无人机螺旋桨气动性能实验与数值模拟仿真研究

发布时间：2017-08-02 19:26

  本文关键词：无人机螺旋桨气动性能实验与数值模拟仿真研究

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【摘要】：从无人机诞生至今已有将近一百年的历史。随着航空事业和科学技术的发展,无人机的优点日益凸显,它可完成载人飞机无法完成的高危任务,同时还具有低成本、低损耗和高机动性能等诸多方面的优势。在无人机中,螺旋桨无人机以其低油耗、低成本、经济型的特点越来越受到人们的关注。螺旋桨作为无人机动力装置的组成部分,其气动性能是影响无人机整体性能的重要因素。因此,本文通过对螺旋桨实体建模,以进行数值模拟仿真计算获得螺旋桨的性能参数,并建立实验装置对模拟结果进行验证。本文首先利用逆向工程分析方法对螺旋桨进行三维建模:使用ATOS光学测量仪器对螺旋桨模型进行扫描测量,使用Imageware模块进行点云处理,导入UG实现从点云到曲线到曲面的过程,从而得到螺旋桨的三维模型。本文使用Icem软件对螺旋桨及其周围空气域进行网格划分,采用了对螺旋桨旋转区域使用非结构化网格,对螺旋桨周围空气流域使用结构化网格相结合的方法,在保证精度的同时提高了模拟计算的收敛速度。对于螺旋桨的旋转,本文采用的是多参考坐标系模型(MRF)进行数值模拟。网格生成后,使用STARCCM+软件对螺旋桨模型进行流场分析计算,利用迭代方法对网格节点物理量进行求解,直至残值收敛,从而获得螺旋桨的气动性能参数值。研究结果表明:在螺旋桨转速一定时,螺旋桨的拉力(推力)随着迎风风速的提高而降低;在螺旋桨的迎风风速一定时,螺旋桨的拉力(推力)随着螺旋桨转速的增加而增加。为验证数值模拟的准确与否,搭建了推进器实验系统装置。该实验系统可以测量螺旋桨的转速、拉力、扭矩、功率以及无人机机身风阻。将实验测量结果与螺旋桨数值模拟结果相比较,结果表明,利用螺旋桨的数值建模计算结果与实验测量结果基本吻合,用实验的方法验证了数值模拟模型的正确性。总体来看,模拟计算得出的拉力稍微大于实验测得的结果,其原因是实验装置中螺旋桨与发动机组成的动力装置在实验台上滑动时存在摩擦阻力。本文通过使用建立的数值模拟方法,分析螺旋桨表面边界层的压力场,流场以及温度场分布,研究了螺旋桨性能变化。此外,本文对不同海拔高度的螺旋桨性能进行了预测,得出随着海拔高度的增加,螺旋桨推力显著降低的结论。
【关键词】：无人机 螺旋桨 建模 气动性能 数值模拟
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V279
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-12
• 字母注释表12-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 研究背景13-18
• 1.2 航空用螺旋桨研究方法及现状18-22
• 1.3 本文的主要研究内容22-24
• 第二章 无人机螺旋桨建模及数值计算理论基础24-38
• 2.1 无人机螺旋桨CAD建模24-34
• 2.2 螺旋桨数值计算模型34-36
• 2.3 数值计算方法36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第三章 实验系统搭建及实验原理38-47
• 3.1 实验系统的搭建目的38
• 3.2 推进器实验系统的搭建38-46
• 3.3 本章小结46-47
• 第四章 螺旋桨仿真计算及实验验证47-67
• 4.1 网格理论47-50
• 4.2 计算公式50-51
• 4.3 实验与计算结果对比分析51-57
• 4.4 叶素理论计算方法57-58
• 4.5 螺旋桨三维流场分析58-60
• 4.6 螺旋桨压力场分布规律60-61
• 4.7 螺旋桨温度场分布规律61-62
• 4.8 不同螺旋桨转速对推力的影响62-63
• 4.9 飞行高度对螺旋桨推力影响分析63-65
• 4.10 本章小结65-67
• 第五章 全文总结与展望67-69
• 5.1 全文总结67-68
• 5.2 工作展望68-69
• 参考文献69-72
• 发表论文和参加科研情况说明72-73
• 致谢73-74

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本文编号：610868