威奇托州立大学研究实验室使用 Simcenter FLOEFD 设计无尾无人机

　    借助 Simcenter 开展研究

　　小型无人机系统 (sUAS) 是一类独特的无人机，其更大重量（包括有效载荷）为 55 磅 (lbs.)，飞行速度限制在 100 英里/小时 (mph) 以下。这种类型的无人机在商业用途中变得非常流行，例如房地产航空摄影，以及检查电线杆和蜂窝塔。此外，亚马逊和联合邮政服务 (UPS) 等大型包裹递送公司正在调查无人机的使用。

　　位于堪萨斯州威奇托的威奇托州立大学的国家航空研究所 (NIAR) 最近设计了一个 sUAS 作为技术演示器，以突出 NIAR 在 sUAS 设计分析和制造方面的能力。NIAR 选择的设计规范是 sUAS 以 50 英里/小时的速度巡航，更大起飞重量为 55 磅。该无人机使用电力推进进行垂直起飞 (VTOL) 飞行，并使用带有推进螺旋桨的内燃机进行前飞。在参数化计算机辅助设计 (CAD) 模型上进行了多次设计迭代，以空气动力学设计机翼。

　　使用增材制造技术制造了三分之一比例的风洞模型，并在 NIAR Walter H. Beech 风洞中进行了测试。比较了计算流体动力学 (CFD) 结果和风洞试验结果。此外，还进行了耦合 CFD 热分析，以了解风冷内燃机的冷却性能。

　　结果表明，sUAS 的风冷内燃机的冷却性能有所改善。sUAS 的空气动力学设计受到以下利益相关者要求的启发：

　　无尾，多变配置

　　执行搜索和救援任务的能力，并放下 5 磅的有效载荷。并达到 50 mph 的巡航速度

　　5小时前飞续航

　　更大起飞重量为 55 磅。有资格获得美国联邦航空管理局 (FAA) 第 107 部分认证类别

　　图 1：sUAS 数值模型中使用的笛卡尔网格。

　　CAD 嵌入式功能可加快生产速度

　　NIAR 使用 Siemens Digital Industries Software 的 Simcenter™ FLOEFD™ 软件对 sUAS 进行空气动力学设计。NIAR 认为 Simcenter FLOEFD 提供了许多优于其他 CFD 代码的优势。其 CAD 嵌入式功能允许自动检测流体区域，无需修改或清理几何图形。因此，评估多个设计迭代的前置时间更短。浸入式笛卡尔网​​格允许快速构建任何复杂几何体的网格。

　　对翼型、后掠角和入射角以及二面角的不同组合的设计进行了参数化研究，以优化空气动力学性能并实现稳定的构型。

　　Simcenter FLOEFD 基于 FavreAveraged Navier-Stokes 模型。控制方程使用有限体积法离散化。NIAR 在本研究中使用 Simcenter FLOEFD 中基于压力的求解器。它基于具有空间导数的二阶精度和时间导数的一阶精度的隐式方案。流动被计算为完全湍流，并使用改进的 ke 二方程湍流模型。本研究使用的笛卡尔网格如图 1 所示。压力分布和马赫数等高线如图 2 所示。

　　图 2：速度 = 50 mph、攻角 = 0° 时的马赫数等值线和表面压力分布

　　风洞模型是在 Fortus 400 打印机中使用 PC-ISO 3D 打印出来的。它以三分之一的比例打印以适应打印机的限制。风洞测试在 NIAR Walter H. Beech 风洞中进行。它是一种亚音速、封闭返回和大气类型，测试部分的横截面尺寸为 7 英尺乘 10 英尺。模型配置是一个带内部平衡的安装支架。图 3 显示了带刺安装的模型。

　　图 3：速度 = 50 mph、攻角 = 0° 时的马赫数等值线和表面压力分布

　　CFD 模拟在巡航条件下进行（速度 50 英里/小时，雷诺数 750,000）。在 Simcenter FLOEFD 中使用改进的壁函数方法解析边界层。三种方法可用： 1）薄边界层法，基于积分边界层法；2) 厚边界层，基于 Van Driest 的速度剖面；3）混合，它结合了薄和厚边界层的方法。在本研究中，研究了薄型和混合型方法。数值结果与实验结果的比较如图 4 和图 5 所示。

　　检查图 4，可以看出 Simcenter FLOEFD 模拟结果与使用薄边界层方法的 -10 到 5 度攻角的风洞结果之间存在良好的一致性。这种方法也适用于侧滑角扫描，如图 5 所示。

　　图 4：升力、阻力和俯仰力矩系数的比较。

　　图 5：侧向力、偏航力矩和滚动力矩系数的比较

　　混合边界层方法改进了大迎角下的升力预测。较大角度的阻力预测需要进一步研究，因为与测试存在显着偏差。

　　sUAS 内燃机的热管理是 CFD 分析的第二个重点。进行共轭传热 (CHT) 分析以设计用于提高 sUAS 内燃机冷却效率的管道。CHT 分析基于固体传导引起的热传递（傅立叶定律、牛顿冷却定律）和流体对流引起的热传递（纳维-斯托克斯方程）。

　　“在 Simcenter FLOEFD 中执行此操作的能力为设计工程师提供了一个强大的工具，而这通常必须留给 CFD 分析师，”威奇托州立大学 NIAR 研究工程师 Harsh Shah 说。

　　图 6 显示了带有和不带有管道的发动机总成的温度分布比较。在总成中包含管道和通风口的情况下，发动机总成的最高温度降低了大约 17%。

　　“在为 NIAR 设计演示 sUAS 时，Simcenter FLOEFD 是一个有价值的工具，”Shah 说。“它允许对无人机的空气动力学设计以及优化内燃机的冷却策略进行多次设计迭代。Simcenter FLOEFD 是 NIAR 的首选工具，并已用于许多项目。”

　　图 6：有和没有管道的发动机总成的温度分布（流体和固体）比较。