比三个方面综合分析，随着间距的不断增加，相对压力呈现上升趋势，最大速度呈现与相对压力相反的趋势，并且对于气动布局，升阻比随着旋翼间距的不断增加也呈现下降趋势。由此说明，随着旋翼间距的增加，气动特性逐渐递减。

图4.3四旋翼不同间距下的升阻比

图4.4四旋翼不同间距下的相对压力

图4.5四旋翼不同间距下的最大速度

通过对数据可视化的处理图进行观察比较分析，根据数据观察分析可得：在本论文研究的飞行器悬停状态下，四旋翼间流场的相互影响可以在一定程度上提高四旋翼的气动性能。但旋翼间的气动干扰越强，对四旋翼系统气动性能的提高作用越弱，因为旋翼间强烈的气流作用会导致系统的功耗加，降低功率载荷。但是随着间距不断增加，功耗也就越大，升阻比也就随之降低，气动性能反而降低。所以合适的旋翼间距对提升整机气动性能至关重要。

5.结语

旋翼间距为300mm为本论文研究范围内微型四旋翼系统的最佳气动布局。此时，旋翼间气流相互作用强，旋翼的上下表面压差最大，旋翼下方产生的涡流干扰虽然较大，但可以使得四旋翼系统获得较大的升阻比。

参考文献

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[[1]] 古训，郑亚利.基于 STM32 的微型四旋翼飞行器设计[J]电子世界.2019,(24)：

123-126.

[[2]]张鹏，王彬.基于 STM32 微型四旋翼飞行器设计与实现[J]今日自动化.2019,(2)：57-58.